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

1、 火勢(shì)模擬對(duì)于理解火勢(shì)行為是非常重要的,而對(duì)火勢(shì)行為的理解又能有助于對(duì)消防人員的培訓(xùn),并幫助他們將在救援過(guò)程中實(shí)施救援預(yù)案,救援所需的工具以及在救援和控制火勢(shì)蔓延過(guò)程中需要采取哪種消防戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)去指導(dǎo)各種實(shí)驗(yàn)。
現(xiàn)有的火勢(shì)模擬工具由許多離散的步驟組成,這常被用來(lái)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,因此需要復(fù)雜的算法來(lái)進(jìn)行這種火勢(shì)行為的模擬和對(duì)它的傳播進(jìn)行預(yù)測(cè),由于許多科學(xué)模擬采用了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)在同一時(shí)間內(nèi)所獲得的模擬顆粒數(shù),這需要

2、相當(dāng)巨大的計(jì)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(shí)現(xiàn)基于DLA的火勢(shì)模擬原型工具,而DLA能降低在同一時(shí)間段所需的大量粒子模擬的計(jì)算的復(fù)雜性,DLA能夠使用我們的工具在某個(gè)時(shí)間生成一個(gè)粒子。我們的工具應(yīng)用 DLA 來(lái)每次產(chǎn)生一個(gè)顆粒,第一粒子將被固定在 DLA 的起點(diǎn),其它顆粒被隨機(jī)地在現(xiàn)場(chǎng)推出,因此,應(yīng)通過(guò)修改梅爾西格爾算法,這種算法能通過(guò)隨機(jī)分布在一個(gè)球體上的點(diǎn)來(lái)計(jì)算將被推出的粒子的位置。然后已經(jīng)發(fā)

3、射的粒子進(jìn)行隨機(jī)運(yùn)動(dòng),在這種情況下,我們限制步數(shù)以致這樣的顆粒不會(huì)一直隨機(jī)運(yùn)動(dòng),從而降低我們工具的效率。球體的半徑也將隨時(shí)修改,每一時(shí)刻都生成顆粒,因此在球體半徑長(zhǎng)度范圍內(nèi)發(fā)射顆粒而遠(yuǎn)離正成長(zhǎng)的DLA集群顆粒將不會(huì)被發(fā)射。
產(chǎn)生和安排DLA分支的目的是為了當(dāng)DLA遇到斜坡和風(fēng)時(shí),它能輔助那個(gè)工具去計(jì)算火勢(shì)增長(zhǎng)效率,當(dāng) DLA 新的微粒形成時(shí),DLA 分支也就同時(shí)形成。那個(gè)新產(chǎn)生的微粒也被安排一個(gè)以已經(jīng)形成火勢(shì)路徑的身份來(lái)鑒

4、別它自己的身份而已經(jīng)形成的DLA將堅(jiān)持已有的并且形成一個(gè)新的分支。
我們的火勢(shì)模擬原型工具本能確認(rèn)新的發(fā)射粒子將永遠(yuǎn)不會(huì)執(zhí)行一個(gè)隨機(jī)運(yùn)動(dòng),因?yàn)槿绻覀冏屢粋€(gè)發(fā)射粒子能夠執(zhí)行隨機(jī)運(yùn)動(dòng)那我們的工具的有效性將降低,并且它會(huì)花費(fèi)更多的是將去模擬火勢(shì)路徑,鑒于這種情況,我們本應(yīng)該限制隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的步驟數(shù),而在吸附本身形成集群之前微粒做隨機(jī)運(yùn)動(dòng),如果已經(jīng)達(dá)到一定數(shù)量并且微粒不再吸收自身以致微粒不再增長(zhǎng)成 DLA 集群,然后另一個(gè)新的顆粒本

