Способ моделирования пожаротушения, система тренажера пожаротушения с использованием технологий смешанной реальности и модифицированный пожарный ствол Российский патент 2024 года по МПК G06Q50/20 G06T19/00 A62C37/08 

Группа изобретений относится к учебным тренажерам и предназначена для отработки навыков тушения ручным пожарным стволом пожара в помещении путем визуализации в смешанной реальности интерактивной модели процесса тушения пожара.

Известно техническое решение из патента KR 101927899, в котором описана обучающая система пожаротушения с дополненной реальностью, включающая в себя огнетушитель для обучения и устройство дополненной реальности. Огнетушитель генерирует информацию о работе в ответ на действия пользователя. Устройство дополненной реальности поощряет интерес пользователя к обучению и увеличивает степень погружения в обучение пожаротушению, отражая информацию о работе на образовательном изображении, моделирующем дополненную реальность, включая по крайней мере одно из учебных пособий по движению и пошаговую игру.

Однако в данном решении в качестве устройства дополненной реальности использован дисплей, который затрудняет процесс обучения пожаротушению, а также отсутствуют логико-математические модели распространения пламени, распространения дыма, тушения пламени, позволяющие наглядно представить процесс пожаротушения, приближенный к реальному.

Наиболее близким аналогом группы изобретений является техническое решение, известное из патентного документа US 20030003430 А1, в котором описаны способ и система подготовки пожарных на основе дополненной реальности. Система включает в себя аппаратное обеспечение для отслеживания движения, отображения и устройство имитации пожарного ствола. Системное программное обеспечение включает в себя модель пожара в реальном времени, многоуровневую модель затемнения дыма, моделирование тушащего вещества и интерфейс к модели зонального пожара. Физическое моделирование и графические элементы в программном обеспечении объединяются для создания реалистичной графики огня, дыма и тушения. Аппаратные и программные компоненты вместе способствуют реалистичному интерактивному обучению пожарных.

Однако в данном техническом решении использована зонная модель пожара, для пламени, дыма, тушащего вещества, пара используются модели движущихся частиц, основание пламени представляет собой двумерную сетку, а в качестве модели помещения использована полигональная модель. Зонная модель пожара является быстро рассчитываемой моделью, но не обеспечивает достаточной достоверности.

Технической проблемой группы заявляемых изобретений является создание обучающего тренажера пожаротушения с пожарным стволом с использованием технологии смешанной реальности, обеспечивающего интерактивное взаимодействие с обучающимся в условиях реальных помещений с использованием логико-математических моделей распространения пламени, распространения дыма, тушения пламени.

Техническим результатом группы изобретений является приближение условий тренажера к реальным условиям пожаротушения.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что в способе пожаротушения с использованием технологии смешанной реальности, содержащем следующие этапы:

- подготовку, которая включает сканирование с помощью очков устройства дополненной реальности помещения, создание 3D-модели помещения, размещение на 3D-модели очага возгорания, разметку типов материалов, ввод исходных данных для отработки логико-математической модели пожара;

- визуализацию пламени и дыма и подачи тушащего вещества с помощью сервера визуализации и трансляцию соответствующего изображения на очки устройство дополненной реальности в режиме реального времени;

- обеспечение интерактивного взаимодействия обучаемого с логико-математической моделью системы путем использования модифицированного устройства имитации пожарного ствола, при котором:

- отслеживают положение в пространстве модифицированного устройства имитации пожарного ствола, данные о котором передают в логико-математическую модель для учета данных об интенсивности и месте подачи тушащего вещества относительно 3D-модели помещения и передают на сервер визуализации для визуализации формы струи тушащего вещества и ее положения в пространстве;

- анализируют положение очков устройства дополненной реальности в пространстве относительно 3D-модели помещения и передают данные о положении на сервер визуализации для определения параметров визуализации;

- при этом осуществляют расчет логико-математической модели распространения пламени из очага возгорания, распространения дыма и изменения температуры в объеме 3D-модели помещения в режиме реального времени;

- осуществляют расчет логико-математической модели тушения пламени при взаимодействии пламени с тушащим веществом;

- в качестве устройство дополненной реальности используют очки дополненной реальности;

- в качестве устройства имитации используют модифицированный пожарный ствол;

- на 3D-модели осуществляют разметку типов материалов,

- 3D-модель формируют в виде объемной матрицы, составленной из ячеек;

- каждой ячейке присваивают тип: воздух, стена, твердая поверхность, и задают параметры: размер, температура, а для ячеек типа «воздух» задают дополнительный параметр «количество дыма»;

- при создании очага возгорания ячейке типа «твердая поверхность» задают одно из состояний: «не горит», «горит, но пламя не распространяется», «горит»;

- при расчете логико-математической модели тушения пламени при взаимодействии пламени с тушащим веществом учитывают свойства типа материала ячейки и количество тушащего вещества, поступившее в ячейку.

