基于HoloLens的交互式火災演練系統(tǒng)設計

丁哲勇

摘要：消防應急救援演練工作在火災救援實戰(zhàn)中發(fā)揮著關鍵作用?，F(xiàn)階段，消防火災救援演練工作，通常僅依據(jù)相關理論模型以及數(shù)據(jù)開展理論模擬，而這與消防應急實戰(zhàn)救援相去甚遠。通常火災戰(zhàn)備演練的方式、設備和設計會受限于多方面，特別是在石油化工場所的火災救援模擬演練。針對目前消防應急救援預案與演練模擬的現(xiàn)狀，開發(fā)了基于微軟Hololens全息虛擬現(xiàn)實裝置的交互式火災演練系統(tǒng)，利用實物器件和混合現(xiàn)實（mixed reality，MR）技術，可較好地實現(xiàn)對火災事故現(xiàn)場的虛擬仿真模擬。同時，在可視化的虛擬場景中可實現(xiàn)對現(xiàn)場的模擬，從而可驗證火災救援處置措施的科學性及實施性，進而提高消防指揮人員的應急救援決策和協(xié)作能力，上述措施可在一定程度上提高演練效率及實戰(zhàn)處置能力。關鍵詞：全息影像 ?虛擬現(xiàn)實? 混合現(xiàn)實? 火災演練系統(tǒng)

Design of Interactive Fire Drill System Based on HoloLens

DING Zheyong

（Shanghai Zhongying Fire Engineering Co.， Ltd.， Shanghai， 200040 China）Abstract：Emergency rescue plan and drill play an important role in the training and practice of fire fighting. At present， most of the fire prevention plans and drills are established in the stage of theoretical model and data inference. Usually， the method， equipment and design of fire readiness drills are limited in many ways， especially for the petrochemical site fire rescue drill， the actual organization and implementation requires the cooperation of multiple vehicles and multiple people， resulting in large resource consumption. Aiming at the present situation of fire emergency rescue plan and drill simulation， an interactive fire drill system based on Microsoft Hololens holographic virtual reality device was developed. Through physical device and Mixed Reality （Mixed Reality， MR） technology， simulate the construction accident， under the environment of the visual simulation exercises， to verify that the process of disposal measures adopted by the operability and scientific， thereby promote the commander of the command decision-making and collaboration with ability， emergency rescue， scientific Effectively improve the drill efficiency and actual combat disposal ability.

Hololen作為Microsoft公司設計開發(fā)的混合現(xiàn)實全息設備，采用HoloLens設備可以實現(xiàn)對現(xiàn)場環(huán)境的掃描，并結合SLAM技術完成對真實環(huán)境的三維場景重建，使得真實環(huán)境得以在虛擬模型中顯現(xiàn)^[6-7]。

基于視覺傳感器的SLAM技術通過攝像機獲取現(xiàn)場圖片信息及預處理;利用機器視覺標定出現(xiàn)場景的方向和位置;利用算法處理的后端，優(yōu)化并有效消除數(shù)據(jù)處理的累積誤差，依據(jù)獲取的周圍環(huán)境數(shù)據(jù)建立環(huán)境地圖（見圖1）。

HoloLens設備將環(huán)境感知和深度攝像頭作為硬件載體。其中，深度攝像頭實現(xiàn)對現(xiàn)實環(huán)境的掃描，并計算出圖像的深度值，環(huán)境感知攝像頭的作用主要是感知HoloLens在周圍環(huán)境中的偏移量。綜合利用環(huán)境感知和深度攝像頭的功能，實現(xiàn)HoloLens獲知周圍環(huán)境中的確切位置，最后基于Kinect Fusion 算法完成三維現(xiàn)實場景的重建。

