模擬火災(zāi)現(xiàn)場勘驗系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

張金專，鄧 亮，王力伯

(武警學(xué)院 a.消防工程系； b.訓(xùn)練部，河北 廊坊 065000)

一、引言

火災(zāi)現(xiàn)場勘驗是火災(zāi)調(diào)查的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是現(xiàn)場勘驗人員依法運用科學(xué)方法和技術(shù)手段，對與火災(zāi)有關(guān)的場所、物品、人身、尸體表面等進(jìn)行勘查、驗證，查找、檢驗、鑒別的提取物證的活動[1]。火災(zāi)現(xiàn)場勘驗是火災(zāi)調(diào)查工作的重要組成部分，也是火災(zāi)勘查專業(yè)教學(xué)、訓(xùn)練的核心內(nèi)容之一[2]。

目前火災(zāi)調(diào)查教學(xué)、訓(xùn)練的主要形式有：課堂理論教學(xué)、課堂案例討論，以及在實驗室制備火災(zāi)現(xiàn)場開展現(xiàn)場勘驗訓(xùn)練等。其中，在傳統(tǒng)火災(zāi)調(diào)查課堂教學(xué)和相關(guān)科研工作經(jīng)驗積累基礎(chǔ)上逐步拓展、總結(jié)形成的利用實驗室制備的火災(zāi)現(xiàn)場開展現(xiàn)場勘驗訓(xùn)練方式，作為提升火災(zāi)調(diào)查能力的有效手段受到廣大學(xué)員的熱烈歡迎，為學(xué)員提供了一個將理論知識與實踐操作相結(jié)合的重要平臺。然而，利用實驗室制備的火災(zāi)現(xiàn)場開展現(xiàn)場勘驗訓(xùn)練，教學(xué)效果雖然良好，但也存在著諸多不足。如：場地和訓(xùn)練器材等硬件要求標(biāo)準(zhǔn)高；訓(xùn)練消耗多，經(jīng)費保障壓力大；訓(xùn)練效果評價困難等。受訓(xùn)練場地、模擬火災(zāi)次數(shù)、參加學(xué)員數(shù)量等諸多方面限制，還不能充分發(fā)揮訓(xùn)練的效能。因此，有必要針對上述訓(xùn)練方式的優(yōu)缺點，探索一種新的現(xiàn)場勘驗訓(xùn)練方式和平臺。

解決問題的思路是搭建虛擬仿真平臺[3]，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)基于實際火災(zāi)現(xiàn)場的模擬現(xiàn)場勘驗系統(tǒng)[4]，把實際的火災(zāi)現(xiàn)場重建于系統(tǒng)中，讓學(xué)生在計算機(jī)上對以實際火災(zāi)現(xiàn)場為背景建立的虛擬現(xiàn)場進(jìn)行勘驗，以達(dá)到理論與實際相結(jié)合的目的[5]?；谝陨舷敕?，以武警學(xué)院信息化建設(shè)為契機(jī)，筆者開發(fā)了一套模擬火災(zāi)現(xiàn)場勘驗系統(tǒng)。

二、模擬火災(zāi)現(xiàn)場勘驗系統(tǒng)的開發(fā)

(一)系統(tǒng)開發(fā)的目標(biāo)

通過信息技術(shù)的深入應(yīng)用，促進(jìn)火災(zāi)調(diào)查教學(xué)手段的信息化、教學(xué)方式的現(xiàn)代化，帶來教學(xué)形式和學(xué)習(xí)方式的重大變革，使理論學(xué)習(xí)的課堂、實踐演練的訓(xùn)練場、分析操作的實驗室演變成沒有“硝煙”的“網(wǎng)上訓(xùn)練場”和“實驗操作平臺”。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入模擬火災(zāi)現(xiàn)場勘驗教學(xué)活動中，通過三維虛擬現(xiàn)實引擎構(gòu)建基于真實火災(zāi)的仿真訓(xùn)練場景，通過對真實火災(zāi)案例調(diào)查環(huán)節(jié)訓(xùn)練內(nèi)容的設(shè)置，實現(xiàn)各種基本調(diào)查能力的模擬訓(xùn)練。同時，融入模擬訓(xùn)練操作考評體系，對學(xué)員模擬訓(xùn)練操作進(jìn)行自動考核評估，讓參與培訓(xùn)和考核的教師、學(xué)員根據(jù)勘驗、詢問的規(guī)則在系統(tǒng)中完成各自任務(wù)，以達(dá)成培訓(xùn)、考核目標(biāo)。