Заявленный технический результат достигается также за счет того, что система тренажера пожаротушения с использованием технологий смешанной реальности состоит из программной и аппаратной частей, аппаратная часть содержит очки дополненной реальности; модифицированный пожарный ствол; выделенный сервер; графическую станцию; роутер; программная часть содержит сервер администрирования; административный интерфейс; сервер расчета логико-математической модели распространение пламени, распространения дыма, изменения температуры и логико-математической модели тушения пожара; сервер визуализации; сервер модифицированного пожарного ствола; приложение для вывода результатов визуализации; при этом на выделенном сервере размещены сервер администрирования, административный интерфейс; на графической станции размещены сервер визуализации и сервер расчета логико-математической модели распространение пламени, распространения дыма, изменения температуры и логико-математической модели тушения пожара; на очках дополненной реальности размещено приложение для вывода результатов визуализации; на модифицированном пожарном стволе размещен сервер модифицированного пожарного ствола.

Заявленный технический результат достигается также за счет того, что модифицированный пожарный ствол выполнен на основе пожарного ствола и содержит датчики положения и перемещения, устройство передачи данных.

Заявленный технический результат поясняется следующим образом.

Система реализует расчет и визуализацию процесса тушения пожара в помещении в режиме реального времени. Визуализация происходит посредством технологий смешанной реальности (Mixed reality). В системе реализуется симуляция пожара одного типа (горение твердого горючего вещества) и симулируется ликвидация горения путем введения в зону горения огнетушащего вещества охлаждения - воды. Внешние факторы пожара (пламя, дым) визуализируются в смешанной реальности и накладывается поверх видимого через полупрозрачные линзы очков, например, Microsoft Hololens II помещения, в котором происходит обучение.

Основная задача в симулируемом процессе - ликвидация горения. Ликвидация горения производится пользователем (обучаемым) в однопользовательском режиме, с использованием модифицированного ручного пожарного ствола, положение которого отслеживается в пространстве и относительно которого, и с учетом органов управления которого (включение, объем подаваемого тушащего вещества, угол распыления), в смешанной реальности визуализируется струя тушащего вещества, форма которой соответствует параметрам органов управления пожарного ствола и накладывается поверх видимого через полупрозрачные линзы очков дополненной реальности помещения, в котором происходит обучение.

В составе системы используется объемная дискретная логико-математическая модель распространения пламени, распространения дыма, изменения температуры и тушения пожара (взаимодействия пламени и тушащего вещества). Исходными данными для визуализации являются исходные данные и результаты расчета в указанной выше логико-математической модели, данные о положении в пространстве модифицированного ручного пожарного ствола и состоянии его органов управления, и данные о положении очков дополненной реальности. Визуализация проводится на отдельном сервере визуализации, основанном на высокопроизводительно графической подсистеме, подходящей для обработки сложной графики в режиме реального времени. Расчет логико-математической модели распространения пламени, дыма, изменения температуры и процесса тушения пожара производится в режиме реального времени. Визуализация также производится в режиме реального времени.

Обучаемый может наблюдать в очках дополненной реальности через полупрозрачную линзовую систему очков реальное помещение и наложенную на него визуализацию пламени, дыма и струи тушащего вещества, привязанной к модифицированному пожарному стволу, который он держит в руках и управляет его состоянием путем изменения состояния органов управления. Также обучаемый может наблюдать результат подачи тушащего вещества - при достижении необходимого объема тушащего вещества на единицу площади пламя сначала перестает распространяться, а потом тухнет. Для лучшего восприятия состояния пламени на единице площади помимо визуализации пламени и дыма в системе дополнительно выводится инфографика в виде цвета дискретных единиц поверхности.

Роль преподавателя в системе заключается в подготовке системы к работе, а именно в сканировании помещения средствами очков дополненной реальности, размещении очага возгорания, и задания исходных параметров пожара: скорость распространения пожара, количество тушащего вещества до остановки распространения пламени из ячейки, количество тушащего вещества до остановки горения в ячейке, время до II фазы пожара (на I стадии пожара при круговом развитии площадь пожара вычисляется как S_п=π(0,5υ_л t₁)², а радиус пожара вычисляется как Rп=0,5υ_л t₁; на II стадии пожара соответственно начинается распространение с полной линейной скоростью горения υ_л), Также преподаватель может настраивать в системе размер ячейки матрицы для оптимизации работы системы под разные площади учебного помещения и снижения вычислительной нагрузки на систему при работе в больших помещениях (более 70 м²).

В результате работы системы выводится информация по заданным для сессии преподавателем параметрам и статистика по результативности работы обучаемого в заданных преподавателем условиях, в том числе: время тушения, расход кислорода и тушащего вещества.

