火災(zāi)逃生與緊急疏散虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究

郝鳳濤 曾文琪

摘? 要：火災(zāi)安全事故一旦發(fā)生就會(huì)嚴(yán)重威脅人們的生命安全，學(xué)會(huì)如何處理險(xiǎn)情至關(guān)重要。然而，火災(zāi)逃生與緊急疏散不可能通過反復(fù)親身體驗(yàn)火災(zāi)事故真實(shí)情景的方式去直接獲取經(jīng)驗(yàn)，因此對(duì)火災(zāi)相關(guān)知識(shí)很難進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。本文構(gòu)建了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)事故場景進(jìn)行虛擬再現(xiàn)，建立火災(zāi)逃生與疏散演練的虛擬環(huán)境，為學(xué)習(xí)者提供直觀的學(xué)習(xí)手段，營造身臨其境的真實(shí)體驗(yàn)環(huán)境，從而增強(qiáng)遇到特殊險(xiǎn)情的應(yīng)變能力。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真? 火災(zāi)疏散? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)? 開放共享

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2021）03（a）-0220-03

Research on Virtual Simulation Experiment System of Fire Escape and Emergency Evacuation

HAO Fengtao? ZENG Wenqi*

（Teachers College of Beijing Union University， Beijing， 100011 China）

Abstract： Once the fire accident happens， it will seriously threaten people's lives. So it is very important to learn how to deal with dangerous situation. However， it is impossible to directly acquire the experience of fire escape and emergency evacuation by repeatedly experiencing the real situation of fire accident. So it is difficult to carry out practical teaching of fire-related knowledge. In this paper， a virtual simulation experiment system is constructed to reproduce the virtual scenes of fire accident and establish the virtual environment for fire escape and evacuation drills. The system provides learners with an intuitive learning method and creates an immersive real experience environment， so as to enhance their ability to cope with emergencies.

Key Words： Virtual simulation; Fire evacuation; Experiment teaching; Open sharing

1? 火災(zāi)逃生與緊急疏散虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的意義

火災(zāi)安全事故一旦發(fā)生，就會(huì)嚴(yán)重威脅人們的生活，輕則損傷，重則危及生命。如何應(yīng)對(duì)和處理火災(zāi)險(xiǎn)情，學(xué)會(huì)在緊急時(shí)刻迅速逃生并進(jìn)行疏散是我們每個(gè)人應(yīng)該掌握的技能。由于火災(zāi)事故發(fā)生的特殊性和危險(xiǎn)性，公眾在實(shí)際生活中很難通過親身經(jīng)歷的方式去取得實(shí)際學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。因此，研究并應(yīng)用相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有非常實(shí)際的意義，主要體現(xiàn)在：

（1）可將火災(zāi)環(huán)境在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中仿真實(shí)現(xiàn)。

火災(zāi)逃生現(xiàn)場一般在現(xiàn)實(shí)演練中很難重現(xiàn)，而且由于場地的限制，現(xiàn)場逃生演練無法大面積推廣。而且，在緊急的情況下，特別是一旦面對(duì)真實(shí)的火場，偶爾的逃生演練中學(xué)習(xí)的技能未必轉(zhuǎn)化為危機(jī)時(shí)刻的正確行動(dòng)[1]。

因此，將火災(zāi)逃生自救通過虛擬仿真的形式進(jìn)行呈現(xiàn)，就能夠很好地解決這一問題。在虛擬仿真系統(tǒng)中，可以任意構(gòu)建復(fù)雜的樓宇環(huán)境，可以訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)人員熟悉各種特殊的陌生環(huán)境和逃生方案，通過多次演練學(xué)習(xí)，掌握保護(hù)自身“安全”的逃生技能。

（2）可以針對(duì)特殊的實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)置相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

除了火災(zāi)逃生自救之外，緊急疏散虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則主要針對(duì)的是一些特定職業(yè)的人士，如教師、安保人員、樓宇管理員等等[2]。比如，作為教師，在火災(zāi)發(fā)生的時(shí)刻，組織學(xué)生疏散的任務(wù)更為重要和艱巨，甚至在個(gè)人安全之上。而在真實(shí)的火災(zāi)緊急疏散演練中，涉及到大量人群，客觀條件不允許進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練與演習(xí)。

采用虛擬仿真技術(shù)對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場和人群進(jìn)行虛擬仿真，創(chuàng)建逃生演練和緊急疏散的虛擬環(huán)境，這樣用虛擬仿真技術(shù)形成有效的虛擬訓(xùn)練環(huán)境，為實(shí)驗(yàn)者提供體驗(yàn)式的學(xué)習(xí)手段，營造身臨其境的教學(xué)體驗(yàn)環(huán)境。有利于鍛煉實(shí)驗(yàn)者面對(duì)突發(fā)險(xiǎn)情的應(yīng)急能力。虛擬仿真技術(shù)和教育的有機(jī)融合，可以較好地滿足安全教育課程的實(shí)際需要，更是一種應(yīng)對(duì)突發(fā)事件實(shí)踐能力的綜合訓(xùn)練。

