VR技術在火災應急救援演練中的應用

唐軍芳

關鍵詞 技術 火災救援 虛擬演練

1引言

VR（Virtual Reality）技術是當前最為火熱的虛擬體驗仿真技術，由于其具備流程引導和人體交互功能，通過仿真交互方式能夠使使用者得到身臨其境的體驗。21 世紀是互聯(lián)網(wǎng)時代，多媒體技術作為當前潮流也是與對傳統(tǒng)方式的一種突破。VR 技術的沉浸式、交互式、感知性等優(yōu)勢已應用到各個領域[1] 。與此同時，火災應急救援演練從原先的實地操作變成VR 模擬，加之配上解說和交互功能，在提升模擬場次的同時也能保障演習的安全。

2火災撲救教學及使用VR 的意義

當前，火災情景模擬多采用范圍性實地模擬，這會提高場景成本、資源能耗成本，同時還存在一定的演習安全等問題。為模擬現(xiàn)場火災情況，現(xiàn)階段的模擬救援還是采取理論和實戰(zhàn)分級式救援演練。

理論教學只是在戰(zhàn)術分析、場景分析、處理方法類比等基礎上進行的反復教學，但是未對實戰(zhàn)情況進行結合，從而導致實戰(zhàn)無法完全發(fā)揮救援策略。而在實訓場景情況下，未考慮多重因素，無法真實反映現(xiàn)場情景，也不能及時有效地對復雜的火場環(huán)境進行分析，從而無法將理論教學內容和實戰(zhàn)進行有效融合[2] 。對此，我們需要采用VR 場景模擬技術對理論和實踐進行雙重加深。

利用VR 和多場景答辯模擬技術將火災現(xiàn)場場景及真實感進行融合，通過渲染技術將火災現(xiàn)場的高溫、鹽霧、斷裂、環(huán)境及受傷人員進行模擬，同時結合燃燒、坍塌、阻斷等情景，并通過教學窗口和智能提醒功能進行現(xiàn)場分析和結合處理手段[3] ，可以加強教學、實戰(zhàn)等。將原有的說教式方法轉換成沉浸式體驗教學，可以強化理論和實戰(zhàn)，同時加強對專業(yè)知識的理解和分析，從而有效減少培訓者和培訓員在操作中遇到不必要的安全事故，也能不斷地在模擬中提升和鞏固相關技能。同時，由于VR 模擬對使用場景的限制較少，可以減少場景搭建帶來的時間成本和場地成本。

3應用的效益

3.1真實感

在各個火災場景下，溫度、濕度、鹽霧和家具坍塌等現(xiàn)象可以通過VR 和場景搭建而實現(xiàn)，由場景粒子、光線、物理引擎、碰撞引擎進行控制，同時對模型的外表進行貼圖和深度渲染，從而提升整體效果。使用者通過頭戴式虛擬現(xiàn)實眼鏡，采取現(xiàn)場實物尺寸和場地現(xiàn)狀進行特效顯示，可以提高真實感，同時也不會產(chǎn)生眩暈和通透效果。在虛擬場景下增加三維定位輔助器及實物貼膜踩點，可以將人物走動和場景進行切換，而通過動畫的渲染和燈光設置可以加強真實感。因為佩戴頭戴式虛擬現(xiàn)實眼鏡，可以讓使用者全方位無死角觀察和真實感受，從而以多角度和多人共同執(zhí)行任務。

通過碰撞技術檢測噴霧與著火點覆蓋和計算以及采用粒子效果，可以實現(xiàn)泡沫與火焰作用特效。此外，依據(jù)滅火器、火槍與火源的位置、噴射時間進行預測，增加噴射時間提示和火情數(shù)據(jù)分析，可以進一步得知熄火情況，并在視角內提示完成情況說明。而根據(jù)演習場景，可以實現(xiàn)不同場景的滅火虛擬演練（圖1）。

3.2多功能

通過交互功能可以實現(xiàn)理論知識的結合，并可以多人同時進行任務，從而鍛煉團隊協(xié)作能力。同時，仿真模擬火災現(xiàn)場人與物之間的作用方式，如火焰、煙霧、光線、倒塌、需救人員等聯(lián)合因素，可以增加環(huán)境與人項目作用的效果。

