基于虛擬現(xiàn)實的森林滅火指揮訓(xùn)練系統(tǒng)研究

邵磊，嚴小天，劉劍，劉玉明,7

1. 航天科工仿真技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100854

2. 復(fù)雜系統(tǒng)仿真技術(shù)應(yīng)用國家工程研究中心，北京 100854

3. 北航歌爾虛擬現(xiàn)實研究院，山東 青島 266308

4. 青島虛擬現(xiàn)實研究院有限公司，山東 青島 266308

5. 國家虛擬現(xiàn)實創(chuàng)新中心（青島），山東 青島 266308

6. 北京航空航天大學(xué) 數(shù)字導(dǎo)航中心，北京 100191

7. 清華大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)系，北京 100084

森林火災(zāi)突發(fā)性強、破壞性大、危險性高，是全球發(fā)生最頻繁、處置最困難、危害最嚴重的自然災(zāi)害之一，是生態(tài)文明建設(shè)成果和森林資源安全的最大威脅。我國總體上是一個缺林少綠、生態(tài)脆弱的國家，是一個受氣候影響顯著、森林火災(zāi)多發(fā)的國家[1?3]。

黨中央、國務(wù)院高度重視森林防火工作。2009 年，國務(wù)院批準實施了《全國森林防火中長期發(fā)展規(guī)劃（2009—2015 年）》，森林防火基礎(chǔ)設(shè)施和裝備建設(shè)明顯加快，預(yù)防、撲救和保障三大體系建設(shè)全面加強，森林火災(zāi)損失明顯下降。近年來，隨著氣候變暖和極端天氣增多，全球進入了森林火災(zāi)的高發(fā)期，我國仍將長期處于森林火災(zāi)的易發(fā)期和高危期，森林防火形勢極其嚴峻[4?6]。目前，森林消防隊伍執(zhí)行森林防火應(yīng)急預(yù)案以實裝演練為主，存在訓(xùn)練成本高、環(huán)境限制等制約因素，因此本文研發(fā)了一套森林滅火虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，能模擬真實森林防火場景，通過實景虛擬仿真訓(xùn)練，綜合提升各級訓(xùn)練員和指戰(zhàn)員臨場應(yīng)變、指揮協(xié)同和情況處置等綜合素質(zhì)能力。

1 概述

目前，森林消防隊伍日常作訓(xùn)和考評主要還是以森林防火應(yīng)急預(yù)案進行實裝演練為主，例如森林消防局在昆明航空救援支隊舉辦的 “火焰藍”滅火專業(yè)技能尖子比武中，嚴格按照操場化向野外化、熟悉地域向陌生地域、晝間實施向晝夜連續(xù)實施、單項競技向綜合競技和體能技能向綜合能力運用，融技能、智能、體能于一體，系統(tǒng)檢驗各級訓(xùn)練水平和指戰(zhàn)員臨場應(yīng)變、指揮協(xié)同和情況處置等綜合素質(zhì)能力。森林消防傳統(tǒng)訓(xùn)練模式主要有野外山地拉練、單人滅火訓(xùn)練、火場逃生訓(xùn)練和團組滅火訓(xùn)練，如圖1 所示。

圖1 森林消防傳統(tǒng)訓(xùn)練模式

但是，這種訓(xùn)練方式存在以下問題：一是訓(xùn)練成本高，實裝演練需要消耗大量人、財、物；二是訓(xùn)練環(huán)境受到限制，實裝演練受到天氣、場地、人員及物質(zhì)調(diào)配等條件制約；三是訓(xùn)練內(nèi)容不足，實裝演練無法模擬復(fù)雜的森林防火場景實際場地模型演練。隨著云計算技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實（virtual reality, VR）和增強現(xiàn)實（augmented reality, AR）等新一代信息技術(shù)深度運用，人們可以建立各種林火蔓延的預(yù)測模擬和分析管理的信息系統(tǒng)，也能搭建一個多維虛擬可視化平臺去實現(xiàn)林火的燃燒及其蔓延過程、森林景觀的三維實時再現(xiàn)和仿真，實現(xiàn)林火行為研究中“數(shù)”與“形”的有機統(tǒng)一，實現(xiàn)森林及林火信息的本真還原和科學(xué)模擬，為滅火決策提供依據(jù)[7?16]。

