混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MR）在消防技術(shù)裝備課改中的應(yīng)用

陶振翔，李 瀅

（中國礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院 北京 100083）

消防技術(shù)裝備的教學(xué)已深受到社會(huì)及各大院校的廣泛關(guān)注，其在多個(gè)領(lǐng)域都扮演著至關(guān)重要的作用。作為消防指揮專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，消防裝備技術(shù)不僅是滅火技術(shù)訓(xùn)練、滅火戰(zhàn)術(shù)和搶險(xiǎn)救援等相關(guān)專業(yè)課程的基石，而且還承擔(dān)著為學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)基石的重要職責(zé)[1]。消防技術(shù)裝備課程的顯著之處在于其旨在培養(yǎng)高效的消防指揮員技能，并在處理各種緊急情況時(shí)發(fā)揮關(guān)鍵作用。對此課程的深入學(xué)習(xí)確保了學(xué)生在關(guān)鍵的滅火操作、策略制定和緊急救助領(lǐng)域的優(yōu)勢，為其提供了在緊急情況下迅速、準(zhǔn)確行動(dòng)的能力，從而最大限度地保護(hù)生命和財(cái)產(chǎn)的安全。

1 消防技術(shù)裝備教學(xué)現(xiàn)狀和問題

近年來，我國在消防設(shè)備、消防器材、消防供水以及消防通信等關(guān)鍵領(lǐng)域進(jìn)行了持續(xù)而深入的研究，已經(jīng)取得了顯赫的科研成果。但在高等職業(yè)教育體系中，消防技術(shù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)依然面對諸多挑戰(zhàn)。首先，很多院校尚缺乏先進(jìn)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，現(xiàn)有的教學(xué)儀器與設(shè)備往往陳舊不堪。此外，相對于傳統(tǒng)的理論教學(xué)，消防技術(shù)裝備課程更加強(qiáng)調(diào)原理明確、結(jié)構(gòu)分析、現(xiàn)場演示及實(shí)踐操作，這無疑要求有真實(shí)場景的教學(xué)設(shè)備來支撐。但受限于經(jīng)費(fèi)和設(shè)備購置的困難，很多學(xué)校難以配備既高效又具有高技術(shù)含量的設(shè)備，滿足高等職業(yè)教育的特性需求[2]。

當(dāng)前，消防技術(shù)裝備教學(xué)中的計(jì)算機(jī)模擬和控制實(shí)驗(yàn)已呈現(xiàn)出初步的效益，然而，兩者仍然各自存在不可忽視的局限[3-4]。例如，計(jì)算機(jī)模擬基于預(yù)先建立的知識(shí)模型，但與真實(shí)環(huán)境中復(fù)雜的人為因素及火勢的動(dòng)態(tài)發(fā)展存在差距。再如，火勢的準(zhǔn)確規(guī)模及火源的確切位置在復(fù)雜環(huán)境中辨識(shí)起來極為困難，這為火災(zāi)原因的準(zhǔn)確調(diào)查設(shè)下障礙。同時(shí)，一些實(shí)際場景中難以模擬的火災(zāi)效應(yīng)及煙霧影響也會(huì)對人的行為和其周圍環(huán)境造成意想不到的變化，如煙霧在公共場所的快速擴(kuò)散等。綜上所述，消防技術(shù)裝備的教學(xué)與應(yīng)用之間的鴻溝仍待縮小，亟須進(jìn)一步強(qiáng)化雙方的整合與交流。

2 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概述

2.1 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義和特點(diǎn)

混合現(xiàn)實(shí)（MR）是一種將真實(shí)和數(shù)字空間相結(jié)合的技術(shù)，通常體現(xiàn)能進(jìn)行空間映射的頭盔顯示器?；旌犀F(xiàn)實(shí)（MR）是對虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）的深入研究，它將真實(shí)情景信息融入虛擬世界中，在虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界之間搭建起一座信息交流的橋梁，提高了用戶的體驗(yàn)的真實(shí)性。MR 技術(shù)的核心在于與真實(shí)世界的互動(dòng)以及實(shí)時(shí)地獲得信息，所以要實(shí)現(xiàn)MR 技術(shù)，必須要有一個(gè)能夠與真實(shí)世界中的所有東西進(jìn)行互動(dòng)的環(huán)境。MR 技術(shù)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

