Fire Simulation Prototype Tool Based on Diffused Limited Aggregation (dla).pdf

1、 火勢模擬對于理解火勢行為是非常重要的,而對火勢行為的理解又能有助于對消防人員的培訓,并幫助他們將在救援過程中實施救援預案,救援所需的工具以及在救援和控制火勢蔓延過程中需要采取哪種消防戰(zhàn)略和戰(zhàn)術去指導各種實驗。
現(xiàn)有的火勢模擬工具由許多離散的步驟組成,這常被用來進行數(shù)值計算,因此需要復雜的算法來進行這種火勢行為的模擬和對它的傳播進行預測,由于許多科學模擬采用了計算流體動力學(CFD)在同一時間內(nèi)所獲得的模擬顆粒數(shù),這需要

2、相當巨大的計算量和成本以得到粒子的著色這一效果。
本論文中,我們打算實現(xiàn)基于DLA的火勢模擬原型工具,而DLA能降低在同一時間段所需的大量粒子模擬的計算的復雜性,DLA能夠使用我們的工具在某個時間生成一個粒子。我們的工具應用 DLA 來每次產(chǎn)生一個顆粒,第一粒子將被固定在 DLA 的起點,其它顆粒被隨機地在現(xiàn)場推出,因此,應通過修改梅爾西格爾算法,這種算法能通過隨機分布在一個球體上的點來計算將被推出的粒子的位置。然后已經(jīng)發(fā)

3、射的粒子進行隨機運動,在這種情況下,我們限制步數(shù)以致這樣的顆粒不會一直隨機運動,從而降低我們工具的效率。球體的半徑也將隨時修改,每一時刻都生成顆粒,因此在球體半徑長度范圍內(nèi)發(fā)射顆粒而遠離正成長的DLA集群顆粒將不會被發(fā)射。
產(chǎn)生和安排DLA分支的目的是為了當DLA遇到斜坡和風時,它能輔助那個工具去計算火勢增長效率,當 DLA 新的微粒形成時,DLA 分支也就同時形成。那個新產(chǎn)生的微粒也被安排一個以已經(jīng)形成火勢路徑的身份來鑒

4、別它自己的身份而已經(jīng)形成的DLA將堅持已有的并且形成一個新的分支。
我們的火勢模擬原型工具本能確認新的發(fā)射粒子將永遠不會執(zhí)行一個隨機運動,因為如果我們讓一個發(fā)射粒子能夠執(zhí)行隨機運動那我們的工具的有效性將降低,并且它會花費更多的是將去模擬火勢路徑,鑒于這種情況,我們本應該限制隨機運動的步驟數(shù),而在吸附本身形成集群之前微粒做隨機運動,如果已經(jīng)達到一定數(shù)量并且微粒不再吸收自身以致微粒不再增長成 DLA 集群,然后另一個新的顆粒本

5、應被發(fā)射。
為了減少的殺死的顆粒的數(shù)量和增加顆粒的機會粘到正增長的 DLA 群集顆粒應在球體半徑長度范圍內(nèi)推出。我們的原型工具需要生成新的粒子時,這種
球體的半徑將隨時被修改。除此之外,在球體半徑長度范圍內(nèi)發(fā)射的微粒,將導致遠于 DLA 集群的顆粒將不會被發(fā)射,由于新發(fā)射的顆粒將不會花很長的時間粘附在自身去增長成DLA集群,因此,新發(fā)射的顆粒將更近于正生長的DLA集群,殺死顆粒的數(shù)量將可能減少。

6、 當遇到山或者平坦的地表時,3D 場景的實現(xiàn)和地形的生成讓我們能夠觀察到火的行為。通過選擇中心點地形能隨機形成,并且計算出半徑,然后在圈內(nèi)的點可以向上移代替其他的點,而其他的點將向下移動。將選擇最高的點作為新建地形的中心點,基于這種情況,通過增加或降低地形的高度甚至以平坦的地形出現(xiàn)和觀察依據(jù)地形的結果使用者應該能夠使用我們的工具去創(chuàng)建山區(qū)地形的高度,通過增加或者減少,甚至出現(xiàn)平的地形和新創(chuàng)建的地形的中心觀察火災的行為,根據(jù)地形的影響,譬

7、如：當火勢在上坡燃燒時,火的傳播速度更快；相反,當火勢在下坡燃燒時,燃燒速度將會更慢。
例如某些可燃物將根據(jù)它的大小,初始化水分的含量和在場景中隨機安排的位置；某些障礙物將根據(jù)它的大小并且隨機安排進場景中。我們的工具本應了解物體是障礙物還是可燃物,以致于在火勢模擬期間我們的工具能更好的區(qū)分是哪種物體,這樣在火勢模擬期間就能辨別出來。我們的工具也能使使用者能增加或減少它的大小和可燃物體的水分含量,因此使用者能模擬火勢并且觀察

