班組協(xié)同的化學(xué)事故處置實訓(xùn)平臺建設(shè)及應(yīng)用

鐘文 程向東 何立

（1.消防救援局南京訓(xùn)練總隊，江蘇南京 210000；2.內(nèi)蒙古消防救援總隊，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010；3.福建消防救援總隊，福建漳州 363000）

為適應(yīng)新時期消防隊伍實戰(zhàn)化訓(xùn)練的要求，“緊盯一線”“對標(biāo)實戰(zhàn)”，創(chuàng)新訓(xùn)練體系，實現(xiàn)原理“動漫化”、裝備“模擬化”、操作“實戰(zhàn)化”，解決化學(xué)事故處置訓(xùn)練手段單一、效果不明顯等情況。擬利用計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)重現(xiàn)各類化學(xué)事故發(fā)生、發(fā)展等一系列變化過程，有效提高模擬訓(xùn)練場景的真實性，利用人機(jī)交互手段實現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實中的技戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用和裝備選擇，通過系統(tǒng)的使用，既可以有效降低訓(xùn)練成本，又能夠?qū)τ?xùn)練效果進(jìn)行科學(xué)考核和評判。

1.化學(xué)事故處置虛擬實訓(xùn)優(yōu)勢

虛擬仿真技術(shù)改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，早已被國外各大高校所應(yīng)用[1-3]。虛擬仿真技術(shù)是近幾年我國教育改革的熱點，虛擬仿真實驗教學(xué)資源作為信息化技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物和傳統(tǒng)實驗實訓(xùn)模式的必要補(bǔ)充，對實踐教學(xué)起著重要的輔助作用，在實訓(xùn)課程教學(xué)中發(fā)揮著極大的優(yōu)勢。系統(tǒng)分為教學(xué)、訓(xùn)練、考核3個模塊，在教學(xué)模塊中，能夠快速學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識，目前消防隊伍的裝備庫、涉及的常見的?；返湫臀镔|(zhì)及理化性質(zhì)；在訓(xùn)練模塊中，可以在虛擬的災(zāi)情現(xiàn)場進(jìn)行組織指揮和處置訓(xùn)練；考核模塊，分為日?？己撕吐殬I(yè)技能鑒定。

1.1 拓展實訓(xùn)內(nèi)容的廣度和深度

虛擬仿真通過創(chuàng)建與人類感官系統(tǒng)交互的虛擬空間，克服現(xiàn)實世界的空間和物理約束，為人們提供一種間接的，如同真實世界的真切、直觀的體驗。虛擬仿真系統(tǒng)地解決了部分傳統(tǒng)技能操作在課堂中難以示教、難以重復(fù)等問題，擴(kuò)展了教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度。通過這種虛擬環(huán)境模擬訓(xùn)練的方式有效解決了消防救援隊伍的幾大難題：（1）沒有毒害環(huán)境。（2）無法復(fù)制各類災(zāi)情。（3）偵檢器材需要標(biāo)定，器材損耗大訓(xùn)練成本高。（4）通過這種協(xié)同作戰(zhàn)、班組操作，讓我們的消防員懂“戰(zhàn)術(shù)”，指揮員懂“技術(shù)”，解決在實戰(zhàn)中“指戰(zhàn)一體化”的難題。

1.2 拓展實訓(xùn)的時間和空間

當(dāng)受訓(xùn)人員通過虛擬模擬器進(jìn)行技能訓(xùn)練時，他們學(xué)得更快，每小時練習(xí)的程序更多，達(dá)到傳統(tǒng)教學(xué)的技能訓(xùn)練水平，并且可從系統(tǒng)里獲得更多的評價，因為虛擬模擬器的使用可以縮短教學(xué)評價的時間。化學(xué)事故處置虛擬仿真系統(tǒng)模擬毒害環(huán)境，能快速流程化、可視化學(xué)習(xí)，里面含教學(xué)、訓(xùn)練、考核模式，能夠?qū)崿F(xiàn)“自學(xué)自訓(xùn)”，為“網(wǎng)考網(wǎng)訓(xùn)”提供平臺。