①虛實(shí)融合：MR 技術(shù)的主要特點(diǎn)是可以將虛擬物體和現(xiàn)實(shí)世界顯示在同一視角中，通過讀取數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)的內(nèi)容通過虛擬的方式展示出來，使用者可以在真實(shí)環(huán)境中看到虛擬對象，增強(qiáng)可視化效果。

②實(shí)時(shí)交互：MR 技術(shù)為用戶提供“實(shí)中有虛”的半沉浸式體驗(yàn)，用戶可通過手勢交互、語音交互、視網(wǎng)膜追蹤等交互方式，用戶可以更加精準(zhǔn)地控制設(shè)備，提高用戶的操作效率和精度，與現(xiàn)實(shí)世界和虛擬物體進(jìn)行實(shí)時(shí)的自然交互。

③三維注冊：虛擬物體可與現(xiàn)實(shí)世界精確對準(zhǔn)，通過MR 顯示設(shè)備，用戶可以同時(shí)看到真實(shí)環(huán)境和虛擬全息影像，加之手勢、語音、視覺等方式的加持實(shí)現(xiàn)兩者互動(dòng)，真正搭建了虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的橋梁。

此外，MR技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活應(yīng)用中還具有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)感、提高效率、提高安全性、交互性強(qiáng)和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，為消防技術(shù)裝備教學(xué)帶來更加便捷和高效的體驗(yàn)[5]。

2.2 MR 技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

混合現(xiàn)實(shí)（MR）技術(shù)在消防技術(shù)裝備案例教學(xué)中的應(yīng)用研究，目的是在教育領(lǐng)域提供一種更為沉浸式和高互動(dòng)性的消防技術(shù)裝備培訓(xùn)和教學(xué)方法。通過融合虛擬和現(xiàn)實(shí)世界的元素，該方法可為消防人員和學(xué)生提供真實(shí)的場景模擬、案例演練和即時(shí)反饋，確保讓學(xué)生能夠更為透徹地理解、掌握消防技術(shù)裝備在實(shí)際操作過程中可能遇到的問題，并積累寶貴的實(shí)踐性學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。

如圖1所示，一方面，在面對教學(xué)資源有限挑戰(zhàn)時(shí)，MR技術(shù)能夠模擬消防設(shè)備的使用場景，將各種消防設(shè)備的操作過程生動(dòng)地展現(xiàn)在學(xué)生面前。這種沉浸式的學(xué)習(xí)模式能有效增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力、參與感和體驗(yàn)感，幫助他們更直觀、深入地了解到消防設(shè)備的操作流程，從而更扎實(shí)地掌握消防關(guān)鍵知識(shí)。另一方面，為了使學(xué)生積累更豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，在教學(xué)中可以運(yùn)用MR 技術(shù)構(gòu)建虛擬場景。例如，模擬真實(shí)環(huán)境中對防火安全設(shè)施、滅火設(shè)備設(shè)施、疏散路線等進(jìn)行演練，同時(shí)借助VR眼鏡等輔助工具，為學(xué)生帶來更為真實(shí)的滅火和疏散體驗(yàn)。教學(xué)中，學(xué)生可以利用MR技術(shù)模擬火源撲滅、疏散行人等緊急情況，這種教學(xué)方法不僅加深了學(xué)生對火災(zāi)行為規(guī)律以及逃生技能的理解，而且為后續(xù)的高級(jí)課程奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，從而實(shí)質(zhì)性地提升課程教學(xué)效果。