8、到因可燃物大小不同所產(chǎn)生的不同結果；使用者也能觀察到可燃物水分含量的影響。可燃物體所含的水分越高,初始燃燒物體所需的時間就相應的越長。
在場景的邊界和形成 DLA 之間碰撞檢測的方法也被同時實施,首先應該知道這種方法所需的場景區(qū)域,然后再從這個地區(qū)它將會計算該區(qū)域的場景,而該場景在那里的DLA集群應不增長,而導致DLA將無法向場景外增長,因此大火將不能在場景外被模擬。在障礙物和可燃對象之間用于檢測的碰撞的方法已經(jīng)實現(xiàn),但檢

9、測與物體的碰撞之前的工具應該首先確定哪些對象是可燃的對象,其 中一個是障礙對象,然后,如果該對象是可燃的對象,DLA將在它附近點燃該對象,并且它將繼續(xù)創(chuàng)建一條火災路徑并通過它。因此,如果該工具確定該對象是一個障礙對象,如果DLA是阻擋對象內(nèi)的指定的截擊區(qū),然后DLA將不會穿過它,而不是它會發(fā)現(xiàn)另一個可用的位置,DLA將繼續(xù)創(chuàng)建一條火勢通道。
風也是影響火勢傳播方向和速度的因素之一,在我們的工具中考慮了以下的兩個可能因素：風

10、力和風向。使用者能夠改變風的強度和風的方向,如果與風的方向相同,DLA將會增長得更快；如果是反向,則增長得更慢。通過在我們的工具中應用經(jīng)驗法則發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場的水分含量和現(xiàn)場的溫度有關,因此溫度越高,現(xiàn)場的水分含量越低,與此同時,火勢蔓延更快。通過在我們的工具中應用經(jīng)驗法則發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場的水分含量和現(xiàn)場的溫度有關,因此溫度越高,現(xiàn)場的水分含量越低,并且變得更干燥,由于這種需要在低溫的情況下點燃燃料,花費的時間將會更長,與當燃料是濕的時去比較它們的燃燒

11、時間。
在我們的火勢模擬原型工具中火勢路徑的增長速率也已經(jīng)實現(xiàn),這種方法將使我們的原型工具在考慮其他因素的情況下計算出火勢增長速率,其他因素例如燃料在場景中燃燒所需的熱能,現(xiàn)場和可燃物體的水分含量以及現(xiàn)場的溫度、地形、風的強度以及它的方向,通過考慮可燃物在地表的燃燒點,可以用來確定顏色的改變速率,顏色變化的速率越快,就代表著地表的溫度越高。
在我們的工具中也已經(jīng)實現(xiàn)了熱排放的方法。當模擬開始時是下火的燃料將開

12、始發(fā)光發(fā)熱的周邊地區(qū)和火災的路徑將被創(chuàng)建,其中包含在地面上的光燃料。發(fā)出的熱量然后轉(zhuǎn)移到正燃燒的周邊地區(qū)。如果該被傳遞的熱量被光燃料接收,它是等于或超過所需的光燃料點燃的熱的量,然后將開始點燃火災周圍的燃料,因為在火勢通道附近可燃物熱量的轉(zhuǎn)移。
我們的火勢模擬原型工具也能轉(zhuǎn)移地表熱量,火在地表上點燃后,然后能夠從周圍環(huán)境得到足夠的熱量。因此,地面將通過火勢路徑轉(zhuǎn)移熱量給地表,這將導致火勢通道附近所有的點將燃燒并且繼續(xù)燃燒和

13、轉(zhuǎn)移熱量給其他的點直至燃盡。地下的點也能接收燃燒的熱量,因此它也能燃燒。
我們已經(jīng)通過我們的原型工具實現(xiàn)了在任何火災場景中,通過采用燃燒時間進度法,進一步確保模擬控制在火災現(xiàn)場的創(chuàng)建任何路徑。從火開始點就考慮各方面的因素將影響火災的蔓延和模擬開始,直至對這些因素進行更精確的模擬。
通過使用 Qt 設計工具,發(fā)現(xiàn)在諾基亞的軟件開發(fā)工具包(QtSDK),使用戶可以修改的變量,并根據(jù)改變的變量模擬火災的用戶界面已經(jīng)

14、實現(xiàn)。為了確保代碼的運行,這個工具已經(jīng)在Ubuntu 12.04操作系統(tǒng)中實現(xiàn)。我們決定使用 Ubuntu 的 GNU 編譯器集合,這是一個在世界上最強大的編譯器,并提供相應的調(diào)試器,集成開發(fā)環(huán)境,工具包和測試設備。 C + +編程語言也被使用,因為它與其他編程語言相比,具有效率高的優(yōu)點。在實施過程中OpenGL工具對我們的圖形進行處理,因為與其他工具相比,它有一個快速的繪圖調(diào)用,具有效率高等優(yōu)點。諾基亞QtSDK已被用來作為我們的集成