基于三維可視化的滅火救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的構(gòu)建

朱海

摘要：目前，城市高層建筑火災(zāi)的滅火救援工作已成為消防滅火救援培訓(xùn)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)，三維可視化的滅火救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的運(yùn)用不能僅僅局限于城市高層建筑，應(yīng)涵蓋典型火災(zāi)救援事故，對(duì)此，開展滅火救援模擬仿真訓(xùn)練十分必要。就當(dāng)前的消防滅火救援模擬訓(xùn)練來看，通過三維可視化技術(shù)構(gòu)建模型框架，借助虛擬現(xiàn)實(shí)手段進(jìn)行模擬仿真訓(xùn)練，對(duì)于強(qiáng)化消防滅火救援模擬訓(xùn)練效果，促進(jìn)消防救援人員專業(yè)滅火救援技能提升十分必要。文章介紹了一種三維可視化滅火救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用，分析三維可視化技術(shù)在滅火救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值，研究滅火救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的特點(diǎn)，并探究基于三維可視化的滅火救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的構(gòu)建對(duì)策。

關(guān)鍵詞：三維可視化;滅火救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng);設(shè)計(jì);構(gòu)建

傳統(tǒng)的消防訓(xùn)練方式中包含技能訓(xùn)練、作業(yè)訓(xùn)練以及現(xiàn)場(chǎng)演練等模式，這些訓(xùn)練方式都需要實(shí)地場(chǎng)所，具體現(xiàn)場(chǎng)情況布置以及相關(guān)人員的技能訓(xùn)練重點(diǎn)是讓他們更多地熟悉相關(guān)器材裝備和技術(shù)戰(zhàn)術(shù)，一般通過單兵訓(xùn)練或者是小組訓(xùn)練方式進(jìn)行。作業(yè)訓(xùn)練以及現(xiàn)場(chǎng)演練是為了強(qiáng)化相關(guān)人員的指揮以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，主要是針對(duì)消防員進(jìn)行訓(xùn)練。對(duì)消防救援支隊(duì)隊(duì)伍訓(xùn)練來說，消防員訓(xùn)練是訓(xùn)練中的重難點(diǎn)部分。作業(yè)訓(xùn)練在一定程度上能夠達(dá)到對(duì)消防員培養(yǎng)的要求，不過，對(duì)于一些比較嚴(yán)峻的火情情況，很難做到真正的模擬，采取現(xiàn)場(chǎng)演練的方式又存在高成本和高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，所以很難實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用。而構(gòu)建并使用滅火救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)能夠解決相關(guān)問題，具有貼近現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的應(yīng)用成效。

一、三維可視化技術(shù)

三維可視化技術(shù)是基于二維平面技術(shù)發(fā)展而來的，這種技術(shù)是三維空間中的物體形象呈現(xiàn)技術(shù)，這也是該技術(shù)的本質(zhì)特征。通過對(duì)物體進(jìn)行三維效果的呈現(xiàn)，可以讓人們直觀看到和感受到物體的特征，加深對(duì)于物體的理解。而這其中，可視化是通過抽象化的對(duì)象處理后，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，基于可視化基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論應(yīng)用將二維圖形轉(zhuǎn)化成三維圖形，構(gòu)建三維可視化的立體空間，達(dá)到可視化的效果。事實(shí)上，現(xiàn)實(shí)生活中的地形、地物等對(duì)象就是三維可視化技術(shù)應(yīng)用的主要趨勢(shì)和方向。實(shí)現(xiàn)三維立體化、可視化物體形象呈現(xiàn)，關(guān)鍵是借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)以及圖像處理技術(shù)等，將相應(yīng)的地理形象搬到電子屏幕中，對(duì)三維圖形進(jìn)行可視化操作，實(shí)現(xiàn)模型描繪和理解，這也是三維可視化技術(shù)的具體表現(xiàn)形式。通過技術(shù)手段將具體物質(zhì)變?yōu)槌橄?，從二維轉(zhuǎn)向三維，將現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)化為虛擬，讓人們通過計(jì)算機(jī)就能直觀感知空間對(duì)象。三維可視化技術(shù)有以下特征：

