基于Unity3D技术的新型消防报警仿真演练系统

周文龙

[摘    要]在信息时代消防报警实训的数字化、信息化已成必然。文章提出基于Unity3D技术的新型消防报警仿真演练系统的设计思路，开发该系统所用关键技术包括了LOD、优化三维场景、碰撞检测、网络通讯及动态加载，通过设计系统消防场景，实现该系统的理论培训、单兵模拟训练、在线考试、区情调研几个功能模块，证明本文设计该仿真演练系统的操作可行性。

[关键词]Unity3D;消防报警;仿真演练

[中图分类号]TM77 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）09–0–03

[Abstract]In the information age， the digitization and informatization of fire alarm training has become inevitable. This article proposes the design idea of a new fire alarm simulation exercise system based on Unity3D technology. The key technologies used in the development of the system include LOD， optimization of three-dimensional scenes， and collisions. Detection， network communication and dynamic loading. Through the design of system fire protection scenarios， several functional modules of the system are realized， such as theoretical training， individual soldier simulation training， online examination， and district situation investigation， which proves the operational feasibility of the simulation exercise system designed in this paper.

[Keywords]Unity3D; fire alarm; simulation drill

虽然近年来我国在消防领域加大了研发信息管理软件的力度，但是不论是在软件方面还是标准化方面，现有的工作依然有较大差距，尤其在计算机模拟训练系统研发上依然存在技术空白。随着虚拟现实技术在发展与创新中的逐渐成熟，可以将虚拟现实技术应用于消防报警演习中。如今在消防仿真演习中所研发应用的系统包括了Cult3D、VRML、Flash3D等，本文提出的Unity3D技术相较以上虚拟现实技术，能够达到更符合预期的高级渲染效果，并且具备支持用戶自主定制的技术优势，所以在消防仿真演练中十分适用。本次消防报警仿真演练系统研发，旨在能够加快消防报警的信息化建设进程，并提高我国的综合信息水平。

1 需求分析

通过汇集整理消防报警实训的相关内容，汇总分类主要包括了基础培训、在线考试、应用基础实训、勘察重点目标，相应的主要表现为3D动画、消防游戏、影视与格式化文本在线考试。因此本次研发基于Unity3D技术的新型消防报警仿真演练系统主要包括以下功能模块：

（1）勘察重点目标，勘察重点保护目标的单位结构及信息。

（2）进行基础培训，包括对消防理论基础知识点的培训。

（3）火灾实训模拟，包括若干个消防事故的实训。

（4）在线考试，包括了用户的在线考试及查分。

2 系统的总体架构设计

经3DS MAX成功建立系统化模型，以实拍和地形数据为依据，并付诸应用卫星影像数据，成功完成建筑、植被建模。在Unity3D

引擎内引入三维模型数据，编写脚本和局域网通信。本次系统设计主要结构包括五层，分别是表现层、应用层、驱动层、集成层和资源层（见图1）。

（1）资源层。提供调用系统的本地、网络资源信息。

（2）集成层。整合了系统的各类数据，可以转换系统资源数据为下一层可操作数据。

（3）驱动层。作为系统的技术核心层，也被称之为服务层，能够完成该系统的全部功能模块集成与常用封装，用于对专门信息的服务处理。

（4）应用层。实现驱动层的核心功能，包括基础消防项目的培训与实训，以及综合实训，能够在线考试。

（5）表现层。能够通过该平台实现人机交互，连接核心业务即可达到可视化管理。

3 系统技术实现

3.1 碰撞检测技术

虚拟现实技术主要包括交互性、沉浸性、想象性特征，能够整合声音、图像及动画资源，能够运用该技术经数字媒体模拟现实环境，向观察者传递信息，如今已经应用在仿真、影视制作、游戏等行业领域。虚拟现实技术达到的交互性，要求系统能够达到丰富的人机交互性，如推动物体、实际场景漫游等，需要解决人物无法穿透墙壁，坡度较大无法前进，碰撞物体后速度变动等情况。利用虚拟现实技术准确计算不同物体之间存在的穿透性，依据自身所需做出系统运算最终取舍。