1.3 提高興趣，強(qiáng)化班組協(xié)同能力

虛擬仿真實驗教學(xué)通過動畫、圖片、視頻、音頻等方式呈現(xiàn)給受訓(xùn)者，讓抽象的理論更容易被理解[4]；虛擬化情境的創(chuàng)設(shè)讓通過人機(jī)交互，猶如“玩游戲”一般，可以極大地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和求知欲[5-7]；利用力學(xué)反饋虛擬仿真設(shè)備開展虛擬仿真實驗教學(xué)，受訓(xùn)者在手持手柄操作時，可以獲得和現(xiàn)實中手持工具操作時相同的力學(xué)感受，達(dá)到模擬現(xiàn)場實戰(zhàn)效果。通過這種協(xié)同作戰(zhàn)、班組操作，讓我們的消防員懂“戰(zhàn)術(shù)”，指揮員懂“技術(shù)”，解決在實戰(zhàn)中“指戰(zhàn)一體化”的難題。

1.4 創(chuàng)新虛擬實訓(xùn)評價體系

虛擬仿真技術(shù)與實驗教學(xué)的整合，可以讓受訓(xùn)者通過交互學(xué)習(xí)模式與測試體系及時檢查自己的學(xué)習(xí)效果，同時將自己的學(xué)習(xí)情況及時反饋給教員；教員可以對學(xué)生做實驗的過程進(jìn)行全程監(jiān)控、記錄、分析，并給出結(jié)論和合理化的建議；此外，虛擬化考試系統(tǒng)可以使考核過程更全面、客觀、科學(xué)和標(biāo)準(zhǔn)，極大地減少傳統(tǒng)實物考試模式中繁瑣的材料準(zhǔn)備、人員組織、考核結(jié)果統(tǒng)計等問題。

2.化學(xué)事故處置實訓(xùn)平臺建設(shè)思路

按照標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、分步滾動發(fā)展的建設(shè)思路，充分利用成熟軟件架構(gòu)技術(shù)，采用先進(jìn)的MDA模型驅(qū)動的體系結(jié)構(gòu)方法和SOA面向服務(wù)架方法構(gòu)建系統(tǒng)。通過3D建模，以實時顯示災(zāi)害事故現(xiàn)場發(fā)展動態(tài)，高低精度模型切換流轉(zhuǎn)順暢，最大程度使虛擬操縱接近真實情況。以典型化學(xué)災(zāi)害事故處置基本程序和要求為依據(jù)，就不同情形下裝備選用、技術(shù)要求等方面建立正確地邏輯關(guān)系。在系統(tǒng)中對人員、裝備和事故發(fā)展變化等對象賦予模擬動畫，操作人員在觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)置事件時，能夠及時正確地產(chǎn)生響應(yīng)。

建立災(zāi)害事態(tài)發(fā)展變化的數(shù)學(xué)模型，模擬實現(xiàn)泄漏物質(zhì)隨地形、氣象條件、時間等發(fā)生內(nèi)在變化，并能根據(jù)系統(tǒng)的操作對災(zāi)情變化（泄漏擴(kuò)大或減?。┳龀鱿鄳?yīng)反應(yīng)。能方便快捷地設(shè)置危險化學(xué)品種類、現(xiàn)場情況以及考核評判關(guān)鍵點，所有相關(guān)數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)角芭_。系統(tǒng)設(shè)置中可供選擇的危險化學(xué)品可能為氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)，具有毒害、易燃易爆、腐蝕等危險性。

3.化學(xué)事故處置虛擬實訓(xùn)平臺架構(gòu)

化學(xué)事故處置實訓(xùn)平臺最大的特點是能夠模擬毒害環(huán)境、重現(xiàn)災(zāi)情現(xiàn)場、規(guī)范處置流程、彌補(bǔ)傳統(tǒng)訓(xùn)練的短板。借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)、仿真建模技術(shù)和數(shù)據(jù)分析評估技術(shù)，實現(xiàn)對化學(xué)事故處置多角度、全方位的演練和評估。為應(yīng)急演練提供了通用可擴(kuò)展的平臺架構(gòu)，通過配置仿真模型、用戶操作界面和部署仿真場景，可快速構(gòu)建多人協(xié)同模擬演練。

3.1 化學(xué)事故處置實訓(xùn)平臺實體結(jié)構(gòu)

化學(xué)事故救援虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)分為管理端和訓(xùn)練端兩部分。系統(tǒng)采用多層架構(gòu)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與程序完全分離，管理端和訓(xùn)練端的分離，界面與程序分離，以保證數(shù)據(jù)的安全性。能保證數(shù)據(jù)的完整性、一致性和有效性，采用操作員身份認(rèn)證機(jī)制，防止偽造身份數(shù)據(jù)，防止不合法的操作。

