3D視景仿真在消防滅火救援訓(xùn)練中的應(yīng)用研究

作者簡介：

蘇鵬（1986- ），男，漢族，河北故城人，本科，研究方向：滅火救援。

摘要：

在新時(shí)代背景下，消防救援隊(duì)伍的任務(wù)主要集中在滅火行動、緊急搶險(xiǎn)和為社會提供救助上。隨著城市化進(jìn)程的加速，各種新型火災(zāi)頻發(fā)，對消防隊(duì)伍提出了更高要求。為了有效應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，制定面向特定情況的緊急應(yīng)對預(yù)案以及按照預(yù)案進(jìn)行定期訓(xùn)練和模擬演練變得尤為關(guān)鍵。本文將針對3D視景仿真在消防滅火救援訓(xùn)練中的應(yīng)用途徑展開詳細(xì)分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：3D視景仿真；消防；滅火；救援；訓(xùn)練；應(yīng)用

引言

隨著城市化的快速推進(jìn)，消防安全挑戰(zhàn)日益增加，火災(zāi)的突發(fā)性和不可預(yù)測性給救援工作帶來了復(fù)雜性。面對這些難題，消防隊(duì)伍必須詳細(xì)分析影響救援效率和安全的關(guān)鍵因素，并根據(jù)這些因素采取有效措施。通過持續(xù)改進(jìn)和創(chuàng)新，確保能迅速有效應(yīng)對各類火災(zāi)事故。

一、消防模擬訓(xùn)練內(nèi)容

模擬訓(xùn)練在消防領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色，其主旨在于通過構(gòu)建與實(shí)際災(zāi)難場景相仿的訓(xùn)練環(huán)境，將消防救援人員及必要的設(shè)備融為一體，從而在模擬高壓環(huán)境下，達(dá)到磨練技能、提升意志的效果。通過模擬各種復(fù)雜、多變的災(zāi)害場景，消防訓(xùn)練可以塑造出一個(gè)既安全又接近真實(shí)的教學(xué)平臺，確保消防救援隊(duì)伍在面對真實(shí)災(zāi)害時(shí)，能夠憑借訓(xùn)練中積累的經(jīng)驗(yàn)和技能，快速有效展開救援行動。為了使模擬訓(xùn)練更加貼近實(shí)際操作，通常會引入現(xiàn)代化的教學(xué)手段和設(shè)備，如虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)、模擬災(zāi)害場景制作等，使消防人員在仿真環(huán)境中遇到的情境與真實(shí)災(zāi)害盡可能吻合，從而提升應(yīng)對真實(shí)災(zāi)害的快速反應(yīng)能力和決策水平。此外，針對那些特定類型的災(zāi)害，如化學(xué)泄漏、高層建筑火災(zāi)等，定制化的訓(xùn)練內(nèi)容也是教學(xué)大綱的一部分[1]。

二、消防模擬訓(xùn)練內(nèi)容

在傳統(tǒng)的消防訓(xùn)練體系中，往往將重點(diǎn)放置在體能和基本技能培訓(xùn)上。尤其是近年來，消防救援領(lǐng)域發(fā)生了多起人員傷亡事件，強(qiáng)化消防隊(duì)員的心理素質(zhì)和臨場指揮決策能力成了培訓(xùn)的新焦點(diǎn)。盡管沙盤演練等傳統(tǒng)方法在某種程度上對提高隊(duì)員應(yīng)對能力有所幫助，但其模擬實(shí)戰(zhàn)的真實(shí)性有限，難以滿足高質(zhì)量訓(xùn)練需求。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用為消防訓(xùn)練領(lǐng)域帶來了創(chuàng)新。計(jì)算機(jī)多媒體和三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合，為消防訓(xùn)練提供了前所未有的模擬環(huán)境。這種新型訓(xùn)練方法能夠通過創(chuàng)建模擬現(xiàn)場，精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)實(shí)際災(zāi)害發(fā)生時(shí)的環(huán)境與情境，從而使消防人員在虛擬、貼近真實(shí)的環(huán)境中制定應(yīng)對策略，提升處置各類災(zāi)害的效率[2]。

通過模擬訓(xùn)練，消防人員可以在無風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境下對各種災(zāi)害情況進(jìn)行深入學(xué)習(xí)與實(shí)踐。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)允許教官和訓(xùn)練者在實(shí)踐過程中，依據(jù)消防和救援理論基礎(chǔ)，對選定方案進(jìn)行全面分析與評估，創(chuàng)造出接近實(shí)戰(zhàn)的動態(tài)模擬體驗(yàn)。與傳統(tǒng)訓(xùn)練相比，這種技術(shù)手段不僅能更準(zhǔn)確還原實(shí)際救援場景，還可根據(jù)需要調(diào)整環(huán)境變量和訓(xùn)練情景，多次演練，從而確保訓(xùn)練的高效性和適應(yīng)性。此外，整個(gè)訓(xùn)練過程及結(jié)果易于記錄和回顧，便于后續(xù)分析和改進(jìn)。