第一，具有很強(qiáng)的直觀性。肉眼看到的世界是立體的，具有很強(qiáng)的空間感，而人們使用工具展示的物體等多是通過平面圖形來呈現(xiàn)的，而借助三維可視化技術(shù)，能夠提升現(xiàn)實(shí)感，讓圖形和實(shí)物的差距不斷縮小。要是對(duì)相應(yīng)三維模型進(jìn)行不斷渲染，最終呈現(xiàn)出來的物體和圖像效果就會(huì)越來越接近，提升了物質(zhì)的直觀性。

第二，具有一定的可靠性。通過對(duì)物體圖像進(jìn)行制作和加工，結(jié)合實(shí)物的比例進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣呈現(xiàn)的三維物體帶來的感受更好，操作時(shí)讓人有身臨其境的感覺，具有很強(qiáng)的可靠性。

第三，具有理想的兼容性。通過三維可視化技術(shù)的應(yīng)用，不需要相關(guān)研發(fā)人員進(jìn)行一一建模，只需要通過CAD圖紙進(jìn)行掃描，在相應(yīng)軟件中識(shí)別，就可以達(dá)到快速建模的效果。而對(duì)于一些消防機(jī)構(gòu)來說，一些消防人員自身有一定的CAD制圖能力和基礎(chǔ)，單位內(nèi)部也有相應(yīng)建模需要的圖紙，這對(duì)于加速三維建模工作進(jìn)度有一定的奠基作用。

將三維可視化技術(shù)應(yīng)用到消防訓(xùn)練中，通過構(gòu)建三維可視化模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，構(gòu)建真實(shí)的虛擬環(huán)境，簡(jiǎn)化人機(jī)交互設(shè)計(jì)，可以滿足消防救援人員在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行消防救援技能和滅火技能的訓(xùn)練，這種訓(xùn)練可以避免高成本的制造訓(xùn)練場(chǎng)景的工作，讓相關(guān)消防救援人員能夠在虛擬培訓(xùn)環(huán)境中鍛煉技能。相關(guān)消防人員可以借助計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，進(jìn)行模擬仿真訓(xùn)練和學(xué)習(xí)觀摩，保證模擬訓(xùn)練量和訓(xùn)練效果。在具體的消防滅火救援模擬訓(xùn)練中，不僅要模擬相關(guān)救援環(huán)境，還需要模擬相關(guān)救援設(shè)施、器材以及相關(guān)操作功能，通過這樣的模擬訓(xùn)練，相關(guān)消防救援人員能夠有效把握相關(guān)設(shè)施應(yīng)用技能，在三維可視化技術(shù)支持下，營(yíng)造逼真的虛擬場(chǎng)景，能夠更好地節(jié)省人力、物力、財(cái)力，提升消防救援人員滅火救援能力的訓(xùn)練效果。

二、滅火救援模擬系統(tǒng)概述

隨著時(shí)代的發(fā)展進(jìn)步，技術(shù)不斷革新，人們的安全意識(shí)也在不斷提升，這些都需要應(yīng)急救援工作也能夠順應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，不斷進(jìn)行傳統(tǒng)工作模式的改變，轉(zhuǎn)變思路和方法，做好消防模擬仿真訓(xùn)練工作，提升綜合應(yīng)急救援能力。在以往的消防演練訓(xùn)練中，消防救援隊(duì)伍需要做好提前準(zhǔn)備，花費(fèi)一定的人力、物力、財(cái)力來進(jìn)行設(shè)備、場(chǎng)景等的營(yíng)造，設(shè)計(jì)相應(yīng)的預(yù)案對(duì)于演習(xí)中的意外情況進(jìn)行預(yù)防，前期投入比較大，但是最后開展的實(shí)際訓(xùn)練效果可能并不是很理想。對(duì)此，考慮采取建模的方式構(gòu)建虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，這種系統(tǒng)構(gòu)建后，能夠?qū)崿F(xiàn)無限操作，在相應(yīng)場(chǎng)景轉(zhuǎn)換中，只需要對(duì)于相應(yīng)場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)行改變即可，且在這種滅火救援模擬系統(tǒng)應(yīng)用中，完全不用擔(dān)心相關(guān)消防救援人員會(huì)有意外的生命安全風(fēng)險(xiǎn)，可以有效避免傳統(tǒng)消防訓(xùn)練的不足，促進(jìn)滅火救援訓(xùn)練工作有序開展。以三維可視化技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建滅火救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠有效促進(jìn)消防救援支隊(duì)救援能力的提升。

