Fire Simulation Prototype Tool Based On Diffused Limited Aggregation.pdf

1、火在人類社會發(fā)展中占據(jù)著重要的地位，它為人類提供了能量，為人類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)，它可能會引起火災(zāi)，造成財(cái)產(chǎn)和生命的損失。因此，對火災(zāi)的預(yù)警和火勢蔓延規(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。對火災(zāi)現(xiàn)象的模擬和仿真技術(shù)開始受到人們的巨大關(guān)注。對火災(zāi)的模擬和仿真能有效的幫助消防隊(duì)員在面對火災(zāi)中

2、可能遇到的各種情況時(shí)能夠冷靜正確的應(yīng)對。對火災(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，對火災(zāi)的模擬和仿真也就成為還原現(xiàn)場的主要方式。另外一個重要的應(yīng)用就是電影中與火焰有關(guān)的特效特技，常常也需要對火焰的產(chǎn)生和持續(xù)的過程進(jìn)行模擬和仿真。
　　 現(xiàn)有的火勢模擬方法是通過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)來模擬火勢，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流體進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算過程中會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)算的過程中還需要對這些粒子進(jìn)行渲染，因此整個模擬過程具有相當(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)的火勢模擬原型工具，使用擴(kuò)散置限凝聚模型來降低計(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能通過簡單的步驟來實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的模擬，并且在計(jì)算時(shí)一個時(shí)刻只需要生成一個粒子，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)散限制凝聚的火勢模擬系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)如下:
　　 本文開發(fā)的工具使用DLA模型來模擬任意一點(diǎn)產(chǎn)生的火焰以及對應(yīng)火勢的傳播，利用擴(kuò)散限制凝聚模型中的傳播預(yù)測去模擬火勢行為，而首先在場景中的某一固定點(diǎn)放置一個

5、DLA粒子，來作為火焰產(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。本文開發(fā)的工具建立了隨機(jī)漫游模型來模擬火焰的隨機(jī)運(yùn)動，并且在一個時(shí)間段中，隨著火勢的蔓延一些新的粒子也被觸發(fā)形成新的起火點(diǎn)。而在場景中的粒子將會做隨機(jī)運(yùn)動，直到它與另一個粒子發(fā)生碰撞的時(shí)候才停止運(yùn)動，并與之結(jié)合并且觸發(fā)其他粒子的運(yùn)動。這一過程將一直持續(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)就可以獲得火勢通道。這

6、個過程需要隨機(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)則有可能需要更長的時(shí)

7、間甚至一直進(jìn)行隨機(jī)運(yùn)動，如果使用這樣的方法將會嚴(yán)重降低計(jì)算效率。為了解決這一問題，我們通過限制DLA粒子觸發(fā)新粒子的最大觸發(fā)次數(shù)來提升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)，通過這種方法，DLA粒子將不會遠(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)一個自由粒子處在初始位置時(shí)，需要將分支進(jìn)行移動，繼而按照設(shè)計(jì)的方法形成每個子分支，與此同時(shí)還需考慮一下問題，例如:由于分支的形成直接影響火勢的增長速率，所以在計(jì)算火勢增長期間需要及時(shí)的得到每個分支，確保為每個新觸發(fā)的粒子分配創(chuàng)建號，其中創(chuàng)建號指的是已形成的擴(kuò)散置限凝聚分支;擴(kuò)散置限凝聚粒子通過使用創(chuàng)建號來識別自身，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分支。
　　 為了通過擴(kuò)散置限凝聚來模擬火勢，生成模擬場景，模擬火勢需要計(jì)算產(chǎn)生包括所有影響火勢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)生并放置在場景中。為了實(shí)施并展示這個3D場景，我們通過以下步驟來即時(shí)的生成一個3D場景，首先創(chuàng)建一個3D網(wǎng)格，然后將2D圖像最為紋理來構(gòu)造一個3D場景，由于在自然場景中斜坡對火勢的蔓延是具有影響力的，所以在生成3D場景斜坡也是有必要創(chuàng)建的;為了創(chuàng)建斜坡，

