多模態(tài)虛擬實戰(zhàn)教學(xué)設(shè)計在消防訓(xùn)練中的應(yīng)用

（浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 溫州 325016）

消防工作是關(guān)系到人民安居樂業(yè)、社會穩(wěn)定安全的大事，而我國消防的教學(xué)傳遞與專業(yè)培訓(xùn)遠低于實際需求，同時常規(guī)的消防演習(xí)也很難讓人產(chǎn)生代入感，達不到訓(xùn)練的目的；現(xiàn)實的實戰(zhàn)化模擬訓(xùn)練則涉及高?；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆的操作、高成本或高消耗、超大型的實驗教學(xué)內(nèi)容。相對于傳統(tǒng)的消防訓(xùn)練而言，虛擬仿真技術(shù)則具備高仿真、低成本、高安全、可重復(fù)等多個優(yōu)點，為實現(xiàn)多維度變化需求的消防實戰(zhàn)化教學(xué)訓(xùn)練提供了一個新思路[1]。

1 目前虛擬消防教學(xué)應(yīng)用的研究情況

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，發(fā)達國家較早將此技術(shù)用于消防訓(xùn)練，并在實際訓(xùn)練工作中，取得了較好的效果。例如，卡耐基麥隆大學(xué)和消防局合作開發(fā)的危險化教學(xué)事故應(yīng)急救援訓(xùn)練系統(tǒng)，以虛擬交互強化專業(yè)人員的救援操作能力，鞏固救援之手的基礎(chǔ)儲備；奧地利維也納工業(yè)大學(xué)研發(fā)的移動式虛擬現(xiàn)實可穿戴顯示系統(tǒng)ProFiTex，可幫助專業(yè)受訓(xùn)者在模擬快速到達火災(zāi)現(xiàn)場，同時將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)阶鲬?zhàn)指揮中心，且數(shù)據(jù)反饋回受訓(xùn)者穿戴的數(shù)據(jù)頭盔上執(zhí)行作戰(zhàn)指導(dǎo)的教學(xué)訓(xùn)練模式。在國內(nèi)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中國礦業(yè)大學(xué)合作，針對大空間建筑火災(zāi)的特點，建立了大空間建筑火災(zāi)VR系統(tǒng)，為消防工程專業(yè)教學(xué)提供虛擬實戰(zhàn)訓(xùn)練；后勤工程學(xué)院開發(fā)了油罐火災(zāi)滅火指揮計算機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，為專業(yè)學(xué)生提供虛擬實戰(zhàn)類型的解決方案路線和操作流程；中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院消防工程研究所與奧雅納工程有限公司合作開發(fā)高鐵站虛擬現(xiàn)實火災(zāi)人員逃生訓(xùn)練系統(tǒng)，不僅為消防工程學(xué)生提供了逃生教學(xué)訓(xùn)練，加強了技能實操的能力，又針對建筑的消防設(shè)計提出了改進措施，讓學(xué)生學(xué)以致用、創(chuàng)新發(fā)展[2]。

2 虛擬交互設(shè)備發(fā)展概況

虛擬交互設(shè)備能夠幫助人們與多維的VR信息環(huán)境進行自然地交互，在虛擬情境中感受實際所需的感官需求。但目前的反饋形式基本上是通過相關(guān)交互設(shè)備上的各種傳感器產(chǎn)生的，比如智能感應(yīng)環(huán)、溫度傳感器、光敏傳感器、壓力傳感器、視覺傳感器等，通過震動、脈沖電流等形式讓皮膚產(chǎn)生相應(yīng)的感覺。常見的虛擬交互傳感器設(shè)備有Dexmo、StompzVR、Teslasuit、Tactai Touch等可以切身感受到虛擬現(xiàn)實環(huán)境的變化。其中典型代表Teslasuit體感服，它擁有68個觸覺點，11個動作感知傳感器，內(nèi)置計算單元，可兼容多個系統(tǒng)和開發(fā)平臺，其優(yōu)勢特性已經(jīng)在醫(yī)療和軍事培訓(xùn)上進行擴展應(yīng)用。