隨著相關(guān)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，通過三維可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)滅火救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的構(gòu)建具有一定的可行性。通過三維技術(shù)構(gòu)建火災(zāi)模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，可以真實(shí)的展示現(xiàn)場(chǎng)情況，相關(guān)消防救援參訓(xùn)人員也能夠通過滅火救援模擬仿真訓(xùn)練強(qiáng)化交流合作，提升滅火救援技能，掌握滅火救援要點(diǎn)和技戰(zhàn)術(shù)。在滅火救援模擬仿真訓(xùn)練中，相關(guān)消防滅火救援模擬訓(xùn)練人員能夠盡快進(jìn)行狀態(tài)調(diào)整。基于三維可視化技術(shù)構(gòu)建的滅火救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)該包含：消防知識(shí)培訓(xùn)模塊、消防訓(xùn)練管理模塊、態(tài)勢(shì)現(xiàn)實(shí)管理模塊、處置評(píng)判管理模塊、過程回放管理模塊以及用戶角色管理模塊等。通過使用計(jì)算機(jī)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建相應(yīng)的火災(zāi)場(chǎng)景，通過設(shè)置不同角色部署滅火救援方案。相關(guān)滅火救援參訓(xùn)人員需要根據(jù)自身的級(jí)別、工作要求進(jìn)行角色扮演和模擬滅火救援模擬仿真訓(xùn)練，促進(jìn)應(yīng)急救援隊(duì)伍協(xié)調(diào)和合作。

三、滅火救援模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（一）實(shí)戰(zhàn)性

對(duì)消防滅火救援人員開展模擬仿真訓(xùn)練，旨在提升他們的組織指揮能力和應(yīng)變能力，讓他們通過感知真實(shí)的火場(chǎng)情景，鍛煉戰(zhàn)術(shù)，提升技能。在傳統(tǒng)消防訓(xùn)練中，多通過現(xiàn)場(chǎng)演練進(jìn)行訓(xùn)練，很難強(qiáng)化相關(guān)人員多方面的素養(yǎng)培養(yǎng)，所以，在基于三維可視化技術(shù)的滅火救援模擬系統(tǒng)中，必須要保證其對(duì)抗性、實(shí)戰(zhàn)性。

第一，確保系統(tǒng)情節(jié)多變。不同的火災(zāi)發(fā)生地、發(fā)生范圍帶來的火場(chǎng)環(huán)境和影響是不一樣的，借助三維可視化的滅火救援模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠結(jié)合受訓(xùn)者選擇不同處置措施的設(shè)計(jì)，應(yīng)對(duì)不同的火情變化，還可以模擬突發(fā)險(xiǎn)情，強(qiáng)化受訓(xùn)者的應(yīng)變能力。

第二，在戰(zhàn)斗對(duì)抗中，關(guān)鍵的一點(diǎn)是會(huì)出現(xiàn)人員、裝備的占用和損耗。傳統(tǒng)消防訓(xùn)練很難保證現(xiàn)場(chǎng)演練的對(duì)抗性，而在滅火救援模擬系統(tǒng)中，能夠通過構(gòu)建模型對(duì)消防救援支隊(duì)的戰(zhàn)斗力以及災(zāi)情實(shí)施量化處理，還能模擬戰(zhàn)斗中的人員設(shè)備損害和占用等情況，彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)演練的不足。

