CN107391881A - 一种基于粒子***网格的烟气可视化方法 - Google Patents

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袁静雨
张宗才
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Abstract

本发明提供一种基于粒子***网格的烟气可视化方法，属于防灾减灾技术领域。该方法首先进行FDS网格划分及火灾模拟，在FDS中建立烟气数值模拟的网格，并进行火灾数值模拟；然后在OSG图形空间模型根据FDS模型网格建立对应的网格空间，并且将OSG的“帧”概念与FDS固定时间步长对应，建立OSG和FDS数据的时空对应关系；再在OSG中每个网格粒子***都要根据FDS网格中的火场参数决定开启或关闭；最后，通过不同时刻开启的例子***网格实现烟气蔓延动态可视化效果。基于粒子***网格的烟气可视化方法，可实现具有科学依据和真实感的烟气蔓延可视化，为虚拟疏散提供可信的火灾疏散环境。

Description

一种基于粒子***网格的烟气可视化方法
技术领域
本发明涉及防灾减灾技术领域，特别是指一种基于粒子***网格的烟气可视化方法。
背景技术
在建筑火灾中，合理的疏散是避免火灾人员伤亡的重要途径。然而，带有真实火灾的实际训练具有很大难度。不仅需要花费高成本，还涉及人员安全的问题。而虚拟疏散训练***则具有明显优势，可以安全、低成本地使学员有计划的反复训练，以提高火灾疏散能力，减少人员伤亡。在疏散中，烟气会影响逃生者的能见度，增加疏散的难度。因此，准确、真实感的烟气可视化对于虚拟疏散训练至关重要。
目前的虚拟疏散训练中烟气具有一定的真实感，但缺乏科学数据的支持，其分布和运动规律都不具有合理性。在烟气可视化的相关研究中，已经有一些简化的方法(例如细胞自动机和随机变量方法)来模拟烟气的动态演变(Chittaro L,Ranon R.Serious Gamesfor training occupants of a building in personal fire safety skills[C]//Gamesand Virtual Worlds for Serious Applications,2009.VS-GAMES'09.Conferencein.IEEE,2009:76-83)，但这些简化方法获得的烟气分布和可见度并不准确。在计算机图形学中，粒子***是一种常见的烟气真实感可视化方法(肖鹏，刘更代，徐明亮.OpenSceneGraph三维渲染引擎编程指南[M].清华大学出版社,2010.)。基于粒子***的烟气可视化具有很好的真实感，但必须由科学的烟气数据支撑才能创建准确的烟气可视化效果，服务火灾虚拟疏散。
当期，许多计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)平台能够计算出相当精确的烟气动态分布情况。例如，由美国国家标准与技术研究所(NIST)开发的火灾动态模拟器(fire dynamics simulator,FDS)与实际实验值具有较小的误差，并广泛应用于各种火灾调查。
因此，本发明采用FDS烟气模拟数据为依托，利用粒子***网格实现火灾烟气的真实感可视化，为实现准确、真实感的烟气可视化场景提供一种新的技术方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于粒子***网格的烟气可视化方法，实现具有科学依据和真实感的烟气蔓延可视化，为虚拟疏散提供了真实、可信的火灾疏散环境。
该方法包括如下步骤：
(1)FDS网格划分及火灾模拟：
FDS将建筑模型空间分成具有指定热物理性质的离散网格，FDS按照固定时间步长输出每个网格的火场参数；在FDS中进行火灾模拟，输出每个网格的可见度时程数据；
(2)建立OSG与FDS的时空对应关系：
根据FDS模型文件获取步骤(1)中网格划分的尺寸，在OSG模型中建立对应的网格；然后，根据FDS模拟的烟气效果，设置粒子***纹理；再根据FDS模拟的总时间和固定时间步长，确定在OSG中建立对应的帧数；
(3)设置粒子***的开启与关闭：
在OSG中，以FDS输出文件每个网格中的可见度参数作为粒子***的开启和关闭标准；在OSG中把粒子***加入到OSG图形控制单元node中，通过node->setNodeMask设置开启或关闭粒子***，node->setNodeMask(1)表示开启，node->setNodeMask(0x0)表示关闭；
(4)形成动态烟气可视化：
通过OSG中while(！viewer.done()){viewer.frame()；}循环，检查所有网格中的粒子***，判断每个网格可见度与阈值的关系；最后使用osg::Drawable::UpdateCallback更新回调函数，将上述操作形成循环播放，形成动态的烟气可视化。
其中，步骤(1)中的离散网格尺寸不大于1m×1m×1m。
步骤(1)中的离散网格包含随火灾发展的动态火场参数：有害气体浓度、可见度、温度等。
步骤(2)中通过OSG中osgParticle空间的SmokeEffect类在OSG模型的每一个网格中设置一个关闭的粒子***。
步骤(2)中OSG中的总帧数等于FDS模拟总步长数。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明基于火灾模拟和粒子***网格的烟气可视化方法，可实现具有科学依据和真实感的烟气蔓延可视化，为虚拟疏散提供可信的火灾疏散环境。
附图说明
图1为本发明的基于粒子***网格的烟气可视化方法的总流程图；
图2为利用粒子***网格显示烟气蔓延的示意图；
图3为建筑火灾虚拟疏散场景平面图；
图4为烟气可视化实现过程；
图5为路径1不同位置的烟气可视化效果图，(a)为观察点A，(b)为观察点B，(c)为观察点C，(d)为观察点D；