3 多模態(tài)虛擬實戰(zhàn)教學(xué)設(shè)計在消防訓(xùn)練中的應(yīng)用優(yōu)勢

多感官融合的虛擬消防實戰(zhàn)化教學(xué)訓(xùn)練，從創(chuàng)新教學(xué)發(fā)展及設(shè)計方式出發(fā)，提供了多功能采集、多感官交互的實戰(zhàn)化集成方案，并逐漸成為信息時代人們教育教學(xué)改革的重要組成部分[3]。

3.1 趨于實戰(zhàn)化訓(xùn)練，提高學(xué)習(xí)興趣

針對傳統(tǒng)的消防知識教育，平面式、單一化的授課形式很難提高受訓(xùn)者的興趣，而教學(xué)實施虛擬實感交互設(shè)計，能夠大幅度提升受訓(xùn)者體驗實戰(zhàn)的感受，強化知識點的傳遞。虛擬仿真教學(xué)設(shè)計可以很大程度改變課程設(shè)計的直觀性和趣味性，面對虛擬仿真建設(shè)的立體實戰(zhàn)內(nèi)容設(shè)計，其交互形式與逼真效果也容易激發(fā)受訓(xùn)者的學(xué)習(xí)興趣和拓展發(fā)散性思維。

3.2 提高教學(xué)效率，強化教學(xué)目標(biāo)

通過多種傳感設(shè)備模擬仿真訓(xùn)練，盡管不能完全與實操相比，但能夠大幅度減少時間與空間的限制，提高訓(xùn)練的效率與效果，完成訓(xùn)練目標(biāo)。仿真實訓(xùn)通過虛擬環(huán)境與實感交互設(shè)計，可以幫助受訓(xùn)者快速熟悉操作流程與操作方法。

3.3 打破時空限制，提高訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)

在消防實操訓(xùn)練中，設(shè)備的數(shù)量、場地的需求、環(huán)境的變化、災(zāi)害的控制等因素都會降低實操訓(xùn)練的標(biāo)準(zhǔn)。而多模態(tài)虛擬消防實戰(zhàn)化模擬則可以再現(xiàn)環(huán)境、增強交互、實時控制，不受時間、空間和人員的限制，自由、快速地?zé)o限次進行操作訓(xùn)練，增強交互反饋的實戰(zhàn)經(jīng)驗，強化認知實戰(zhàn)需求的高標(biāo)準(zhǔn)性。

3.4 節(jié)約成本支出，降低器材損耗

在實踐環(huán)節(jié)，為了更好體現(xiàn)實戰(zhàn)化的教學(xué)理念，受訓(xùn)者一般要通過認知、模仿、練習(xí)、反饋矯正等多個階段，而高成本、高消耗、超大型的實驗教學(xué)內(nèi)容往往會因一項技能操作的反復(fù)訓(xùn)練導(dǎo)致過高的成本支出與資源浪費。通過多模態(tài)虛擬仿真實戰(zhàn)化的模擬建設(shè)，全面反映出事故現(xiàn)場的實訓(xùn)環(huán)境和體驗感，不僅能夠重復(fù)再現(xiàn)各種訓(xùn)練情境，還能感受真實的訓(xùn)練回饋信息，有效彌補實訓(xùn)設(shè)備與師資的不足，減少設(shè)備損耗，節(jié)約成本。

3.5 減少安全隱患，提高教學(xué)質(zhì)量

在實操過程中，大部分情境都涉及高?；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆的操作危害，如煙火環(huán)境的火量控制、建筑坍塌的碰撞危害、高危救援的復(fù)雜工作等都存在人員傷害的危險。通過多模態(tài)虛擬仿真實戰(zhàn)化的教學(xué)設(shè)計訓(xùn)練，讓受訓(xùn)者置身高度仿真的實驗技能教學(xué)環(huán)境中，強化交互形式，構(gòu)建思維體系，提升對理論知識的掌握和實踐操作的理解，避免潛在的危險，有效保障受訓(xùn)者的生命安全[4]。

