三维楼宇应急疏散仿真系统研究*

胡 同 ，万 远 *，贺 彪 ，杨 彪

（1.自然资源部城市国土资源监测与仿真重点实验室，广东 深圳 518034；2.湖北师范大学 城市与环境学院，湖北 黄石 435002；3.深圳大学智慧城市研究院，广东 深圳 518061）

随着计算机技术飞速发展，虚拟仿真技术已成为虚拟现实的关键技术之一，同时现代建筑的设计越来越复杂化、大型化，大型的公共建筑如商场、综合楼、科教中心等也在急剧增加。大型公共建筑人口密集，结构多样，功能复杂。在发生突发性灾害（如地震、煤气泄漏等）时，由于缺乏有效的疏散指导和恐慌性的心理疏导，疏散效果不佳。一方面，大型公共建筑通常有较大的内部面积，其通道设置和内部结构设计比较复杂，电力超载容易造成火灾；另一方面，大型建筑中的烟火源分布范围广，容易在电梯井、排气管等产生烟囱效应。随着地理信息系统（GIS）技术的迅速发展和在火灾疏散通道建设中的广泛应用，将GIS 与建筑空间结构相结合，可以为应急人员和规划师提供足够的室内信息，为消防人员提供安全、可靠的消防疏散通道减少路由不确定性和促进室内灾害有效规划的环境。

1 三维楼宇应急疏散系统设计

1.1 系统总体设计框架

为实现三维场景搭建、基本功能模块、应急疏散模块、数据统计模块等功能的集成，系统主要采取三层架构模式包括数据层、服务层和应用层。数据层通过数据库函数、存储过程和触发器等实现数据的空间数据与属性数据的存储和维护；服务层根据业务逻辑需求，供应用层调用，实现专题查询后台服务、统计分析后台服务等；应用层根据业务需求进行功能模块的划分和界面设计，并在调用服务层服务的基础上完成各项前端功能的开发。

图1 系统软件结构

图2 系统功能设计

1.2 系统软件结构设计

根据楼宇应急实际现状与需求设计系统软件结构如图1。

其中数据支持层集成了GIS 平台，3D 渲染接口和各类外部声音、硬件数据输入到系统；应用层根据应急实际场景开发相应基础模块，本系统应用与三维楼宇应急疏散环境开发具有基本功能模块、应急疏散模块、数据统计模块、系统拓展相关模块。其中应急疏散为本系统核心功能。

2 三维楼宇应急疏散系统设计

2.1 系统功能设计

主要有如下模块控制：基本功能模块、应急疏散模块、数据统计与管理模块、拓展接口模块。相关关系如图2。

图3 系统登陆界面

系统主要分为四大功能模块：基本功能模块、应急疏散模块、数据管理模块、拓展接口模块。其中基本功能模块包括场景的漫游、优化、测量、查询等；应急疏散模块是该系统核心模块，主要有火灾模拟、应急疏散、实战演练、应急救援等功能；数据统计模块主要对疏散人员的人数、时间和速度进行统计分析；拓展接口模块支持外部接口的接入，集成包括火警传感器、空气质量传感器（扬尘、有害气体、PM2.5 等）、温度传感器等、便携室内定位数据接口，实现地理信息数据的集成与串联，为以后的发展规划预留接口，为未来实现对建筑的信息化管理提供基础平台。

2.2 系统登陆界面设计

系统具有统一的用户登陆界面，对用户身份进行确认，已分配对预案和训练的修改、查询。如图3，系统登陆界面。

3 三维楼宇应急疏散系统功能模块

3.1 基本功能模块

3.1.1 三维动态场景漫游

系统可以支持以第一人称或第三人称在场景中漫游，同时模拟行人正常的行走速度和上下楼速度可在三维场景中展示；同时可进行典型建筑物、基础设施等物体的三维动态展示，并可在该场景中从多角度、多方式对其进行观察。