5、應(yīng)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(jī)會(huì)粘到正增長(zhǎng)的 DLA 群集顆粒應(yīng)在球體半徑長(zhǎng)度范圍內(nèi)推出。我們的原型工具需要生成新的粒子時(shí),這種
球體的半徑將隨時(shí)被修改。除此之外,在球體半徑長(zhǎng)度范圍內(nèi)發(fā)射的微粒,將導(dǎo)致遠(yuǎn)于 DLA 集群的顆粒將不會(huì)被發(fā)射,由于新發(fā)射的顆粒將不會(huì)花很長(zhǎng)的時(shí)間粘附在自身去增長(zhǎng)成DLA集群,因此,新發(fā)射的顆粒將更近于正生長(zhǎng)的DLA集群,殺死顆粒的數(shù)量將可能減少。

6、 當(dāng)遇到山或者平坦的地表時(shí),3D 場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)和地形的生成讓我們能夠觀察到火的行為。通過(guò)選擇中心點(diǎn)地形能隨機(jī)形成,并且計(jì)算出半徑,然后在圈內(nèi)的點(diǎn)可以向上移代替其他的點(diǎn),而其他的點(diǎn)將向下移動(dòng)。將選擇最高的點(diǎn)作為新建地形的中心點(diǎn),基于這種情況,通過(guò)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(jié)果使用者應(yīng)該能夠使用我們的工具去創(chuàng)建山區(qū)地形的高度,通過(guò)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(zāi)的行為,根據(jù)地形的影響,譬

7、如：當(dāng)火勢(shì)在上坡燃燒時(shí),火的傳播速度更快；相反,當(dāng)火勢(shì)在下坡燃燒時(shí),燃燒速度將會(huì)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(chǎng)景中隨機(jī)安排的位置；某些障礙物將根據(jù)它的大小并且隨機(jī)安排進(jìn)場(chǎng)景中。我們的工具本應(yīng)了解物體是障礙物還是可燃物,以致于在火勢(shì)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(shì)模擬期間就能辨別出來(lái)。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(shì)并且觀察

8、到因可燃物大小不同所產(chǎn)生的不同結(jié)果；使用者也能觀察到可燃物水分含量的影響?？扇嘉矬w所含的水分越高,初始燃燒物體所需的時(shí)間就相應(yīng)的越長(zhǎng)。
在場(chǎng)景的邊界和形成 DLA 之間碰撞檢測(cè)的方法也被同時(shí)實(shí)施,首先應(yīng)該知道這種方法所需的場(chǎng)景區(qū)域,然后再?gòu)倪@個(gè)地區(qū)它將會(huì)計(jì)算該區(qū)域的場(chǎng)景,而該場(chǎng)景在那里的DLA集群應(yīng)不增長(zhǎng),而導(dǎo)致DLA將無(wú)法向場(chǎng)景外增長(zhǎng),因此大火將不能在場(chǎng)景外被模擬。在障礙物和可燃對(duì)象之間用于檢測(cè)的碰撞的方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn),但檢

9、測(cè)與物體的碰撞之前的工具應(yīng)該首先確定哪些對(duì)象是可燃的對(duì)象,其 中一個(gè)是障礙對(duì)象,然后,如果該對(duì)象是可燃的對(duì)象,DLA將在它附近點(diǎn)燃該對(duì)象,并且它將繼續(xù)創(chuàng)建一條火災(zāi)路徑并通過(guò)它。因此,如果該工具確定該對(duì)象是一個(gè)障礙對(duì)象,如果DLA是阻擋對(duì)象內(nèi)的指定的截?fù)魠^(qū),然后DLA將不會(huì)穿過(guò)它,而不是它會(huì)發(fā)現(xiàn)另一個(gè)可用的位置,DLA將繼續(xù)創(chuàng)建一條火勢(shì)通道。
風(fēng)也是影響火勢(shì)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(gè)可能因素：風(fēng)