3.3易模擬

不同的應急救援場景情況各異，但涉及的救援方式、場景分析流程等相同。為模擬確切情況，我們進行了駐點測試。

根據(jù)虛擬仿真火災及滅火效果，可控制火情種類和滅火難度。在火災虛擬模擬場景（圖2）中，對火焰粒子和煙霧粒子設定范圍定向流動和透明度進行調整（圖3），并通過碰撞次數(shù)和碰撞時間可以對滅火情況進行綜合評判。通過初次分析，再進行學習模擬，然后初次演練，最后到執(zhí)行任務等多個模式，對完成次數(shù)和完成時間進行綜合評價，可根據(jù)操作動作將水源輸送到滅火點及傷員拯救動作規(guī)范進行評判[4] 。

4系統(tǒng)實現(xiàn)及關鍵技術

4.1三維空間定位功能

VR 是虛擬現(xiàn)實中最為關鍵的設備，其具備真實感、沉浸式效果。目前，市場上的大多數(shù)VR 設備為頭跟蹤器和手跟蹤器，其實體交互作用的較小，主要通過手柄進行行動控制。為實現(xiàn)三維空間成像效果，必不可少的是空間定位功能。

根據(jù)三維空間定位研究基礎增設：（1）采用立體投射和立體音箱系統(tǒng)，成像效果更佳，身臨其境的效果更好，同時減少人體眩暈等問題;（2）影射顯示采用多通道三維立體顯示，同時對映射范圍進行控制，通過計算碰撞、交互等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)滅火效果。

4.2場景搭建技術

通過二維圖像，利用3DMAX 或者Unity 3D 進行結構搭建（圖4），并通過修飾和渲染、貼圖對三維模型進行復合對象建模、倒角、車削等處理，最終通過修改器進行合并和匹配，從而實現(xiàn)模型搭建。

4.3粒子碰撞算法框架

每個火焰由一個或者多個粒子點進行擴散（圖5），并對粒子的速度、范圍、速度、加速度、存在市場、碰撞途徑等進行限制。隨著時間的推移，每個粒子會經(jīng)過擴散、熄滅、蔓延以及移動等操作。通過動畫器、渲染器等對粒子進行調整，粒子系統(tǒng)需要與模擬場景進行結合、交互、定位等操作，對此參數(shù)和屬性是粒子運動的核心。

5優(yōu)劣勢分析

隨著時代的發(fā)展，VR 技術不但能模擬高層火災情況，還能模擬醫(yī)院、校園及特殊場地的火災情況。應用前景十分廣闊。但同時也有不足之處，即自身軟硬件不同帶來的效果也不同;無法直接體現(xiàn)實體壓力、煙霧感、熱度等;出現(xiàn)游戲化，從而使目的性培訓產(chǎn)生偏移。

因此，面對VR 的優(yōu)劣勢，需要明確認知VR 的效果，同時加大應用的創(chuàng)新力度、加強配套設備的開發(fā)力度，使虛擬現(xiàn)實更加貼近真實生活，推動VR 技術的應用范圍從局部擴展到全局。在深入研究VR 技術時不但要從特效上進行提升，同時要對實體感覺、溫度、濕氣、煙霧等情況進行多角度融合應用，從而實現(xiàn)信息化、戰(zhàn)略化、現(xiàn)代化的VR 火災模擬[5] 。

6結論

（1）通過對場景搭建及參數(shù)、數(shù)據(jù)的計算，使用者通過系統(tǒng)交互、場景碰撞等功能，實現(xiàn)火災過程的模擬，并進行滅火場景測試。

（2）通過技術平臺、人機交互機制提升使用者的快速應急處理能力，同時為使用者構建問題反饋機制，提升鞏固問題點。

（3）基于后臺數(shù)據(jù)匯總對個人情況進行分析，并結合演習評價機制對個人情況進行匯總以及對預案進行計算，做出演習報告。