2? 火災(zāi)逃生與緊急疏散虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

火災(zāi)逃生與緊急疏散虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開放運(yùn)行依托于北京聯(lián)合大學(xué)師范學(xué)院實(shí)踐教學(xué)中心開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)的支撐。該平臺(tái)以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開發(fā)，集實(shí)物仿真、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能指導(dǎo)、虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)批改和教學(xué)管理于一體。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)由數(shù)據(jù)層、支撐層、通用服務(wù)層、仿真層和應(yīng)用層構(gòu)成，每一層都為其上層提供服務(wù)，直到完成具體虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建。各層的具體功能如下：

（1）數(shù)據(jù)層。

火災(zāi)逃生與緊急疏散虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及到多種類型虛擬實(shí)驗(yàn)組件及數(shù)據(jù)，這里分別設(shè)置虛擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)元件庫、實(shí)驗(yàn)課程庫、典型實(shí)驗(yàn)庫、標(biāo)準(zhǔn)答案庫、規(guī)則庫、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、用戶信息等來實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)的存放和管理。

（2）支撐層。

支撐層是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與開放共享平臺(tái)的核心框架，是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目正常開放運(yùn)行的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)整個(gè)基礎(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)和管理。支撐平臺(tái)包括以下幾個(gè)功能子系統(tǒng)：安全管理、服務(wù)容器、數(shù)據(jù)管理、資源管理與監(jiān)控、域管理、域間信息服務(wù)等。

（3）通用服務(wù)層。

通用服務(wù)層提供開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的用戶界面，提供虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的通用支持組件，以便用戶能夠快速在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通用服務(wù)包括：實(shí)驗(yàn)教務(wù)管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、理論知識(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)資源管理、智能指導(dǎo)、互動(dòng)交流、實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)批改、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理、教學(xué)效果評(píng)價(jià)、項(xiàng)目開放與共享等，同時(shí)提供相應(yīng)集成接口工具，以便該平臺(tái)能夠方便集成第三方的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)入統(tǒng)一管理[3]。

（4）仿真層。

仿真層主要針對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行相應(yīng)的器材建模、實(shí)驗(yàn)場景構(gòu)建、虛擬儀器開發(fā)、提供通用的仿真器，最后為上層提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的格式化輸出。

（5）應(yīng)用層。

基于底層的服務(wù)，最終火災(zāi)逃生與緊急疏散虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)與開放共享。該框架的應(yīng)用層具有良好的擴(kuò)展性，實(shí)驗(yàn)教師可根據(jù)教學(xué)需要，利用服務(wù)層提供的各種工具和仿真層提供的相應(yīng)的器材模型，設(shè)計(jì)各種典型實(shí)驗(yàn)實(shí)例，最后面向?qū)W校開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用。

3? 火災(zāi)逃生與緊急疏散虛擬仿真實(shí)驗(yàn)原理與過程

火災(zāi)逃生與緊急疏散虛擬仿真實(shí)驗(yàn)依托教學(xué)中心，實(shí)行“情景沉浸式、人機(jī)交互式、開發(fā)自主式、評(píng)價(jià)反饋式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，致力于培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣和探索問題解決問題的能力。

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

①將不可實(shí)現(xiàn)的火災(zāi)真實(shí)環(huán)境虛擬化呈現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象能夠身臨其境體驗(yàn)火災(zāi)的危險(xiǎn)性，提高安全意識(shí)。②情景教學(xué)提升實(shí)驗(yàn)對(duì)象火災(zāi)逃生的逃生應(yīng)變能力和自救能力。③提高實(shí)驗(yàn)對(duì)象對(duì)突發(fā)事件的應(yīng)對(duì)能力和組織疏散的能力。

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目線上基于計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境及虛擬實(shí)驗(yàn)器具，不需消耗類或易損類實(shí)驗(yàn)材料，項(xiàng)目以真實(shí)火災(zāi)發(fā)生環(huán)境為依托，實(shí)驗(yàn)對(duì)象可以自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程，選擇相應(yīng)參數(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，最終完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中所涉及的參數(shù)包括火勢大小、濃煙情況、樓層高度等信息。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)。

①自學(xué)火災(zāi)逃生常識(shí)。在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)前，首先要自學(xué)初步了解火災(zāi)逃生知識(shí)。②掌握器材操作知識(shí)。實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)入火災(zāi)災(zāi)難虛擬現(xiàn)場前，必須了解的人身安全知識(shí)、滅火器等器材操作方法[4]。③逃生線路的設(shè)計(jì)，選擇合適的逃生方法。④疏散方案的策劃。針對(duì)不同的火災(zāi)現(xiàn)場情況，需要策劃相應(yīng)的現(xiàn)場疏散方案。⑤火勢不嚴(yán)重的逃生技巧與疏散。掌握火災(zāi)剛剛發(fā)生還不是很嚴(yán)重的情況下的逃生技巧和疏散組織。⑥高層樓宇逃生技巧與疏散。掌握高層樓宇大火火災(zāi)難事件的逃生技巧與疏散方法。⑦濃煙時(shí)的逃生技巧與疏散。掌握濃煙大火災(zāi)難事件的逃生技巧與疏散方法。⑧實(shí)現(xiàn)火災(zāi)災(zāi)難安全教育。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓實(shí)驗(yàn)對(duì)象懂得災(zāi)難的危害性，提高安全意識(shí)。

