Fire Simulation Prototype Tool Based On Diffused Limited Aggregation.pdf

1、火在人類(lèi)社會(huì)發(fā)展中占據(jù)著重要的地位，它為人類(lèi)提供了能量，為人類(lèi)的生存提供了必要的條件如:烹飪、鋼鐵制造以及建筑行業(yè)都需要使用火的高溫。與此同時(shí)，火也是非常危險(xiǎn)的，如果使用不當(dāng)，它可能會(huì)引起火災(zāi)，造成財(cái)產(chǎn)和生命的損失。因此，對(duì)火災(zāi)的預(yù)警和火勢(shì)蔓延規(guī)律進(jìn)行研究有著十分重要的意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真已經(jīng)成為一種重要的研究手段。對(duì)火災(zāi)現(xiàn)象的模擬和仿真技術(shù)開(kāi)始受到人們的巨大關(guān)注。對(duì)火災(zāi)的模擬和仿真能有效的幫助消防隊(duì)員在面對(duì)火災(zāi)中

2、可能遇到的各種情況時(shí)能夠冷靜正確的應(yīng)對(duì)。對(duì)火災(zāi)的模擬和仿真有助于幫助普通人掌握火災(zāi)發(fā)生時(shí)火勢(shì)的蔓延規(guī)律，在遇到危險(xiǎn)時(shí)提高逃生幾率。在火災(zāi)發(fā)生以后，往往需要對(duì)火災(zāi)發(fā)生的原因進(jìn)行分析，找到相應(yīng)的引發(fā)火災(zāi)的責(zé)任負(fù)責(zé)人，對(duì)火災(zāi)的模擬和仿真也就成為還原現(xiàn)場(chǎng)的主要方式。另外一個(gè)重要的應(yīng)用就是電影中與火焰有關(guān)的特效特技，常常也需要對(duì)火焰的產(chǎn)生和持續(xù)的過(guò)程進(jìn)行模擬和仿真。
　　 現(xiàn)有的火勢(shì)模擬方法是通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)來(lái)模擬火勢(shì)，計(jì)算流體

3、力學(xué)是指在某一時(shí)刻使用大量的粒子對(duì)流體進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算過(guò)程中會(huì)用到流體的描述方程以及相關(guān)的物理屬性進(jìn)行仿真計(jì)算。因此，為了得到更高精度的火勢(shì)模擬結(jié)果，往往需要進(jìn)行大量的復(fù)雜計(jì)算，離散步驟的計(jì)算是其中最為復(fù)雜的部分，同時(shí)在計(jì)算的過(guò)程中還需要對(duì)這些粒子進(jìn)行渲染，因此整個(gè)模擬過(guò)程具有相當(dāng)高的時(shí)間復(fù)雜度。本論文提出基于擴(kuò)散置限凝聚模型(DLA)的火勢(shì)模擬原型工具，使用擴(kuò)散置限凝聚模型來(lái)降低計(jì)算復(fù)雜性和減少資源消耗，我們火焰擴(kuò)散模擬工具中使用D

4、LA的原因:DLA能通過(guò)簡(jiǎn)單的步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的模擬，并且在計(jì)算時(shí)一個(gè)時(shí)刻只需要生成一個(gè)粒子，而不像流體計(jì)算力學(xué)(CFD)那樣每一時(shí)刻都需要使用大量的粒子來(lái)進(jìn)行計(jì)算。這樣做不僅降低了粒子的數(shù)量，同時(shí)也降低了渲染粒子的計(jì)算成本，基于擴(kuò)散限制凝聚的火勢(shì)模擬系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)如下:
　　 本文開(kāi)發(fā)的工具使用DLA模型來(lái)模擬任意一點(diǎn)產(chǎn)生的火焰以及對(duì)應(yīng)火勢(shì)的傳播，利用擴(kuò)散限制凝聚模型中的傳播預(yù)測(cè)去模擬火勢(shì)行為，而首先在場(chǎng)景中的某一固定點(diǎn)放置一個(gè)