本文自主研發(fā)了一套基于采用定制化的U3D 渲染引擎的虛擬仿真訓(xùn)練教學(xué)考評系統(tǒng)，對比國外主流虛擬仿真軟件，該軟件的優(yōu)勢是：可以更加逼真地呈現(xiàn)真實場景細節(jié)，可以進行實景虛擬仿真訓(xùn)練，更加貼近滅火實戰(zhàn)；能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的自主可控性、可擴展性，為使用者提供簡單邏輯編輯方式，支持林火環(huán)境設(shè)計制作等森林消防專業(yè)應(yīng)用邏輯。

2 虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)的森林滅火指揮訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

森林滅火指揮訓(xùn)練系統(tǒng)基于Unity3D 引擎開發(fā)，該系統(tǒng)的主要功能有：支持基于狀態(tài)調(diào)度邏輯編寫，其特點為中文化的腳本命令，將C 語言實現(xiàn)的功能整合并封裝為一條條的中文腳本命令；基于短消息服務(wù)(short message service, SMS)的各種功能的狀態(tài)組件構(gòu)成的狀態(tài)庫；包括圖形用戶界面(unity graphic user interface, UGUI)事件、組件調(diào)度、多媒體、自定義動作、狀態(tài)調(diào)度、數(shù)據(jù)流、時間軸和流程管理等狀態(tài)組件。

可以快速搭建三維可交互訓(xùn)練腳本，其中包括：

1）生成三維地形；

2）基于三維地形的植被系統(tǒng)；

3）基于地形和植被的燃燒系統(tǒng)，燃燒系統(tǒng)可區(qū)分上山、下山等不同燃燒系數(shù)；

4）虛擬滅火工具體系（可設(shè)置滅火區(qū)域與滅火系數(shù)）；

5）森林消防三維模型庫；

6）交互邏輯生成體系（包括UI 控件交互、三維對象交互、運動路徑編輯等）；

7）語音、動畫、多媒體、文本嵌入與支持。

利用本平臺配置幾何三維地形、植被、人員工具、火燃燒等因素，快速生成森林消防腳本。腳本作為虛擬訓(xùn)練環(huán)境，輔助森林消防指揮人員訓(xùn)練，從而達到提高培訓(xùn)認知的目的，如圖2所示。軟件基礎(chǔ)架構(gòu)如圖3 所示。

圖2 森林滅火指揮訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)

圖3 軟件基礎(chǔ)架構(gòu)

由圖3 可知，軟件基礎(chǔ)架構(gòu)分為4 個層面：

1）資源配置層：資源配置主要對各種資源進行生成、存儲、調(diào)配等工作，其相應(yīng)資源被虛擬環(huán)境層所實時調(diào)用。

2）虛擬環(huán)境層：虛擬環(huán)境層分為2 個組成部分，第一部分是虛擬訓(xùn)練流程編輯器，其負責(zé)調(diào)用資源和角色邏輯進行編輯，生成相應(yīng)森林火情虛擬現(xiàn)場腳本，包括火情的初始情況、相應(yīng)地理環(huán)境和天氣情況、基礎(chǔ)虛擬人員及設(shè)備運動情況和特定觸發(fā)項等。第二部分是實時生成的虛擬場景，其包括虛擬訓(xùn)練流程編輯器所生成的腳本邏輯及三維場景。虛擬場景可以實時與交互邏輯層相互對接。