Таким образом, система позволяет провести отработку и проверить усвоение обучаемым навыков тушения ручным пожарным стволом пожара в помещении, путем моделирования пожара в помещении и визуализации в дополненной реальности интерактивной модели процесса тушения пожара. Существенным отличительным признаком системы является то, что она позволяет провести обучение на любом реальном помещении (не смоделированном для целей обучения), а также то, что в ней невозможно повторение учебного сценария ввиду отличия реальных помещений и размещения очага возгорания, отличия в действиях обучаемого - все сессии будут протекать по-разному и отличаться друг от друга. Поэтому будет неэффективным «заучивание» нужных действий и их механическое повторение, что бывает характерно для виртуальных тренажеров, в данном случае система в любом случае будет требовать от обучаемого наличия реальных навыков.

Основные принципы реализации системы:

1. Возможность провести обучение на примере любого реального помещения с использованием для визуализации пожара технологий смешанной реальности, которая позволит наложить результаты визуализации вычислений в логико-математической модели поверх реального помещения.

2. Моделирование пожара и его тушения посредством использования логико-математической модели, которая в том числе основывается на геометрии реального помещения и поведении человека при тушении пожара, что делает практически невозможным повторение сценария - он каждый раз будет уникальный, на базе уникальных параметров каждого помещения.

3. Задействуется не только образная, но и моторная память, путем использования в системе модифицированного пожарного ствола, который является уникальной разработкой.

4. Моделирование пожара производится в режиме реального времени. Для этого реализуется объемная логико-математическая модель для моделирования процесса пожара и его тушения, в которой для оптимизации вычислительных ресурсов и возможности последующей визуализации используются матричные принципы анализа пространства и понятие такта расчета.

5. Визуализация пожара производится в режиме реального времени. Для этого реализуется комплексная архитектура, которая имеет в своем составе вынесенный на отдельную высокопроизводительную рабочую станцию графический сервер.

6. Система может быть интегрирована с элементами экипировки члена пожарной бригады, в том числе с пожарным рукавом, на котором может быть симулирован изгибающий момент путем подключения компрессора, связанного с органами управления пожарным стволом, и с нагревательными элементами в экипировке члена бригады для симуляции теплового эффекта, рассчитываемого в логико-математической модели системы.

7. Возможность задания разных горючих материалов для отдельных частей нормализованной 3D-модели помещения, что влияет на расчет распространения пламени в логико-математической модели.

На фигурах 1-11 показаны:

фиг. 1 - схема взаимодействия структурных частей программного обеспечения системы;

фиг. 2-4 - модифицированный пожарный ствол;

фиг. 5 - форма струи тушащего вещества, вид сверху;

фиг. 6 - форма струи тушащего вещества, вид сбоку;

фиг. 7 - вид интерфейса учетных записей пользователей системы (преподавателей, обучаемых);

фиг. 8 - вид интерфейса наименований, IP и API токенов устройств;

фиг. 9 - вид интерфейса создания сессии и задания параметров сессии;

фиг. 10 - визуализация порядка прохождения сессии обучаемым для преподавателя;

фиг. 11 - вид интерфейса панели статистики сессий.

Способ функционирования системы осуществляют следующим образом.

Выполняют подготовку исходных данных для визуализации пожара в смешанной реальности, а именно сканирование с помощью штатных средств очков дополненной реальности помещения, в котором будет проходить тренировка, и создание системой нормализованной 3D-модели помещения, размещение на модели очага возгорания, разметка типов материалов, ввод исходных данных для отработки логико-математической модели пожара в конкретной сессии.

Осуществляют визуализацию пламени и дыма, подачу тушащего вещества на сервере визуализации и трансляцию соответствующего изображения в очки дополненной реальности в режиме реального времени.

Обеспечивают интерактивное взаимодействие пользователя (обучаемого) с логико-математической моделью системы путем использования (перемещения в пространстве, изменения положения органов управления) модифицированного пожарного ствола, положение в пространстве которого и состояние органов управления отслеживаются и передается в логико-математическую модель для учета данных об интенсивности и месте подачи тушащего вещества относительно нормализованной 3D-модели помещения, а также передача этих данных на сервер визуализации для визуализации формы струи тушащего вещества и ее положения в пространстве.

Анализируют положение очков дополненной реальности в пространстве относительно модели помещения и передача данных о положении на сервер визуализации для определения параметров визуализации (точки зрения на моделируемую сцену).

Рассчитывают логико-математическую модель распространения пламени из очага возгорания, распространения дыма и изменения температуры в объеме созданной модели помещения, в режиме реального времени. Рассчитывают динамическую логико-математическую модель тушения пламени при его взаимодействии с тушащим веществом.

