基于混合现实的安全应急实训平台开发与应用.pdf

信息与电脑软件开发与应用Information&Computer基于混合现实的安全应急实训平台开发与应用2023年第10 期徐俊祝恒恒（徐州工程学院，江苏徐州摘要：安全应急实训课程基于虚拟现实的实训系统存在场景复现不真、虚实融合不深，缺少相关真实场景火灾发展的规律演变等问题。基于此，对相关场景进行数字建模，结合化工车间火灾场景模拟计算推演，提出了基于Bim-Pyrosim-Unity3D的混合现实开发技术，创建了混合现实应急实训平台，在HoloLens2上进行部署实验，取得了较好效果。关键词：Bim-Pyrosim-Unity3D；H o l o L e n s 2；三维注册；火灾时空场景；学习效果评价中图分类号：TP311.5文章编号：10 0 3-97 6 7（2 0 2 3）10-134-0 3Development and Application of Security Emergency Training Platform Based on221000)文献标识码：AMixed RealityXU Jun,ZHU Hengheng(Xuzhou University of Technology,Xuzhou Jiangsu 221000,China)Abstract:The safety emergency training courses are based on the virtual reality training system,where the scenereproduction is not true,the fusion of virtual and real is not deep,and there is a lack of relevant laws and evolution of firedevelopment in real scenes.Based on this,digital modeling of relevant scenarios was conducted,combined with simulation andcalculation of chemical workshop fire scenarios.A hybrid reality development technology based on Bim-Pyrosim-Unity3Dwas proposed,and a hybrid reality emergency training platform was created.Deployment experiments were conducted onHoloLens2,and good results were achieved.Keywords:Bim-Pyrosim-Unity3D;HoloLens2;3D registration;fire space-time scene;learning effect evaluation0引言国家虚拟仿真实验教学共享实验平台内虚拟仿真实训课程均基于虚拟现实（VirtualReality，VR）技术开发，现有的3D仿真课程的一部分是2 D的课程，缺乏沉浸感，且一些基于VR技术开发的课程存在缺陷，例如VR眼镜不能长时间佩戴，容易造成使用者眩晕。基于此，陶飞等人提出了数字李生的三维结构和数字李生五维模型2 。庄存波等人提出数字李生模型的构建准则和理论体系，并以数字李生车间为例进行研究分析3。文章利用混合现实（MixedReality，M R）技术结合化工车间的时空特性和“加氢反应系统”火灾发生的内在联系，构建了火灾场景时空知识库，对火灾场景进行数字建模。基于人工标识（ARToolkit）和自然特征点（Vu f o r i a）相结合的三维注册方法，实现虚拟对象与物理环境的空间配准和虚实融合，人和化工车间虚拟火灾环境的混合现实交互设计-6 。1基于混合现实的安全应急实训平台安全应急实训平台的整体构架模型如图1所示。该模型由4块内容组成。借助数字李生技术，通过数字建模、火灾模拟、模型下发以及虚实融合实现了在现实环境中进行虚拟灭火的体验。火灾场景具备现实演变规律，能够实现人和真实火灾场景的实景互动。收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 3作者简介：徐俊（198 2 一），男，江苏靖江人，硕士研究生，工程师。研究方向：混合现实、数字李生技术。134信息与电脑2023年第10 期Information&Computer研究一：基于BIM-Unity3D-研究二：MR模型导人和下发HoloLens技术的建模仿真车间、人物角色、消防水泵建模粒子系统、火焰效果火灾场景时空知识库安全应急实训平台的具体功能要求如下。一是虚实融合。在实训过程中，需要将虚拟灭火设备整体叠加至现实场景，模型需要完美叠加至真实物体，实现高度的几何、光照、时间一致性。二是火灾场景模拟。为模拟真实的火灾场景，系统借助PyroSim软件将得出的火灾演变规律在Unity中利用脚本编程实现。三是灭火实验设计。根据火灾场景设计相应的灭火流程，预设灭火时间、灭火步骤、灭火结果，对学生的操作进行记录评分。2基于混合现实的安全应急实训平台实施方法2.1混合现实3D模型和场景设计2.1.1三维静态场景建模火灾现场由建筑物三维模型构建，因此需要利用Revit+SolidWorks+3DMax制作虚拟仿真化工车间静态场景的基础模型。2.1.2虚拟消防设备建模在灭火系统中，操作者需要操作消防水泵对虚拟烟雾和火焰进行灭火处理，消防水泵需要按照实训室中的真实水泵进行1：1建模。染完毕后转换为Unity3D支持的.FBX格式的模型文件，并在Unity3D软件中对建筑信息模型（BuildingInformationModeling，BI M）进行灭火动作的编程，添加BOX碰撞脚本，最后通过UWP开发平台将数字李生模型下发至HoloLenS。