VR技術(shù)在船舶消防培訓(xùn)中的應(yīng)用

朱 蘇， 周衛(wèi)平， 李 酬， 陳 極

(1.上海船舶工藝研究所， 上海200032； 2.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶工程學(xué)院， 江西 九江332007)

0 引 言

與普通建筑不同，船舶是在海上移動(dòng)的建筑，一旦發(fā)生火災(zāi)等事故，災(zāi)害危險(xiǎn)性和救援難度將非常大。加強(qiáng)船舶高級(jí)消防技能專業(yè)化訓(xùn)練是減小災(zāi)難危害、增強(qiáng)滅火救援效果的重要途徑。當(dāng)前，船舶高級(jí)消防培訓(xùn)仍以實(shí)操為主，存在消耗量大、危險(xiǎn)性高、準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、真實(shí)性低、可重復(fù)性差等問(wèn)題，特別是對(duì)航海專業(yè)類學(xué)校，培訓(xùn)場(chǎng)地和條件有限，實(shí)現(xiàn)難度更大。隨著VR軟件和硬件技術(shù)快速發(fā)展，基于VR技術(shù)的消防模擬訓(xùn)練模式應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)在虛擬場(chǎng)景中模仿船舶火災(zāi)真實(shí)場(chǎng)景，采用人機(jī)交互方式，訓(xùn)練受訓(xùn)人員在船舶火災(zāi)發(fā)生時(shí)的處置和決策應(yīng)對(duì)能力。這種訓(xùn)練模式與傳統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練相比，參與性更強(qiáng)，可重復(fù)性更高，也更安全可控，為船舶高級(jí)消防培訓(xùn)提供了一種嶄新的思路。

1 VR技術(shù)簡(jiǎn)述

虛擬現(xiàn)實(shí)，簡(jiǎn)稱VR技術(shù)，也稱靈境技術(shù)。其主要原理是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間虛擬世界，讓使用者能夠從視覺、聽覺、觸覺等各方面產(chǎn)生與真實(shí)環(huán)境相似的感受，如同親臨其境，并可利用計(jì)算機(jī)、頭盔、手柄等交互設(shè)備與虛擬場(chǎng)景進(jìn)行交互，完成對(duì)虛擬場(chǎng)景中對(duì)象的操作，并能接受各類反饋信號(hào)。目前，隨著計(jì)算機(jī)、傳感、人機(jī)交互等技術(shù)的發(fā)展，VR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍事、商業(yè)、科技、工程、教育、醫(yī)學(xué)、娛樂(lè)等各個(gè)領(lǐng)域[1]。

美國(guó)科學(xué)家BURDEA等認(rèn)為VR技術(shù)具有3個(gè)顯著特性:沉浸性、交互性和想象性,并提出 “VR技術(shù)的三角形”[2], 如圖1所示。

圖1 VR技術(shù)的3個(gè)基本特征

2 船舶消防培訓(xùn)現(xiàn)狀

船舶作為海上移動(dòng)的大型建筑物，一旦發(fā)生火災(zāi)，往往不能得到陸上消防部隊(duì)的及時(shí)救援，同時(shí)由于其自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)部通道狹窄、設(shè)備集中，消防救援人員若沒(méi)有進(jìn)行專業(yè)的結(jié)構(gòu)知識(shí)的培訓(xùn)，容易產(chǎn)生二次傷害并造成非常大的損失。加強(qiáng)船舶消防、特別是高級(jí)消防技能專業(yè)化訓(xùn)練，是減小災(zāi)難危害、增強(qiáng)滅火救援效果的重要途徑。船舶高級(jí)消防是以船舶組織戰(zhàn)術(shù)及指揮方面為重點(diǎn)的高級(jí)消防專業(yè)技能訓(xùn)練，而不是簡(jiǎn)單地重復(fù)消防基礎(chǔ)知識(shí)、船舶基本滅火設(shè)備和器材的性能及使用方法等。高級(jí)消防的培訓(xùn)課時(shí)為42學(xué)時(shí)，其中理論培訓(xùn)時(shí)間為31學(xué)時(shí)，實(shí)操為11學(xué)時(shí)[3]。

目前船舶消防實(shí)操培訓(xùn)大多在模擬艙中進(jìn)行，不僅耗資大、污染大、危險(xiǎn)性高，且能重復(fù)開展的并不多。某海事培訓(xùn)學(xué)校在進(jìn)行高級(jí)消防培訓(xùn)時(shí)曾發(fā)生火勢(shì)無(wú)法控制，將整個(gè)模擬機(jī)艙全部燒毀的安全事故。因船舶特殊的功能和結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生的火災(zāi)具有特殊性，需要經(jīng)常組織船員進(jìn)行消防演練，因此就需要一個(gè)可以重復(fù)利用和考核評(píng)估的培訓(xùn)平臺(tái)。推廣VR技術(shù)在船舶消防演練中的應(yīng)用，基于VR技術(shù)搭建一個(gè)沉浸感強(qiáng)、交互性高的船舶消防培訓(xùn)平臺(tái)，采用視、聽、體驗(yàn)相結(jié)合的綜合互動(dòng)模式，進(jìn)行船舶消防基礎(chǔ)、消防模擬、消防訓(xùn)練和評(píng)估的技能培訓(xùn)顯得非常重要。

