刘勇

摘要：当前三维建模和虚拟现实已广泛在消防工作中使用，相较于通过PPT的汇报展示，三维模拟能够给人们更清晰的认识和更直观的感受。消防队伍内部和社会面单位一直在不断努力与尝试，使三维和虚拟技术更好地服务于消防灭火救援工作。

关键词：三维数字预案;数字化;三维模型;虚幻引擎

中图分类号：TP391       文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2022）04-0041-03

2020年初，上海市消防总队黄浦消防支队党委提出希望可以通过三维效果辅助战评，利用桌面推演中的力量部署和建筑结构，支队战训处领受任务，并尝试完成数起灾害处置现场的简单模拟。2020年下半年支队党委决定，尝试打造一支可以独立完成三维数字预案制定的工作小组，用于服务支队灭火救援战评、消防安保工和日常桌面推演工作。2021年支队党委决定由工作小组独立完成辖区内及周边环境的数字预案制定。

1  数字化三维预案概述

1.1  什么是“数字化”

数字化，就是将“现实世界”转化为“数字世界”，通俗点理解就是把我们日常生活中所涉及的人、物以及行为转化为“数字世界”里的数据，然后在“数字世界”里去完成原本在“现实世界”的事情。

1.2  什么是“数字化转型”

“数字化转型”即通过深入挖掘“数据价值”解决现实中难以解决的问题。脱离现实中的应用场景，数据本身没有价值，但通过模拟现实中存在的数字关系，实现虚拟与真实的交互。

1.3  什么是数字化三维预案

数字化三维预案是“数字化转型”在消防预案中的应用。首先，“数字化”深入不仅仅是停留在展示端的“数据可视化”，应该是达到数字化的内容更接近现实;其次，通过网络资源共享和数据交互，在虚拟世界构建完整的交互系统;最后，智能决策化，通过前面的数字化和网络化，系统掌控着数字世界的一切，实时进行分析、传递和决策。

2  预案的分类和发展趋势

2.1  文本预案

以一级、二级、三级和四级预案为代表的文本预案，这类预案内容详实、信息充足，涵盖目标单位基本信息、处置力量、处置对策和参考依据。

2.2  信息卡

以五级预案为代表的作战信息卡，通常内容精炼、制作周期短、覆盖单位多，可装订在册放入消防车内，便于及时翻阅。优秀的作战信息卡应简洁而直观，用一张图就能清晰反馈消防车指挥员所需的必要信息。五级预案衍生出的卡片式预案更加精炼，适用性更广。

2.3  三维数字预案

更有体验感和科技感的三维数字预案，可以分层级展示建筑内部构造，实现体验感极强的第一视角漫游，模拟灾情发展，进行沙盘推演和预案力量的预部署。放入支队指挥中心可大效率辅助灭火救援的处置决策，战评中可更直观地还原现场各个环节，可在安保前辅助力量部署和分配，亦可在火灾调查工作中辅助工作汇报。从使用者的角度来说，三维预案有着更好的高效辅助性、多功能性和体验感，但同时其对制作员的要求很高、制作周期要更长[1]。

3  制作三维数字预案的环境和准备工作

3.1  各级领导的肯定是制作预案的前提

消防三维数字预案不是必须存在的，本质上是用于服务灭火救援工作的工具，各级领导对于三维预案的认可度，决定了三维预案的发展方向和服务能力。无论是依托社会专业力量，还是自己建队掌握制作主动权，都必须在各级领导的支持和肯定下，才有存在和发展的可能。

3.2  获取人才是制作预案的第一步

要想真正发挥消防三维预案的作用，必须要有消防人员掌握预案的使用或制作。三维预案本质上是对现有软件的使用，人才队伍建设是第一步。消防支队自己制作三维预案，需要做好建模和制作人才的培养和储备工作。一般通过两个途径进行：一是招募有制作能力的新消防員;二是自己培训制作员。必须尊重参训人员的意愿，参训人员的学习能力要好，学成后需要保障其工作生态环境等现实需求。学习的过程是没办法强制的，必须有内驱力。

