公安院校消防虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)

李克建

摘 要：消防工作是公安消防部隊(duì)在新時(shí)期的主要任務(wù)。近年來，伴隨迅猛發(fā)展的城市現(xiàn)代化建設(shè)，火災(zāi)事故的多發(fā)性和滅火救援任務(wù)的艱巨性日顯凸出。開展消防仿真虛擬訓(xùn)練是新形勢下提高公安院校學(xué)生訓(xùn)練質(zhì)量、消防知識認(rèn)知水平及滅火實(shí)戰(zhàn)能力的必由之路。因此，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立消防知識認(rèn)知的體驗(yàn)環(huán)境和相關(guān)模擬訓(xùn)練軟件，以有效提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和水平，滿足公安院校為公安基層民警隊(duì)伍培養(yǎng)合格人才的需求。

關(guān)鍵詞：公安院校 消防 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

中圖分類號：TU998.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（b）-0128-03

公安院校學(xué)生未來就業(yè)方向主要是公安基層民警，而消防監(jiān)督工作是公安基層工作的重要組成部分，因此，學(xué)生對消防監(jiān)督檢查流程及重點(diǎn)應(yīng)有一定了解，對通用消防器材裝備應(yīng)熟練使用及對火災(zāi)初期應(yīng)靈活處置，而這些方面的教學(xué)工作在實(shí)際教學(xué)中存在教學(xué)與實(shí)際脫節(jié)的矛盾。隨著建模與虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬訓(xùn)練以其特有的優(yōu)點(diǎn)越來越受到高校的重視[1]。消防虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)可以很好地解決教學(xué)與實(shí)際脫節(jié)的矛盾[2]。該教學(xué)系統(tǒng)由訓(xùn)練（軟件）系統(tǒng)和3D交互沉浸環(huán)境（硬件）系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成，系統(tǒng)軟件部分通過三維虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研發(fā)，系統(tǒng)硬件部分為配套虛擬交互訓(xùn)練內(nèi)容實(shí)現(xiàn)3D沉浸交互功能應(yīng)用的硬件平臺支撐，上述兩部分共同構(gòu)成整個(gè)教學(xué)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境下達(dá)到真實(shí)環(huán)境條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)認(rèn)知、訓(xùn)練的效果。

1 消防虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)軟件平臺的設(shè)計(jì)

根據(jù)目前公安基層工作的需要，教學(xué)系統(tǒng)軟件平臺由消防監(jiān)督檢查、消防裝備與滅火技術(shù)和滅火救援指揮3部分組成。

1.1 消防監(jiān)督檢查

消防監(jiān)督檢查虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)以三維仿真的某大型商業(yè)綜合體為背景，利用虛擬仿真技術(shù)模擬商場中各消防設(shè)施、消防器材和相關(guān)消防設(shè)備與消防區(qū)域的設(shè)置情況。該系統(tǒng)主要包括消防監(jiān)督檢查教學(xué)展示（3D效果）、消防監(jiān)督檢查的組織、實(shí)施消防監(jiān)督檢查訓(xùn)練、對舉報(bào)、投訴的消防違法行為的查處訓(xùn)練、重大火災(zāi)隱患的判定、立案、督辦和消案的訓(xùn)練、恢復(fù)施工（使用、生產(chǎn)、營業(yè)或者舉辦）的檢查訓(xùn)練等部分。（如圖1所示）

該系統(tǒng)可以生動(dòng)立體地講述消防知識，同時(shí)培訓(xùn)學(xué)生在任意一個(gè)普通場景中，能夠完成消防監(jiān)督檢查的各項(xiàng)工作措施，掌握消防監(jiān)督檢查的技能，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用虛擬環(huán)境、立體成像設(shè)備、模擬軟件的方式，一方面使學(xué)生全方位多角度的形式進(jìn)入立體虛擬環(huán)境中去，身臨其境地到現(xiàn)場去發(fā)現(xiàn)問題、聽取解決辦法、學(xué)習(xí)相關(guān)知識；另一方面則利用安裝了“消防監(jiān)督檢查虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”的PC機(jī)，通過可視化交互，讓學(xué)生能自我做出判斷，發(fā)現(xiàn)并記錄虛擬場景中存在的安全隱患，以達(dá)到實(shí)訓(xùn)要求，完成目標(biāo)。