Осуществляют разметку нормализованной 3D-модели помещения и задание разных горючих материалов для отдельных частей 3D-модели помещения для учета в расчете распространения пламени в логико-математической модели.

Учитывают основные параметры процесса тушения пожара в каждой сессии и выводят статистику по данным параметрам в ранее проведенных сессиях.

Система состоит из аппаратного и программного обеспечения.

Программное обеспечение системы состоит из следующих структурных частей.

Сервер администрирования пользователей, устройств и вычислительных мощностей (Admin Server), разработанный на языке программирования GoLang.

Сервер валидации лицензий (License Server), разработанный на языке программирования GoLang. Сервер валидации лицензии предназначен для контроля наличия лицензии на систему на устройстве конечного пользователя.

Административный веб-интерфейс (React Арр), разработанный на React.js.

Сервер расчета логико-математической модели распространение пламени, распространения дыма, изменения температуры и логико-математической модели тушения пожара (Fire Model Server), разработанный на языке программирования GoLang.

Сервер визуализации (Render Server), разработанный на Unity С#.

HTTP-сервер модифицированного пожарного ствола (Device), разработанный на Python Flask / Assembler.

Стандартное приложение для вывода результатов визуализации на внешнем сервере на очки дополненной реальности. В случае Microsoft Hololens II (Hololens) - это Holo Remoting Арр.

Схема взаимодействия структурных частей программного обеспечения системы представлена на фиг. 1.

Аппаратное обеспечение системы состоит из следующих структурных частей.

Облачный VPS сервер правообладателя, на котором разворачиваются Сервер администрирования пользователей, устройств и вычислительных мощностей (Admin Server), Сервер валидации лицензий (License Server), Административный веб-интерфейс.

Графическая станция, которая развертывается на стороне заказчика и на которой разворачивается сервер визуализации (Render Server) и Сервер расчета логико-математической модели распространение пламени, распространения дыма, изменения температуры и логико-математической модели тушения пожара.

Очки дополненной реальности, например, Microsoft Hololens II, на которых разворачивается Стандартное приложение для вывода результатов визуализации на внешнем сервере на очки Microsoft Hololens II (Hololens) - Holo Remoting Арр.

Модифицированный пожарный ствол, на котором разворачивается HTTP-сервер модифицированного пожарного ствола (Device).

Роутер для обеспечения связи и передачи данных между составными частями аппаратного обеспечения

Данное разделение позволяет с одной стороны обеспечить гибкое администрирование лицензий на систему, необходимую скорость передачи данных при визуализации модели пожара в смешанной реальности, легкость развертывания у заказчика, а с другой стороны позволяет защитить систему от несанкционированного копирования.

Модифицированный пожарный ствол

Модифицированный пожарный ствол предназначен для использования в составе тренажера пожаротушения с использованием технологий дополненной реальности «Stopfire» в качестве контроллера, позволяющего управлять процессом тушения.

Модифицированный пожарный ствол позволяет пользователю управлять такими параметрами, как:

1) Состояние ствола (включен/выключен).

2) Угол распыления в диапазоне от 0° до 120°.

3) Расход тушащего вещества от 2 до 8 литров в секунду.

Данные показатели снимаются с помощью датчиков, обрабатываются на встроенной электронике модифицированного пожарного ствола и посредством Wi-Fi передаются в тренажер пожаротушения с использованием технологий дополненной реальности «Stopfire», согласно общей архитектуре.

Модифицированный пожарный ствол связан с тренажером посредством подключения к Wi-Fi сети и получения IP адреса поддерживает 2 вида JSON запросов:

192.168.Х.Х: 5000/ping - проверка статуса,

192.168.X.X:5000/get - отправка данных со всех сенсоров,

где 192.168.XX - IP адрес модифицированного пожарного ствола в сети (его можно узнать средствами администрирования соответствующего роутера после подключения ствола к Wi-Fi сети).

Модифицированный пожарный ствол состоит из базового пожарного ствола, например, модели ручного пожарного ствола СРКУ 8 Р, в котором при модификации производится удаление части внутренних компонентов для освобождения места под датчики, отвечающие за съем данных с органов управления пожарным стволом. К пожарному стволу со стороны гайки для крепления пожарного рукава, крепится дополнительный пластиковый корпус, в котором располагаются электронные компоненты, отвечающие за обработку данных, связь и питание электронных компонентов.

Дополнительный корпус изготавливается посредством применения аддитивных технологий.

Модифицированный пожарный ствол в частном случае может состоять из следующим компонентов:

- Корпус пластиковый, 1 шт.

- Крышка пластикового корпуса с держателем компонентов, 1 шт.

- Датчик Miran KS8, 2 шт. в качестве датчика линейного перемещения/положения.