3）交互邏輯層：交互邏輯層屬于軟件系統(tǒng)的底層架構(gòu)，虛擬環(huán)境層實時調(diào)取其數(shù)據(jù)。交互邏輯層包含4 個組成部分。①交互邏輯控制單元：本單元給虛擬環(huán)境層進行交互基礎(chǔ)邏輯支持。如運動規(guī)則、觸發(fā)規(guī)則等等。②角色管理單元：在整個戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)中，分多種角色，角色之間的邏輯關(guān)系由角色管理單元負責(zé)其邏輯支持。例如，人的運動規(guī)則、車輛的運動規(guī)則等。③基礎(chǔ)AI 單元：本單元負責(zé)在沒有人工干預(yù)的情況下，火勢的自然走向規(guī)則和多種天氣、地形對火勢的影響邏輯。④復(fù)盤與評估單元：訓(xùn)練完成之后需要對整個訓(xùn)練進行復(fù)盤和評估，本單元主要提供相應(yīng)邏輯支持。

4）數(shù)據(jù)接口層：接口層主要負責(zé)與硬件設(shè)備進行接口數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)有3 個特點：一是易用性，無代碼編輯想定，想定邏輯的模板化，方便甲方相關(guān)人員和教學(xué)人員快速高效地進行新的訓(xùn)練和考試腳本的調(diào)整和生成；二是專業(yè)性，在和森林消防業(yè)務(wù)部門深入的溝通中，梳理了森林滅火專業(yè)的業(yè)務(wù)邏輯，通過虛擬現(xiàn)實和計算機仿真技術(shù)，研發(fā)了林火燃燒模型、植被資源模型、天氣模型以及針對我國實際的森林滅火裝備制作了大量模型資源；三是可拓展性，對比國外主流軟件，本系統(tǒng)可以更方便地設(shè)計復(fù)雜業(yè)務(wù)邏輯（根據(jù)不同使用者需求提供不同的服務(wù)）。

2.2 虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練腳本編輯管理平臺

在虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練腳本編輯管理平臺中，可預(yù)覽所有場景編輯器系統(tǒng)9 個模塊和8 個組件工具，具體如圖4 所示。并可通過對應(yīng)的操作，在中部的預(yù)覽圖中呈現(xiàn)。

圖4 場景編輯器

場景編輯器系統(tǒng)模板包括可燃編輯系統(tǒng)、可燃隨機系統(tǒng)、可燃節(jié)點模板、可燃線渲染器、基于地形的植被系統(tǒng)、基于地形的植被燃燒系統(tǒng)、基于地形的細節(jié)燃燒系統(tǒng)、基于地形的地表燃燒系統(tǒng)和虛擬時間系統(tǒng)，具體如圖5 所示。編輯器組件工具庫功能包括系統(tǒng)模塊、角色、導(dǎo)航圖、文本、相機、交互、多媒體和窗口等，如圖6 所示。

圖5 編輯器系統(tǒng)模塊功能

圖6 編輯器組件工具庫功能

2.3 虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練腳本編輯管理平臺

基于系統(tǒng)操作員預(yù)設(shè)火場虛擬場景及與其相關(guān)內(nèi)容，依據(jù)構(gòu)想材料及本人的分析判斷，操作虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)完成后續(xù)虛擬動作。

按照“分析判斷、撲救意圖、滅火戰(zhàn)法、力量部署及滅火手段”的程序，實操撲救不同形態(tài)火災(zāi)作業(yè)。通過底層虛擬場景編輯器，編輯設(shè)定21 項VR 訓(xùn)練內(nèi)容。包括“上山火”“下山火”“溝塘火”“樹冠火”“地表火”“地下火”“火翼火”“火谷火”“大風(fēng)火”“密林火”“疏林火”“灌林火”和“緊急避險”等科目。隨機抽選2 種形態(tài)火災(zāi)和1 種火場緊急情況處置構(gòu)想材料。