（二）操作可重復(fù)性

在傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)演練中，必須要大量調(diào)動(dòng)人力和物力，消耗是在所難免的，且一般也很難進(jìn)行重復(fù)性演練。考慮到演習(xí)中設(shè)置的消防員名額限制，相關(guān)受訓(xùn)者無法同時(shí)兼任指揮員，所以很難得到全面鍛煉。而滅火救援模擬系統(tǒng)可以完全不用考慮限制因素，能夠?qū)τ跒?zāi)情進(jìn)行精準(zhǔn)呈現(xiàn)，還可以多次、重復(fù)進(jìn)行呈現(xiàn)，滿足操作重復(fù)性需要。受訓(xùn)者在訓(xùn)練中可以同時(shí)擔(dān)任同級(jí)別的指揮員，對(duì)于同一問題進(jìn)行處理，也可以擔(dān)任其他不同角色。在這樣的訓(xùn)練模式中，訓(xùn)練次數(shù)能夠不斷提升，受訓(xùn)者的組織指揮能力也能夠得到鍛煉。

（三）重點(diǎn)突出性

在滅火救援中，對(duì)消防救援隊(duì)伍進(jìn)行組織指揮是訓(xùn)練的關(guān)鍵所在，傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)演練模式中，需要花費(fèi)的人力、物力、財(cái)力資源眾多，而借助滅火救援模擬系統(tǒng)，可以將重點(diǎn)放在訓(xùn)練上，從而做到有足夠的時(shí)間來兼顧全局。針對(duì)訓(xùn)練內(nèi)容，可以通過增加訓(xùn)練作業(yè)量、增設(shè)角色的方式，讓參訓(xùn)者能夠接受訓(xùn)練，提升多方面技能和素養(yǎng)。

（四）過程可知性

在訓(xùn)練過程中發(fā)現(xiàn)問題也是進(jìn)行訓(xùn)練的主要目的之一，這樣才能夠通過訓(xùn)練不斷提升滅火救援的準(zhǔn)確性、安全性，避免在救援中出現(xiàn)其他事故。單一的現(xiàn)場(chǎng)演練模式涉及比較廣，人員也比較混亂，在演習(xí)中的導(dǎo)演指揮員很難做到把握全局，可能導(dǎo)致演練中存在一定的疏漏。而借助滅火救援模擬系統(tǒng)，能夠?qū)κ苡?xùn)者的訓(xùn)練過程進(jìn)行精準(zhǔn)記錄，導(dǎo)演指揮員可以隨時(shí)觀看和播放，可以看到每位參訓(xùn)對(duì)象的全部訓(xùn)練過程，作為受訓(xùn)者自身，也可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)自己在訓(xùn)練中的不足和問題，以便及時(shí)進(jìn)行改正。

四、基于三維可視化技術(shù)的滅火救援模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

（一）系統(tǒng)框架

此次滅火救援模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)以三維地理信息系統(tǒng)平臺(tái)軟件為基礎(chǔ)，應(yīng)用VB開發(fā)軟件，通過VRMap3.0Q企業(yè)版進(jìn)行仿真模擬，這一應(yīng)用在進(jìn)行系統(tǒng)二次開發(fā)中有突出的應(yīng)用效果。

基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，為提升系統(tǒng)性能，采取分布式設(shè)計(jì)，這對(duì)于緩解系統(tǒng)數(shù)據(jù)負(fù)擔(dān)有一定作用，分布式系統(tǒng)庫設(shè)計(jì)可以將大量的數(shù)據(jù)負(fù)擔(dān)分布到相應(yīng)的分部系統(tǒng)中，避免數(shù)據(jù)負(fù)擔(dān)集中導(dǎo)致的系統(tǒng)運(yùn)行困難甚至是癱瘓問題出現(xiàn)。此次系統(tǒng)開發(fā)中，選擇Microsoft SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫軟件，主要是因?yàn)檫@一軟件可以滿足多用戶的同時(shí)操作需要，還能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)使用需要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用Microsoft Visual Studio.NET 2005作為數(shù)據(jù)編程，在這樣的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境中，可以為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可靠的指令控制語言，滿足豐富的數(shù)據(jù)類型需要。系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠確保代碼模塊化設(shè)計(jì)需要，這對(duì)于提升系統(tǒng)的拓展性能也有積極作用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為用戶管理模塊、訓(xùn)練設(shè)計(jì)模塊以及評(píng)定考核模塊。