- Raspberry Pi Zero, 1 шт. в качестве платы с процессором и оперативной памятью.

- SD Card 32 Гб Class 10, 1 шт. в качестве запоминающего устройства.

- Waveshare 10DOF IMU Sensor, 1 шт. в качестве акселерометра, компаса и гироскопа.

- Raspberry Pi АЦП Shield ADS1115,1 шт.

- Плата расширения литиевой батареи Raspberry Pi 4 В 3 В/В, 1 шт.

- Аккумулятор 3000 mAh, 1 шт.

- Потенциометр, 1 шт.

- Кнопка включения, 1 шт.

- Порт MicroUSB, 1 шт.

- Диоды для визуализации состояния, 2 шт.

- Комплект коммутационных кабелей.

- Комплект крепежа.

Модифицированный пожарный ствол работает следующим образом.

Перед началом работы с тренажером пожаротушения с использованием технологий дополненной реальности «Stopfire» необходимо убедиться в том, что настроено подключение модифицированного пожарного ствола к Wi-Fi сети.

Далее необходимо убедиться в том, что ствол заряжен, и включить его. После этого можно использовать его в качестве контроллера, позволяющего управлять процессом тушения. А именно, модифицированный пожарный ствол после включения будет передавать в тренажер пожаротушения с использованием технологий дополненной реальности «Stopfire» следующие параметры:

1) Состояние ствола (включен/выключен).

2) Угол распыления в диапазоне от 0° до 120°.

3) Расход тушащего вещества от 2 до 8 литров в секунду.

Положение модифицированного пожарного ствола определяется за счет использования встроенного IMU сенсора и трекинга руки средствами очков дополненной реальности.

Все перечисленные параметры будут использованы в тренажере пожаротушения с использованием технологий дополненной реальности «Stopfire» для визуализации процесса тушения и расчета общей модели горения и тушения пламени.

После завершения работы с тренажером пожаротушения с использованием технологий дополненной реальности «Stopfire» необходимо выключить модифицированный пожарный ствол.

Настройку подключения ствола к Wi-Fi выполняют следующим образом:

1) Необходимо вынуть microSD карту из расположенного в дополнительном корпусе RPi;

2) Подключить данную microSD карту к любому компьютеру через кардридер;

3) В корне раздела boot создать файл wpa_supplicant.conf со следующим содержанием:

Описание логико-математической модели

Логико-математическая модель является дискретной и основана на представлении обрабатываемой нормализованной 3D-модели помещения в виде объемной матрицы, составленной из ячеек, размер которых может быть задан преподавателем перед началом сессии:

1) «Matrix3d» - трехмерная матрица, описывающая нормализованное моделируемое пространство.

2) «Voxel Cell» - ячейка трехмерной матрицы, при этом ячейка может быть нескольких типов:

- «воздух»;

- «стена»;

- «твердая поверхность», и имеет следующие параметры:

- «temperature» - температура ячейки;

- «smokeVolume» - количество дыма в ячейке (применимо только для типа ячейки «воздух»);

- «_cellSize» - физический размер ячейки.

3) Ячейка матрицы, которая может находиться в состоянии горения, обозначена как «Solid Voxel Cell» и является наследником «Voxel Cell». Ячейка может иметь три состояния, а именно:

- «None» - не горит (не горело или было потушено путем помещения в ячейку объема тушащего вещества, достаточного для остановки горения);

- «Smolder» - горит, но пламя не распространяется (достигается при помещении в ячейку объема тушащего вещества, достаточного для остановки распространения);

- «Burn» - горит,

и также имеет следующие параметры:

- «material» - материал горючего вещества;

- «waterVolume» - количество тушащего вещества, поступившее в ячейку, параметр необходим для определения состояния ячейки.

Также ячейка использует параметр «Voxel Material» - материал, используемый в ячейке, который имеет следующие параметры:

- «evaporationTemperature» - скорость условного испарения тушащего вещества в условиях прерывания его подачи;

- «waterToSmolder» - объем тушащего вещества, достаточного для остановки распространения;

- «waterToEmpty» - объема тушащего вещества, достаточного для остановки горения;

- «burnSpeed» - скорость горения материала;

- «smokeEmission» - эмиссия дыма для данного материала.

Для анализа развития процессов горения и тушения пожара во времени логико-математическая модель использует такты. Такт определяет частоту, с которой пересчитывается модель в части распространения температуры по нормализованной 3D-модели помещения, и вычисляется как Т=(размер ячейки, м) / (скорость распространения, м/с). При этом такты могут разбиваться на N итераций для уточнения расчета модели.

