基于UE4引擎的校园火灾模拟系统研究与设计

摘  要：近年来疫情封校原因，学生无法外出，校园安全问题日益严峻。在校园内，学生食堂、宿舍等区域，一旦发生火灾，后果不堪设想。无论学生紧急疏散慌张导致的踩踏事件，还是火势过猛引起学生无法逃离现场的情况，都是需要解决的问题。所以必须加强学生的消防安全意识，此系统旨在让学生在虚拟引擎中体验真实的火灾模拟系统，如何逃生，如何规范地破灭火灾，都可以在此系统中进行演练，帮助学生学习消防知识，又能够提高学生遇到实际火灾问题保证自身安全的能力。

關键词：校园管理；火灾模拟系统；UE4引擎；消防安全

中图分类号：TP391.9    文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）13-0018-04

Research and Design of Campus Fire Simulation System Based on the UE4 Engine

SONG Xue

（Guiyang Institute of Humanities and Technology， Guiyang  550025， China）

Abstract： In recent years， students cannot go out due to the epidemic situation and school closure， and campus safety problems have become increasingly serious. On campus， student cafeterias， dormitories and other areas， once a fire occurs， the consequences are unimaginable. Whether it is a stampede caused by panic of students' emergency evacuation， or the situation where students cannot flee the scene due to excessive fire， it is a problem that needs to be solved. Therefore， it is necessary to strengthen students' fire safety awareness. This system is designed to allow students to experience the real fire simulation system in the virtual engine. How to escape， how to standardize to put out the fire， can be practiced in this system. It helps students learn fire protection knowledge， and can improve the ability of students to ensure their own safety when encounter actual fire problems.

Keywords： campus management; fire simulation system; UE4 engine; fire safety

0  引  言

高等院校是学生居住时间较多的地方，有着宿舍多、占地面积大、楼层高等特点，学生也居住密集，在上课期间，全校师生的消防安全问题是非常需要关注的。学校校园内，有实验室、宿舍楼、食堂、档案馆和图书馆等重点需要消防安全的场所，一旦发生火灾，校园内工作人员、教师和学生的人身安全和财产安全都会受到威胁[1]。现在很多学校也很重视消防安全，安装一些预防校园火灾的有线或无线的火灾防范系统，这些系统会有效地在火灾发生时及时预警，以便于尽快控制火势的发展。但当火灾发生时，并非所有人员或财产伤亡情况都由火灾引起，当学生没有足够的消防经验时，慌张的飞奔下楼造成楼梯拥挤的踩踏事件数不胜数。不知道如何控制火势使之变大的情况也比比皆是。为有效预防这种情况，本文重点使用3DMax和UE4引擎为工具来构建校园虚拟场景，让学生能够体验遇到火情时如何有效地控制火情或是井然有序的离开火灾现场，保护自身安全和财产安全[2]。本文重点阐述如何使用3DMax搭建校园模型，使用UE4引擎实现实时渲染，对校园标志性建筑物进行1比1还原仿真，让学生了解学校细节方位，有效地满足实时预览和高效、深度沉浸阶段的需求，提高学生用户与系统设计的沉浸交流体验。

1  软件功能与框架

1.1  建模软件

3D建模软件有很多，目前主流的高模建模软件有：Maya、3DMax、Zbrush。其中3DMax以基于PC系统的配置要求低；安装插件可以提供3DMax没有的功能进行增强；强大的角色动画制作能力；可堆叠建模步骤，使制作模型有非常大的弹性；制作流程十分简洁高效，适合初学者等优点使之广泛应用。本文也将使用3DMax进行建立学校模型[3]。

1.2  渲染软件

目前，三维实时渲染的软件有Unity3D和UE4。UE4在画面中表现十分突出，可以直接导入3DMax的高模，默认渲染管线也是可以真实地模拟实际材质，节点化的变成系统使用更加便捷，对学生学习设计非常友好[3]。在项目开发过程中，分批将蓝图中计算负荷重、耗时长的部分转换为C++代码供蓝图调用，可以实现快速原型开发和产品高效运行的统一[4]。基于UE4软件以上的优势，本系统设计使用UE4作为实时渲染引擎，并在此基础上开发沉浸式互动等各项功能。

2  校园火灾模拟系统总体设计

2.1  系统总体设计

本软件在PC端进行开发，通过Blueprint（蓝图节点）连接，实时对模型场景进行调整，使得设计者在设计时对场景把控更为简单。为设计合适的虚拟模型场景，本系统在UE4的Gameplay框架基础上，根据火灾系统的需求设计了如图1所示的架构。该框架中Game Mode、Game Instance、Player Controller、For loop等組件节点，均继承UE4默认父类基础，根据火灾系统进行扩展适配，实现内容搭建。针对内容需求，分成两个模块：第一，实现火灾系统模型建设及材质贴图建设，为使用者感官更为真实；第二，设计随机着火点，使用者控制人物角色模拟真实火灾进行交互，实现模拟演练的功能。