1.2 消防裝備與滅火技術(shù)模擬演練系統(tǒng)

鑒于學(xué)生對消防滅火實(shí)際操作知識的匱乏，以及經(jīng)驗(yàn)的欠缺，因此，需要通過實(shí)際動(dòng)手訓(xùn)練來提高學(xué)生實(shí)踐能力，以便日后能從容應(yīng)對各種危機(jī)情況。由于火災(zāi)本身是一個(gè)很難控制的事件，其危害性巨大，擴(kuò)張速度迅猛，稍有不慎即可對人們的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失，因此，通過實(shí)際引發(fā)一場火災(zāi)來進(jìn)行撲救，達(dá)到訓(xùn)練的目標(biāo)自然是非常不可取的。但學(xué)生終究必須是要掌握消防滅火技術(shù)，如何連接理論知識和實(shí)際撲救之間的紐帶，達(dá)到訓(xùn)練的目標(biāo)，就成為了必須解決的問題。為解決理想與現(xiàn)實(shí)之間的矛盾，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)顯得尤為合適。消防裝備與滅火技術(shù)虛擬演練系統(tǒng)可全真模擬出火災(zāi)現(xiàn)場環(huán)境、風(fēng)力風(fēng)向、火情蔓延面積等；細(xì)節(jié)來講，包括樓層通道、燃燒物質(zhì)、火光火焰、煙霧層層等；撲救操作方面來講，包括各類滅火器使用的方式方法（如，除掉鉛封、拉下保險(xiǎn)銷、對準(zhǔn)火源、按壓手柄），以及室內(nèi)、外消火栓的連接和使用模擬。因此，這套虛擬火災(zāi)撲救系統(tǒng)可從宏觀到微觀層層遞進(jìn)展開撲救技術(shù)訓(xùn)練，兼具安全性和交互性，加之輕量化的演練環(huán)境，是火災(zāi)撲救訓(xùn)練最科學(xué)完善的解決方案。（如圖2所示）

1.3 滅火救援指揮模擬訓(xùn)練系統(tǒng)

滅火救援指揮模擬訓(xùn)練系統(tǒng)以某大型商業(yè)綜合體為實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練背景，利用虛擬仿真技術(shù)模擬生成特定環(huán)境條件下的虛擬火災(zāi)事故場景；受訓(xùn)學(xué)員依據(jù)應(yīng)急救援戰(zhàn)術(shù)原則進(jìn)行指揮決策，調(diào)動(dòng)和部署搶險(xiǎn)救援力量，形成戰(zhàn)斗方案，控制事故的發(fā)展和蔓延；并依據(jù)戰(zhàn)術(shù)知識庫，以模擬訓(xùn)練系統(tǒng)提供的訓(xùn)練監(jiān)控、記錄回放等工具為輔助，記錄、分析受訓(xùn)學(xué)員的戰(zhàn)斗方案，對受訓(xùn)學(xué)員的戰(zhàn)斗方案進(jìn)行邏輯推理，最終進(jìn)行評判結(jié)果和結(jié)果解釋；虛擬火災(zāi)事故場景也隨著戰(zhàn)斗方案的執(zhí)行實(shí)時(shí)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的仿真效果，為受訓(xùn)學(xué)員創(chuàng)建一個(gè)具有高度沉浸感以及符合實(shí)際情況的訓(xùn)練環(huán)境。該系統(tǒng)主要包括滅火救援指揮教學(xué)展示（3D效果）、接處警訓(xùn)練需求、滅火救援指揮訓(xùn)練需求、模擬訓(xùn)練臺需求和場景、模型及處置效果需求等部分。（如圖3所示）