“撲救不同形態(tài)火災(zāi)00×號、00×號情況構(gòu)想和火場緊急情況處置00×號情況構(gòu)想”（大屏幕顯示虛擬場景，同步語音播報；考評員同步向受考人員下發(fā)文字構(gòu)想材料；受考人員作業(yè)區(qū)屏幕同步顯示構(gòu)想材料內(nèi)容及虛擬現(xiàn)實場景）—受考人員熟悉構(gòu)想材料，開始計時（計時員同步計時，約15 min）—計時結(jié)束（計時員終止計時）—受考人員開始作業(yè)，計時開始（計時員同步計時，約25 min）（受考人員依據(jù)構(gòu)想材料和虛擬現(xiàn)實場景展開并提交作業(yè)；采取文字作業(yè)、口語與肢體語言相結(jié)合、實操系統(tǒng)等方式作業(yè)；大屏幕同步顯示受考人員后續(xù)構(gòu)建的虛擬動作路徑；考評員同步評判）—計時結(jié)束。

2.3.1 火場情況偵查功能

熟悉構(gòu)想材料。在項目中，指揮員根據(jù)火場情況偵查，得到基礎(chǔ)信息，如圖7 所示。

圖7 火場情況偵查

同時指揮員可以多角度觀察火場的基本情況，如圖8 所示。

圖8 多角度觀察火場情況

2.3.2 火場參數(shù)描述功能

需描述與火場相關(guān)的詳細指標(biāo)參數(shù)，如圖9 所示。包括天氣、溫度、風(fēng)向、指南針、不同視角觀察火場的角度、力量編成、裝備配備、部署班及中隊、時間軸速度提示、風(fēng)區(qū)風(fēng)力提示、風(fēng)區(qū)風(fēng)向提示、訓(xùn)練科目編號、火災(zāi)形態(tài)、具體訓(xùn)練科目詳情和作業(yè)要求，并提供語音播報功能、重新載入訓(xùn)練和退出訓(xùn)練等。

圖9 火場描述

2.3.3 火場裝備部署功能

指揮員在了解詳細文字描述后，進行力量編成和裝備配置的操作。可對不同隊伍進行不同裝備配置的操作，其中隊形設(shè)定及人員裝備配備細節(jié)見圖10。其中大隊部配置可選指揮車、水罐車、車載電臺、對講機和衛(wèi)星導(dǎo)航儀等；中隊裝備配置可選風(fēng)力滅火機、滅火水槍、鐵鍬、組合工具、油鋸、割灌機、點火器、加油器、滅火彈、水泵、配件箱、吸水管、貯水池、維修工具包和管帶框等。

圖10 隊形設(shè)定及人員裝備配備細節(jié)

2.3.4 火場力量編成位置部署功能

完成部署準備后，通過對上述情況的判斷，由指揮員做出對中隊、班的具體切入位置操作，圖11 為部署完成后進行滅火作業(yè)的示意。

圖11 完成部署進行滅火作業(yè)

2.3.5 滅火作業(yè)作訓(xùn)考試仿真功能

通過計算生成滅火作業(yè)虛擬現(xiàn)實場景腳本，中途可暫停，腳本隨時間軸推進，可以進行二次編輯部署，最終完成滅火作業(yè)，具體如圖12 所示。

圖12 滅火作業(yè)

3 指揮訓(xùn)練與考評模式

該系統(tǒng)組織開展訓(xùn)練與考評的總體思路：以訓(xùn)練考評為核心，以強能提質(zhì)為目的，以課題訓(xùn)練為牽引，以“三案”實操為方法，以資源平臺為保障，以虛擬技術(shù)為支撐，在近似實地、實景、實情、實戰(zhàn)背景下，組織開展實操性訓(xùn)練與考評。

3.1 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)支撐的指揮訓(xùn)練

訓(xùn)練的目的是：通過訓(xùn)練，提升指揮員的戰(zhàn)時組織指揮能力，磨練戰(zhàn)術(shù)思想，豐富戰(zhàn)術(shù)素養(yǎng)，為實戰(zhàn)條件下組織指揮滅火行動打下堅實基礎(chǔ)。