計(jì)算機(jī)輔助訓(xùn)練最主要的優(yōu)勢在于其成本效益高、安全性強(qiáng)且極具靈活性。它打破了地點(diǎn)和物理資源的限制，使消防救援人員能夠隨時(shí)處于準(zhǔn)備狀態(tài)，快速適應(yīng)各種復(fù)雜緊急情況。更重要的是，這種訓(xùn)練方式突出心理素質(zhì)和快速決策能力的培養(yǎng)，更貼合現(xiàn)代消防救援的實(shí)際需求[3]。

三、消防滅火救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的組成和功能

消防滅火模擬訓(xùn)練的逼真度與效果是評估訓(xùn)練系統(tǒng)功能展現(xiàn)的關(guān)鍵因素。為此，訓(xùn)練的設(shè)計(jì)和實(shí)施，必須在現(xiàn)實(shí)操作的基礎(chǔ)之上，更好確立模擬系統(tǒng)的架構(gòu)和運(yùn)作模式。現(xiàn)代滅火和救援任務(wù)通常包括四個(gè)基本階段：接收報(bào)警和出動、戰(zhàn)術(shù)部署、應(yīng)對災(zāi)害和事后總結(jié)。在計(jì)算機(jī)輔助的模擬系統(tǒng)中，訓(xùn)練內(nèi)容的設(shè)置要依據(jù)現(xiàn)實(shí)情況對參數(shù)進(jìn)行合理量化，即挑選出對局勢影響顯著的核心因素。通過這些核心因素構(gòu)建出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，從而使指揮決策模擬活動得以順利推行。在整個(gè)訓(xùn)練流程中，所有活動的觸發(fā)和進(jìn)行情況，都必須建立在精確的數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)之上，這是保證模擬訓(xùn)練可靠性的關(guān)鍵。

（一）訓(xùn)練設(shè)置模塊

此模塊的核心任務(wù)是創(chuàng)建一個(gè)初始的火場模擬環(huán)境，涵蓋模擬的火場背景、隊(duì)伍布局以及所配備的消防工具和裝備。這一階段的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它設(shè)定了后續(xù)訓(xùn)練的基礎(chǔ)條件，包括火場規(guī)模、火勢強(qiáng)度、現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境等因素。

（二）戰(zhàn)術(shù)處置模塊

在此模塊中，消防指揮人員將面對各種挑戰(zhàn)，如何有效生成滅火處置方案、進(jìn)行輔助決策計(jì)算以及執(zhí)行力量部署的精準(zhǔn)指揮。該模塊不只是簡單指派任務(wù)，還包含了對每個(gè)命令功能的詳盡解析。

（三）處置評判模塊

作為模擬訓(xùn)練的終極階段，此模塊的主要職責(zé)是對整個(gè)滅火過程中的戰(zhàn)術(shù)方案和執(zhí)行情況進(jìn)行全面評估和分析。通過對比訓(xùn)練前的方案設(shè)計(jì)和訓(xùn)練中實(shí)際指揮效果，對指揮者的決策能力和執(zhí)行力進(jìn)行客觀評價(jià)。此外，處置評判模塊還負(fù)責(zé)收集和保存訓(xùn)練數(shù)據(jù)，以便未來回顧和學(xué)習(xí)，不僅為指揮人員提供反饋，同時(shí)也為訓(xùn)練系統(tǒng)的優(yōu)化提供參考[4]。

（四）動態(tài)顯示模塊

該模塊致力于將虛擬火場的全貌及細(xì)節(jié)通過三維圖像技術(shù)生動展現(xiàn)。該模塊依托先進(jìn)的建模技術(shù)、圖像渲染技術(shù)以及分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，力圖將火場情景以最真實(shí)的形式呈現(xiàn)給訓(xùn)練者。這一過程旨在加深消防人員對火場各類情境的理解和感知，提升其在復(fù)雜環(huán)境下的操作和決策能力。

（五）過程重演模塊

此模塊職責(zé)在于記錄整個(gè)模擬過程，使訓(xùn)練過程可重演、可分析。這不僅方便訓(xùn)練者和教官對訓(xùn)練進(jìn)行回顧分析，檢查操作中的不足之處，而且為戰(zhàn)后總結(jié)提供了實(shí)質(zhì)性的支持。通過精確重演，隊(duì)員們能夠從中學(xué)習(xí)到具體技巧和策略，不斷提高實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用能力。