2 消防虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計(jì)

消防虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)硬件平臺以三通道沉浸式環(huán)境G-Discover為主，同時(shí)配以學(xué)生機(jī)房，滿足教學(xué)認(rèn)知以及課程考核的需要。（如圖4所示）

2.1 立體顯示系統(tǒng)

作為整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺的顯示部分，顯示系統(tǒng)效果的好壞對整個(gè)系統(tǒng)表現(xiàn)的影響非常大。系統(tǒng)一般由投影機(jī)、投影屏幕、機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。其核心是根據(jù)使用要求和現(xiàn)場情況（環(huán)境光情況、場地情況、觀眾等），選擇恰當(dāng)?shù)耐队胺绞剑谕队胺绞酱_定的前提下，選擇適當(dāng)?shù)耐队皺C(jī)、投影屏幕和結(jié)構(gòu)形式以形成最佳的視場。由于顯示屏面積較大，圖像均勻性及一致性要求突出。

2.2 圖形圖像處理系統(tǒng)

由于虛擬系統(tǒng)所采用的軟件占用較大空間資源，因此，對計(jì)算機(jī)硬件的要求隨之提高，當(dāng)前虛擬系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)硬件以高性能圖形工作站為主流，具體配置因所采用的建模和分析軟件不同而不同。

2.3 交互系統(tǒng)

虛擬設(shè)計(jì)平臺中的人機(jī)交互設(shè)備包括動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、半實(shí)物仿真滅火器、半實(shí)物仿真水槍等，可以使設(shè)計(jì)者和觀察者實(shí)時(shí)地對多通道顯示屏幕上的內(nèi)容進(jìn)行綜合操控，實(shí)現(xiàn)用戶與三維模型的交互瀏覽和相關(guān)訓(xùn)練操作。

2.4 教學(xué)考核機(jī)房

包含學(xué)生機(jī)和教師機(jī)若干臺，“消防監(jiān)督檢查”的學(xué)生考核部分、“消防裝備與滅火技術(shù)模擬演練”的認(rèn)知教學(xué)部分、“滅火救援指揮”的協(xié)同操作演練部分均在該機(jī)房中完成。

2.5 火災(zāi)現(xiàn)場信號轉(zhuǎn)播系統(tǒng)

可將當(dāng)?shù)毓蚕啦块T消防指揮大廳通過衛(wèi)星信號車采集到的火災(zāi)現(xiàn)場視頻信號，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男问浇尤氲綄?shí)驗(yàn)室的投影環(huán)境中，供學(xué)生進(jìn)行火災(zāi)實(shí)戰(zhàn)的觀摩教學(xué)[3]。

消防虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)、三維仿真建模與再現(xiàn)技術(shù)、三維場景渲染技術(shù)等先進(jìn)手段真實(shí)的再現(xiàn)各類場所火災(zāi)現(xiàn)場的環(huán)境，以消防日常設(shè)備設(shè)施安全監(jiān)督檢查，災(zāi)害事故救援的應(yīng)急指揮、處置和救護(hù)為主線，通過三維人機(jī)交互式教學(xué)實(shí)訓(xùn)模式為學(xué)生針對以上不同場地條件和狀況下的消防安全檢查、面臨火災(zāi)的自救、維持火災(zāi)現(xiàn)場秩序、組織疏散及指揮群眾逃生等采取正確的指揮調(diào)度措施、應(yīng)急處置辦法和消防設(shè)備器材的工作原理及使用等進(jìn)行設(shè)計(jì)與研發(fā)，從而增強(qiáng)受訓(xùn)者的臨場感覺，提升應(yīng)急學(xué)員的快速反應(yīng)和處置能力。

參考文獻(xiàn)

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