10、力和風(fēng)向。使用者能夠改變風(fēng)的強(qiáng)度和風(fēng)的方向,如果與風(fēng)的方向相同,DLA將會(huì)增長(zhǎng)得更快；如果是反向,則增長(zhǎng)得更慢。通過(guò)在我們的工具中應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)法則發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的水分含量和現(xiàn)場(chǎng)的溫度有關(guān),因此溫度越高,現(xiàn)場(chǎng)的水分含量越低,與此同時(shí),火勢(shì)蔓延更快。通過(guò)在我們的工具中應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)法則發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的水分含量和現(xiàn)場(chǎng)的溫度有關(guān),因此溫度越高,現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)燃燃料,花費(fèi)的時(shí)間將會(huì)更長(zhǎng),與當(dāng)燃料是濕的時(shí)去比較它們的燃燒

11、時(shí)間。
在我們的火勢(shì)模擬原型工具中火勢(shì)路徑的增長(zhǎng)速率也已經(jīng)實(shí)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(jì)算出火勢(shì)增長(zhǎng)速率,其他因素例如燃料在場(chǎng)景中燃燒所需的熱能,現(xiàn)場(chǎng)和可燃物體的水分含量以及現(xiàn)場(chǎng)的溫度、地形、風(fēng)的強(qiáng)度以及它的方向,通過(guò)考慮可燃物在地表的燃燒點(diǎn),可以用來(lái)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(shí)現(xiàn)了熱排放的方法。當(dāng)模擬開(kāi)始時(shí)是下火的燃料將開(kāi)

12、始發(fā)光發(fā)熱的周邊地區(qū)和火災(zāi)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(guò)所需的光燃料點(diǎn)燃的熱的量,然后將開(kāi)始點(diǎn)燃火災(zāi)周?chē)娜剂?因?yàn)樵诨饎?shì)通道附近可燃物熱量的轉(zhuǎn)移。
我們的火勢(shì)模擬原型工具也能轉(zhuǎn)移地表熱量,火在地表上點(diǎn)燃后,然后能夠從周?chē)h(huán)境得到足夠的熱量。因此,地面將通過(guò)火勢(shì)路徑轉(zhuǎn)移熱量給地表,這將導(dǎo)致火勢(shì)通道附近所有的點(diǎn)將燃燒并且繼續(xù)燃燒和

13、轉(zhuǎn)移熱量給其他的點(diǎn)直至燃盡。地下的點(diǎn)也能接收燃燒的熱量,因此它也能燃燒。
我們已經(jīng)通過(guò)我們的原型工具實(shí)現(xiàn)了在任何火災(zāi)場(chǎng)景中,通過(guò)采用燃燒時(shí)間進(jìn)度法,進(jìn)一步確保模擬控制在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的創(chuàng)建任何路徑。從火開(kāi)始點(diǎn)就考慮各方面的因素將影響火災(zāi)的蔓延和模擬開(kāi)始,直至對(duì)這些因素進(jìn)行更精確的模擬。
通過(guò)使用 Qt 設(shè)計(jì)工具,發(fā)現(xiàn)在諾基亞的軟件開(kāi)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(zāi)的用戶界面已經(jīng)

14、實(shí)現(xiàn)。為了確保代碼的運(yùn)行,這個(gè)工具已經(jīng)在Ubuntu 12.04操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。我們決定使用 Ubuntu 的 GNU 編譯器集合,這是一個(gè)在世界上最強(qiáng)大的編譯器,并提供相應(yīng)的調(diào)試器,集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,工具包和測(cè)試設(shè)備。 C + +編程語(yǔ)言也被使用,因?yàn)樗c其他編程語(yǔ)言相比,具有效率高的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)施過(guò)程中OpenGL工具對(duì)我們的圖形進(jìn)行處理,因?yàn)榕c其他工具相比,它有一個(gè)快速的繪圖調(diào)用,具有效率高等優(yōu)點(diǎn)。諾基亞QtSDK已被用來(lái)作為我們的集成