（二）系統(tǒng)功能及其實(shí)現(xiàn)分析

滅火救援模擬系統(tǒng)借助三維可視化技術(shù)，確保系統(tǒng)動(dòng)態(tài)更新，為消防訓(xùn)練提供虛擬現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景支持，構(gòu)建交互式操作系統(tǒng)，確保訓(xùn)練的可靠性。在設(shè)計(jì)中，借助虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、智慧三維仿真等科學(xué)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)貼近現(xiàn)實(shí)的仿真訓(xùn)練，對(duì)系統(tǒng)性能做進(jìn)一步提升，效果突出。就系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)來看，主要包含以下幾點(diǎn)：

1.用戶管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

這一模塊要讓用戶通過登錄獲取相應(yīng)權(quán)限，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理，將考評(píng)結(jié)果和用戶對(duì)接起來。在這一模塊設(shè)計(jì)中，要確保系統(tǒng)使用者能夠按照不同操作需求進(jìn)行分類，包含系統(tǒng)管理員、教員以及參訓(xùn)對(duì)象三類，他們分別對(duì)應(yīng)不同的系統(tǒng)權(quán)限。管理員功能設(shè)計(jì)中，要滿足管理員在打開網(wǎng)頁后，進(jìn)入登錄界面，輸入用戶名和密碼，登錄系統(tǒng)。完成登錄后，選擇管理員界面，進(jìn)行用戶權(quán)限管理。在管理員界面，還可以查看其他管理員信息，或者是添加新管理員。在這一模塊設(shè)計(jì)中，還需要滿足用戶考評(píng)結(jié)果管理操作需要，教員能夠?qū)τ趨⒂?xùn)對(duì)象考核記錄進(jìn)行復(fù)查，還可以根據(jù)考試記錄號(hào)以及參訓(xùn)對(duì)象姓名進(jìn)行查找，查看考核成績(jī)。

2.訓(xùn)練設(shè)計(jì)和評(píng)定系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

這一模塊設(shè)計(jì)中，需要按照訓(xùn)練目的進(jìn)行編輯和管理。設(shè)計(jì)制作訓(xùn)練場(chǎng)景和設(shè)置訓(xùn)練問題，結(jié)合場(chǎng)景需求進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)畫制作，插入相應(yīng)的影像和聲音，構(gòu)建真實(shí)的模擬火災(zāi)場(chǎng)景。在完成訓(xùn)練后，系統(tǒng)能夠?qū)⒂?xùn)對(duì)象的操作進(jìn)行打分，評(píng)定方式是系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)定和專家評(píng)價(jià)相結(jié)合，其中，參訓(xùn)對(duì)象在訓(xùn)練中對(duì)于相關(guān)問題的回答時(shí)間也納入考核指標(biāo)。

3.訓(xùn)練考核功能實(shí)現(xiàn)

這一模塊主要是針對(duì)參訓(xùn)對(duì)象操作設(shè)計(jì)的，是對(duì)參訓(xùn)對(duì)象的訓(xùn)練和考核。參訓(xùn)對(duì)象通過輸入自己的身份信息登錄系統(tǒng)，模塊中會(huì)顯示訓(xùn)練的具體場(chǎng)景以及問題，參訓(xùn)對(duì)象需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成對(duì)于問題的回答，部署消防力量，最后模塊能夠?qū)⒂?xùn)對(duì)象操作記錄下來，結(jié)合訓(xùn)練設(shè)計(jì)以及評(píng)定模塊評(píng)定結(jié)果計(jì)算出最終的考核成績(jī)。

五、結(jié)語

滅火救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)為消防訓(xùn)練工作提供了一個(gè)虛擬的實(shí)戰(zhàn)課堂，通過三維可視化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等的應(yīng)用，構(gòu)建一個(gè)個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的火災(zāi)和救援場(chǎng)景，讓相關(guān)消防滅火救援人員在系統(tǒng)中體驗(yàn)感知，進(jìn)行模擬仿真滅火救援訓(xùn)練，轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)消防訓(xùn)練培訓(xùn)模式，讓受訓(xùn)者的理論知識(shí)和專業(yè)技能能夠得到全面強(qiáng)化，綜合提升消防救災(zāi)能力，幫助更好地解決實(shí)際滅火救援中遇到的難題，大力提升消防人才培養(yǎng)的質(zhì)量和效率。

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