煙草物流中心滅火救援逃生VR訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李志涌 呂永錁 賈學(xué)坤 吉志海

基金項(xiàng)目：重慶科技學(xué)院研究生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（YKJCX2220721）

第一作者簡(jiǎn)介：李志涌（1999-），男，碩士研究生。研究方向?yàn)橛蜌饣み^(guò)程安全。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.024

摘? 要：為提高煙草公司領(lǐng)導(dǎo)者與員工面對(duì)物流配送中心突發(fā)火災(zāi)的應(yīng)急救援和緊急逃生能力，提出一種以虛擬火災(zāi)事故場(chǎng)景為中心的滅火救援逃生VR訓(xùn)練系統(tǒng)。該文論述以訓(xùn)練系統(tǒng)的整體框架及不同場(chǎng)景為中心的角色扮演型模擬訓(xùn)練模式，詳細(xì)介紹系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)和各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，包括界面登錄模塊、場(chǎng)景控制模塊、訓(xùn)練管理模塊、視頻講解模塊、過(guò)程考核模塊和數(shù)據(jù)評(píng)估模塊6種功能結(jié)構(gòu)，視頻講解和VR訓(xùn)練系統(tǒng)多樣化的訓(xùn)練方式，加強(qiáng)訓(xùn)練者理論和實(shí)踐的結(jié)合。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以為煙草物流行業(yè)提供一種先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)，有效提升滅火救援和逃生能力，保證人員安全。

關(guān)鍵詞：煙草物流；滅火救援逃生；虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）；訓(xùn)練系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）12-0108-04

Abstract： In order to improve the emergency rescue and emergency escape ability of tobacco company leaders and employees in the face of sudden fire in logistics distribution centers， a fire fighting， rescue and escape VR training system centered on virtual fire accident scenes was proposed. This paper discusses the overall framework of the training system and the role-playing simulation training mode centered on different scenarios， and introduces in detail the functional structure of the system and the design of each module， including six functional structures： interface login module， scene control module， training management module， video explanation module， process assessment module and data evaluation module， as well as video explanation and diversified training methods of VR training system， so as to strengthen the combination of trainer's theory and practice. The results show that the system can provide an advanced virtual reality training system for the tobacco logistics industry， effectively improve the fire fighting， rescue and escape ability， and ensure the safety of personnel.

Keywords： tobacco logistics; fire fighting， rescue and escape; virtual reality （VR）; training system; system design

中國(guó)是世界上最大的煙草生產(chǎn)國(guó)和運(yùn)輸國(guó)[1]，煙草物流行業(yè)承擔(dān)著煙草產(chǎn)品的運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、分銷任務(wù)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，煙草行業(yè)也得到了飛速發(fā)展。煙草行業(yè)進(jìn)步的同時(shí)也帶來(lái)了很多的安全問(wèn)題，造成了大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。2020年6月17日湖南雙峰一居民住宅小區(qū)物流中轉(zhuǎn)門店發(fā)生火災(zāi)，造成7人死亡[2]；2022年9月20日，廣東中山一人抽煙后亂扔煙頭引發(fā)火災(zāi)，導(dǎo)致物流貨物發(fā)生起火，造成1人受傷[3]。煙草物流中心發(fā)生的火災(zāi)事故及機(jī)械傷害均會(huì)造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)的損失，因此開(kāi)展煙草物流的安全性研究是非常有必要的。

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）作為一種先進(jìn)的技術(shù)手段，已經(jīng)和教育培訓(xùn)、高端制造、文化娛樂(lè)、醫(yī)療健康及商業(yè)貿(mào)易等眾多領(lǐng)域融合[4-8]，展現(xiàn)出巨大的潛力，Abourgigah等[9]基于OGRE引擎和OIS系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了面向石化廠區(qū)的三維應(yīng)急救援演練平臺(tái)。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與煙草物流結(jié)合開(kāi)發(fā)了作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可視化平臺(tái)，但VR技術(shù)與火災(zāi)安全培訓(xùn)、應(yīng)急救援領(lǐng)域的融合尚未開(kāi)展。基于此，本文利用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)基于火災(zāi)事故場(chǎng)景的三維動(dòng)畫視頻案例庫(kù)，開(kāi)發(fā)員工的滅火救援和應(yīng)急逃生訓(xùn)練系統(tǒng)。通過(guò)教育警示和案例演練，提升戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急處置水平，盡可能減少煙草物流全流程、全業(yè)態(tài)活動(dòng)中的事故損失和不利影響，控制風(fēng)險(xiǎn)的進(jìn)一步延伸。

1? 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)和虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建

1.1? 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)拍、測(cè)繪數(shù)據(jù)的方法獲得工作現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際場(chǎng)景，結(jié)合建筑CAD和消防規(guī)范確定消防設(shè)施的外形與擺放位置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合。使用3D Max創(chuàng)建火災(zāi)及煙氣特效，將模型及場(chǎng)景導(dǎo)入3D Max后進(jìn)行場(chǎng)景的渲染和加工，增強(qiáng)災(zāi)害效果，其中還加入了滅火、逃生知識(shí)點(diǎn)，增強(qiáng)員工意識(shí)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互模擬訓(xùn)練，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1? 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)圖