3 VR技術(shù)在船舶消防培訓(xùn)中的應(yīng)用

上海船舶工藝研究所憑借多年來(lái)在VR技術(shù)研發(fā)方面的優(yōu)勢(shì)和積累，結(jié)合當(dāng)前船舶消防培訓(xùn)的需求，利用VR技術(shù)開發(fā)了船舶消防培訓(xùn)平臺(tái)。該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)多種訓(xùn)練目的，如船舶消防知識(shí)培訓(xùn)、船舶結(jié)構(gòu)認(rèn)知以及多場(chǎng)景滅火、協(xié)同綜合演習(xí)等分布式場(chǎng)景訓(xùn)練，并可進(jìn)行操作考核與評(píng)定。平臺(tái)具體功能如圖2[4]所示。

圖2 船舶消防培訓(xùn)平臺(tái)具體功能

3.1 基于VR技術(shù)的消防基礎(chǔ)知識(shí)實(shí)訓(xùn)

船舶消防基礎(chǔ)知識(shí)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)通過(guò)界面交互和體感操作方式對(duì)受訓(xùn)者進(jìn)行消防基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)，其中基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)模塊負(fù)責(zé)受訓(xùn)者基礎(chǔ)知識(shí)的培訓(xùn)，船舶典型消防設(shè)備交互操作教學(xué)模塊則是通過(guò)頭盔顯示器和動(dòng)作捕捉手柄模擬真實(shí)消防設(shè)備的使用，提升受訓(xùn)者的實(shí)際操作能力。系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 船舶消防基礎(chǔ)知識(shí)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

3.2 基于VR技術(shù)的船舶結(jié)構(gòu)認(rèn)知

船舶結(jié)構(gòu)認(rèn)知系統(tǒng)采用VR、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、多媒體等技術(shù)，主要對(duì)機(jī)艙、駕駛室、甲板左右舷、集控室、會(huì)議室、居住室等主要環(huán)境進(jìn)行三維漫游交互展示。通過(guò)添加熱點(diǎn)、箭頭、雷達(dá)、圖片、文本、視頻等素材資料，在漫游場(chǎng)景中交互查看，受訓(xùn)者能通過(guò)此系統(tǒng)認(rèn)識(shí)船舶布局、了解船體結(jié)構(gòu)[5]。

本系統(tǒng)的目的是讓受訓(xùn)者了解船艙各個(gè)部位的設(shè)備布局，提高船舶消防安全意識(shí)。系統(tǒng)功能如下：

(1) 提供船舶機(jī)艙、駕駛臺(tái)、居住室等場(chǎng)景展示。采集的圖像能最大限度展現(xiàn)周圍設(shè)備。

(2) 提供場(chǎng)景目錄。用戶可根據(jù)教學(xué)實(shí)訓(xùn)需要，通過(guò)目錄選擇相應(yīng)場(chǎng)景進(jìn)行體驗(yàn)。

(3) 進(jìn)行場(chǎng)景間切換。通過(guò)在場(chǎng)景中添加熱點(diǎn)即可切換到指定場(chǎng)景，其中熱點(diǎn)可采用箭頭圖片、Flash動(dòng)畫等方式。場(chǎng)景熱點(diǎn)切換如圖4所示。

圖4 場(chǎng)景熱點(diǎn)切換

(4) 可將船舶地圖添加至系統(tǒng)中供用戶交互。設(shè)計(jì)兩個(gè)按鈕，可進(jìn)行地圖的放大和縮小,同時(shí)雙擊地圖可全屏顯示地圖。

(5) 通過(guò)點(diǎn)擊可彈出相關(guān)的圖片和說(shuō)明書。說(shuō)明書包括機(jī)艙或駕駛臺(tái)相關(guān)消防設(shè)備等，在場(chǎng)景中通過(guò)熱點(diǎn)鏈接到設(shè)備的圖片和說(shuō)明書進(jìn)行展示。

(6) 進(jìn)行視頻展示。通過(guò)熱點(diǎn)鏈接設(shè)備展示視頻，視頻含有機(jī)艙或駕駛臺(tái)相關(guān)消防設(shè)備等內(nèi)容介紹，可控制視頻播放和暫停。

3.3 基于VR技術(shù)的船舶高級(jí)消防分布式仿真實(shí)訓(xùn)