四、3D視景仿真子系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

（一）硬件結(jié)構(gòu)

在硬件構(gòu)成方面，3D視景仿真系統(tǒng)主要包含三個(gè)主要組件：計(jì)算機(jī)硬件、實(shí)時(shí)圖形處理單元和顯示設(shè)備。計(jì)算機(jī)硬件部分主要由高性能計(jì)算處理系統(tǒng)和先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)組成，是確保軟件能夠流暢運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施。針對3D視景仿真技術(shù)在執(zhí)行消防滅火救援功能需求時(shí)，會模擬搭建一個(gè)虛擬場景，此時(shí)系統(tǒng)對硬件性能需求極高，尤其是對處理速度的要求上。只有搭載高速處理器的系統(tǒng)，才能完成使用者對滅火救援等復(fù)雜模擬訓(xùn)練任務(wù)的需求。此類計(jì)算機(jī)硬件，能夠有效模擬出場景中的光影效果和物體的表現(xiàn)形式，從而凸顯仿真環(huán)境的逼真度。在實(shí)時(shí)圖形處理方面，該技術(shù)通過高效率的圖形處理能力，顯著提升了3D視圖的真實(shí)感，能更生動展示空間內(nèi)的圖像和細(xì)節(jié)。

（二）軟件構(gòu)成

3D視景仿真系統(tǒng)依托于一系列專業(yè)的軟件組件，為用戶打造逼真的虛擬環(huán)境。這一系列軟件工具包括但不限于操作系統(tǒng)平臺、三維圖形的建模應(yīng)用、集成開發(fā)環(huán)境以及專門針對3D視景仿真定制的應(yīng)用系統(tǒng)等。考慮到計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)的多樣性和兼容性要求，在軟件開發(fā)過程中，需要重點(diǎn)考量跨平臺功能的實(shí)現(xiàn)，確保軟件組件在不同環(huán)境下均能穩(wěn)定運(yùn)行[5]。軟件的核心部分涵蓋了用于構(gòu)建模型的多種工具，如用于創(chuàng)建3D視景數(shù)據(jù)庫以及利用MultiGen Creator等建模工具。在開展圖形渲染活動過程中，如何實(shí)時(shí)渲染技術(shù)成為人們普遍關(guān)注的熱點(diǎn)，它支持高效的場景交互與控制，相關(guān)使用人員能夠即時(shí)體驗(yàn)仿真環(huán)境的變化。此外，高級圖形渲染API（應(yīng)用程序編程接口）允許開發(fā)者，通過創(chuàng)建、編輯等方式深度定制三維仿真環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)從研發(fā)到應(yīng)用的目標(biāo)。

五、3D視景仿真在消防滅火救援訓(xùn)練中的應(yīng)用

消防滅火救援系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜而全面的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，致力于火災(zāi)的快速發(fā)現(xiàn)、有效警報(bào)和高效滅火。該系統(tǒng)綜合了火災(zāi)自動報(bào)警、自動噴淋滅火、防排煙等多個(gè)子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)通過精密的配合，共同構(gòu)成了一個(gè)強(qiáng)大的防護(hù)盾，確保在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能夠立刻做出反應(yīng)，最大程度保護(hù)人員安全和減少財(cái)物損失。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)流程從探測器開始。探測器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測環(huán)境中的變化，一旦檢測到與火災(zāi)相關(guān)的信號，如煙霧濃度或溫度的異常升高，立即將這一信息傳輸至報(bào)警控制器。報(bào)警控制器將探測到的信息與設(shè)定的正常狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，確認(rèn)火災(zāi)無誤后，即啟動報(bào)警機(jī)制，向整個(gè)建筑發(fā)送火警警報(bào)。報(bào)警控制器不僅能發(fā)出警報(bào)，還能激活必要的消防響應(yīng)設(shè)備和安全措施。這些措施包括但不限于防火卷簾的降下、疏散指示燈的啟動、防排煙系統(tǒng)的激活以及自動噴淋系統(tǒng)的開啟，從而為人員疏散創(chuàng)造條件，同時(shí)控制或撲滅火勢。