(二)系統(tǒng)包含的功能模塊

三維場景模塊：基于實際火災(zāi)現(xiàn)場，利用成熟的三維虛擬現(xiàn)實引擎平臺構(gòu)建一個典型的虛擬的火災(zāi)現(xiàn)場，真實再現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場的各種客觀痕跡。同時，根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場操作及處置場景搭建需求，對典型區(qū)域及周邊的重點地形、地貌、地物進(jìn)行三維建模。然后，把學(xué)員按照真實的地理位置放置在三維場景中，進(jìn)行火災(zāi)現(xiàn)場勘驗。

故事情節(jié)引導(dǎo)模塊：在仿真系統(tǒng)中設(shè)置必要的故事情節(jié)，創(chuàng)建不同類型的人物角色，引導(dǎo)學(xué)員在火災(zāi)調(diào)查中開展調(diào)查尋訪工作，獲取火災(zāi)線索和證據(jù)，一步一步地尋找答案。

模擬勘察與鑒定模塊：綜合運用三維模型、文字、圖片和聲音等實現(xiàn)方式，以一種沉浸感極強(qiáng)的角色扮演形式把火災(zāi)勘驗、現(xiàn)場詢問、物證調(diào)查等活動準(zhǔn)確地、直觀地展示給受訓(xùn)學(xué)員。

訓(xùn)練導(dǎo)調(diào)模塊：主要是完成演練任務(wù)設(shè)定、演練任務(wù)發(fā)布、訓(xùn)練過程控制、分組和角色管理、跟蹤學(xué)員操作狀態(tài)、保存記錄和存取、突發(fā)事件設(shè)置、評分查詢和統(tǒng)計等功能。

培訓(xùn)與考核模塊：系統(tǒng)集培訓(xùn)、考核功能于一體，學(xué)員的每一步操作會被系統(tǒng)記錄下來，在考核完畢提交后，系統(tǒng)會給每位學(xué)員列出相關(guān)考核結(jié)果，從而有效提升培訓(xùn)效果。

信息管理模塊：數(shù)據(jù)庫包括管理員、教員、學(xué)員基本信息，以及班級管理、權(quán)限管理、成績管理、考核管理等信息。各種信息采用標(biāo)準(zhǔn)化模板，進(jìn)行系統(tǒng)的導(dǎo)入與導(dǎo)出。

(三)系統(tǒng)采用的技術(shù)手段

系統(tǒng)包含3DGIS技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、交互界面技術(shù)、三維建模技術(shù)、專業(yè)數(shù)據(jù)庫和專業(yè)軟件的集成。

3DGIS技術(shù)能夠基于地表衛(wèi)星影像、航空影像創(chuàng)建高分辨率的地球場景，不需要數(shù)據(jù)預(yù)處理，能夠快速融合不同的、分布式的實時傳輸源數(shù)據(jù)快速構(gòu)建實時三維交互式環(huán)境，集中體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實和地理信息完美結(jié)合的優(yōu)勢，通過三維交互方式來展示海量的三維場景和空間地理數(shù)據(jù)，讓一切虛擬火災(zāi)現(xiàn)場勘驗活動具有了真實的時空背景。虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過視、聽、觸覺等，實現(xiàn)身臨其境的交互式視景仿真效果，使學(xué)員與火災(zāi)現(xiàn)場直接進(jìn)行自然交互。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)在模擬火災(zāi)現(xiàn)場勘驗系統(tǒng)中的應(yīng)用，能使整個模擬火災(zāi)現(xiàn)場勘驗過程可視化，使學(xué)員直接進(jìn)入虛擬火災(zāi)現(xiàn)場內(nèi)部觀察事物內(nèi)在變化，所勘察物體能夠進(jìn)行全方位單獨展示和勘驗，并且不會破壞現(xiàn)場，這是在真實火場中很難做到的。學(xué)員通過角色扮演參與到火災(zāi)現(xiàn)場勘驗中去，成為虛擬世界的一部分。

