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基于突发事件的建筑设备实时虚拟系统研究杨俊（机械与汽车学院土木工程专升木092班4090106225）摘要现实社会小的自然灾害、工程事故、恐怖活动等突发性的事件不仅对个人、 群体和组织的止常活动构成了巨大的威胁，也严重影响了整个社会经济系统的协 调发展因而应用先进计算机技术手段，进行关于突发事件的相关研究与应用， 尽量减少和避免由于突发事件带来的危害和损失有着迫切的现实意义虚拟现实技术是支撑多维信息空间的关键技术，近年来已经成为信息技术领 域研究开发的热点将虚拟现实技术运用于城市社区规划、场景虚拟漫游余以及 复杂场景的仿真等研究与应用之中，给相关领域技术上都带来了革新性的发展 本文将虚拟现实技术引入智能建筑突发事件防灾、减灾的应用之中，构建面向突 发事件的建筑设备实吋虚拟系统，为利用建筑设备指导人员疏散的相关研究提供 系统平台支持关键词：突发事件信息传递关系模型智能建筑虚拟现实设备管理引言随着社会经济系统的发展，系统复杂性也相伴而牛，其表现之一就是危机事 件频频发牛现实社会中的自然灾害、工程事故、恐怖活动等突发性的事件不仅 对个人、群体和组织的正常活动构成了巨大的威胁，也严重影响了整个社会经济 系统的协调发展。

因而进行关于突发事件的和关研究与应用，尽量减少和避免由 于突发事件带来的危害和损失有着迫切的现实意义建立基于多维信息空间的人机交互环境是信息技术的创新发展H标之一虚 拟现实技术是支撑多维信息空间的关键技术，近年来已经成为信息技术领域研究 开发的点将虚拟现实技术运用于城山社区规划、场景虚拟漫游及复杂场景的仿 真等研究与应用之中，带来了相关领域技术上的革新性发展1课题相关理论综述1.1课题相关概念突发事件（EmeTgency）是指一“切与智能建筑的结构、系统、服务和运营有 关的，影响建筑物安全、节能、高效率和高舒适性等H标实现的活动和过程这 是一个广义和抽象的概念本研究课题只讨论与建筑智能化系统有关的突发事 件，主要包括建筑智能化系统在运行过程中出现的过程故障、自适应和优化过程 中非例行操作、非法入侵以及火灾等建筑设备是指为建筑服务，提供人们基本牛存环境（如电、风、水等）所需 的大量机电设备①本研究课题只讨论与人员疏散和安全相关的如电梯、照明设 备、暧通空调设备、变配电设备以及给排水设备等建筑设备限于本文篇幅与作 者的研究领域和系统模块开发的任务安排，在本文相关讨论中，将主要研究电梯、 消防系统中的喷水设备以及门禁系统中的安全门这三种建筑设备。

1・2虚拟现实的特征1993 年，Burdea G 在 Electro 93 国际会议上发表的 uVirtual Reality Systemand Application” 一文中,提出了虚拟现实技术三角形即三“I”特 征:Immersion （沉浸）、Interaction （交互）、Imdgiiidtioii （构想），如图 1・1所示它是虚拟现实系统的三个基本特征，用以区别相邻技术，如计算机图 形学、多媒体技术、仿真技术、科学计算可视化技术等图1.1 “三角形”虚拟现实技术体系结构沉浸（Emersion）又称存在感，是指用户可以沉浸于计算机牛成的虚拟环 境中和使用户投入到由计算机牛成的虚拟场景小的能力，用户在虚拟场景中有 “身临其境” Z感他所看到的、听到的、嗅到的、触摸到的，完全与真实环境 中感受到的一样它是VR系统的核心交互（Interaction）是指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力它 是人机和谐的关键性因素用户进入虚拟环境后，通过多种传感器与多维化信息 的环境发牛交互作用，用户可以进行必要的操作，虚拟环境中做出的相应响应， 亦与真实的一样，如拿起虚拟环境中的一个篮球，你可以感受到球的重量，扔在 地上还可以弹跳。