4 多模態(tài)虛擬消防實戰(zhàn)教學(xué)的設(shè)計應(yīng)用

根據(jù)目前虛擬消防訓(xùn)練的仿真實戰(zhàn)化需求，其交互體驗應(yīng)更趨于實戰(zhàn)化模擬形式，具備消防裝備仿真、故事情境仿真和設(shè)備回饋仿真。

4.1 消防裝備仿真

根據(jù)消防員的服裝和裝備特點，進行外形、重量、質(zhì)感等仿真改造，并在各個設(shè)備的操作點位置加入追蹤器和感應(yīng)器，為虛擬仿真添加更真實的交互體驗。對于消防裝備的仿真通過簡單的鼠標(biāo)、鍵盤、手柄等交互設(shè)備來替代實體的操作使用，將失去實戰(zhàn)化訓(xùn)練的實感建設(shè)意義，為了能夠增強實戰(zhàn)體驗的真實感受，應(yīng)實現(xiàn)虛實的雙仿真建設(shè)，不僅要建立虛擬模型的真實造型，同時也要感受現(xiàn)實設(shè)備的體驗過程。通過手持的仿真設(shè)備，建立信號追蹤器和設(shè)備控制感應(yīng)器，捕捉受訓(xùn)者的動作，將信號傳遞到虛擬設(shè)備中，呈現(xiàn)虛擬的實施畫面，完成虛擬實戰(zhàn)化的訓(xùn)練指標(biāo)[5]。

4.2 故事情境仿真

故事情境仿真主要是通過植入真實的消防故事案例和消防情景演繹，其內(nèi)容有三維場景的仿真建設(shè)、災(zāi)害環(huán)境的效果制作、輔助決策的分析設(shè)置、作戰(zhàn)指揮的可視化模擬。

4.2.1 三維場景的仿真建設(shè)

三維仿真場景主要以結(jié)合二維高清圖與三維模型無縫銜接為主，實現(xiàn)最大化的高質(zhì)量畫面。三維部分通過3ds max軟件對消防設(shè)施、建筑物、路段信息等現(xiàn)實情況進行建模制作，同時根據(jù)周邊的居民情況、消防措施和醫(yī)療機構(gòu)等基礎(chǔ)輔助進行合理建設(shè)，并且根據(jù)情境的演繹進行模型的二次加工，增強訓(xùn)練模擬的真實度變化[6]。

4.2.2 災(zāi)害環(huán)境的效果制作

災(zāi)害環(huán)境的模擬效果是情境仿真的一個重要輸出，例如火災(zāi)事故的火焰形態(tài)、泄漏事故的爆炸狀態(tài)、坍塌事故的碰撞效果和特殊天氣的氣象條件等形成的虛擬環(huán)境是搭建科學(xué)合理的故事橋梁。還可根據(jù)具體的時間、空間和情節(jié)的需求，制作多組環(huán)境的模擬變化，來調(diào)節(jié)故事情境的演繹變化，建立逼真的現(xiàn)場環(huán)境。

4.2.3 輔助決策的分析設(shè)置

通過災(zāi)害輔助分析，判斷情境變化，推演出場景可視化的呈現(xiàn)分析結(jié)果。在故事情境中，會根據(jù)所設(shè)置的時間、空間、情節(jié)的變化而演變結(jié)果，將不同的火焰形態(tài)、爆炸效果、滅火劑量等交互形態(tài)進行計算浮現(xiàn)，計算出專業(yè)的模型變化形態(tài)和數(shù)據(jù)分析結(jié)果。除此之外，輔助工具與預(yù)案分析功能也是必不可少的，根據(jù)所學(xué)的消防知識使用工具推演出災(zāi)害的變化過程與救援的作戰(zhàn)預(yù)案[7]。