3.3  硬件设备是制作预案的必备条件

制作三维数字预案对电脑要求较高，UE4最低需求处理器不低于I7、固态硬盘不低于256G、内存不小于8G、独显不低于6G，如果是笔记本电脑，要求更高。

3.4  相对集中的时间和较少的干扰是学习和制作的基本要求

如果是参加线上网课教育，每天4h授课时间。消化和巩固当日知识点另需两倍以上时间，即不低于8h。培训周期一般不低于4个月（至少要学习CAD、3Dmax和UE4三个软件，而且参训人员均为零基础）。制作过程中，考虑制作员为初学者，工作效率不高。UE4蓝图部分的制作、技能掌握不熟练的制作员从构思开始到一个新蓝图的完成，至少需要2h以上，这也是程序员为什么喜欢深夜加班到凌晨的原因，绝对的安静下思路比较清晰，效率相对较高[2]。

4  三维数字预案制作步骤和工具选择

当前可用作三维模型的制作和展示的软件很多，在支队的专项培养下，结合前期制作经验，对预案制作步骤和工具选择建议如下：

4.1  第一阶段，即平面制图阶段

选择“建筑使用管理软件计算机辅助设计”（常用名称CAD）。现实工作中我们会遇到多种情况。一是单位提供CAD。单位提供的CAD图纸很复杂，涵盖的信息非常多，需要制作员简化图纸内容，同时分离出楼梯图纸备用。二是有些单位只提供PDF版本的图纸，需要转换成CAD来使用。三是有些单位无法提供任何图纸，需要制作员现场采集信息，并手绘图纸。笔者使用的是激光测距仪。消防三维预案对建筑尺寸数值要求精度不高，无论是修图获取CAD还是手绘后自己画CAD，都可以根据制作情况，做适当修改和简化，方便后期三维模型的制作。

4.2  三维模型制作阶段

社会上现有的三维模型制作软件非常多。笔者选择的是3Dmax和草图大师（shetchup）。3DStudio Max，简称为3DMax或3DSMax。3DMax是目前市面上主流的三维设计软件，软件功能强大，掌握起来需要一定时间，建模和渲染效果非常好。软件特点：（1）基于PC系统的低配置要求;（2）安装插件后可实现很多强大功能，如一键制作楼梯、屋顶、开门、开窗;（3）强大的角色Character动画制作能力;（4）可堆叠的建模步骤，使制作模型有非常大的弹性。广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、三维动画、多媒体制作、游戏、以及工程可视化等领域。

草图大师简单易用，建模效率高，适用于建筑、景观的方案草图三维设计，对于计算机制图基础不是很高的人也可以较快入门。草图大师的优点：（1）环境模拟，可以快速创建三维建筑环境模型;（2）空间分析，建模后，在虚拟场景中可以从任意角度浏览建筑外观、内部空间以及建筑细部，分析各种空间节点;（3）形体构思，建模操作简单直接，易于修改;（4）可以在粗略的作图以及精准的确定尺寸两种工作方式之间随时切换。

4.3  人机互动阶段

制作出的模型，必须在有一个运行的环境，可以完成展示、漫游、灾情设定、力量部署等任务。笔者选择了入门较为简单的UE4，即虚幻引擎（Unreal Engine）第四个版本。

虚幻引擎4从注册和使用是免费的。其可以完成虚拟与现实的人机互动（消防数字三维沙盘或预案），录制视频（火灾现场还原）。支持Linux、Windows系统的PC，任天堂Switch，以及IOS和Android移动设备以及VR设备。

5  消防三维数字预案制作和功能简介

数字预案在制作前应需准备好材料，如单位信息、消防力量部署、预案所需三维模型和制作预案所需的图片元素。并将准备好的元素分类放入UE4中。创建UE4项目后至少要分以下几个文件夹Blueprint（蓝图）、UI（控件蓝图）、Maps（关卡）、Particles（粒子特效）、Shapes

（建议根据建筑数目准备不同后缀的文件夹）、Textures

（贴图）、Materials（材质）、vehicle（用于存放消防车辆和其他车辆）和Firemen（消防员人物动画和骨架）。

5.1  登陆界面

消防三维预案通常需要至少2张关卡。第一张关卡，用来制作封面，封面可以添加视频、动画或者图片。其主要功能是在封面设置一个登陆界面，如果想要看具体内容需要输入密码进入第二张关卡，才能使用消防预案。制作主要内容为登陆主界面，内含一个文本输入框，一个按钮键和封面图。蓝图内容为：按下按钮后，如输入文本框的内容和设定的密码相等时，判断为真，进入下一个指定关卡。