船舶高級(jí)消防分布式仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)通過(guò) VR 技術(shù)，使受訓(xùn)者在視覺和聽覺上真實(shí)體驗(yàn)火災(zāi)環(huán)境，熟悉火災(zāi)區(qū)域的環(huán)境特征。受訓(xùn)者通過(guò)顯示設(shè)備、立體觀察裝置、人機(jī)操縱裝置等與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互且相互影響，產(chǎn)生沉浸于真實(shí)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的感受和體驗(yàn)。根據(jù)不同角色和任務(wù)完成VR交互體驗(yàn)。同時(shí)，通過(guò)搭建局域網(wǎng)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)客戶端設(shè)備之間的通信，多個(gè)客戶端之間能進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn) VR 消防的多人協(xié)同功能，可對(duì)受訓(xùn)者的消防組織戰(zhàn)術(shù)和指揮方面的能力進(jìn)行訓(xùn)練[6]。通過(guò)實(shí)訓(xùn)使受訓(xùn)者能夠快速組織決策、正確果斷指揮、積極配合協(xié)調(diào)，不斷提高整體滅火能力。船舶高級(jí)消防分布式仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景如圖6所示。

圖5 船舶高級(jí)消防分布式仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)

圖6 船舶高級(jí)消防分布式仿真實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景

3.3.1 系統(tǒng)主要功能

(1) 提供用戶登錄功能，對(duì)受訓(xùn)者進(jìn)行權(quán)限管理；

(2) 具有模型管理、場(chǎng)景管理功能，可實(shí)現(xiàn)模型或場(chǎng)景的顯示、隱藏、查詢等；

(3) 可支持立體模式，與硬件設(shè)備良好地結(jié)合運(yùn)行；

(4) 提供場(chǎng)景視角切換、交互漫游等功能，受訓(xùn)者可在場(chǎng)景中以多種方式進(jìn)行交互操作；

(5) 支持采用手柄等交互設(shè)備進(jìn)行船舶場(chǎng)景漫游；

(6) 場(chǎng)景提供逃生路線、消防器材布置等；

(7) 提供不同的火源位置、火勢(shì)場(chǎng)景，提供豐富的火災(zāi)環(huán)境效果，包括聲、光、電、煙霧等，受訓(xùn)者可置身于近乎實(shí)戰(zhàn)的消防救援環(huán)境中，感受火災(zāi)事故現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，包括爆炸煙火、污染擴(kuò)散等；

(8) 提供多人協(xié)同消防救援實(shí)訓(xùn)功能，在系統(tǒng)中多個(gè)學(xué)員可進(jìn)行協(xié)同滅火實(shí)訓(xùn)；

(9) 提供火災(zāi)事故動(dòng)態(tài)發(fā)展功能，并可根據(jù)場(chǎng)景設(shè)定不同人員的任務(wù)分工，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)滅火和救援等任務(wù)的協(xié)同實(shí)訓(xùn)。

3.3.2 系統(tǒng)應(yīng)用效果

以載重量82 000 t散貨船為例，在系統(tǒng)中構(gòu)建機(jī)艙、廚房等重點(diǎn)防火區(qū)域的虛擬著火場(chǎng)景。

(1) 提高受訓(xùn)人員的應(yīng)急滅火救援和適應(yīng)能力。在單人訓(xùn)練模式下，單個(gè)受訓(xùn)人員通過(guò)頭盔、顯示器等顯示設(shè)備，感受真實(shí)的火災(zāi)環(huán)境，克服恐懼心理，進(jìn)行心理適應(yīng)性和承受力訓(xùn)練。通過(guò)動(dòng)作捕捉手柄、光學(xué)跟蹤器等外在硬件設(shè)備，根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的各類著火模式，操作虛擬消防栓、虛擬斧頭、虛擬擔(dān)架等虛擬消防和救援裝備，與虛擬場(chǎng)景進(jìn)行互動(dòng)，完成滅火、救援、逃生等各種技能訓(xùn)練。

(2) 提高受訓(xùn)團(tuán)隊(duì)的消防決策、指揮、協(xié)同能力。在團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練模式下，系統(tǒng)針對(duì)船舶火情中甲板火災(zāi)、船內(nèi)艙室火災(zāi)、油氣火災(zāi)、爆炸燃燒以及各類事故的滅火救援工作要求，進(jìn)行虛擬場(chǎng)景的設(shè)定、滅火戰(zhàn)術(shù)和救援方案的選擇、指令的下達(dá)等功能設(shè)計(jì)，受訓(xùn)人員可根據(jù)權(quán)限設(shè)定，扮演指揮者、救助者、滅火者等不同角色，從而達(dá)到訓(xùn)練指揮、決策、救援、協(xié)同能力的目的。

4 結(jié) 語(yǔ)

在船舶消防培訓(xùn)中引入VR技術(shù)，具有直觀、互動(dòng)性強(qiáng)、成本低、安全等優(yōu)點(diǎn)[7]，在船舶消防培訓(xùn)課程設(shè)置中，虛實(shí)結(jié)合將大幅增強(qiáng)消防培訓(xùn)的效果。船舶消防培訓(xùn)平臺(tái)目前已在某航海職業(yè)院校航海專業(yè)類的教學(xué)培訓(xùn)中得到初步應(yīng)用。當(dāng)然，VR技術(shù)在船舶消防中的應(yīng)用還只是初步探索，在場(chǎng)景效果、人物模型、多人協(xié)同、火災(zāi)模型等方面需要進(jìn)一步研究[8]。