5、DLA粒子，來(lái)作為火焰產(chǎn)生點(diǎn)，也稱為DLA起始點(diǎn)。而下一步產(chǎn)生的DLA粒子將遠(yuǎn)離種子點(diǎn)并做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。本文開(kāi)發(fā)的工具建立了隨機(jī)漫游模型來(lái)模擬火焰的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，并且在一個(gè)時(shí)間段中，隨著火勢(shì)的蔓延一些新的粒子也被觸發(fā)形成新的起火點(diǎn)。而在場(chǎng)景中的粒子將會(huì)做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，直到它與另一個(gè)粒子發(fā)生碰撞的時(shí)候才停止運(yùn)動(dòng)，并與之結(jié)合并且觸發(fā)其他粒子的運(yùn)動(dòng)。這一過(guò)程將一直持續(xù)直DLA結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建的所有粒子都被觸發(fā)完畢，在所有粒子觸發(fā)完畢的同時(shí)就可以獲得火勢(shì)通道。這

6、個(gè)過(guò)程需要隨機(jī)計(jì)算出每一時(shí)刻新粒子被觸發(fā)的位置。為達(dá)到這一目的，我們修改了梅爾·西格爾算法，用它來(lái)在以點(diǎn)P(x,y,z)為中心，R為半徑的球體中，隨機(jī)的觸發(fā)新粒子，我們的程序最后需要展示一個(gè)俯瞰圖，因此需要將產(chǎn)生的粒子的位置投影到XY平面上去，形成以Rxy為半徑的投影區(qū)域，以Rxy為參考半徑計(jì)算新的x和z的值，并以改點(diǎn)作為觸發(fā)新粒子的地點(diǎn)。由于點(diǎn)P是在XZ平面，只需要將y簡(jiǎn)單的置零。正在觸發(fā)的DLA粒子如果遠(yuǎn)離起始點(diǎn)則有可能需要更長(zhǎng)的時(shí)

7、間甚至一直進(jìn)行隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，如果使用這樣的方法將會(huì)嚴(yán)重降低計(jì)算效率。為了解決這一問(wèn)題，我們通過(guò)限制DLA粒子觸發(fā)新粒子的最大觸發(fā)次數(shù)來(lái)提升DLA的計(jì)算效率;當(dāng)DLA粒子達(dá)到其觸發(fā)新粒子次數(shù)的上限時(shí)，DLA粒子將會(huì)消亡，并觸發(fā)新DLA粒子融合為DLA簇。
　　 每次產(chǎn)生新的粒子時(shí)，需要修改球體半徑，確保新產(chǎn)生的粒子在球體半徑范圍內(nèi)被觸發(fā)，通過(guò)這種方法，DLA粒子將不會(huì)遠(yuǎn)離正在擴(kuò)充的DLA簇，從而有效的降低DLA粒子總數(shù)，通過(guò)擴(kuò)散置限凝

8、聚粒子附著自身并自發(fā)的擴(kuò)充為擴(kuò)散置限凝聚簇，最終形成擴(kuò)散置限凝聚分支。根據(jù)隨機(jī)游走的性質(zhì)，當(dāng)一個(gè)自由粒子處在初始位置時(shí)，需要將分支進(jìn)行移動(dòng)，繼而按照設(shè)計(jì)的方法形成每個(gè)子分支，與此同時(shí)還需考慮一下問(wèn)題，例如:由于分支的形成直接影響火勢(shì)的增長(zhǎng)速率，所以在計(jì)算火勢(shì)增長(zhǎng)期間需要及時(shí)的得到每個(gè)分支，確保為每個(gè)新觸發(fā)的粒子分配創(chuàng)建號(hào)，其中創(chuàng)建號(hào)指的是已形成的擴(kuò)散置限凝聚分支;擴(kuò)散置限凝聚粒子通過(guò)使用創(chuàng)建號(hào)來(lái)識(shí)別自身，而當(dāng)前已觸發(fā)的擴(kuò)散置限凝聚粒子依