图6为路径2不同位置的烟气可视化效果图，(a)为起始点A，(b)为观察点E，(c)为观察点F，(d)为出口2处点G。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种基于粒子***网格的烟气可视化方法。
该方法总流程如图1所示，主要内容包括：1.FDS网格划分及火灾模拟；2.建立OSG与FDS的时空对应关系；3.设置粒子***的开启与关闭；4.形成动态烟气可视化。
具体实现步骤如下：
(1)FDS模型划分及火灾模拟
FDS将建筑模型空间分成具有指定热物理性质的离散网格，每个网格都有随火灾发展的动态火场参数(如有害气体浓度、可见度、温度等)，FDS按照固定时间步长输出每个网格的火场参数；在FDS中进行火灾模拟，输出每个网格的可见度时程数据；在本训练中，火灾场景是一个6层的宿舍楼，着火房间在5层，楼层平面图如图3所示。建立该建筑5层的FDS模型，网格尺寸为1m×1m×1m。在FDS中进行火灾数值模拟，输出每个网格的可见度时程数据。
(2)建立OSG与FDS的时空对应关系
根据FDS模型文件获取网格划分的尺寸，在OSG模型中建立对应的网格。每一个网格中设置一个关闭的粒子***，可以通过OSG中osgParticle空间的SmokeEffect类建立。根据FDS模拟的烟气效果，设置粒子***纹理。根据FDS模拟的总时间和固定时间步长，确定在OSG中建立对应的帧数。OSG可视化过程中的总帧数等于FDS模拟总步长数。
(3)设置粒子***的开启与关闭
在OSG中，以FDS输出文件每个网格中的可见度参数作为粒子***的开启和关闭标准。此FDS火灾模拟中，可见度为0-30m。本发明取25m作为粒子***开关的阈值，当可见度下降到25m及以下时，认为有烟气蔓延，则开启粒子***，反之，认为烟气消散，则关闭粒子***。在OSG中把粒子***加入到OSG图形控制单元node中，通过node->setNodeMask设置开启或关闭粒子***，node->setNodeMask(1)表示开启，node->setNodeMask(0x0)表示关闭。
(4)形成动态烟气可视化
通过OSG中while(！viewer.done()){viewer.frame()；}循环，检查所有的网格中的粒子***，判断每个网格可见度与阈值的关系。最后使用osg::Drawable::UpdateCallback更新回调函数，将上述操作形成循环播放，即可形成动态的烟气可视化。如图2展示了从0步长到Tk+1中粒子***的开启情况，这种开启表现了烟气的空间蔓延。按照图4所示精细流程在OSG中开发程序，根据FDS网格、步长以及能见度文件，可以自动化实现烟气可视化过程。
根据可视化效果，在OSG中进行虚拟疏散过程，不同路径上不同位置的烟气变化情况如图5和图6所示。通过图5((a)、(b)、(c)、(d))和图6((a)、(b)、(c)、(d))可以看出，烟气可视化具有良好的真实感，而且不同位置烟气浓密不同。本发明的烟气可视化效果对于训练者根据烟气情况选择不同疏散路径有引导作用，由于具有科学数据支持，这种引导作用有实际指导意义。
综上所述，通过以上算例，可以总结出基于火灾模拟和粒子***网格的烟气可视化方法，可以实现具有科学依据和真实感的烟气蔓延可视化，为虚拟疏散提供了可信的火灾疏散环境。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于粒子***网格的烟气可视化方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)FDS网格划分及火灾模拟：
FDS将建筑模型空间分成具有指定热物理性质的离散网格，FDS按照固定时间步长输出每个网格的火场参数；在FDS中进行火灾模拟，输出每个网格的可见度时程数据；
(2)建立OSG与FDS的时空对应关系：
根据FDS模型文件获取步骤(1)中网格划分的尺寸，在OSG模型中建立对应的网格；然后，根据FDS模拟的烟气效果，设置粒子***纹理；再根据FDS模拟的总时间和固定时间步长，确定在OSG中建立对应的帧数；
(3)设置粒子***的开启与关闭：
在OSG中，以FDS输出文件每个网格中的可见度参数作为粒子***的开启和关闭标准；在OSG中把粒子***加入到OSG图形控制单元node中，通过node->setNodeMask设置开启或关闭粒子***，node->setNodeMask(1)表示开启，node->setNodeMask(0x0)表示关闭；
(4)形成动态烟气可视化：
通过OSG中while(！viewer.done()){viewer.frame()；}循环，检查所有网格中的粒子***，判断每个网格可见度与阈值的关系；最后使用osg::Drawable::UpdateCallback更新回调函数，将上述操作形成循环播放，形成动态的烟气可视化。
2.根据权利要求1所述的基于粒子***网格的烟气可视化方法，其特征在于：所述步骤(1)中的离散网格尺寸不大于1m×1m×1m。
3.根据权利要求1所述的基于粒子***网格的烟气可视化方法，其特征在于：所述步骤(1)中的离散网格包含随火灾发展的动态火场参数：有害气体浓度、可见度、温度。
4.根据权利要求1所述的基于粒子***网格的烟气可视化方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过OSG中osgParticle空间的SmokeEffect类在OSG模型的每一个网格中设置一个关闭的粒子***。
5.根据权利要求1所述的基于粒子***网格的烟气可视化方法，其特征在于：所述步骤(2)中OSG中的总帧数等于FDS模拟总步长数。
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