（一）火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)仿真

在火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)仿真中，技術(shù)實(shí)現(xiàn)的焦點(diǎn)主要集中在三維探測器的精確建模以及報(bào)警器聲音報(bào)警功能的生動模擬上。以感煙探測器為例，其三維建模過程開始于對實(shí)體感煙探測器的詳細(xì)拍攝，接著利用圖形處理軟件進(jìn)行紋理的精細(xì)制作，隨后在三維建模軟件中構(gòu)建模型并貼上相應(yīng)的紋理，從而實(shí)現(xiàn)探測器虛擬模型在視覺上的逼真再現(xiàn)。報(bào)警器聲音報(bào)警功能的仿真是通過專用聲音模塊來完成。該模塊支持多種音頻文件格式，包括*.wav、*.aiff和*.aifc。具體的實(shí)現(xiàn)步驟包括在Lynx圖形環(huán)境中配置ADF文件，運(yùn)用AudioWork2模塊進(jìn)行聲音文件的加載和設(shè)置。操作包括創(chuàng)建帶有Alarm命名的AW Sound，加載特定的報(bào)警聲音文件alarm.wav，設(shè)置聲音引擎AW Engine、聲音通道AW Channel等參數(shù)以及在場景與觀察者設(shè)置中分別添加聲音對象和選擇相應(yīng)的聲音通道。

（二）自動噴淋系統(tǒng)仿真

在構(gòu)建自動噴淋系統(tǒng)仿真過程中，一個(gè)關(guān)鍵步驟是配置ADF文件以模擬真實(shí)的噴淋效果。這涉及到特效的創(chuàng)建和屬性設(shè)置，確保模擬的自動噴淋系統(tǒng)能夠在虛擬環(huán)境中準(zhǔn)確演示水流效應(yīng)。首先，用戶需要通過點(diǎn)擊“特殊效果”的按鈕進(jìn)入設(shè)置界面，在此創(chuàng)建一個(gè)特效實(shí)例并為其賦予名稱particle。隨后，將類型設(shè)置為“自定義”，并輸入代表特定噴頭位置的坐標(biāo)。用戶需要進(jìn)入“自定義粒子系統(tǒng)”菜單，對噴淋粒子系統(tǒng)的多項(xiàng)屬性進(jìn)行調(diào)整和設(shè)置。這一階段的精細(xì)調(diào)整是為了確保仿真效果既真實(shí)又符合預(yù)期，如模擬水流速度、粒子密度等。

（三）防排煙系統(tǒng)控制

對于模擬防排煙系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)，需要通過應(yīng)用Photoshop這樣的專業(yè)圖形編輯軟件，精心制作出帶有透明效果的紋理圖案，這一步驟的目的是更真實(shí)反映防排煙風(fēng)機(jī)葉片在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的模糊效果，從而增加視覺上的動態(tài)感和真實(shí)感。為進(jìn)一步增強(qiáng)這種動態(tài)的視覺效果，仿真系統(tǒng)采用了“特殊效果”（Special Effects）模塊內(nèi)的“blade”功能。通過這一功能，我們能夠有效模擬防排煙風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動情況。這種模擬不僅僅停留在靜態(tài)的顯示上，還能夠展現(xiàn)風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)作時(shí)的動態(tài)旋轉(zhuǎn)過程。在防排煙系統(tǒng)的控制機(jī)制方面，可以靈敏反應(yīng)火災(zāi)信號，一旦火災(zāi)信號被偵測并傳遞給系統(tǒng)，相應(yīng)的排煙風(fēng)機(jī)便會自動被激活。

結(jié)語

綜上所述，3D視景仿真技術(shù)憑借其技術(shù)先進(jìn)性，在消防滅火及救援模擬訓(xùn)練領(lǐng)域展現(xiàn)出無限的應(yīng)用潛力。為了充分發(fā)揮這項(xiàng)技術(shù)的潛力，需進(jìn)行深入的需求調(diào)研，密切結(jié)合用戶的實(shí)際需求和所在地域的特定情況進(jìn)行細(xì)致分析和量身打造。通過這一過程，3D視景仿真技術(shù)能夠更準(zhǔn)確模擬真實(shí)的消防滅火及救援場景，為消防人員提供高質(zhì)量、接近真實(shí)的訓(xùn)練體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]

星發(fā)財(cái).新時(shí)期消防隊(duì)伍滅火救援訓(xùn)練探討[J].消防界（電子版），2023，9（05）：31-33.

[2]袁狄平，靳學(xué)勝，沈劍熒，等.基于開源技術(shù)的滅火救援計(jì)算機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012，8（12）：80-86.

[3]袁狄平，靳學(xué)勝，張曉麗，等.基于圖像建模的滅火救援虛擬場景生成技術(shù)[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2012，31（08）：853-856.

[4]翟兆建.基于Vega Prime的大型滅火飛機(jī)投水視景仿真研究[D].南昌航空大學(xué)，2012.

[5]靳學(xué)勝，袁狄平.滅火救援視景仿真中三維虛擬消防隊(duì)員的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].武警學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，26（10）：5-8.