訓(xùn)練的程序是：1)訓(xùn)練準備：主要包括設(shè)置場地器材、調(diào)試設(shè)施設(shè)備、擬寫訓(xùn)練教案、構(gòu)設(shè)虛擬場景、準備輔助資料和宣布作業(yè)提要等內(nèi)容。2)訓(xùn)練實施：主要包括綜述情況、講解重點和應(yīng)考提示等內(nèi)容。3)訓(xùn)練講評：主要包括總結(jié)回顧、重復(fù)重點、指出問題、提出要求和布置作業(yè)等內(nèi)容。

訓(xùn)練的內(nèi)容是：圍繞實戰(zhàn)當(dāng)中的5 個階段組織實施。即啟動應(yīng)急響應(yīng)階段、組織力量投送階段、組織直前準備階段、組織戰(zhàn)斗實施階段和組織撤離返營階段。

訓(xùn)練的重點是：突出課題訓(xùn)練。所謂課題，就是重點圍繞“組織戰(zhàn)斗實施階段”中的撲救不同形態(tài)森林火災(zāi)當(dāng)中的“分析判斷、撲救意圖、滅火戰(zhàn)法、力量部署、滅火手段”和火場緊急情況處置當(dāng)中的“險情判斷、處置措施、注意事項”等小課題，進行深研式、深耕式剖析和實訓(xùn)。每個小課題均有其規(guī)范要素和展開方法。

訓(xùn)練的方法是：主要采取“三案組織法”組織實施。所謂“三案”，即引導(dǎo)案、提交案和參考案。引導(dǎo)案即情況構(gòu)想，由組訓(xùn)人員下達給受訓(xùn)人員。其作用是引導(dǎo)受訓(xùn)人員思考、消化、理解情況構(gòu)想的全部內(nèi)容和信息。提交案即受訓(xùn)人員的作業(yè)展開過程。其作用是檢驗受訓(xùn)人員是否按程序、按步驟、按規(guī)范、按要求進行作業(yè)。參考案即組訓(xùn)人員綜合提交情況給出的參考答案。其作用是按照當(dāng)前部局規(guī)范性文件特別是滅火實戰(zhàn)要求，為受訓(xùn)人員提供較為詳細、較為準確、較為全面的滅火組織指揮和火場緊急情況處置的程序和方法，以利于貫徹落實到滅火實戰(zhàn)當(dāng)中。訓(xùn)練當(dāng)中以分段指導(dǎo)、階段小結(jié)和總體講評等方法組織實施。

訓(xùn)練的方式是以集團作業(yè)為主，編組作業(yè)為輔。集團作業(yè)，即同一背景、同一身份、統(tǒng)一作業(yè)。編組作業(yè)，即同一背景、不同身份、分別作業(yè)。根據(jù)訓(xùn)練需要，另輔之以分段作業(yè)、連貫作業(yè)和綜合演練等訓(xùn)練方式。

訓(xùn)練的手段是：基于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)支撐，依托訓(xùn)練教案、訓(xùn)練課件和預(yù)設(shè)場景模型展開沉浸式森林火災(zāi)撲救和避險訓(xùn)練。特別是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)設(shè)的仿真地形、仿真植被、仿真氣象、仿真火環(huán)境、仿真隊伍、仿真裝備，是利用該系統(tǒng)開展訓(xùn)練的核心手段，這也是這一系統(tǒng)最為突出的核心技術(shù)價值和最為突出的一個亮點。

3.2 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)支撐的指揮考評

考評的目的是：指揮考評是指揮訓(xùn)練的延伸和繼續(xù)，是檢驗指揮訓(xùn)練成果的一種方式，目的在于將訓(xùn)練的諸要素貫穿于近似實戰(zhàn)條件下的連貫性考核和評價，進而提升指揮員的組織指揮能力并付諸滅火實戰(zhàn)。同時，也為指揮員獲取指揮資質(zhì)提供準確和可靠的依據(jù)。

