VR 技術(shù)在高層建筑火災(zāi)撲救教學(xué)中的應(yīng)用

孫俊龍

應(yīng)急管理部消防救援局昆明訓(xùn)練總隊(duì)（650000）

0 引言

VR（Virtual Reality），即虛擬現(xiàn)實(shí)，是一種能夠創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)；它利用計(jì)算機(jī)生成一種交互式的三維動(dòng)態(tài)視景，其實(shí)體行為的仿真系統(tǒng)能夠使用戶沉浸到該環(huán)境中。作為21世紀(jì)多媒體技術(shù)的一大突破，VR 以其沉浸性、交互性、多感知性、構(gòu)想性及自主性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于影視、娛樂(lè)、軍事、教育、醫(yī)學(xué)、設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。與此同時(shí)，越來(lái)越多的教育工作者加強(qiáng)了對(duì)VR 技術(shù)的研究。在此背景下，VR 技術(shù)在高層建筑火災(zāi)撲救教學(xué)中也得到了應(yīng)用。

1 在高層建筑火災(zāi)撲救教學(xué)中運(yùn)用VR 技術(shù)的意義

高層建筑火災(zāi)撲救是一門偏重實(shí)踐的課程，其教學(xué)目的是培養(yǎng)具備理論知識(shí)和實(shí)戰(zhàn)能力的初、中級(jí)指戰(zhàn)員。但是，理論教學(xué)往往停留在“學(xué)戰(zhàn)術(shù)、看戰(zhàn)例、搞想定”的層面；實(shí)操教學(xué)出于時(shí)間、成本、安全方面的考慮，也無(wú)法將實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景全部還原成真實(shí)、復(fù)雜的火場(chǎng)環(huán)境。這就使得課堂知識(shí)不能完全轉(zhuǎn)化為實(shí)戰(zhàn)能力[1]。

利用VR 技術(shù)構(gòu)建高層建筑火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)模型，渲染營(yíng)造出具備真實(shí)感的高溫、火焰、濃煙、黑暗等火場(chǎng)環(huán)境氛圍以及轟燃、回燃、墜落、坍塌等突發(fā)危險(xiǎn)因素，并根據(jù)教學(xué)需要設(shè)計(jì)出人機(jī)互動(dòng)、人人互動(dòng)機(jī)制，可以讓參訓(xùn)者仿佛置身于“真實(shí)”的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，親自體驗(yàn)滅火戰(zhàn)斗的整個(gè)過(guò)程。這既能夠把傳統(tǒng)的“說(shuō)教式”教學(xué)轉(zhuǎn)化為“體驗(yàn)式”教學(xué)，強(qiáng)化參訓(xùn)者對(duì)專業(yè)知識(shí)的認(rèn)知與理解，又能夠提高參訓(xùn)者的興趣和情感體驗(yàn)度，在無(wú)限貼近“真實(shí)”的基礎(chǔ)上達(dá)到實(shí)訓(xùn)的效果。特別是其具備的可逆性、容錯(cuò)性、安全性以及成本低的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，更是讓參訓(xùn)者在避免因操作不當(dāng)而導(dǎo)致安全事故的同時(shí)，可以通過(guò)反復(fù)的模擬訓(xùn)練，強(qiáng)化、鞏固和反思自己的專業(yè)知識(shí)技能及應(yīng)急處置能力，同時(shí)也節(jié)省了演訓(xùn)場(chǎng)地的建設(shè)成本。

2 應(yīng)用的原則

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化

運(yùn)用VR 技術(shù)對(duì)高層建筑火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模型搭建、情景渲染、場(chǎng)景交互，應(yīng)當(dāng)符合“國(guó)家綜合性消防救援隊(duì)伍對(duì)典型火災(zāi)撲救行動(dòng)指南” 中的基本處置程序、行動(dòng)要點(diǎn)和安全要求，遵循消防法規(guī)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范。要以高層建筑火災(zāi)滅火戰(zhàn)斗的概念、思想、原則和方法為依據(jù)，以現(xiàn)場(chǎng)滅火戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用、滅火行動(dòng)的組織與實(shí)施、行動(dòng)的安全措施等為重點(diǎn)，貫穿火災(zāi)危險(xiǎn)性分析、撲救的基本對(duì)策、滅火技戰(zhàn)術(shù)和行動(dòng)組織的方式與方法等流程，覆蓋高層建筑火災(zāi)撲救中涉及的偵查、決策、評(píng)估、指揮、處置以及對(duì)固定消防設(shè)施的應(yīng)用等環(huán)節(jié)，做到科學(xué)合理、符合災(zāi)情客觀實(shí)際，通過(guò)合理運(yùn)用技戰(zhàn)術(shù)措施，嚴(yán)格落實(shí)作戰(zhàn)安全規(guī)程，不斷提高科學(xué)施救、安全處置水平[2]。