Модель распространения пламени

Перечень входных параметров

Отсканированное пространство в виде 3D-модели разбирается на набор ячеек с "твердым материалом". Материал представляет из себя набор параметров (далее М):

evaporationTemperature - температура, при которой начинает испаряться вода,

waterToSmolder - количество воды, чтобы материал начал тлеть,

waterToEmpty - количество воды, чтобы потушить ячейку,

temperatureEmissson - выделяемая температура в секунду,

smokeEmission - выделяемый дым в секунду,

maxTemperatureKelvin - максимальная температура материала.

Ячейка (далее С) обладает такими параметрами как:

State - текущее состояние ячейки. Бывает в 3 состояниях. None, Smolder и Burn.

Position - положение в 3D-пространстве,

Size - размер ячейки в 3D-пространстве,

Temperature - текущая температура ячейки,

WaterVolume - объем воды на ячейке,

Material - текущий материал.

В состоянии None температура ячейки становится равна комнатной температуре. Испарение воды:

где C_W - вода в ячейке (литры), C_T - температура ячейки (Кельвины), W_br - скорость испарения воды (глобальная константа, литры / (м³ * секунды)), C_size - размер (м³), M_maxT - максимальная температура горения материала, Δt - время между расчетами (секунды).

Модель горения и испарения воды

В состоянии Smolder ячейка испаряет воду. При этом она не влияет на температуру соседей. Температура ячейки ограничена температурой испарения.

Горящие ячейки в состоянии Burn распространяют температуру на соседей.

Температура, добавляемая соседним ячейкам, рассчитывается по формуле:

где Т - температура, добавляемая соседям (Кельвины), C_T - текущая температура ячейки (Кельвины), k - число соседей в виде твердых ячеек.

Также при горении ячейка сама нагревается, по формуле:

где C_T - текущая температура ячейки (Кельвины), M_TE - тепло, выделяемое материалом при горении (Кельвин / секунды), Δt - время между расчетами (секунды).

Причем значения C_T принимает от температуры комнаты до максимальной температуры горения материала.

Также горящие ячейки испаряют воду с соседей по формуле:

где C_W - вода в ячейке (литры), T - температура, добавляемая соседям (Кельвины), W_br - скорость испарения воды (глобальная константа, литры / (м³ * секунды)), C_size -размер (м³), M_maxT - максимальная температура горения материала, Δt - время между расчетами (секунды), k - число соседей.

Модель дыма

Дым является в системе глобальным и рассчитывается по формуле:

где V_s - объем выделенного дыма (м³), - число горящих ячеек, - температура n-ой горящей ячейки (Кельвины), M_sc - выделяемый дым (м³/секунды), M_maxT - максимальная температура горения материала, Δt - время между расчетами (секунды).

При этом общий объем пространства рассчитывается как:

где V - объем комнаты (м3), - число ячеек типа воздух, C_size - размер (м³) Логика распространения пламени привязана к распределению температуры по ячейкам. Каждую итерацию такта горящие ячейки со статусом «Burn» добавляют повышают температуру соседних ячеек. При этом добавление температуры работает по трем принципам:

1) Состояние «None» - происходит нагрев ячейки в заданном диапазоне температуры. Пока температура меньше значения параметра «material.evaporationTemperature» - ячейка просто нагревается. После достижения этого значения ячейка переходит в состояние «Smolder»;

2) Состояние «Smolder» - при нагреве вещества, перед возгоранием с поверхности должно испариться все тушащее вещество (если оно есть). Но при этом само испарение может происходить уже без внешнего нагрева от соседних ячеек. Пока значение параметра «waterVolume» на данной ячейке больше нуля, идет испарение тушащего вещества, после этого переходит в состояние «Burn». Количество испаряемого тушащего вещества в единицу времени зависит от температуры, которую распространили в ячейку соседние ячейки.

3) Состояние «Burn» - состояние, в котором тушащего вещества на ячейке не осталось, и она начинает гореть. Горение увеличивает температуру ячейки, от чего увеличивается температура, которую ячейка добавляет соседним ячейкам. Модельный предел температуры горения зависит от материала.

При этом проверка состояния ячейки идет только исходя из данных о ее температуре. Все части системы оперируют именно температурой для обеспечения устойчивости модели к изменениям и достижения ее консистентности при развитии системы.

Модель распространения дыма

В состоянии «Burn» ячейка начинает выделять дым. Количество выделяемого дыма зависит от материала и определяется в параметре «material.smokeEmission». Выделяемый дым распределяется в равной пропорции между верхними соседями ячейки. Кроме того дым, который присутствует в модели, стремится вверх, в рамках объема нормализованной 3D-модели помещения, и во все стороны в равной пропорции, оставляя часть, задаваемую константой в ячейке с дымом, и может занять определенный объем вычисляемый, как «_cellSize» * «_cellSize» * «_cellSize».