(四)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫指標(biāo)：本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，對管理員、教員、學(xué)員三者統(tǒng)一管理，教員與學(xué)員通過更改身份關(guān)鍵字可實現(xiàn)身份自由切換。為保證數(shù)據(jù)庫的安全性，采用庫外加密方式，待數(shù)據(jù)使用時，從庫中讀出密文，解密為可使用明文數(shù)據(jù)，保證可見性數(shù)據(jù)只存在于運行時內(nèi)存中。

系統(tǒng)場景建模標(biāo)準(zhǔn)：通過3D Max完成建模，建模單位統(tǒng)一采用Meter，模型完整無裂縫。所有物證均進(jìn)行精細(xì)化建模，一律采用三角形或四邊形建模，模型面數(shù)需大于1 000面，模型貼圖分辨率大于或等于300 ppi(retina級別)，真實還原火災(zāi)現(xiàn)場的物證等。將生成的所有模型導(dǎo)出為FBX格式，通過Unity3D的可視化編輯功能，整合出整個火災(zāi)案發(fā)場景。系統(tǒng)運行平臺為Windows 7及以上系統(tǒng)，通過物理渲染與Standard Shader的方式呈現(xiàn)火災(zāi)場景。為保證畫面質(zhì)量、畫面特效與運行效率，提升系統(tǒng)運行流暢度，對模型運用光照反射、漫反射、高光、投影、網(wǎng)格改變等多種特效，采用遮擋剔除、視錐體剔除、Drawcall優(yōu)化算法、合并圖集、GC回收機(jī)制等優(yōu)化手段。

系統(tǒng)服務(wù)器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：系統(tǒng)服務(wù)器使用B/S架構(gòu)，為管理員與教員提供訪問端，用來訪問服務(wù)器中的用戶數(shù)據(jù)?？蛇M(jìn)行注冊信息修改、學(xué)員操作流程查看、學(xué)員操作流程評判等工作。服務(wù)端在工作完成以后進(jìn)行一輪及以上的壓力測試，保證在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好情況下，網(wǎng)絡(luò)操作平均響應(yīng)時間小于500 ms，網(wǎng)絡(luò)吞吐率達(dá)到3 000 req/s。系統(tǒng)載入時間與場景切換時間小于1 s，當(dāng)大于1 s時需有Loading界面提示加載進(jìn)度。按鈕點擊、物品拖拽、外設(shè)輸入等操作需實時響應(yīng)，等待時間小于1 ms。在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好情況下，要求網(wǎng)絡(luò)操作平均響應(yīng)時間小于100 ms，網(wǎng)絡(luò)吞吐率達(dá)到3 000 req/s。數(shù)據(jù)庫安全穩(wěn)定，數(shù)據(jù)檢索時間需小于50 ms。

三、模擬火災(zāi)現(xiàn)場勘驗系統(tǒng)的應(yīng)用

(一)勘驗前的準(zhǔn)備

進(jìn)入系統(tǒng)后，點擊屏幕左上角“前期準(zhǔn)備”，選擇要準(zhǔn)備的勘驗裝備、工具和儀器。

在不同界面下，選擇出現(xiàn)場勘驗人員進(jìn)入現(xiàn)場前應(yīng)該穿戴的勘驗服裝、佩戴的個人防護(hù)裝備、勘驗用到的工具、現(xiàn)場檢測用到的儀器等。每次選擇完成后，在“當(dāng)前任務(wù)”框內(nèi)點擊“提交”，完成此項任務(wù)。