1.2? 虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建

以場(chǎng)景為中心的訓(xùn)練系統(tǒng)，需要強(qiáng)交互性、添加特效并進(jìn)行渲染優(yōu)化打造出高逼真度的訓(xùn)練環(huán)境。為了構(gòu)建煙草物流中心滅火救援逃生VR訓(xùn)練系統(tǒng)，選擇辦公區(qū)域與疏散通道作為虛擬場(chǎng)景，設(shè)置火災(zāi)渲染效果和聲音特效，增加訓(xùn)練效果和真實(shí)感，虛擬場(chǎng)景在整合渲染完成后，加入火災(zāi)、煙霧等粒子特效，具體場(chǎng)景如圖2所示。

2? 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

滅火救援逃生模擬訓(xùn)練場(chǎng)景應(yīng)滿足實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練的要求，包含不同災(zāi)害場(chǎng)景下的滅火救援方式、人機(jī)交互式模擬和訓(xùn)練效果的綜合評(píng)估。滅火救援逃生VR訓(xùn)練系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)共包含以下6個(gè)模塊：界面登錄模塊、場(chǎng)景控制模塊、訓(xùn)練管理模塊、視頻講解模塊、過(guò)程考核模塊和數(shù)據(jù)評(píng)估模塊，具體過(guò)程結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1? 界面登錄模塊

界面登錄模塊包含用戶注冊(cè)、用戶登錄、用戶權(quán)限管理3部分，通過(guò)注冊(cè)功能記錄訓(xùn)練者的基本信息并輸入身份信息和密碼可以進(jìn)行用戶登錄，登錄成功后，系統(tǒng)會(huì)為用戶分配一個(gè)唯一的會(huì)話標(biāo)識(shí)符，以便后續(xù)進(jìn)行用戶身份驗(yàn)證和成績(jī)統(tǒng)計(jì)。

2.2? 場(chǎng)景控制模塊

場(chǎng)景控制模塊負(fù)責(zé)管理和控制煙草物流中心滅火救援逃生訓(xùn)練系統(tǒng)的場(chǎng)景切換和信息標(biāo)注功能，選擇答案正確與否會(huì)切換為不同場(chǎng)景，以提供多樣化的訓(xùn)練體驗(yàn)，場(chǎng)景切換完成后通過(guò)圖形渲染技術(shù)和其他視覺(jué)效果來(lái)模擬火勢(shì)、煙霧、光線等元素，真實(shí)還原火災(zāi)場(chǎng)景。

2.3? 訓(xùn)練管理模塊

訓(xùn)練管理模塊是煙草物流中心滅火救援逃生訓(xùn)練系統(tǒng)中最核心的模塊。其負(fù)責(zé)管理和組織用戶的訓(xùn)練過(guò)程，共包含滅火救援模式和逃生模式。初期火災(zāi)時(shí)，訓(xùn)練者應(yīng)選擇合適的滅火設(shè)備撲滅火災(zāi)，火勢(shì)較大時(shí)應(yīng)使用正確的逃生方法撤離火場(chǎng)。

在滅火救援模式中，訓(xùn)練者需要面對(duì)真實(shí)還原的火災(zāi)場(chǎng)景，需要應(yīng)對(duì)火勢(shì)、煙霧等各種挑戰(zhàn)。訓(xùn)練者發(fā)現(xiàn)火源后立即按下火災(zāi)報(bào)警按鈕，啟動(dòng)火災(zāi)應(yīng)急防控預(yù)案并撥打119報(bào)警電話，現(xiàn)場(chǎng)火勢(shì)較小時(shí)，選擇滅火器進(jìn)行滅火，觀看滅火器的正確使用方法并進(jìn)行實(shí)際操作，手持下壓閥對(duì)準(zhǔn)火焰根部完成滅火?；饎?shì)較大時(shí)選擇消火栓設(shè)備完成滅火過(guò)程，滅火救援功能的設(shè)計(jì)提高了訓(xùn)練者應(yīng)對(duì)突發(fā)火災(zāi)的能力，避免造成大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。火情難以控制時(shí)進(jìn)入逃生模式，在這個(gè)模式下，訓(xùn)練者將面對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)中的火災(zāi)場(chǎng)景，需要迅速尋找安全出口、穿越煙霧、避免火源等。此處設(shè)置有相關(guān)火災(zāi)知識(shí)考察，訓(xùn)練者需要選擇合適的逃生工具和逃生路線，選擇不同的逃生通道會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的場(chǎng)景，訓(xùn)練失敗后重新進(jìn)入逃生模式，在數(shù)據(jù)記錄模塊中記錄用戶在該模式下的訓(xùn)練次數(shù)、持續(xù)時(shí)間和成績(jī)。

2.4? 視頻講解模塊

視頻講解模塊提供了相關(guān)培訓(xùn)和指導(dǎo)的內(nèi)容，以視頻搭配人機(jī)交互的方式呈現(xiàn)，提供生動(dòng)直觀的講解材料，增強(qiáng)用戶的學(xué)習(xí)效果和訓(xùn)練體驗(yàn)。視頻講解模塊包含視頻錄制剪輯和視頻播放器功能，允許管理員或培訓(xùn)專家錄制和編輯訓(xùn)練者滅火救援和逃生訓(xùn)練的相關(guān)視頻內(nèi)容。