3.2 LOD技术

在系统设计有着较高的实时性要求，所以计算机硬件资源也要满足系统设计所需，LOD技术作为十分有效且快速生成图形的方法，能够达到三维场景与计算机硬件资源之间的高质量平衡。LOD技术能够在应用中不会对视觉效果造成影响的情况下，对实际场景中的各方面细节作出简化，从而有效减少场景存在的复杂性，能够极大地提升算法效率。在LOD技术应用过程中基本原理与纹理映射技术相似，能够对多边形总量有效控制，从而有效减少渲染负载，降低用户的观察效果。

3.3 剔除渲染

想要达到优秀的可视化三维效果，需要运用剔除渲染这一场景优化技术，一般会采用视椎体剔除、遮挡剔除以上两种。在视椎体剔除方法中可以渲染摄像机范围外的物体，也就是仅仅对视椎体范围内场景元素完成渲染，保证渲染高效率。遮挡剔除则作为某物体被其他物体遮挡不在可视范围内，无法进行有效渲染。一般是由远及近完成渲染，以摄像机最远距离物体向较近距离渲染。

4 系统实现

4.1 功能模块

消防报警仿真演练系统的3D情境交互式模拟训练，该系统设计功能包括了以下四大功能（见图2）。

（1）理论培训功能模块。用户应用此系统能够根据理论知识的书、章、节选择所要学习的知识内容，之后能够达到消防实训场景可视化，还能够通过音频、图片、对话等不同的方式，完成消防理论知识的学习。

（2）消防战士模拟训练功能模块。在此功能模块中可以针对性选择所要学习的理论内容，实训过程中可以针对性选择消防防护服装、装备等。能够完成实训的内容主要有侦查情报、处置流程，演练实操，并对整个消防实训过程进行综合考评。

（3）在线考核。各位学员能够在该系统中自主选择考核试卷，参与模拟考试和正式考试，还可以通过此平台对考试成绩进行查询。

（4）区情调研。能够对系统应用区域网内的多处保护目标，完成总体、楼层等信息的勘察调研。

4.2 场景建模

在消防报警仿真演练系统设计中，可以完成游戏场景建模，此系统作为消防演习实时系统，通过运用三分建模、七分贴图的场景建模，在系统maya内依据事物照片提供效果，制作消防演练场景。对于photoshop内处理多个贴图为少量图片，对各场景不同细节利用材质球进行完善，之后导出FBX格式。

4.3 火焰烟雾模拟

在本次仿真设计中，综合考虑引发火灾事故的多方因素，对模拟现场的火灾火势消防控制效果运用C#程序技术，完成不同火灾情况下的起火效果仿真設计。并运用Unity3D引擎技术设计fireincreace算法，其中该系统的技术实现代码关键部分示例如下：

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4.4 应用实例

目前我国共有约2万人消防作战编制数量，现阶段已经将消防3D实训仿真系统应用于多家消防支队，根据近期系统应用反馈情况，能够发现消防战士已经由最初仿真系统的适用新奇感，过渡至主动学习消防案例。根据经济角度原本需要引入3D情景模拟训练系统所要耗费的大量资金成本，如今可以通过此系统建设动态模拟仿真训练舱，结合真实场景在该仿真系统建设模拟场地，能达到无纸化培训学习，减少不必要的人力资金投入，应用前景广泛。

5 结束语

总而言之，通过事实证明本文提出基于Unity3D技术设计的新型消防报警仿真演练系统，能够运用数据库、虚拟现实、网络通信等技术，设计情境交互模拟训练系统，并设计了四个功能实现场景建模、火焰烟雾模拟设计，极大地增强了虚拟现实技术的沉浸效果。通过设计系统消防场景，实现该系统的理论培训、单兵模拟训练、在线考试、区情调研几个功能模块，证明本文设计的仿真演练系统的操作可行性。

参考文献

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[3] 庄建军，徐琳玲.基于Unity3D的虚拟消防与安全教育系统[J].试验技术与管理，2020，37（12）：245-248.