3.1.2 系统场景优化

系统场景优化功能包含丰富的天气展示效果、阴影效果、天际效果，采用实时动态光照、延迟光照、动态软阴影实现二次光照与反射等特效；通过时间滑块可模拟动态光影效果，对场景进行24 小时实时光影变换与渲染，可带给用户身临其境，增加体验感。

为应对三维火灾应急疏散模拟，系统可模拟各种粒子效果，包括烟雾、火焰、风向、音效等，实时动态规划疏散路径，实现火灾模拟演练。如图4、图5 在火灾模拟仿真中，可实时监测火焰大小，风向等，以引导疏散人群的疏散方向。

3.1.3 属性查询

通过关键词搜索或者在场景中点击相关对象，可查看其属性信息，通过调用基础信息数据库和地理信息数据库可实现数据动态更新与应急预案实时推演。通过在系统场景内点击相关元素，可查询其基本信息（消防栓ID 型号、生产厂家等）。

3.1.4 三维实景测量

系统支持场景内拾取点进行距离测算，同时可根据需要选择面积测算等；在火灾仿真模拟过程中，疏散路径的距离不同直接影响疏散效率和人员安全，实景测量功能实现火灾疏散路径的最优规划。

图4 光影变化1

图5 光影变化2

3.2 应急模拟模块

3.2.1 火灾模拟功能

火灾模拟只能由主机触发。所有在网内的客户端都会接收信息，开始火灾疏散演练。会触发所有在网内的客户端的场景发生火灾，绘制标示各种出入口，楼层疏散箭头，以及报警声，疏散集合点标记等等。火灾效果会以粒子效果在场景中出现，并产生烟雾粒子。

3.2.2 应急疏散功能

通过传感器组网，监测的火源信息反馈到应急仿真系统平台，系统通过服务器返回火灾信息做出疏散计划决策，进行人员疏散。同时根据火灾点的不同和起火原因的差异性，做出不同的应急疏散计划，对应在不同的区域的人员会有不同的疏散路径的显示。系统可模拟人群疏散行为进行模拟疏散，更真实的反映疏散实际情景。

3.2.3 实战演练模拟

演练创建出一个具体的场景，受训者选择不同的角色进入训练，包括：群众工作人员、119 接警人员、指挥、单兵等，不同的角色具有不同的视角和任务；用于超高层建筑火灾应急救援演练，从而提高消防信息化管理水平和消防员灭火作战能力，最大限度地减少火灾造成的损失。

在正对楼宇火灾应急演练的同时，系统可针对实际情况，触发应急救援模块，进行火灾应急事件处置；在判断火情基本情况下，具体给出解决方案并进行可视化模拟，并且直观展示效果。在发生火灾情况下，系统给出关闭阀门及电闸，减少次生灾害的指示，系统可进行AI 模拟，可选择以第一人称或第三人称进行任务执行。

3.2.4 应急资源调配

在做出应急指示后，系统根据实际情况推演出相关应急资源的分布情况并进行可视化展示，用户不仅仅可以查询相关资源属性情况，还能对其发送指令进行任务分派，对消防栓进行灭火指令，同时还能控制出水量，出水方向以及用水量和存储水量的统计。同时还能进行火灾应急车辆的调度和部署。系统可根据起火点的具体情况，分派最近的消防车辆进行应急救援，对相关的消防应急车道进行腾空处理有利于车辆快速通行。

3.3 数据统计与管理模块

在联机进行演练时，会统计每个演练人员疏散到达集合点的时间。并在列表中显示出来。会在局域网中，看到每个人的疏散时间。

3.4 系统拓展功能

基于三维建设规划平台，采用经典系统三层架构模式，数据可集成到未来的三维大数据平台中，为后续智能建筑建设、应急管理、公共安全等信息化项目建设所复用，以及为后续开发提供了二次开发。有望通过GPS/GNSS 技术实现人员车辆进行三角定位分析、人型轨迹分析等。

4 结束语

三维楼宇应急疏散仿真系统已成功在天津楼宇应急等领域投入使用，有效防止了火灾等带来的危害，为有效地开展城市灾害事件虚拟演练和应急救援提供数据验证和决策支持，也可为提高应急水平提供有益的参考。