在交互中，将用户接入Gameplay框架，分别响应不同功能，搭配Gameplay框架使用提供的通道射线追踪、碰撞检测等算法，提升Blueprint代码质量。

根据实验系统的内容和结构，系统分为登录模块、选择角色模块、选项模块、实验模块和控制模块。实验模块中的内容根据学校范围分成各个子模块，每一个子模块代表一块区域，例：实验一，食堂区域。各实验模块可以设立成独立关卡，可以以闯关的形式判定用户得分情况，关卡通过选项切换，通过Blueprint变成实现设计功能。如图2所示。

登录系统首先会进入登录界面，在登录界面中输入账号和密码进行登录，登录成功后进行角色选择模块判定，选择角色有教师、学生、工作人员，当选择教师后，会进入到教师的初始实验场景，实验室起火点，由于是第一个实验，会将实验难度降低，主要用于了解如何使用消防器材；当选择角色为学生后，会进入到学生的初始实验场景，会随机选择走廊失火或宿舍失火地点，主要让学生掌握如何使用消防器材；如选择角色为工作人员，会将初始实验场景设置在食堂，让工作人员掌握如何使用消防器材。通过第一个实验后，后续实验会根据角色身份，进行下一次实验判定，通关后会有综合评分，方便各种角色体验学习。取代平面图形，以三维建模技术建立实际模型，通过UE4引擎、Ps等软件快速还原真实地形加载，并对其画面进行优化，提高模拟训练的真实性。如图3日光教室效果、图4灯光教室效果所示。

针对上述内容进行具体分析，需要完成设计的对象有：光源、食堂、教室、办公室、宿舍楼和得分物、角色、玩家控制器、用户界面等。相关对象均以类的方式进行封装，并按实际情况在实验场景中生成多个案例，这里选取最主要的4类对象进行说明。

2.1.1  光源

设置合适的光源，保证用户在夜间也有真实的视野。配合天空光线昼夜交替的条件下，减少一些阴影渲染错误，解决用户在夜间有真实视野效果，将天空的太阳高度和天空光源照射角度绑定，实现昼夜交替效果。为让感受变得更真实，将角色相机的自动曝光的最大值、最小值设定为15和-15，在这个区间内可以保证不出现曝光不足的情况或者是过度曝光的情况。

2.1.2  食堂

食堂就是实验中的一个关卡，是一个封闭的空间，可以向楼上延伸。空间内的物体是不可以被销毁，但是能够触碰的。食堂内应设置贩卖食物的商店，可以正常仿真的买卖食物。后厨内明火和暗火也应该与真实事务一致，可以模拟各种情况的场合。将食堂封装成为一个单独的蓝图类“Food_B”，类中除地板“Floor”以外，其他位置都可能有任何情况燃烧的逻辑、并为食堂内部标点，形成坐标“Left”“Right”“Middle”，当着火点发出信号，角色可以选择逃离或是拿起消防用品施救。行为正确加分，行为错误减分。

2.1.3  角色

角色将会封装成名为“Hero_B”的蓝图类中，将建立三个角色，通过系统登录界面选择，其中相机和角色相连，而光源则在天空中，跟随角色的动作而移动。用户操控角色时应有相关联的逻辑。例如，行走在食堂内部或在宿舍躺或坐，遇到桌子、障碍物等物品时应是离开，要建立角色的坐标位置变换。为了将角色和NPC区分，为角色封装一个单独的蓝图类“User”，类中包含触碰、拿起、扔掉等各种行为。角色可以拿起消防栓，可以对消防栓实施打开、关闭等行为，可以通过声音提醒其他NPC逃生路线，触碰人物。

2.1.4  得分物的设置

当角色遇到火情时，角色可以控制整个位置空间，可以通过选择如何做获得分数。在相同的骨骼与网格体的情况下，需要加入Select节点，将不同的选择结果放入Option引脚中，最后将Index引脚与Intensifier相连后设置好增值数值，可实现选择后加分内容。

2.2  虚拟互动过程设计

本系统是在火灾系统内容设计的交互式模拟训练系统，用户可自行进入系统进行学习，实现用户自主学习，实现系统认知，如何安全防范火灾，遇到火灾如何处理等不同层面的实践训练[5]。本系统大概可以分为三个步骤，首先学生登录系统选择角色，然后从第一个基础实验开始训练（起初火灾点发生在走廊窗户的窗帘，此刻环境处于刚刚点燃的状态，手边就是三个类型的灭火器，如何选择和操作是用户首先需要了解的），最后通过用户的选择及使用判定结果和分数。每个实验都有不同的场景及交互效果。