交互性色含对象的可操作程度及用户从环境中得到反馈的口然 程度、虚拟场景中对象依据物理学定律运动的程度等；VR是自主参考系，即以 用户的视点变化进行虚拟交换构想（Imagination）是指通过用户沉浸在“真实的”虚拟环境中，与虚拟 环境进行了各种交互作用，从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认 识，从而可以深化概念，萌发新意，产牛认识上的飞跃因此，虚拟现实不仅仅 是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提高感 性和理性认识，从而产牛新的构思这种构思结果输入到系统中去，系统会将处 理后的状态实时显示或由传感装置反馈给用户如此反复，这是一个“学习—— 创造——再学习——再创造”的过程，因而可以说，VR是启发人的创造性思维 的活动因此，与过去只能在计算机旁等待计算机的处理结果，只能与键盘和鼠标与 计算机发牛交互作用，只能从一些数值结果得到某些启发相比，虚拟现实技术提 供了一个十分理想的人机界而1. 3国内外研究概况及文献综述H前，国外在虚拟现实的应用上，主要侧重历史继承性的应用如：地域演 变的模拟、牛物演变的模拟、虚拟博物馆、虚拟展览馆、文物的复原等另-•方 而主要是虚拟游戏的开发，以及虚拟现实技术与遥感技术的结合，用于气象、宇 航等事业。

同时，由于近年来地理信息系统（GIS）应用的发展，使得能提供良 好的人机界面的虚拟现实技术与GIS技术的结合将成为必然趋势例如：数字城 市、数字地球等概念屡见不鲜VR技术是一项投资大、难度高的科技领域，相比一些发达国家，我国还有 一定的差距，但已引起我国政府有关部门和科学家们的高度重视九五”攻关 计划、国家863计划、国家自然科学基金会等都把VR技术的研究列入了资助范 围国内的一些院校和科研单位，陆续开展了 VR技术的研究，而且可喜的是， 已经实现或正在研制的虚拟现实系统也有不少如北京航空航天大学计算机系虚 拟现实与可视化新技术研究室集成的分布式虚拟环境；浙江大学心理学国家重点 实验室开发的虚拟故宫、CAD&CG国家重点实验室开发出桌面虚拟建筑环境实吋 漫游系统；清华大学计算机系对虚拟现实和临场感方面进行了研究，例如球面屏 幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感试验等方面都具有不少独特 的方法；另外，西安交通大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、装甲兵工程学 院、中科院软件所、上海交通大学等单位也进行了不同领域、不同方而的VR技 术研究工作，并取得了一批研究成果1.3. 1研究的意义由于进行真实的智能建筑突发事件的关研究试验要面临巨大的人力和财力 的消耗，将虚拟现实技术（简称VR）应用于相关方而的研究中是一种发展趋势。

将虚拟现实技术引入用于处理突发事件的建筑设备运行策略等相关方面的 研究中，不但可以提供一个逼真的三维实吋虚拟环境，模拟出建筑设备的实吋运 行情况，弥补许多在现实研究中的缺陷而且它还可以模拟决策过程，向用户解释 系统的行为机制，并且它还可以方便的获得人量的实验数据供我们选择、处理、 分析，以此减少突发事件带来的人员及财产损失将系统运用于利用建筑设备指导人员在突发事件下逃牛的和关研究中，对防 灾、减灾和维护人员牛命、财产安全方面都具有特殊的意义2系统构研究基于突发事件的建筑设备实时虚拟系统的架构是一项复杂的系统工程，技术 层次涉及到各个独立的实体及虚拟场景模型建立、视景牛成、视景更新，以及碰 撞检测、数据交互和特效渲染等内容，知识层次涉及到决策支持、计算机仿真、 人工智能、计算机图形图像学、工程数学和安全疏散理论等知识，无论从技术支 持和理论知识來讲，都是值得深入研究的2.1系统结构分析与描述一般而言，虚拟现实系统具有两大特点：参与者可以从数据空间向外观察和 参与者可以沉浸到数据空间中它是通过对研究对象的模型进行计算机仿真，由 计算机结果去控制虚拟世界，并显示给参与者，最终实现它们之间的交互作用。

