本文是一篇电气工程论文，本文主要研究基于Unity3D的火灾逃生模拟系统，依托吉林省科学技术厅科技支撑计划重点科技公共项目(高层建筑救援中被困人员准确定位和疏导系统研究)。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
我国火灾统计数据显示，近十年我国火灾总量呈迅速上升趋势，群死群伤火灾发生率较高，石油化工企业、易燃易爆等场所火灾频发，另外，森林、煤矿火灾都呈上升趋势[1]。石油在工业和民用的各个领域中都有广泛的应用，它自身存在着易燃性、易爆性、热值高、易蒸发、易泄漏、扩散、积聚性、含水量大等特性，因此石油储罐很容易发生火灾和爆炸事故[2]。天然气管道事故的发生频率也在不断上升，对管道沿线周围的环境造成了严重的破坏，对附近人员的生命和财产安全造成了威胁[3]。森林一旦发生火灾会直接烧坏或烧死大片树木，并且给森林的恢复和生长带来严重影响，尤其是火灾比较严重时，整个森林很难再恢复旧貌，往往会被郁郁葱葱的灌木所代替[4]。矿山火灾是煤矿生产过程中的五大主要灾害之一，如果井下火灾不能被及时扑灭，那么火势蔓延的速度会非常快，影响的范围也会非常广泛，想要控制起来就会变得非常困难，与此同时，矿山火灾还会产生大量的有害气体，甚至会引起瓦斯、煤尘爆炸，从而导致更大的二次灾害[5]。随着我国经济的发展和建筑技术的提高，建筑形式也发生了巨大的变化。近年来，全国各大城市陆续建设了许多规模大、功能全的商业建筑，伴随着商业建筑的发展，其火灾的发生也呈现出上升的趋势，大规模、大空间、多功能给商业建筑的防火和安全疏散设计带来更多的困难[6]。我国古建筑众多，而其又具有自身独特的建筑特点和消防安全特性，若发生火灾会带来巨大的财产损失[7]。火灾是核电厂安全最现实的威胁之一，核电厂发生火灾会造成大量的人员伤亡[8]。在这些不同种类的火灾中，高层建筑火灾所造成的人员伤亡以及财产损失尤为严重。
1.2 火灾逃生模拟系统研究现状
1.2.1 国内研究现状
针对传统的教育方式缺乏交互性和真实体验感的问题，2018年杨镇豪提出在火灾逃生模拟系统中使用嗅觉交互和动作捕捉的交互方式，以Unity3D游戏引擎作为开发工具，运用虚拟现实技术优化用户的体验，以达到增强安全教育效果的目的[26]。2018年王昆博利用3Ds Max与UE4创建三维火灾逃生场景的虚拟现实技术，在3Ds Max中构建三维场景模型和角色模型，在UE4中布置场景，模拟生动逼真的火灾发生场景，使人有身临其境的虚拟体验，应用于实现虚拟状态下快速逃生、自救等防控仿真训练[27]。2011年齐二伟以矿井火灾逃生路径模拟为研究对象，采用新的技术手段快速有效地实现井下巷道的三维虚拟模拟，研究了矿井火灾逃生路径的检索算法，并将生成的逃生路径三维可视化[28]。2007年，陶亮使用了虚拟现实技术，通过对参数的控制，构建了一个完整的火灾场景，用3D的交互式的方式，模拟了火灾的发生和发展，并运用了以游戏为导向的学习方式，对用户在虚拟的火场中的反应和行为进行了系统的评估和引导[29]。2019年陈超利用动画设计软件在计算机上搭建出符合现实的地铁模型，利用综合开发工具实现无缝人机交互系统的设计，以此模拟人群在地铁火灾中的逃生情况[30]。2019年魏佳丰使用虚拟现实技术，利用了Unreal Engine 4引擎与3Ds Max系统创建了火灾场景与场景中的虚拟人物，用于模仿真实地火灾发生场景，让人们有真实的体验感觉[31]。2021年李纯如围绕影响火灾逃生的主要因素(建筑结构复杂性与火灾动态蔓延性)，针对传统火灾疏散方法的不足之处，提出了一个基于三维模型的火灾仿真与逃生系统[32]。
第 2 章 火灾逃生模拟系统总体方案设计
2.1 系统的总体方案
火灾逃生模拟系统包括数据采集层、网络层、核心层、以及管理层，系统总体框架如图2-1所示。数据采集层负责采集位置信息，进行测距。网络层负责将测距信息通过无线通讯的方式传输至核心层。核心层对测距信息进行计算处理，得到标签位置信息并将其更新至MySQL数据库，服务器连接至MySQL数据库对人员信息进行管理，并将人员信息封装在网络协议中发送至管理层。管理层中的客户端根据人员信息对人员进行重构，随后在场景中模拟火灾发生，生成逃生路线模拟逃生。