Если логического «места» в соседних сверху или сбоку ячейках нет (это означает, что все пространство сверху заполнено дымом), то дым начинает распространяться вниз, до тех пор, пока не заполнит пространство нормализованной 3D-модели помещения целиком. Если же логического «места» нет и снизу - значение округляется до объема, доступного в ячейке.

При этом пространство нормализованной 3D-модели условно герметичное, параметра плотности дыма в данной модели не существует.

Модель тушащего вещества

Если тушащее вещество было помещено в ячейку, оно постоянно испаряется из ячеек с типом «Smolder» и «Burn». Скорость испарения разная, так как она зависит от добавляемой в ячейку температуры от соседних ячеек и ее температуры в целом.

При тушении площади, на которой расположена ячейка, тушащее вещество добавляется в ячейку, и как только при расчете испарения тушащего вещества она достигает значения параметра «material.waterToSmolder», то ячейка перестает поджигать соседние ячейки. Если же количество воды на ячейке достигает значения параметра «material.waterToEmpty», то температура ячейки сбрасывается до стандартной и ячейка переходит в состояние «None».

При этом значения «material.waterToSmolder» и «material.waterToEmpty» пересчитываются исходя из физических размеров ячейки (размер ячейки задается преподавателем), так как по умолчанию они указываются в литрах на квадратный метр.

При этом площадь тушения и форма струи тушащего вещества для визуализации определяются следующим образом: визуализация струи тушащего вещества из модифицированного пожарного ствола должна представлять собой усеченный конус со сферическим основанием, имеющий баллистическую траекторию, и описываемый параметрами:

- Базовый угол наклона, для которого приводятся все значения, β=45°;

- диаметр исходящей струи D1=50 мм;

- диаметр факела D2 меняется от D2=D1 до D2=6 метров и зависит от угла распыления α, который передается с датчика на модифицированном стволе;

- угол факела распыленной струи α меняется от α=0° до α=120° (минимальный угол соответствует максимальной длине струи и минимальному D2);

- длина струи L меняется от L=1,73 м до L=25 м и линейно зависит от диаметра струи.

Систему используют следующим образом.

Первый доступ в административный интерфейс осуществляется по заранее заведенным учетным данным администратора (login: admin, password: 1234).

Далее администратор создает учетные записи обучаемых и преподавателей и заводит в систему устройства (очки дополненной реальности на примере Microsoft Hololens).

Для каждого устройства сервер автоматически генерирует API токен. При этом IP адрес указываемый в устройстве - это IP отображаемый в интерфейсе Holo Remote Арр. Данный API токен используется для валидации запросов от Render Server в Admin Server и в Fire Model Server, и позволяет идентифицировать пользователя (обучаемого) в сессии.

Далее преподаватель заходит в систему под своими учетными параметрами и создает сессию.

Преподаватель указывает, какое устройство принадлежит обучаемому в этой сессии (важно для идентификации и записей в статистику) и задает ее параметры.

Далее преподаватель заходит в созданную им сессию. До начала сессии, она находится в режиме настройки. Что позволяет преподавателю просканировать карту и выбрать текущий режим (обучаемый или преподаватель). Преподаватель с использованием очков смешанной реальности Microsoft Hololens II сканирует карту и устанавливает очаг возгорания.

Обучаемый до начала сессии не видит ничего и ожидает начала сессии. Режим выбирается для того, чтобы можно было передать Microsoft Hololens II обучаемому и при этом скрыть «настройки сцены».

Далее начинается сессия и обучаемый ее проходит, управляя процессом тушения пожара. В это время преподаватель в административном интерфейсе может видеть ход прохождения сессии обучаемым. Преподаватель в любой момент может завершить сессию принудительно вручную, но также сессия завершается при полном тушении пожара и достижении цели сессии.

После прохождения сессии запись о результатах помещается в панель статистики, которая доступна в административном веб-интерфейсе.

Изобретение относится к учебным тренажерам и предназначено для отработки навыков тушения ручным пожарным стволом пожара в помещении. Техническим результатом является приближение условий тренажера к реальным условиям пожаротушения. Способ моделирования пожаротушения содержит следующие этапы: подготовку, которая включает сканирование с помощью очков дополненной реальности помещения, создание 3D-модели помещения, размещение на 3D-модели очага возгорания, разметку типов материалов, ввод исходных данных для отработки логико-математической модели пожара; визуализацию пламени и дыма и подачи тушащего вещества с помощью сервера визуализации и трансляцию соответствующего изображения на очки дополненной реальности в режиме реального времени; обеспечение интерактивного взаимодействия обучаемого с логико-математической моделью системы путем использования модифицированного пожарного ствола. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ пожаротушения с использованием технологии смешанной реальности, содержащий следующие этапы:

- подготовку, которая включает сканирование с помощью устройства дополненной реальности помещения, создание 3D-модели помещения, размещение на 3D-модели очага возгорания, ввод исходных данных для отработки логико-математической модели пожара;

- визуализацию пламени и дыма и подачи тушащего вещества с помощью сервера визуализации и трансляцию соответствующего изображения на устройство дополненной реальности в режиме реального времени;

- обеспечение интерактивного взаимодействия обучаемого с логико-математической моделью системы путем использования устройства имитации пожарного ствола, при котором:

- отслеживают положение в пространстве устройства имитации пожарного ствола, данные о котором передают в логико-математическую модель для учета данных об интенсивности и месте подачи тушащего вещества относительно 3D-модели помещения и передают на сервер визуализации для визуализации формы струи тушащего вещества и ее положения в пространстве;

- анализируют положение устройства дополненной реальности в пространстве относительно 3D-модели помещения и передают данные о положении на сервер визуализации для определения параметров визуализации;

- при этом осуществляют расчет логико-математической модели распространения пламени из очага возгорания, распространения дыма и изменения температуры в объеме 3D-модели помещения в режиме реального времени;

- осуществляют расчет логико-математической модели тушения пламени при взаимодействии пламени с тушащим веществом;

отличающийся тем, что

- в качестве устройства дополненной реальности используют очки дополненной реальности;

- в качестве устройства имитации используют модифицированный пожарный ствол;

- на 3D-модели осуществляют разметку типов материалов,

- 3D-модель формируют в виде объемной матрицы, составленной из ячеек;

- каждой ячейке присваивают тип: воздух, стена, твердая поверхность, и задают параметры: размер, температура, а для ячеек типа «воздух» задают дополнительный параметр «количество дыма»;

- при создании очага возгорания ячейке типа «твердая поверхность» задают одно из состояний: «не горит», «горит, но пламя не распространяется», «горит»;

- при расчете логико-математической модели тушения пламени при взаимодействии пламени с тушащим веществом учитывают свойства типа материала ячейки и количество тушащего вещества, поступившее в ячейку.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что задают параметры разных горючих материалов для отдельных частей 3D-модели помещения, влияющих на расчет распространения пламени в логико-математической модели.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что учитывают основные параметры процесса тушения пожара в каждой сессии и выводят статистику по данным параметрам в ранее проведенных сессиях.

4. Система тренажера для способа пожаротушения с использованием технологий смешанной реальности по п. 1, характеризующаяся тем, что состоит из программной и аппаратной частей,

аппаратная часть содержит:

- очки дополненной реальности;

- модифицированный пожарный ствол;

- выделенный сервер;

- графическую станцию;

- роутер;

программная часть содержит:

- сервер администрирования;

- административный интерфейс;

- сервер расчета логико-математической модели распространение пламени, распространения дыма, изменения температуры и логико-математической модели тушения пожара;

- сервер визуализации;

- сервер модифицированного пожарного ствола;

- приложение для вывода результатов визуализации; при этом

- на выделенном сервере размещены сервер администрирования, административный интерфейс;

- на графической станции размещены сервер визуализации и сервер расчета логико-математической модели распространение пламени, распространения дыма, изменения температуры и логико-математической модели тушения пожара;

- на очках дополненной реальности размещено приложение для вывода результатов визуализации;

- на модифицированном пожарном стволе размещен сервер модифицированного пожарного ствола.

5. Система по п. 4, характеризующаяся тем, что интегрирована с элементами экипировки члена пожарной бригады, в том числе с пожарным рукавом, на котором симулирован изгибающий момент путем подключения компрессора, связанного с органами управления пожарным стволом, и с нагревательными элементами в экипировке члена бригады для симуляции теплового эффекта, рассчитываемого в логико-математической модели системы.

6. Система по п. 4, характеризующаяся тем, что программная часть дополнительно содержит сервер валидации лицензий, расположенный на выделенном сервере.

7. Система по п. 4, характеризующаяся тем, что выделенный сервер является удаленным.

8. Модифицированный пожарный ствол для способа пожаротушения с использованием технологии смешанной реальности по п. 1, характеризующийся тем, что выполнен на основе пожарного ствола и содержит датчики положения и перемещения, устройство передачи данных.

9. Модифицированный пожарный ствол по п. 8, характеризующийся тем, что в качестве датчиков положения и перемещения использованы датчики линейного перемещения, акселерометр, компас, гироскоп.

10. Модифицированный пожарный ствол по п. 8, характеризующийся тем, что содержит процессор.

11. Модифицированный пожарный ствол по п. 8, характеризующийся тем, что содержит запоминающее устройство.

12. Модифицированный пожарный ствол по п. 8, характеризующийся тем, что содержит элемент питания.

13. Модифицированный пожарный ствол по п. 8, характеризующийся тем, что содержит средство индикации.