管理端主要包含裝備數(shù)據(jù)編輯、想定編輯、考核管理、數(shù)據(jù)回放、實時監(jiān)控、預(yù)案規(guī)劃和智能評判等功能，裝備數(shù)據(jù)編輯實現(xiàn)對裝備信息的編輯；想定編輯功能實現(xiàn)事故地點、氣象條件以及泄漏介質(zhì)種類設(shè)置；考核管理功能實現(xiàn)多人同時考核；數(shù)據(jù)回放功能實現(xiàn)考核過程數(shù)據(jù)記錄以及操作過程的回放展現(xiàn)；實時監(jiān)控功能實現(xiàn)對考核終端的實時監(jiān)控；預(yù)案規(guī)劃功能實現(xiàn)對危險化學(xué)品及化工裝置災(zāi)害事故訓(xùn)練前期預(yù)案的設(shè)計與規(guī)劃，利用模板與數(shù)據(jù)結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)置；智能評判功能根據(jù)考核人員操作情況，進(jìn)行科學(xué)評判，并生成考核分析報告（包含扣分點、扣分原因和分值等）。

訓(xùn)練端包括教學(xué)、訓(xùn)練和考核3個模式，采用AR、VR、MR等設(shè)備模擬實現(xiàn)各種化學(xué)事故實踐操作，以分組模式進(jìn)行協(xié)同模擬訓(xùn)練。教學(xué)模式下，可對理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)認(rèn)知、防控理念、注意事項等基礎(chǔ)知識進(jìn)行學(xué)習(xí)；訓(xùn)練模式下，可根據(jù)不同類型的槽車事故進(jìn)行技戰(zhàn)術(shù)和具體的處置操作訓(xùn)練；考核模式，參考人員需要在指定時間內(nèi)，按照要求依次完成處置任務(wù)，操作結(jié)束后系統(tǒng)自動記錄操作過程并給出分析評判結(jié)果。

3.2 化學(xué)事故處置實訓(xùn)平臺虛擬模塊

系統(tǒng)主要分為教學(xué)訓(xùn)練模式和考核模式，其中在教學(xué)訓(xùn)練模式中，操作者可以任意選擇化學(xué)事故處置節(jié)點，利于有針對性地練習(xí)，點擊觸發(fā)相應(yīng)的事件或裝備時，屏幕有相應(yīng)知識點的出現(xiàn)；在考核模式中，考核人員需要在指定時間內(nèi)，按照化學(xué)事故處置基本程序和系統(tǒng)依次完成化學(xué)事故處置任務(wù)，操作結(jié)束，系統(tǒng)自動對考核人員操作進(jìn)行評分，并指出錯誤操作。

（1）場景中設(shè)置相應(yīng)的教學(xué)任務(wù)點，界面設(shè)有消防裝備庫，設(shè)置虛擬消防員，根據(jù)系統(tǒng)提示逐步操作完成化學(xué)事故應(yīng)急救援工作。

（2）系統(tǒng)中的事故模擬場景包括地形、道路、車輛、設(shè)備、人員、建筑物等，運(yùn)用虛擬仿真視覺技術(shù)使整體效果能夠充分展現(xiàn)。模型制作范圍為每個模塊所需表現(xiàn)場景范圍，根據(jù)實際需求和系統(tǒng)開發(fā)時間的實際情況來確定。

（3）化學(xué)事故應(yīng)急救援三維虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)包含可交互操作的模擬化學(xué)事故現(xiàn)場環(huán)境，結(jié)合相關(guān)硬件設(shè)備進(jìn)行模擬操作，實現(xiàn)操作者具有身臨其境的臨場感，從而科學(xué)直觀地展示安全事故對整個環(huán)境及人員的影響。此套系統(tǒng)當(dāng)中，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可將真實環(huán)境中無法很好展示的要素如人員位置、車輛位置、風(fēng)向、風(fēng)速、危險化學(xué)品擴(kuò)散蔓延方向速度等以直觀可視化、可操控的方式實現(xiàn)交互功能，提供最直觀的表現(xiàn)方式以幫助操作者觀察及操作，從而達(dá)到系統(tǒng)模擬訓(xùn)練的實際目標(biāo)。