4.2.4 作戰(zhàn)指揮的可視化模擬

在三維仿真場景中，現(xiàn)場的消防設(shè)施、交通變化、作戰(zhàn)指揮等預(yù)案分析都是消防訓(xùn)練的重要操作。通過上帝視角的可視化作戰(zhàn)模擬，對車輛及裝備資源的調(diào)度調(diào)配、現(xiàn)場消防的使用情況設(shè)置出最優(yōu)的進攻及撤離路線和消防作戰(zhàn)的最佳方案[8]。

4.3 設(shè)備回饋仿真

面向受訓(xùn)者的虛擬消防專業(yè)訓(xùn)練考核，設(shè)備的回饋信息是設(shè)備與感官的語言交流。為了更好地完成人與計算機之間的信息交換過程，交互設(shè)備的傳感信息不能局限于震動和聲音，要完善更多更全的感官享受，如目前Skinterface觸覺模擬裝備，它可以通過矩陣式磁聲震動貼片布滿全身，通過發(fā)出不同振動頻率使使用者產(chǎn)生不同的觸感，模擬細微的擁抱、風(fēng)吹等體表觸覺變化[9]；還有Tesla Studios推出的Teslasuit虛擬現(xiàn)實裝備，通過密集的運動追蹤器和溫度感應(yīng)器來捕捉使用者的動作，并通過電脈沖信號來提供觸覺反饋等。由此，消防裝備中同樣可以通過設(shè)備的傳感器設(shè)置信號，觸發(fā)控制傳遞各類交互反饋，如消防器械使用的震動感、火焰燃燒身體的炙熱感和電閃雷鳴的視聽感等實感交互信息，提供精細的感官享受，實現(xiàn)虛擬實戰(zhàn)化訓(xùn)練的目標(biāo)。

5 現(xiàn)有虛擬消防訓(xùn)練的不足及發(fā)展方向

目前的交互設(shè)備很容易受環(huán)境和使用不當(dāng)?shù)纫蛩赜绊?，產(chǎn)生畫面中斷和卡頓，導(dǎo)致受訓(xùn)者在虛擬訓(xùn)練中受到干擾，嚴(yán)重影響虛擬訓(xùn)練的沉浸感。這就需要硬件的不斷提高，軟件采集和算法的不斷完善。除此之外，情境的逼真性與設(shè)備的交互反饋應(yīng)用，也同樣需要不斷推演和開發(fā)，強化情境演繹過程的可視化研究，應(yīng)用開發(fā)更多的消防教學(xué)設(shè)計，實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練的多元化，推演和設(shè)計出更多逼真、實感的情境變化。現(xiàn)有的虛擬消防訓(xùn)練系統(tǒng)主要針對培訓(xùn)和設(shè)備使用，不應(yīng)該停留在現(xiàn)有的基礎(chǔ)教學(xué)，應(yīng)推廣和開發(fā)更多廣泛的大場景、重情節(jié)、強訓(xùn)練、高交互的虛擬消防實戰(zhàn)化教學(xué)設(shè)計，進一步研究虛擬情境中煙霧、氣味等反饋技術(shù)，促進更多的反饋感知訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)與運作，提升虛擬消防實戰(zhàn)化演繹的備戰(zhàn)需求，打造出一個集視、聽、觸、玩于一體的虛擬消防實戰(zhàn)化教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)[10]。

6 結(jié)語

通過虛擬仿真的再現(xiàn)技術(shù)與多感官融合的交互手段相結(jié)合，應(yīng)用到消防訓(xùn)練的實戰(zhàn)教學(xué)中，有效地提高了受訓(xùn)者的消防意識和技能，為消防員的訓(xùn)練提供更為全面、詳細、生動的交互體驗。隨著科學(xué)技術(shù)與交互手段的進一步研究與開發(fā)，虛擬消防的情境演繹也將更為真實、細膩，實感交互設(shè)計的實時性與交互性也將進一步提高。真實、互動、開放、共享的虛擬消防實戰(zhàn)化訓(xùn)練將為眾多消防人員帶來前所未有的感官新體驗，提升消防人員的戰(zhàn)斗力水平。