考評的程序是：1)考評準備。主要包括考評機構(gòu)起草作業(yè)提要和構(gòu)想材料，預(yù)設(shè)虛擬場景，制定考評標(biāo)準。2)考評實施。包括宣布作業(yè)提要、隨機抽簽選題、下發(fā)情況構(gòu)想、展開實操作業(yè)和現(xiàn)場同步評判。3)考評結(jié)束。包括提交作業(yè)成果、匯總考評成績、形成評價結(jié)論和錄入系統(tǒng)存檔。

考評的內(nèi)容是：主要分為3 部分：一是理論考評。介紹軟件時已作具體匯報，這里不再重復(fù)。二是實操考評。即受考人員按照“分析判斷、撲救意圖、滅火戰(zhàn)法、力量部署和滅火手段”的程序，實操撲救不同形態(tài)火災(zāi)作業(yè)。按照“險情判斷、避險措施和注意事項”的程序，實操火場緊急情況處置作業(yè)。三是能力評估。為從另一個方面考察受考人員的指揮能力，在每個考核分項當(dāng)中均相對應(yīng)設(shè)計了觀察判斷、處置協(xié)調(diào)和機動應(yīng)變3 種指揮能力，其權(quán)重和分值與其對應(yīng)的考核項目權(quán)重和分值相同?？己隧椖恐饕獮樵u價受考人員等級提供依據(jù)，能力評估主要考察受考人員各項指揮能力的強弱，作為下一步努力和改進的方向。

考評的方式是：以集團作業(yè)方式組織實施。即同一背景、同一身份、統(tǒng)一作業(yè)。

考評的方法是：統(tǒng)一組織、單個作業(yè)、系統(tǒng)支撐、現(xiàn)場評判。其中現(xiàn)場評判按照“先定性后定量，先分評再總評”的方法和順序?qū)嵤?/p>

考評的權(quán)重是：理論部分20%，實操部分80%，總評為100 分。

考評的等級是：總體評價分為兩級制，即合格與不合格。總評成績70 分（含）以上為合格，即獲取資質(zhì)準入；70 分（不含）以下為不合格，即未獲取資質(zhì)。

考評的手段是：基于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)支撐，依托情況構(gòu)想、預(yù)設(shè)場景模型、評判標(biāo)準展開沉浸式森林火災(zāi)撲救和避險考核。同樣，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)設(shè)的各種仿真環(huán)境和資源，是該利用該系統(tǒng)開展考評的核心手段和突出亮點。

4 結(jié)束語

本文針對森林消防專業(yè)隊伍指揮員訓(xùn)練和考評方式，進行了全新訓(xùn)練和考評的設(shè)計和規(guī)劃，充分分析和利用虛擬現(xiàn)實、仿真、人工智能等技術(shù)，通過虛擬實訓(xùn)降低人員安全風(fēng)險，和傳統(tǒng)訓(xùn)練場地相比成本大幅降低；通過實時留存訓(xùn)練記錄，有針對性訓(xùn)練，快速提升消防人員專業(yè)技能，縮短訓(xùn)練周期。

本系統(tǒng)可以根據(jù)訓(xùn)練需求虛擬出任何種類災(zāi)害事故場景，特別是一些在實際訓(xùn)練中無法設(shè)定的災(zāi)害事故場景，如森林火災(zāi)場景，進而達到訓(xùn)練場景逼真、減少訓(xùn)練成本、降低訓(xùn)練危險性的目的。同時，本文論證的系統(tǒng)最大的一個特點是參與訓(xùn)練的多名消防指戰(zhàn)員在虛擬環(huán)境下的真實性和互動性體驗，也就是戰(zhàn)斗員都進入了一個事先編輯好的虛擬仿真世界中，在這個世界中參訓(xùn)人員彼此之間是可以看到對方的存在并進行交流互動的，相互之間可以協(xié)同配合完成各種實戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)。該系統(tǒng)的建成，對于豐富森林滅火訓(xùn)練和考評手段，探索建立規(guī)范化、信息化森林滅火指揮員訓(xùn)練考評體系，具有十分重要的價值和現(xiàn)實意義。