(二)環(huán)境勘驗

勘驗人員攜帶所需裝備進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場，開始對火場進(jìn)行環(huán)境勘驗。首先，點擊“環(huán)境勘驗”按鈕，進(jìn)入環(huán)境勘驗界面，環(huán)境勘驗過程中，可完成“觀察外圍”“觀察現(xiàn)場主體”“設(shè)置現(xiàn)場保護(hù)范圍”“處置現(xiàn)場可能存在的危險”等多種操作。

勘驗人員進(jìn)入現(xiàn)場后，可按住鍵盤上的“A”“S”“D”“W”四個鍵分別進(jìn)行左、右、前、后移動，到所需位置進(jìn)行外圍觀察。

現(xiàn)場勘驗人員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場內(nèi)部前，履行火災(zāi)現(xiàn)場保護(hù)法律程序，現(xiàn)場填寫封閉火災(zāi)現(xiàn)場公告，并張貼在火災(zāi)現(xiàn)場醒目位置。

在火場的外圍，勘驗人員可對整個火災(zāi)現(xiàn)場從不同方位進(jìn)行拍照。

(三)初步勘驗

環(huán)境勘驗結(jié)束后，勘驗人員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場內(nèi)部，進(jìn)行初步勘驗。點擊“初步勘驗”按鈕，顯示出初步勘驗可進(jìn)行的操作有“測量內(nèi)部平面布局”“觀察門窗入口情況”“標(biāo)示內(nèi)部火源電源”“標(biāo)示內(nèi)部可燃物”“標(biāo)識蔓延路線”“圈定起火部位”等多項內(nèi)容。

進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場內(nèi)部后，可點擊“觀察門窗入口情況”，移動至門、窗位置進(jìn)行觀察。

初步勘驗最重要的工作是通過觀察火災(zāi)蔓延痕跡，可在系統(tǒng)中標(biāo)識火災(zāi)蔓延路線，并最終確定起火部位，如圖1、圖2所示。

(四)細(xì)項勘驗

確定起火部位后，勘驗人員在起火部位處進(jìn)行進(jìn)一步勘驗，進(jìn)入細(xì)項勘驗環(huán)節(jié)，具體內(nèi)容有“觀察物品確定蔓延路線”“確定起火點”“提取物證”“損失統(tǒng)計調(diào)查”“使用儀器獲取數(shù)據(jù)”等多項操作。

圖1 標(biāo)識火災(zāi)蔓延路線

圖2 標(biāo)識起火部位

通過確定起火點，在起火點處提取火源或可燃物物證，并對相關(guān)部位進(jìn)行相應(yīng)的儀器測量，為下一步的專項勘驗和進(jìn)一步確定起火原因提供證據(jù)，如圖3所示。

圖3 確定起火點并進(jìn)行儀器測量

(五)專項勘驗

專項勘驗主要是對在細(xì)項勘驗中提取的引火源、起火物等重要物證進(jìn)行深入分析和鑒定，以期為最終起火原因的認(rèn)定提供證據(jù)。在本系統(tǒng)中主要通過與前期開發(fā)的“火災(zāi)物證鑒定仿真實驗系統(tǒng)”聯(lián)用，達(dá)到對關(guān)鍵物證進(jìn)一步分析鑒定的目的。

四、結(jié)束語

“模擬火災(zāi)現(xiàn)場勘驗系統(tǒng)”是為解決火災(zāi)調(diào)查教學(xué)過程中學(xué)員不能到實際火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行勘驗的難題，采用計算機(jī)仿真技術(shù)開發(fā)的一套仿真教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可完成實際火災(zāi)現(xiàn)場勘驗訓(xùn)練的大部分內(nèi)容，既能滿足學(xué)員現(xiàn)場勘驗訓(xùn)練需求，又能大幅度降低培訓(xùn)時間和訓(xùn)練費用，為火災(zāi)調(diào)查實訓(xùn)教學(xué)提供了一種新的教學(xué)模式。