2.5? 過(guò)程考核模塊

針對(duì)用戶在訓(xùn)練過(guò)程中的表現(xiàn)和實(shí)際操作進(jìn)行評(píng)估和考核設(shè)計(jì)了過(guò)程考核模塊，共包括系統(tǒng)評(píng)判、場(chǎng)景演練、訓(xùn)練評(píng)估功能。基于用戶在訓(xùn)練過(guò)程中的操作和決策，對(duì)其表現(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)判，模塊會(huì)分析訓(xùn)練者的動(dòng)作是否符合滅火救援和逃生的最佳實(shí)踐，評(píng)估其操作的準(zhǔn)確性和效率。根據(jù)訓(xùn)練者不同場(chǎng)景的表現(xiàn)、訓(xùn)練次數(shù)、完成時(shí)間等指標(biāo)給出最終成績(jī)，生成用戶總體訓(xùn)練水平的評(píng)估報(bào)告。

2.6? 數(shù)據(jù)評(píng)估模塊

數(shù)據(jù)評(píng)估模塊負(fù)責(zé)記錄、分析、評(píng)估用戶在訓(xùn)練過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，幫助用戶了解其訓(xùn)練成績(jī)并提供個(gè)性化的反饋。共包括數(shù)據(jù)記錄功能、成績(jī)記錄功能、成績(jī)導(dǎo)出，訓(xùn)練者的完成情況、選擇錯(cuò)誤的逃生路線、題目作答情況不理想都將被記錄，管理者可以將所有參與訓(xùn)練者的個(gè)人信息和成績(jī)導(dǎo)出Excel表格并進(jìn)行針對(duì)化訓(xùn)練，提高個(gè)人火災(zāi)安全意識(shí)和滅火救援逃生能力。

3? 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上方案設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的煙草物流中心滅火救援逃生VR訓(xùn)練系統(tǒng)界面支持大屏幕顯示，增強(qiáng)訓(xùn)練者體驗(yàn)感，在系統(tǒng)總體架構(gòu)方面，遵循模塊化和分層架構(gòu)的原則，使用基于事件驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊之間的解耦和靈活性，通過(guò)定義清晰的接口和消息傳遞實(shí)現(xiàn)模塊之間的通信和交互。

進(jìn)入界面登錄時(shí)，提交自己的個(gè)人信息，可以進(jìn)入訓(xùn)練端和管理端，訓(xùn)練員在火災(zāi)初期、中期可以根據(jù)場(chǎng)景信息標(biāo)注指引選擇合適的滅火方式，火勢(shì)較大時(shí)不同的逃生方式進(jìn)入不同場(chǎng)景，正確作答考核題目時(shí)訓(xùn)練完成，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)訓(xùn)練者的表現(xiàn)進(jìn)行綜合評(píng)分，管理端為第三視角畫面，可全程觀看訓(xùn)練者的滅火救援方式與逃生路線。針對(duì)火災(zāi)知識(shí)訓(xùn)練，解決了煙草物流行業(yè)所面臨的高風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)際訓(xùn)練場(chǎng)景困難等問(wèn)題，提高了領(lǐng)導(dǎo)層及監(jiān)管者對(duì)員工的管理效果，為煙草物流行業(yè)的發(fā)展提供保障。

4? 結(jié)論

1）以真實(shí)煙草物流中心做為底本，添加辦公區(qū)域和逃生通道2個(gè)虛擬場(chǎng)景，不同階段火災(zāi)使用針對(duì)性滅火設(shè)備，火勢(shì)較大難以控制時(shí)立即選擇合適的撤離工具并根據(jù)安全出口指示逃生通道撤離，提高訓(xùn)練者真實(shí)場(chǎng)景下面對(duì)火災(zāi)的應(yīng)急處置和逃生能力。

2）煙草物流中心滅火救援逃生VR訓(xùn)練系統(tǒng)將訓(xùn)練系統(tǒng)分解為界面登錄模塊、場(chǎng)景控制模塊、訓(xùn)練管理模塊、視頻講解模塊、過(guò)程考核模塊和數(shù)據(jù)評(píng)估模塊，利用模塊化功能設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)具有更好的可拓展性和可維護(hù)性，便于管理者進(jìn)行后續(xù)功能設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

3）系統(tǒng)中加入視頻講解與知識(shí)點(diǎn)測(cè)試環(huán)節(jié)提供多樣化的學(xué)習(xí)方式，訓(xùn)練過(guò)程更加直觀，更好地理解和記憶教學(xué)內(nèi)容，測(cè)試環(huán)節(jié)通過(guò)題目形式進(jìn)行互動(dòng)和檢測(cè)，激發(fā)訓(xùn)練者的參與和思考，視頻講解和VR訓(xùn)練系統(tǒng)相輔相成，增強(qiáng)學(xué)習(xí)者綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，為后續(xù)煙草行業(yè)安全管理提供一種思路。

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