圖1 MR 技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用流程圖

2.3 MR 技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的成功案例

隨著消防行業(yè)對先進(jìn)工具和培訓(xùn)方法的日益迫切需求，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了一種創(chuàng)新地解決方案，助力消防員更有效地應(yīng)對日益復(fù)雜和多樣化的火災(zāi)場景。Bourhim E L M 等人利用商業(yè)化的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，構(gòu)建造了一個(gè)高層住宅樓消防通道模型，開創(chuàng)了一種高度沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)模擬教學(xué)方法[6]。Bliss J P 等人將30 名消防員隨機(jī)分為三個(gè)試驗(yàn)訓(xùn)練組：建筑模型、虛擬現(xiàn)實(shí)、無訓(xùn)練組。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過虛擬顯示和藍(lán)圖訓(xùn)練的消防員在要求按照特定的訓(xùn)練線路營救一個(gè)模型嬰兒時(shí)表現(xiàn)得更迅速和準(zhǔn)確[7]。Yu F 等人則設(shè)計(jì)了一款基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的多維交互系統(tǒng)，專門用于模擬石化行業(yè)的火災(zāi)消防應(yīng)急訓(xùn)練，從而避免了傳統(tǒng)消防訓(xùn)練可能帶來的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[8]。El Jed Mehdi P N 等人探索將情感模型納入虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的。采用了情緒、個(gè)性和情感的方法，讓用戶將自己的虛擬角色動(dòng)畫化，使消防員在培訓(xùn)中可以體驗(yàn)更豐富的情景與角色互動(dòng)。

特別值得注意的是，微軟最新研究的Hololens 2 混合現(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備在消防員培訓(xùn)中的廣泛應(yīng)用，其將虛擬火場場景疊加到真實(shí)環(huán)境中極大地提高了消防員的實(shí)際技能。借助混合顯示技術(shù)，這款頭盔為消防員展現(xiàn)了實(shí)時(shí)的可視化信息，極大提高了火場上的應(yīng)急響應(yīng)能力。

同時(shí)，DAQRI的智能頭盔也在消防領(lǐng)域顯現(xiàn)出卓越的價(jià)值。這款先進(jìn)的智能裝備融合了混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，向消防員展示了關(guān)鍵的可視化信息，從而極大地增強(qiáng)了其在火災(zāi)現(xiàn)場的應(yīng)急響應(yīng)能力。不僅如此，這款頭盔使得消防員在緊急任務(wù)中獲取實(shí)時(shí)、關(guān)鍵信息，助力他們做出，更加迅速且準(zhǔn)確的決策。這些技術(shù)的精準(zhǔn)導(dǎo)航功能指引消防員快速定位火源、疏散路徑和其他關(guān)鍵區(qū)域，有助于更好地協(xié)調(diào)應(yīng)急行動(dòng)。此外，智能頭盔高度的可視化特性如展示溫度、氣體濃度和建筑結(jié)構(gòu)等，為消防員提供了全面地火場情報(bào)，有助于他們更有自信地應(yīng)對地面復(fù)雜的火災(zāi)場景，并顯著降低潛在風(fēng)險(xiǎn)。

這些案例表明，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到了消防技術(shù)裝備領(lǐng)域?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入和發(fā)展不僅對消防員的培訓(xùn)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，也有望在未來減少火災(zāi)帶來的損失和風(fēng)險(xiǎn)，為公眾安全提供更多保障。因此，可以合理預(yù)期混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)將繼續(xù)為消防技術(shù)裝備領(lǐng)域帶來創(chuàng)新，進(jìn)而提高火災(zāi)的響應(yīng)和處理能力。

3 結(jié)語

綜上所述，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)正逐步走入研究和應(yīng)用的前沿，逐漸被認(rèn)為是消防技術(shù)裝備教學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)創(chuàng)新途徑。該技術(shù)以交互式的虛擬增強(qiáng)為核心，結(jié)合真實(shí)性和數(shù)據(jù)應(yīng)用的多方面優(yōu)勢，確立了其在現(xiàn)代教育體系中的關(guān)鍵地位。與傳統(tǒng)的消防技術(shù)教學(xué)方法相比，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)為消防人員提供了一個(gè)更為豐富和實(shí)用的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從而顯著提高了他們的緊急響應(yīng)能力。鑒于此，這一創(chuàng)新技術(shù)預(yù)計(jì)將進(jìn)一步完善和豐富消防教育與培訓(xùn)領(lǐng)域，為提高火災(zāi)應(yīng)對的安全性和效率做出顯著的貢獻(xiàn)。