2.2 真實(shí)性

高層建筑火災(zāi)場(chǎng)景、設(shè)備、器具的模型需與實(shí)際情況一致，人物模型、著裝符合消防救援人員著裝標(biāo)準(zhǔn)； 在模型精度與貼圖精度上達(dá)到模型制作規(guī)范要求，保證視覺(jué)效果逼真；通過(guò)透鏡原理，讓參與者透過(guò)VR 頭戴顯示器所看到的虛擬物體物理尺寸都與實(shí)際物體大小相同，不能產(chǎn)生視覺(jué)印象失真現(xiàn)象和眩暈感。另外，三維模型制作過(guò)程中需特別關(guān)注模型效果，確保模型三維立體效果的還原。將虛擬場(chǎng)景作為固定參照系，模擬現(xiàn)實(shí)世界中人走動(dòng)而景不動(dòng)的視覺(jué)習(xí)慣； 動(dòng)畫(huà)渲染過(guò)程需搭配合理的燈光設(shè)置與渲染設(shè)置，確保視頻的場(chǎng)景效果真實(shí)。體驗(yàn)者可以上下左右360°無(wú)死角觀察、體驗(yàn)虛擬場(chǎng)景，將設(shè)計(jì)物體直觀地呈現(xiàn)在眼前，可以多人、多角度觀看；場(chǎng)景與鏡頭設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮三維場(chǎng)景的特點(diǎn)，通過(guò)鏡頭和設(shè)計(jì)手法增強(qiáng)三維效果[3]。

2.3 交互性

通過(guò)人機(jī)互動(dòng)，能夠真實(shí)模擬火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)人與物之間的關(guān)系，如在高溫、火焰、濃煙、黑暗等復(fù)雜火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，環(huán)境與人互相作用發(fā)生相應(yīng)變化的效果；又比如發(fā)生轟燃、回燃、墜落、坍塌等突發(fā)事件時(shí)的正確處置對(duì)策。設(shè)置空氣呼吸器、噴霧水槍、消防斧、無(wú)齒鋸等保障呼吸、控制火勢(shì)、驅(qū)散煙霧、破拆的裝備器材，對(duì)實(shí)戰(zhàn)環(huán)境中不同裝備、器材的作用效能進(jìn)行模擬。又或是特殊環(huán)境下，需要參與者采用蹲下、奔跑、抱、抬等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)特殊區(qū)域的通過(guò)、被困人員營(yíng)救等目標(biāo)。此基礎(chǔ)上，凸顯協(xié)助、掩護(hù)、互救等班組協(xié)同作戰(zhàn)體驗(yàn)，即對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)同作戰(zhàn)的作用效能進(jìn)行模擬。

3 應(yīng)用模式

3.1 自主性培訓(xùn)

利用VR 技術(shù)可以對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行高仿真模擬與虛擬交互，能夠模擬高層建筑火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境下的事故情況和操作影響，在開(kāi)放的模型和可操作仿真模塊的渲染下，實(shí)現(xiàn)最大的操作自由度。參訓(xùn)者可以沉浸式體驗(yàn)高溫、火焰、濃煙、黑暗等真實(shí)環(huán)境，應(yīng)對(duì)轟燃、回燃、墜落、坍塌等突發(fā)危險(xiǎn)因素，利用自身裝備及高層建筑中的固定消防設(shè)施，“真實(shí)”體驗(yàn)偵查、戰(zhàn)斗、破拆、疏散、搜救等作戰(zhàn)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)從認(rèn)知到實(shí)操、從體驗(yàn)到融入、從警示到觸動(dòng)的全流程覆蓋，對(duì)參訓(xùn)者的綜合能力有一個(gè)直觀性的考驗(yàn)。參訓(xùn)者通過(guò)虛擬高層建筑火災(zāi)的親身經(jīng)歷，可以深化專業(yè)知識(shí)、掌握應(yīng)急處置流程[4]。