而智能化的虚拟系统除具备虚拟现实系统基本的特点以外，它还需要利用人工智 能技术使计算机通过编程模仿人的思维过程，将与研究对象相关的专家知识纳入 知识库，并根据这些知识进行推理，解释用户的请求，确定必要的输入数据，修 正或选择一个合适的模型进行实验基于以上分析，面向突发事件的智能化虚拟现实系统应由以下几部分构成数据采集及集成子系统该子系统作用为接受和处理突发事件的数据源，为虚 拟现实系统提供驷动和用于处理的数据库本文所描述的设备运行虚拟现实系统是依托于决策支持系统的，它们的逻辑 关系如图2.1所示智能建筑的数据采集系统采集突发事件数据源，经由数据集 成系统形成格式统一的数据存储于数据库中在数据库的基础上，形成知识库, 形成决策支持系统当有突发事件发牛时，决策支持系统提供决策，并通过数据 接口将决策信息提供给虚拟系统前台，进行实吋渲染—►* t采集故集成1拟>:<入知谏库厶设图2.1面向突发事件的建筑设备实吋虚拟系统结构图2. 2系统仿真过程描述将系统的使用用户划分为两类，一类用户称为沉浸用户；一类用户成为决策 用户沉浸用户主要是指在沉浸与仿真系统的用户，一•般是进行科学研究吋对其 操作进行数据提取的用户。

决策用户是指能对决策支持数据进行操作的用户，一 般为系统管理员或提供决策经验数据的参与者2・3系统需求分析2. 3.1系统整体功能模块描述面向突发事件的建筑设备实时虚拟系统在功能模块上主要分为四个部分：显 示控制模块：该模块主要在场景显示及模型显示方面进行控制，主要包括以下一 些功能2.4模块数据交互描述在系统后台数据库与前台虚拟现实系统的交互过程中，对于各个模块，i些 核心的数据元素的数据流传递，帮助系统完成数据交互工作对于各个特定的模 块，其模块核心数据交互元素描述如下：2.4. 1电梯模块数据交互描述参照3. 2节介绍的系统信息流概念模型以及4. 5节介绍的各个模块数据处理 算法，对于数据库与前台虚拟现实系统，电梯的初始与末端位置，电梯门开启状 况，电梯位置描述（包括电梯编号等），电梯是否开启运动等都是前台虚拟现实 系统实时运作所必须的核心元素，表4. 6描述了虚拟现实系统电梯模块所需耍的 核心参数2. 5消防喷水系统数据交互描述参照3. 2节介绍的系统信息流概念模型以及4. 5节介绍的各个模块数据处理 算法，对于消防喷水模块来说，前台虚拟现实系统只需关注其开启状态，所处位 置（包括层数，区域数等）核心元素，表4. 7描述了虚拟现实系统消防喷水模块 所需要的核心参数。

表2. 2虚拟现实系统消防模块喷水系统需要的数据核心参数表数搦类型fkxilBooliniintflail（兀乂Z）iniint描述欢引值是否开启甲号或水头编号位置层数区域数3本章小结为满足系统实吋性的需求，对系统数据库接入技术进行介绍；对各个子系 统的联动策略和算法进行介绍，介绍的具体的工作流程以及算法处理流程；对各 个子模块的核心处理元素进行介绍，描述前台虚拟现实系统和后台数据库交互核 心；介绍利用基于案例推理的方式构建系统知识库的和关理论，为面向突发事件 信息系统的数据交互与建筑设备数据处理提供理论参考参考文献[1] 龚晓海•建筑设备国环境科学出版社,2003.[2] 王国庆•虚拟现实(VR)技术及其应用[J].航空计算技术,1994, (2).66〜68.[3] Marja-Liisa Siikonen, Henri Hakonen. Efficient Evacuation Methods inTall Buildings [J]. Elevator World, 2003,51(7):78^83.[4] 肖国清，温丽敏，陈宝智•建筑物火灾疏散中人的行为研究的回顾与发展[J]・。