9、附于自身并形成一個(gè)分支。
　　 為了通過(guò)擴(kuò)散置限凝聚來(lái)模擬火勢(shì)，生成模擬場(chǎng)景，模擬火勢(shì)需要計(jì)算產(chǎn)生包括所有影響火勢(shì)傳播要素和其他物體要素，其他物體包括燃料，可燃物以及障礙物都將產(chǎn)生并放置在場(chǎng)景中。為了實(shí)施并展示這個(gè)3D場(chǎng)景，我們通過(guò)以下步驟來(lái)即時(shí)的生成一個(gè)3D場(chǎng)景，首先創(chuàng)建一個(gè)3D網(wǎng)格，然后將2D圖像最為紋理來(lái)構(gòu)造一個(gè)3D場(chǎng)景，由于在自然場(chǎng)景中斜坡對(duì)火勢(shì)的蔓延是具有影響力的，所以在生成3D場(chǎng)景斜坡也是有必要?jiǎng)?chuàng)建的;為了創(chuàng)建斜坡，

10、本文應(yīng)用一個(gè)函數(shù)來(lái)隨機(jī)選擇一點(diǎn)，并以其為中心產(chǎn)生半徑為R的圓，然后將圓內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行上移或者下移，而位于最高位置的點(diǎn)則作為最新創(chuàng)建地形的中心點(diǎn)。我們還可以通過(guò)用戶手動(dòng)的方式降低地形的高度或者呈現(xiàn)平坦地形來(lái)。在火災(zāi)模擬中，放置諸如可燃物和障礙物此類(lèi)的三維實(shí)體到3D場(chǎng)景中也是非常重要的。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，我們將可燃物和障礙物隨機(jī)放置于場(chǎng)景中，放進(jìn)場(chǎng)景中的每個(gè)三維實(shí)體都為其加上標(biāo)識(shí)，用于判斷是否是可燃物或者障礙物，以便于在模擬期間能區(qū)別它們。水分

11、也是其中一個(gè)因素，它影響著火勢(shì)的增長(zhǎng)速率，在輕燃料或者可燃物中，我們將初始化這些物件的水分含量并為其賦初始值。同時(shí)還添加了一些按鈕使用戶可以通過(guò)窗口控件改變輕質(zhì)燃料和可燃物的大小和其含水量，因此，用戶可以自由的調(diào)整燃料和可燃物體中的水分含量以及可燃物體的體積。
　　 我們的系統(tǒng)中添加了碰撞檢測(cè)功能，通過(guò)檢查可能在場(chǎng)景中發(fā)生的碰撞來(lái)確保仿真運(yùn)動(dòng)盡可能順利的進(jìn)行，由電腦隨機(jī)生成的3D場(chǎng)景中可以有多個(gè)不同的擴(kuò)散置限凝聚起始點(diǎn);因此需要

12、確保這些確保這些擴(kuò)散置限凝聚點(diǎn)不會(huì)相互重疊。為了達(dá)到這一目的，必須實(shí)現(xiàn)粒子之間的碰撞檢測(cè)，確保已經(jīng)形成的粒子不會(huì)和其他的粒子發(fā)生碰撞。碰撞檢測(cè)也能防止在已形成的路徑上創(chuàng)建另一條路徑，因?yàn)橐呀?jīng)燃盡的區(qū)域是不可能再起火的。在場(chǎng)景邊界與擴(kuò)散置限凝聚模型間的碰撞檢測(cè)也是非常重要的，這樣才能確保模擬不會(huì)發(fā)生在場(chǎng)景的外部;為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們的工具中添加了檢測(cè)擴(kuò)散置限凝聚粒子與場(chǎng)景邊界碰撞這一功能，首先應(yīng)該知道場(chǎng)景的面積，并計(jì)算出場(chǎng)景中的哪些區(qū)域

13、擴(kuò)散置限凝聚粒子將不會(huì)增長(zhǎng)，同時(shí)正在觸發(fā)的擴(kuò)散置限凝聚粒子與障礙物和可燃物體之間的碰撞檢測(cè)也是非常重要的，因?yàn)檎系K物能阻止火勢(shì)蔓延。本文在實(shí)現(xiàn)時(shí)將擴(kuò)散置限凝聚粒子、障礙物和可燃物體之間的碰撞檢測(cè)也增添到系統(tǒng)里，當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，首先會(huì)檢測(cè)碰撞物是否在場(chǎng)景中，以及該物體是可燃物還是障礙物，然后再識(shí)別擴(kuò)散置限凝聚粒子，最后計(jì)算相應(yīng)的燃燒過(guò)程，將使附近的可燃物體燃燒繼續(xù)創(chuàng)建火勢(shì)通道并穿過(guò)可燃物;如果是障礙物，擴(kuò)散限制凝聚顆粒將通不過(guò)，相反，它會(huì)找