2? 交互式火災演練系統(tǒng)設計

交互式火災演練系統(tǒng)主要由球罐、浮頂罐等典型石油化工裝置組成，按照實物進行比例縮放后，制作實物模型。在構建出石油化工裝置實物模型的基礎上，并結合MR混合現(xiàn)實技術，制作電子沙盤，將不同事故災害后果以三維粒子動畫效果疊加到實物模型上，觀測災害后果及事故演化過程，為石油化工災害事故戰(zhàn)例研討、指揮訓練和復盤推演提供強有力保障。交互式火災演練系統(tǒng)包含場景化數(shù)據(jù)信息查詢、災害場景快速搭建、輔助決策分析、可視化模擬排兵布陣、作戰(zhàn)指揮等功能。

2.1 火災救援場景化演練數(shù)據(jù)信息查詢

以三維罐區(qū)模型為識別入口，通過HoloLens識別三維罐區(qū)并進入場景?？蓪崿F(xiàn)快速有效識別、實時查看場景圖像信息、消防設備設施運行信息等。交互式火災演練系統(tǒng)將現(xiàn)場設備的信息與三維場景相融合，可實現(xiàn)在火災模擬演練場景中精準、便捷地查看定位設備位置、屬性等信息（見圖2）。

2.2 火災場景構建功能交互式火災演練系統(tǒng)中為用戶提供了個性化的數(shù)據(jù)模型，具體包括天氣模型，并可依據(jù)消防演練的實戰(zhàn)化作戰(zhàn)實際情況，通過設置環(huán)境風向、風力等具體天氣動態(tài)信息因素，進行消防火災救援實戰(zhàn)化模擬訓練。依據(jù)不同的著火設備和位置信息，交互式火災演練系統(tǒng)，為用戶提供了模擬現(xiàn)實狀態(tài)的火焰數(shù)據(jù)模型、化工原料泄漏形態(tài)，上述數(shù)據(jù)信息可在三維場景中自定義設置，并能夠在短時間內(nèi)完成一個科學合理的事故虛擬環(huán)境的搭建（見圖3）。

2.3 輔助決策分析功能

在交互式火災演練系統(tǒng)中，根據(jù)消防應急救援的實戰(zhàn)化作戰(zhàn)實際需求，在系統(tǒng)中個性化的設計了火災熱輻射數(shù)據(jù)精準分析模型、物料爆炸分析模型、儲罐沸溢時間估算等模型。同時，交互式火災演練系統(tǒng)依據(jù)具體的災害分析功能，可以實現(xiàn)在模擬場景中，實時可視化呈現(xiàn)具體分析結果（見圖4）。

2.4 可視化戰(zhàn)略部署功能

交互式火災演練系統(tǒng)內(nèi)部，按照消防火災救援實戰(zhàn)演練的需求，事先在系統(tǒng)內(nèi)部預置了多種類型的消防處置、救援裝備，主要包括消防救援車輛、消防機器人、化工園區(qū)場景以及其他消防裝備資源。通過該系統(tǒng)進行火災救援場景的模擬訓練時，消防應急救援人員到達火災處置現(xiàn)場之前，可開啟火災現(xiàn)場的相關消防系統(tǒng)，包括罐體噴淋系統(tǒng)、固定消防炮等，消防力量到場之后，消防應急作戰(zhàn)指揮人員，可依據(jù)作戰(zhàn)方案完成車輛及裝備的可視化戰(zhàn)略部署操作（見圖5）。

3? 結語

本文闡述分析的交互式火災演練系統(tǒng)充分融合了傳統(tǒng)沙盤及桌面演練模擬的技術優(yōu)勢，并有效利用三維仿真和虛擬現(xiàn)實技術，在整個火災應急救援的模擬演練過程中，消防應急救援演練參與人員，僅需要通過“人-機”交互控制的方式，便可完成對消防火災應急救援現(xiàn)場三維虛擬場景的操作。同時，交互式火災演練系統(tǒng)可實現(xiàn)現(xiàn)場信息查詢、災害情景構建、輔助決策分析、車輛及人員部署及作戰(zhàn)指揮，滿足消防隊日常集培訓、考核、演練推演一體化的綜合應用。

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