10、本文應(yīng)用一個函數(shù)來隨機(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)。我們還可以通過用戶手動的方式降低地形的高度或者呈現(xiàn)平坦地形來。在火災(zāi)模擬中，放置諸如可燃物和障礙物此類的三維實(shí)體到3D場景中也是非常重要的。為了實(shí)現(xiàn)這個功能，我們將可燃物和障礙物隨機(jī)放置于場景中，放進(jìn)場景中的每個三維實(shí)體都為其加上標(biāo)識，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、也是其中一個因素，它影響著火勢的增長速率，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)中添加了碰撞檢測功能，通過檢查可能在場景中發(fā)生的碰撞來確保仿真運(yùn)動盡可能順利的進(jìn)行，由電腦隨機(jī)生成的3D場景中可以有多個不同的擴(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，確保已經(jīng)形成的粒子不會和其他的粒子發(fā)生碰撞。碰撞檢測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。在場景邊界與擴(kuò)散置限凝聚模型間的碰撞檢測也是非常重要的，這樣才能確保模擬不會發(fā)生在場景的外部;為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們的工具中添加了檢測擴(kuò)散置限凝聚粒子與場景邊界碰撞這一功能，首先應(yīng)該知道場景的面積，并計(jì)算出場景中的哪些區(qū)域

13、擴(kuò)散置限凝聚粒子將不會增長，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也是非常重要的，因?yàn)檎系K物能阻止火勢蔓延。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也增添到系統(tǒng)里，當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，首先會檢測碰撞物是否在場景中，以及該物體是可燃物還是障礙物，然后再識別擴(kuò)散置限凝聚粒子，最后計(jì)算相應(yīng)的燃燒過程，將使附近的可燃物體燃燒繼續(xù)創(chuàng)建火勢通道并穿過可燃物;如果是障礙物，擴(kuò)散限制凝聚顆粒將通不過，相反，它會找

14、到另一個可用的位置并繼續(xù)創(chuàng)建火勢路徑。
　　 在火焰燃燒的過程中，天氣也是影響火勢增長速率的一個重要因素。如:風(fēng)勢、濕度和溫度在火勢蔓延過程中扮演一個非常重要的角色。通過分析風(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，而它的增長速率則取決于風(fēng)的強(qiáng)度。通過經(jīng)驗(yàn)法則，場景中的溫度與場景中水分的含量是息息相關(guān)。當(dāng)溫度升高時(shí)，現(xiàn)場水分的含量將降低。而這是基于溫度將蒸發(fā)

15、場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)用戶改變場景中的溫度時(shí)，它能自動計(jì)算場景中水分含量。
　　 熱量對于場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)。模擬一開始，場景中達(dá)到著火點(diǎn)的可燃物體開始燃燒并釋放熱量，并在地表創(chuàng)建火勢路徑

16、，并從燃燒點(diǎn)轉(zhuǎn)移到周邊地區(qū)，如果轉(zhuǎn)移的熱量被周圍輕燃料吸收，并且吸收的燃料大于或等于周圍輕燃料的著火點(diǎn)，燃料也將開始燃燒，并形成相應(yīng)的火勢路徑，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)會開始燃燒。
　　 為了得到影響火勢增長的因素，例如在場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)間都將通過擴(kuò)散置限凝聚模型來模擬并給出相關(guān)結(jié)論。因此，擴(kuò)散置限凝聚粒子的增長率取決于計(jì)算

17、得出的火勢增長率，它也可以用來判定已觸發(fā)的擴(kuò)散置限凝聚粒子顏色的變化率，基于這種情形，顏色變化越快說明火災(zāi)發(fā)生頻率越高。為了確保模擬更精確，我們在任一火勢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，也考慮了所有影響火勢傳播的因素，因此，該項(xiàng)功能將對于上述因素進(jìn)行模擬計(jì)算。
　　 本文通過調(diào)整影響火勢增長行為的參數(shù)來對原型系統(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反復(fù)試驗(yàn)，并對