3.2 合作性演練

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)在同一虛擬場(chǎng)景中實(shí)時(shí)演訓(xùn)，對(duì)高層建筑火災(zāi)撲救過(guò)程中所有戰(zhàn)斗員的崗位職責(zé)進(jìn)行仿真，體現(xiàn)班組戰(zhàn)斗時(shí)互相掩護(hù)、協(xié)作分工、協(xié)作完成、實(shí)時(shí)通訊等協(xié)同作戰(zhàn)場(chǎng)景。例如火勢(shì)較大時(shí)，需多人同時(shí)使用水槍才能成功滅火；火場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜時(shí)，需要班組隊(duì)友掩護(hù)作戰(zhàn)，才能通過(guò)指定區(qū)域，成功營(yíng)救被困人員；班組隊(duì)員因?yàn)橥话l(fā)情況或是操作失誤時(shí)遇險(xiǎn)，其他隊(duì)員可前往救助等。讓參訓(xùn)者通過(guò)多人協(xié)同模擬演練，逐步提高自身的協(xié)同作戰(zhàn)能力。

3.3 綜合考評(píng)

自主性培訓(xùn)或合作性演練完畢后，系統(tǒng)可根據(jù)個(gè)人及班組的實(shí)際操作、操作流程以及是否完成滅火救援任務(wù)等情況，結(jié)合既定的滅火戰(zhàn)斗演練預(yù)案、典型火災(zāi)撲救處置程序、行動(dòng)要點(diǎn)和安全要求等，對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)分。模擬演訓(xùn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)能夠指出參訓(xùn)者面對(duì)高?；馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)及不可控意外因素時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤判斷及操作失誤，參訓(xùn)者可反復(fù)、多次練習(xí)，摸索、總結(jié)出實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)和策略，優(yōu)化行動(dòng)方案。通過(guò)量化的綜合考評(píng)，可以幫助參訓(xùn)者在保證安全的同時(shí)，以“親身經(jīng)歷”的方式感悟作戰(zhàn)技能，并有針對(duì)性地加以改善和提高。

4 面臨的挑戰(zhàn)與建議

隨著時(shí)代的發(fā)展，VR 技術(shù)將會(huì)在高層建筑火災(zāi)撲救教學(xué)乃至現(xiàn)代消防領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)也面臨一些挑戰(zhàn)與困境：①自身軟硬件配置與用戶期待達(dá)到的使用效果還有一定差距，特別是軟硬件的局限性會(huì)影響使用者的沉浸式體驗(yàn)效果，且缺乏較佳的感官反饋，從而影響使用效果；②VR技術(shù)與高層建筑火災(zāi)撲救教學(xué)乃至現(xiàn)代消防領(lǐng)域的融合還不夠契合、深入，由于開(kāi)發(fā)者本身對(duì)消防領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致現(xiàn)有產(chǎn)品還停留在游戲性、趣味性和體驗(yàn)性的層面；③參與各方尚未完全適應(yīng)基于VR 技術(shù)的新型教育模式和理念，對(duì)于如何運(yùn)用VR 技術(shù)推進(jìn)教學(xué)模式、教學(xué)理念、教材的改革以及教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)等課題，仍需深入研究[5]。

因此，應(yīng)正確認(rèn)識(shí)VR 技術(shù)帶來(lái)的挑戰(zhàn)與困境，緊抓發(fā)展機(jī)遇，首先是從國(guó)家層面加大對(duì)VR 技術(shù)應(yīng)用和創(chuàng)新的扶持力度，推動(dòng)VR 技術(shù)從先進(jìn)性向普及性發(fā)展，鼓勵(lì)各個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展VR 技術(shù)的研究與應(yīng)用；其次是從VR 技術(shù)與高層建筑火災(zāi)撲救教學(xué)的融合應(yīng)用入手，深入挖掘VR 技術(shù)與建筑火災(zāi)撲救教學(xué)乃至現(xiàn)代消防領(lǐng)域的契合點(diǎn)，著力在信息化、實(shí)戰(zhàn)化、現(xiàn)代化方面推動(dòng)消防教育事業(yè)和現(xiàn)代消防技術(shù)的革新；最后是倡導(dǎo)理念創(chuàng)新，打破陳舊觀念，批判性地學(xué)習(xí)和掌握VR 技術(shù)，從使用對(duì)象的實(shí)際需求出發(fā)，做好基于VR 技術(shù)的輔助教學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)VR 素材進(jìn)行把關(guān)與過(guò)濾，全面推進(jìn)教育、教學(xué)、教材的改革。