粒子系统在飞机火灾消防视景仿真中的应用研究

摘要：本文通过概述粒子系统原理，基于Vega特效技术中的粒子特效模拟消防车灭火剂与火焰烟气，设置控制算法以计算灭火器与烟气喷射参数，并计算出粒子源位置、粒子初始速度向量，实现对飞机火灾灭火过程与操纵的实时模拟。通过实验分析发现，此技术能够突出飞机火灾消防模拟的实时性与逼真性，为减少今后飞机火灾事故的发生率提供技术支持。

关键词：粒子系统;消防视景仿真;飞机火灾

1引言

视景系统是指应用三维计算机图像技术实现的可视化虚拟仿真模式，被广泛应用到民用或军用领域，在视觉上具有真实感与渲染效果。当前机场事故中91%来源于火灾，利用高效、简便的方式消灭火災对于保护人们生命财产安全至关重要。因此借助Vega特效技术构建飞机火灾与灭火剂粒子系统的虚拟模型，结合控制算法可以实现消防灭火的场景仿真设计。

2粒子系统理论简介

图元是粒子系统的主要组成部分，据查阅资料得知，粒子的属性大致相同，其属性与项目应用领域息息相关。基本粒子由粒子源产生，换言之，粒子源就是基本粒子的母亲，但粒子在产生时也存在随机过程，这个过程指的是在粒子系统模型之中融合物体的行为。

随机性是粒子系统在进行对象表示过程中的突出特征，因此，粒子随机过程能够控制管控粒子参数，在粒子从出现到消失的全过程中，时间函数是其主要的属性，这表明随机性和动态性是粒子产生的特点。

粒子系统由两部分组成，第一个组成部分为独立粒子系统，这一部分对粒子运动规律进行了揭示，系统之中的粒子呈现出独立运行的状态，通常情况下，不会影响彼此的运动。第二个组成部分是涡合粒子系统，这一部分与粒子结构存在密切的关联，与粒子系统的联系并未切断，这样一来，就使仿真效果更具真实性。全体粒子会将一定的规定作为标准构成一个整体，简言之，就是完成对模拟对象的模拟。与针对表面模拟这种传统技术对比而言，粒子系统在模拟时，可以取得更加显著的效果。究其原因，主要是粒子属于原子单位，拥有简单的结构，故在相同的帧循环内，通过粒子进行系统建模，可以处理海量的单元，从而获得复杂程度更高的图像。此外，工作人员还可以调节粒子系统的细节，以满足多元化的建模需求。

3粒子系统在飞机火灾消防视景仿真中的应用

3.1消防视景仿真总体方案

飞机火灾消防视景仿真的实现软件为Vega，该软件自带特效模块，可模拟创建火灾中的烟雾、火焰等元素，共包含13种特效，如Explosion、Custom等。除Custom外，其他特效均可通过参数调整来显示出不同的效果。而Custom为自定义特效模块，其以粒子系统为基础。飞机火灾消防场景中，火焰元素可通过Flame进行设构建，烟雾元素可通过Smoke进行构建，以上模块均具备单独的开闭、调整功能，对元素进行精准控制。消防车辆、灭火器等景象的动态化程度较高，一般使用Custom模块实现。例如，通过粒子速度适量对灭火剂的流量进行调整，当方向与速度相同，并将重力矢量设置为G（0，0，1）时，粒子呈现为向下运动状态，观察其状态可获取粒子流体的大致运动轨迹，过程中，重力加速度由Z值决定。调整粒子随时间的变化程度及随机速度，即可使粒子流体更加贴合灭火剂轨迹的真实状态。

3.2消防视景仿真控制算法

飞机消防视景仿真涉及4个坐标系，分别为地面坐标系、车体坐标系、消防炮基座坐标系和消防炮朝向坐标系，可将消防系统中各模块的运动状态以坐标值的方式表示。

消防炮运行时，将泡沫粒子的起始点设置在炮口处，粒子起始点随车辆及消防炮运动姿态变动而更新。泡沫喷射带有既定初始速度，在粒子系统中，以速度向量的方式表示，当消防车的位置、姿态、速度及消防炮的仰角、位置等发生变化时，坐标系中呈现的初始速度向量也不断发生变化，观察消防视景系统速度向量，即可获取消防车辆运动及消防炮朝向与泡沫粒子喷射速度间的影响关系。

泡沫是否能顺利被喷射至飞机起火点，需通过碰撞检测技术进行验证。Vega软件带有碰撞检验及交叉测试两个功能模块，设置飞机起火点的Isector及Volume、泡沫的Isector CIass后，起火点的Isector即可自动检测泡沫粒子，以完成泡沫灭火检测。消防视景仿真系统结合飞机火灾发生特点及规律，可依照时间维度调整烟气状态。例如，当飞机发动机因压缩机叶片漏油而导致起火时，若消防救援不及时，会进一步引发发动机涡轮尾部起火，随着火势的蔓延，发动机内部其他零件及外壳均会发展为火区，导致整个发动机燃烧。在视景仿真系统中，需在飞机发动机的多个位置设置火灾烟气特效发射源，利用程序控制不同时间节点发射源的状态，以对烟气进行模拟。在进行灭火时，根据泡沫喷射时间可大致计算喷射量，进而确定火灾是否被扑灭。机场消防车消防炮的喷射速度较高，一般情况下3min之内即可将全部泡沫喷射完毕。设消防车全部泡沫喷射完毕的时间为Tp，泡沫接触起火点至火灾熄灭的时间为Tm，给出如下控制算法：首先，依照飞机火灾模拟情况，驱动烟火特效发展过程，以此模拟飞机火灾发生状况及其发展过程。其次，若消防车消防炮泡沫喷射的控制变量无效，则重复上一步骤，否则，计算泡沫粒子系统中发射源的位置和速度向量，完成泡沫粒子系统发射源位置及速度向量设置。若消防炮泡沫粒子系统未开启，则设置喷射时间为Tp，同时开启泡沫粒子系统。再次，若在点火处的碰撞检测中发现泡沫粒子，则将烟火持续时间调节为泡沫灭火时间，为Tm。最后，若泡沫粒子系统关闭后，起火点烟火仍处于开启状态，则依照火灾发生过程对烟火持续时间进行调整。

3.3消防视景仿真系统验证

利用以上设计方案配合Veqa软件对飞机火灾进行消防灭火实景模拟。茌系统中设置多个火焰粒子源及烟气粒子源，以更加贴近飞机火灾的真实情况及发展过程。从消防炮泡沫喷射场景图判断，泡沫粒子参数设置适当，最终的仿真场景逼真程度较高。计算泡沫粒子源的位置，可得到较准确的灭火剂发射点信息，基本满足机场消防车辆模拟驾驶训练要求。

经验证，该模拟系统飞机火灾消防视景仿真效果优良，控制算法运行顺畅、可靠，可被应用于机场消防车辆驾驶训练、消防模拟演练等领域。

4结语

粒子系统对于模拟自然场景具有显著优势，借助粒子系统可以完成对飞机灭火器喷射及火灾场景的设计，同时根据消防车结构推导相关向量计算公式，整合应用需求设计消防场景控制算法。通过实践验证，此系统能够真实地模拟飞机火灾与灭火的情境，突出了控制算法的实时性与可靠性，为机场消防车中驾驶训练模拟器提供了广阔的应用前景。

作者简介：

陈木灵，女，汉族，海南文昌人，本科在读于吉林动画学院，研究方向为游戏特效。