（3）實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程。

在仿真平臺(tái)上，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)將設(shè)置預(yù)習(xí)、演示、學(xué)習(xí)、考核和報(bào)告等五個(gè)環(huán)節(jié)完成整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)。

預(yù)習(xí)模塊：該系統(tǒng)類似于實(shí)驗(yàn)教材，要求學(xué)生在正式實(shí)驗(yàn)前必須完成，有實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、操作步驟、注意事項(xiàng)等，這部分知識(shí)學(xué)生考核合格后方可進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn);

演示模塊：仿真實(shí)驗(yàn)的規(guī)范操作的視頻學(xué)習(xí)資料，通過觀看學(xué)習(xí)便于實(shí)驗(yàn)對(duì)象快速地從整體上了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;

學(xué)習(xí)模塊：實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作過程，人機(jī)交互，逐步指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)對(duì)象完成整個(gè)實(shí)驗(yàn);

考核模塊：采用過程考核，無需提示進(jìn)行操作測試，考核結(jié)束后系統(tǒng)自動(dòng)給出分?jǐn)?shù);

報(bào)告模塊：考核完成后，實(shí)驗(yàn)者需撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、?shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)論以及對(duì)該實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)和建議，從系統(tǒng)里提交老師評(píng)閱。

（4）實(shí)驗(yàn)方法與步驟。

通過仿真實(shí)驗(yàn)完成火災(zāi)逃生和緊急疏散的模擬訓(xùn)練。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目通過三維仿真技術(shù)虛擬重現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場情景，實(shí)驗(yàn)對(duì)象可在整個(gè)場景和情境中進(jìn)行交互性操作完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)操作步驟如圖1所示。

4? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目特色

4.1 教學(xué)方式方法多樣

該項(xiàng)目遵循“項(xiàng)目教學(xué)導(dǎo)向、學(xué)科融合、創(chuàng)新實(shí)踐，過程考核”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，通過實(shí)施體驗(yàn)式沉浸教學(xué)方法，讓實(shí)驗(yàn)對(duì)象在沉浸式體驗(yàn)、問題式辨析、交互式練習(xí)、自主式設(shè)計(jì)、反思式評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)過程中，深刻掌握火災(zāi)發(fā)生時(shí)的逃生技能和緊急情況的應(yīng)變能力和組織協(xié)調(diào)能力，提高綜合能力實(shí)踐能力[5]。

4.2 教學(xué)效果明顯

仿真實(shí)驗(yàn)沉浸式的教學(xué)方法能夠激發(fā)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的學(xué)習(xí)興趣，加深應(yīng)對(duì)火災(zāi)的知識(shí)體驗(yàn)和應(yīng)變能力，提高學(xué)習(xí)的效率，提升學(xué)習(xí)的能力，積淀面對(duì)突發(fā)緊急情況的應(yīng)對(duì)處理能力。該實(shí)驗(yàn)方式方法還能培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象主動(dòng)學(xué)習(xí)的習(xí)慣以及發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題和創(chuàng)新思考的能力。

4.3 評(píng)價(jià)體系

4.3.1 糾錯(cuò)與反饋。

在項(xiàng)目的規(guī)范練習(xí)環(huán)節(jié)，操作錯(cuò)誤時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示和糾錯(cuò);可以自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)全程自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)過程與操作步驟，實(shí)驗(yàn)對(duì)象能夠追溯回看自己的操作記錄，促使其養(yǎng)成規(guī)范練習(xí)和主動(dòng)思考的學(xué)習(xí)習(xí)慣[6]。

4.3.2 評(píng)價(jià)與反思。

實(shí)操成績采用計(jì)算機(jī)記錄的過程性考核方式，系統(tǒng)將自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)過程中的記錄和分?jǐn)?shù)，過程性評(píng)價(jià)依靠系統(tǒng)對(duì)操作次數(shù)、操作時(shí)間、交互操作要點(diǎn)等進(jìn)行多維度考核后記錄生成實(shí)操成績，教師通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象理論知識(shí)進(jìn)行考核，形成理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、過程性和終結(jié)性評(píng)價(jià)相融合的綜合評(píng)價(jià)體系。

4.4 傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展

本文開發(fā)的火災(zāi)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象提供了高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，解決了火災(zāi)具有一定危險(xiǎn)性、實(shí)驗(yàn)環(huán)境缺乏、實(shí)驗(yàn)時(shí)空受限等問題，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本?；诰W(wǎng)絡(luò)教學(xué)的模式將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室、固定的上課時(shí)間延伸為網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)24h在線的“空中課堂”[6]。

參考文獻(xiàn)

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