14、到另一個(gè)可用的位置并繼續(xù)創(chuàng)建火勢(shì)路徑。
　　 在火焰燃燒的過(guò)程中，天氣也是影響火勢(shì)增長(zhǎng)速率的一個(gè)重要因素。如:風(fēng)勢(shì)、濕度和溫度在火勢(shì)蔓延過(guò)程中扮演一個(gè)非常重要的角色。通過(guò)分析風(fēng)的強(qiáng)度和風(fēng)向，在擴(kuò)散置限凝聚模型中添加這些因素對(duì)粒子的影響。因此，當(dāng)它與風(fēng)向是同一方向時(shí)，粒子的傳播速度將增長(zhǎng)，而它的增長(zhǎng)速率則取決于風(fēng)的強(qiáng)度。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)法則，場(chǎng)景中的溫度與場(chǎng)景中水分的含量是息息相關(guān)。當(dāng)溫度升高時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)水分的含量將降低。而這是基于溫度將蒸發(fā)

15、場(chǎng)景中可燃物體包含的水分這一事實(shí)。因此，燃料將變得干燥，釋放水分含量，逐漸接近著火點(diǎn)。當(dāng)用戶改變場(chǎng)景中的溫度時(shí)，它能自動(dòng)計(jì)算場(chǎng)景中水分含量。
　　 熱量對(duì)于場(chǎng)景中的可燃物和輕燃料的起始著火點(diǎn)也是非常重要的，它可以通過(guò)可燃物的燃燒逐漸從一點(diǎn)轉(zhuǎn)移至另一點(diǎn)?；谶@種考慮，散發(fā)和轉(zhuǎn)移的熱量也應(yīng)予以考慮。因此我們考慮可燃物體在燃燒時(shí)釋放的熱量從一點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一點(diǎn)。模擬一開(kāi)始，場(chǎng)景中達(dá)到著火點(diǎn)的可燃物體開(kāi)始燃燒并釋放熱量，并在地表創(chuàng)建火勢(shì)路徑

16、，并從燃燒點(diǎn)轉(zhuǎn)移到周邊地區(qū)，如果轉(zhuǎn)移的熱量被周?chē)p燃料吸收，并且吸收的燃料大于或等于周?chē)p燃料的著火點(diǎn)，燃料也將開(kāi)始燃燒，并形成相應(yīng)的火勢(shì)路徑，這也就意味著當(dāng)熱量發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，可燃物在接近著火點(diǎn)時(shí)會(huì)開(kāi)始燃燒。
　　 為了得到影響火勢(shì)增長(zhǎng)的因素，例如在場(chǎng)景中燃料所需的熱量、水分的含量、可燃物、溫度、地形、風(fēng)的強(qiáng)度、風(fēng)向以及在地表燃盡所有燃料所需時(shí)間都將通過(guò)擴(kuò)散置限凝聚模型來(lái)模擬并給出相關(guān)結(jié)論。因此，擴(kuò)散置限凝聚粒子的增長(zhǎng)率取決于計(jì)算

17、得出的火勢(shì)增長(zhǎng)率，它也可以用來(lái)判定已觸發(fā)的擴(kuò)散置限凝聚粒子顏色的變化率，基于這種情形，顏色變化越快說(shuō)明火災(zāi)發(fā)生頻率越高。為了確保模擬更精確，我們?cè)谌我换饎?shì)通道上增加了燃燒進(jìn)度功能，它能控制和模擬火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，也考慮了所有影響火勢(shì)傳播的因素，因此，該項(xiàng)功能將對(duì)于上述因素進(jìn)行模擬計(jì)算。
　　 本文通過(guò)調(diào)整影響火勢(shì)增長(zhǎng)行為的參數(shù)來(lái)對(duì)原型系統(tǒng)的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，當(dāng)這些變量發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)也給出相應(yīng)的結(jié)果分析，本文的目的旨在通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，并對(duì)