2.3  具体虚拟系统实验功能

本次模拟系统互动如下：

1）用户输入统一账号登录系统，可选择角色。

2）通过“WSAD”实现镜头移动和角色移动。

3）通过控制鼠标实现场景视口的移动，通过鼠标滚轮实现视口的放大与缩小。

4）使用鼠标点击相关灭火器或其他道具，可实现交互作用。

5）使用结束后，可观看正确做法，系统判定分数。

3  虚拟系统的实现

为了完成高沉浸感、可靠真实度的虚拟训练，代替真实火灾训练的人物，系统应能够实现模拟训练功能。角色能够以第一视角在任何场景中对火情的发生进行相关的操作，可以实际拿起消防栓、灭火器等相关器件，可以通过鼠标进行交互，可以实时观察到火情变化。还原真实地形。在后期的研究中，可以让VR视角下虚拟模型能够清晰还原。确保在VR头显下有真实体验，画面清晰，食堂等环境内部文字信息清晰，画面可以跟随头部移动视角，触感清晰并可以通过体感手套拿起虚拟模型进行操作，减少与真实事件的差异。目前系统分为以下四个模块。

3.1  界面登录模块

添加Blueprint节点创建UI界面。在UI界面中添加canvas panel（画布节点），为其命名为登录界面。拖入相关子节点输入。添加判断事件节点，判定是否将用户名和密码配对成功，配对成功会登录成功。部分程序如图5所示。

3.2 选项模块

选项模块的功能是用于系统中实验之间的转换，实验内容有十几项，包括食堂烟道，食堂内部，走廊，墙邊，宿舍各种火灾情况的紧急处理预案。

进入Blueprint界面添加Uniform Grid Panel网格，修改成合适的尺寸。在网格中添加Button按钮，并填充至整个网格，在按钮上添加文字，完成一个选项的绘制。

3.3  选择角色模块

角色有多种，校园模拟系统有教师、学生及工作人员，设定初始场景并不一致，会先从当前角色更适合的方向进行模拟，例如学生初始场景在教室走廊或宿舍，以最简单的小火和灭火器的使用方法入手；如果是教师应为实验室或办公室；工作人员会从食堂等方面做初始场景[6]。设计布局做好三个按钮，分别链接不同的实验即可完成此模块的设计。部分程序如图6所示。

3.4  实验模块

实验模块目前设计有24种，其中有3种分别是不同角色的初始场景，这些场景不可以相互替换，是通过不同角色得到的真实体验，主要是为了相关用户能够首先体验到最为熟悉的场景使用，其次有21种实验依次递进，一点一点增加难度，让不同角色的人了解校园内各个场景部分，并且有效传导防火措施，如火灾火势过大，除了学生可以自觉疏散以外，还需要学生自觉拨打校消防及119火警报警电话。这些不同的实验场景，都可以让用户先体验一遍火情后，通过自己的选择来了解自己的消防知识是否正确，结尾后的正确展示也会让用户加深火灾防范意识和行为。

4  结  论

本文针对现有校园火灾防范系统的不足，提出使用3DMax建模软件和UE4引擎虚拟软件制作了模拟校园火灾系统，此系统可以使用户拥有真实体验，针对不同选择看到选择后的结果，并通过结果知道自己在哪里的预备不足。如果发生火灾不需要紧张，如火势较小，应正确应对；如火势过大，应用湿毛巾掩住口鼻，井然有序的离开火灾点，去往安全的地方。本系统目前可以在PC端使用鼠标进行互动，后期可以通过接口接入头盔等设备实现虚拟现实技术效果。

参考文献：

[1] 华健，黄飞，任浩，等.校园智能火灾预警系统设计与实现 [J].合肥工业大学学报：自然科学版，2021，44（3）：357-360.

[2] 杨帆，唐政磊.基于UE4引擎的仿真教学中海洋海浪模拟初探 [J].智能建筑与智慧城市，2022（2）：88-92.

[3] 李浩铭，付战平，王志乐，等.基于UE4引擎的虚拟训练系统的设计与实现 [J].信息技术，2022（1）：84-89.

[4] 贾磊，乔壮，杨林岗，等.基于UE4的移动端家装软件设计与实现 [J].信息与电脑：理论版，2022，34（20）：70-73.

[5] 熊琰.基于ZigBee的校园火灾防范系统设计与实现 [J].现代信息科技，2021，5（12）：168-171+176.

[6] 薛莹莹，姚铭.UE4引擎的虚拟角色交互设计探析 [J].景德镇学院学报，2021，36（6）：97-100.

作者简介：宋雪（1994.02—），女，汉族，吉林白城人，助教，硕士研究生，研究方向：物联网工程。

收稿日期：2023-03-14