5.2  世界场景的设置

第二个关卡即消防数字预案主要内容，需提前做好设置。先创建项目模式、项目玩家、项目HUD、項目控制器，因预案需要漫游体验另需要设项目漫游玩家，将以上内容替代原关卡对应内容。第二张关卡里需要添加光照、天空球、TargetPoint（漫游玩家出生位置）和项目玩家（作用为预案沙盘视角玩家）。

5.3  UI主界面的内容

当事件开始时，关卡添加主界面，并将所有的楼层归类，由玩家输入控制器决定显示那一层。主界面内放入需要添加的其他UI，如楼层控制、菜单、子菜单、基本信息、单位平面图、作战部署等需要在数字预案展示的信息界面或操作按钮显示框。主界面上加入UI指北针，可根据角色的移动作方向参考。

5.4  单位介绍模块

单位介绍模块包含单位的基本信息、建筑特点、周边毗邻、道路交通等三、四级预案应有内容，也可根据需要添加其他内容。每个内容放入独立的UI控件蓝图中，通过菜单、子菜单内部蓝图逻辑调取内容。

5.5  建筑消防模块

主要展示建筑内部墙式消火栓、防火卷帘门、喷淋、挡烟垂壁等固定消防设施和消防监控室。喷淋、防火卷帘设置为无碰撞，在选择相应按钮后显示，通常情况隐藏，减少预案表面信息量，避免冗杂。喷淋在按下按钮后，可添加操作UI控件，进行固定消防设施的模拟。相对主体建筑不明显的情况下，需通过材质让其闪烁提示。

5.6  供水模块

本模块主要展示单位室外消火栓、市政消火栓、天然取水点和水泵接合器位置。每个模型上添加UI控件，用来标志编号和添加箭头（用箭头来引导项目玩家视角位置和方向），便于消防力量部署。

5.7  疏散模块

主要展示单位的出入口、楼梯、电梯和电扶梯。同样出入口应添加相应UI控件，功能同上。此时建筑模型应设置为半透明。两种途径：一是当选择本模块后建筑材质更换为半透明，但越是复杂的建筑，工作强度越大;二是制作另一份模型，将模型设置为半透明，当选择本模块后，建筑和周边隐藏，仅显示透明的模型。

5.8  灾情模拟模块

火情模拟部分覆盖火灾初期、发展、猛烈、衰减阶段和不同阶段烟雾的模拟。车辆模拟覆盖城市常见车辆的模型。车辆模型加上火情模拟，可模拟车辆火灾;建筑加上火情模拟可模拟建筑火灾。被困人员模块添加UI控件，可以拉近视角。另有恐怖袭击模块，包含可倒计时的触发爆炸物和毒气模拟。

5.9  漫游模块

进入漫游模块，项目会创建漫游角色，电脑从操控项目玩家更改为漫游玩家。通过漫游玩家的第一视角，可以模拟灾情处置消防员处置过程，如果配合VR设备，可以带来沉浸式体验。漫游模块中的战斗员视角，可以操作水枪灭火。射水姿势分站姿和蹲姿灭火。消防员漫游需要获取消防员Mesh（UE4商城可购买）和下载可匹配的动画。

5.10  灭火救援模块

模块第一项内容为该单位灭火救援处置预案，模块第二项内容为消防力量部署图。都可通过UI控件添加到UL主界面，根据子菜单的判断显示或隐藏。第三项内容为支队各消防站执勤备战消防车力量和应援消防车辆（含摩托车和排烟车）。第四项为各站消防员模拟。车辆和消防员模型设置唯一性，当再次点击后可收回模型，提高沙盘推演容错性。第四项消防装备，包含常见消防器材。第五项集结区域。第六项其他力量，包含单位工作人员、微站人员等。第七项路径，可模拟水带路线或进攻撤退路线。

5.11  联勤联动模块

模块包含公安、特警、交警、医疗、环卫和工程抢修，预留其他选项备用以后添加其他联勤联动力量。

5.12  其他模块

虚拟现实功能的强大，可以真正做到虚拟现实，如制定一段完整的灭火救援演示。可以通过“delay”命令，也可以通过“碰撞”触发，也可以通过UI控件控制。

参考文献：

[1]陈驰，任爱珠，张新.基于虚拟现实的建筑火灾模拟系统[J].自然灾害学报，2007（01）：55-60.

[2]曾钧生.消防灭火救援及抢险救援实用手册[M].北京：中国知识出版社，2012.