2.1.3粒子系统在火灾模拟系统中，烟雾和火焰场景用于增强用户的沉浸感。火焰导入Unity后，利用粒子碰撞检测的方法实现火焰的扑灭。2.2基于PyroSim的化工车间火灾模拟仿真本次选取徐州工程学院绿色化工虚拟仿真车间为研究对象，根据尺寸和体量在Revit软件中建立1：1的模型，导人PyroSim软件进行火灾数值模拟仿真，分析火灾场景下烟气蔓延过程、烟气温度、能见度以及灭火软件开发与应用研究三：基于MR的实训教学课程设计Unity3D制作动作流程事故背景3D模型、通过人工时空知识标识和自然特征点库、火灾Visual Studio进行程场景、灭序编译火流程整合学生进行基于MR的应急处理混合现实三维注册灭火课程进行虚实实训操作融合Hololens眼镜进行下发图1平台构架模型图安全距离。选取化工车间的一块区域，长宽高分别为12 m、7 m、8m，坐标为（0，0，0）。为保证模型的火灾模拟准确性，取网格尺寸为1m1m1m，总网格数为356 42 个，选取网格数量为56 10 0 个。模拟初始火灾场景的环境温度为2 5，压强为标准大气压10 1.32 5kPa。室内风为静态，不考虑室外的风对室内烟气的影响。本次研究的是化工车间，取此次最大热释放率为8 kW，火源的热释放速率模型设置为t2，本文选择快速生长火，因此=0.046890（为修正系数）。根据Q=t可得，t=13.068s，即火源达到稳定热释放速率的时间为13.0 6 8 s。模拟得知，火灾发生后6 s，烟雾已经充满整个空间，10 s达到最大热释放。因此，火灾需在10 s内扑灭，人员需处于离火焰中心半径10 m的范围外，否则将造成人员伤亡。2.3三维场景布置和传递在3DMax中制作的模型以.FBX格式导出，然后将导出的模型导人Unity3D，完成资源的传递，最终构建一个三维的火灾场景。首先，利用3DMax建立实验场景模型，构建三维场景和时空知识库。其次，将构建的模型利用地理信息系统（Geographic Information System，G IS）进行转换，生成明码文件。最后，利用Untiy3D引擎进行导人，设置相机模式，搭建系统图形用户界面（GraphicalUserInterface，G U I），编写C#控制脚本，完成视线跟踪触发、语音输人、手势识别3大交互功能，实现系统界面交互和三维场景交互。模型导入流程图如图2 所示。2.4系统功能脚本设计在整体功能划分上，系统功能分为学习模式和考核模式。学习模式主要对用户进行学习培训，熟悉灾害发生后救援人员的灾后处置方法和救援方法。考核模式主要在学习后对用户进行针对性的测试和操作打分。实施灭火135一信息与电脑软件开发与应用Information&Computer2023年第10 期ArcGIS3DsMax模型(棚格转ASCII)明码高程文件(.txt)数据创建层C#脚本HoloToolkit1LUnity3D开发引擎环境开发层手势/凝视/语音Visual StudioWindows SDK第一，事故背景。操作工在泵房巡检时发现机械密封泄漏，大量原料油雾状喷出着火，并看到现场有一名操作工受伤。第二，应急处理操作。操作工立即触发警报按钮，并打开紧急泄压按钮。第三，操作工打开事故附近的消防水炮，对装置进行降温灭火。灭火时需处于预设的安全区域，否则操作失败，无法得分。第四，熄灭现场明火后，通知指挥员“火已熄灭”，统计、记录、保存灭火操作流程顺序、灭火操作时间、人员所住安全区域位置等实验参数。3培训结果数据分析随机抽取化工专业两个班级的学生2 8 名，其中男生14名，女生14名，平均分两组，每组各7 名男女。一组作为对照组先进行基于VR课程的学习，学习完毕后进入仿真车间进行实物操作。另一组作为实验组，仅讲解HoloLen2的简单操作过程，不进行任何培训，直接进入仿真车间进行基于MR的实训灭火课程操作。两组均完成要求操作后，对实训效果进行分析统计。对照组上机平均时长为11min，车间操作平均时长为9min，合计2 1min。实验组全程操作时间为8min，包含眼镜熟悉过程。可见，整体实验效率提高了2 3倍。通过李克特量表的调查问卷测量实验体验度，发出问卷2 8 份，全部填写完毕后收回。根据问卷的统计结果，对照组（基于VR的学习者）非常满意人数为6 人，占比42.8%；实验组（使用HoloLens的学习者）非常满意人数为13人，占比92.8%。可见，实验组的体验度提高HoloLens2模拟器HoloLens2真机图2 模型导入流程图了12 倍，显著改善了实验效果。4结语基于混合现实的安全实训平台目前已经部署于徐州工程学院虚拟仿真中心，为学生提供日常的实验教学。混合现实技术不仅提升了学生的学习兴趣，大大降低了实验的危险性，其真实的体验感能使学生在现实环境中掌握真实场景中火灾的规律演变和不同场景不同措施的场景演化。通过对人员操作的综合分析，可以得出每个学习者的综合评价得分，取得了较好效果。参考文献1高韵.虚拟现实技术发展与启示：以微软HOLOLENS为例J.互联网经济,2 0 17(12):50-55.2陶飞，刘蔚然，张萌，等.数字李生五维模型及十大领域应用J.计算机集成制造系统,2 0 19,2 5(1):1-18.3庄存波，刘检华，熊辉，等.产品数字李生体的内涵、体系结构及其发展趋势.计算机集成制造系统,2 0 17,2 3(4):7 53-7 6 8.4吕秀琴，张生海.基于HoloLens2的DEM空间分析实验教学混合现实环境研究 .实验技术与管理,2 0 2 1,38(10):12 4-12 9.5苑鑫，王海坤，赵旷世，等.基于增强现实技术的燃气轮装配指导系统研究与实现.热能动力工程,2 0 2 2,37(增刊 1):48-53.6李喆，陈佳宁，张林.核电站设备维修中混合现实技术的应用研究.计算机仿真,2 0 18,35(5):340-345.用户交互实时沉浸程序部署层136