（4）系統(tǒng)分為多個功能模塊，每個模塊都可進(jìn)行相應(yīng)功能的設(shè)置,當(dāng)用戶點擊相關(guān)模塊時，就進(jìn)入可操控的內(nèi)容。通過電腦操作及投影大屏幕的顯示，操作者可以在模擬的虛擬場景內(nèi)進(jìn)行自由步行、鳥瞰，也可以點選重點位置查看，可以多視角、全方位地了解虛擬現(xiàn)實的三維事故現(xiàn)場的各區(qū)域情況。在有毒有害物質(zhì)偵檢環(huán)節(jié)，系統(tǒng)設(shè)置模擬器操作進(jìn)行偵檢儀器模擬器（與真實偵檢儀器1：1仿真模擬）操作，讓操作者身臨其境的使用。逼真的三維圖像，完善的人機(jī)交互特性，使該系統(tǒng)成為對消防人員處置化學(xué)事故應(yīng)急救援訓(xùn)練、考核的實用工具。系統(tǒng)開發(fā)完成后，可根據(jù)實際需求，逐步升級進(jìn)行完善，如增設(shè)不同的災(zāi)害事故場景、訓(xùn)練科目等，開發(fā)多人多角色在不同的電腦上、共同的虛擬災(zāi)害場景內(nèi)完成協(xié)同消防任務(wù)，實現(xiàn)更完善的虛擬仿真實訓(xùn)。

（5）為達(dá)到接近實際情況的三維可視化模擬效果，主要場景紋理保持和模擬現(xiàn)場情況基本一致。對需要傳達(dá)的信息及發(fā)生動作的重要環(huán)節(jié)進(jìn)行可視化虛擬仿真，并結(jié)合文字、圖片、音效等多媒體信息進(jìn)行綜合有效的傳達(dá)，表現(xiàn)出化學(xué)事故應(yīng)急救援的主要狀態(tài)。運(yùn)行的系統(tǒng)擁有完整的二維圖形用戶界面，同時顯示三維場景，以完成所有的交互操作功能。

4.虛擬仿真實訓(xùn)平臺建設(shè)成效

為了解學(xué)員對化學(xué)事故處置虛擬實訓(xùn)的滿意程度，以全國站長助理為調(diào)查對象，在該平臺的基礎(chǔ)上添加以氯氣泄漏、LPG槽罐車事故模塊，并以此為內(nèi)容展開調(diào)查。主要從虛擬仿真資源評價、虛實結(jié)合教學(xué)效果評價和虛擬仿真教學(xué)優(yōu)勢3個方面進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計如下：

（1）在虛擬仿真資源評價的調(diào)查中，學(xué)員認(rèn)為所提供的槽罐車模型精細(xì)，結(jié)構(gòu)正確，能夠真實反映槽罐車事故處置中的狀態(tài); 學(xué)員認(rèn)為事故處置流程合理，能夠真實模擬實戰(zhàn)過程; 對本虛擬實訓(xùn)平臺建設(shè)感到滿意。

（2）在虛實結(jié)合教學(xué)效果評價的調(diào)查中，學(xué)員認(rèn)為這種虛實結(jié)合的教學(xué)模式有助于理解處置中裝備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，同時可以更好地指導(dǎo)事故處置。尤其是班組協(xié)同操作的方式，更貼近實戰(zhàn)，能夠準(zhǔn)確地協(xié)同作戰(zhàn)。

（3）在虛擬仿真優(yōu)勢的調(diào)查中，學(xué)員認(rèn)為虛擬實訓(xùn)平臺將傳統(tǒng)實物教學(xué)三維數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，能夠不限時間、不限空間，在安全、便捷的條件下開展訓(xùn)練，并將知識點融會貫通，有助于切實掌握專業(yè)知識。

此外，也對實訓(xùn)平臺提出建議：（1）客戶端軟件對電腦配置要求較高，希望在更新版本時能夠合理優(yōu)化資源，使低配置的電腦也能流暢運(yùn)行虛擬客戶端。（2）希望在虛擬實訓(xùn)平臺能夠上網(wǎng)，實現(xiàn)“網(wǎng)考網(wǎng)訓(xùn)”。（3）希望豐富虛擬實訓(xùn)平臺文字說明，以便更好地理解實訓(xùn)和工作原理。總之，學(xué)員對新的訓(xùn)練模式較為滿意。