数据采集层包括标签和次基站。标签作为被定位的目标，一般放置在人员的工牌、手环中，主基站和次基站均需与标签进行测距。次基站放置在主基站的周围，该相对位置由上位机软件进行配置，次基站收到主基站的命令后，与标签进行测距，得到测距信息。
测距信息通过网络层传输至核心层。超宽带DWM1000模块通过无线通讯的方式将测距信息传输至核心层，DWM1000模块遵循802.15.4-2011协议。 核心层包括主基站和主基站PC。主基站通过USB接口连接至主基站PC，主基站发出测距命令并接收测距信息，将测距信息通过串口传输至主基站PC。主基站PC通过上位机软件对测距信息进行计算和处理，显示标签的位置并将标签的位置信息更新至MySQL数据库，服务器连接至MySQL数据库，对人员信息进行管理，并将人员信息封装在网络协议中传输至管理层。
管理层即客户端部分。客户端根据协议中的人员信息对人员进行重构，在场景中生成火焰粒子特效模拟火灾发生，根据A*算法在起点和出口之间生成逃生路线，控制人物模拟逃生。
2.2 系统方案分析
火灾模拟逃生系统包含以下功能：进行人员重构，人员信息管理，在客户端中进行场景漫游，模拟火灾发生，根据A*算法生成逃生路线模拟逃生。
进行人员重构需要通过硬件采集人员的位置信息，因此需要选择合适的定位系统，因此对比几种常见的定位系统，根据本系统的实际需求选择合适的定位系统。
为实现人员信息管理，并保证人员信息的安全性，在本系统中客户端想要获得人员信息需要向服务器发送网络协议，服务器接收到网络协议后判断协议中的账号和密码是否对应，若账号密码正确才将对应人员信息反馈至客户端，保证人员信息的安全性，在本章最后详细介绍了数据之间的交互。要实
现场景漫游，模拟火灾发生以及模拟逃生，需要选择合适的软件创建客户端。因此通过对Unity3D和UE4进行性能比较，结合本系统的实际需求，选择了Unity3D创建客户端。
第3章 火灾逃生模拟系统硬件设计 ............................... 24
3.1 基站硬件设计 ............................... 24
3.2 定位系统主芯片 .............................. 25
第4章 火灾逃生模拟系统软件设计 ........................ 34
4.1 火灾逃生模拟系统软件设计 ................................... 34
4.2 网络协议 ................................... 36
第5章 火灾逃生模拟系统实现 ................................ 66
5.1 用户注册 ....................... 66
5.2 人员定位 ................................. 68
第 5 章 火灾逃生模拟系统实现
5.1 用户注册
首先开启数据库服务，并启动服务器，服务器启动界面如图5-1所示。如图所示，服务器启动后首先进行了初始化服务，随后等待连接。
第 6 章 结论与展望
6.1 结论
本文主要研究基于Unity3D的火灾逃生模拟系统，依托吉林省科学技术厅科技支撑计划重点科技公共项目(高层建筑救援中被困人员准确定位和疏导系统研究)。首先提出一种以UWB技术为基础的通信技术和定位算法，通过上位机软件对测距信息进行处理，显示被困人员位置并将人员位置更新至MySQL数据库。其次，通过服务器连接至MySQL数据库，对数据库中的人员信息进行管理。然后通过网络通信使得被困人员的姓名、位置等信息传输到客户端。利用Unity3D所创建的客户端对被困人员进行重构并规划逃生路径。所取得的研究成果如下：
1.应用UWB技术在基站和标签之间进行测距，并将测距信息传输至主基站。主基站通过上位机软件对测距信息进行处理并将人员位置信息更新至MySQL数据库。
2.设计服务器，服务器启动后连接至MySQL数据库，管理数据库中的人员信息，将服务器作为客户端提取人员信息的接口。
3.通过Unity3D创建客户端，客户端和服务器进行网络通信，服务器将人员信息封装在网络协议中发送至客户端，客户端可以利用读取的信息对人员进行重构。
4.经过方案分析，选择根据A*算法生成逃生路径，客户端根据A*算法生成可避开障碍物和火灾区域的最短路径。火灾发生时，被困人员可参考火灾模拟逃生系统生成的逃生路径进行逃生。
参考文献（略）
