基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的消防救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的分析研究

李杰輝 宋文琦 陶鵬宇 姜芊葉

摘要：為解決消防救援隊(duì)伍典型災(zāi)害事故救援訓(xùn)練設(shè)備配置不足、場(chǎng)地空間受限、實(shí)戰(zhàn)演練頻次低的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，眾多學(xué)者探索引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的模擬訓(xùn)練方法。要確保模擬訓(xùn)練滿足實(shí)戰(zhàn)化的需求，系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)尤為重要。故詳細(xì)闡述基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的消防救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程，并以高層建筑火災(zāi)的應(yīng)用場(chǎng)景為例，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)軟件的功能設(shè)計(jì)和場(chǎng)景開(kāi)發(fā)應(yīng)用，以不斷提升典型火災(zāi)事故消防救援模擬訓(xùn)練的精準(zhǔn)度。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；模擬演練；場(chǎng)景應(yīng)用

中圖分類號(hào)：D631.6? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1227（2024）04-0001-04

根據(jù)國(guó)家消防救援局發(fā)布的全國(guó)消防救援隊(duì)伍接處警與火災(zāi)情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021至2023年度，全國(guó)消防救援隊(duì)伍共接報(bào)處置各類警情分別為195.6萬(wàn)起、209.2萬(wàn)起、213.8萬(wàn)起，其中火警分別為74.8萬(wàn)起、82.5萬(wàn)起、87.8萬(wàn)起，呈逐年遞增的趨勢(shì)[1-3]。隨著全國(guó)消防救援隊(duì)伍改制轉(zhuǎn)隸的順利完成，作為“國(guó)家隊(duì)、主力軍”的職責(zé)定位更為明確，隨之而來(lái)的應(yīng)急救援工作的壓力和挑戰(zhàn)也日益凸顯。因此，不斷提升消防救援隊(duì)伍面對(duì)各類典型火災(zāi)事故的應(yīng)急處置能力迫在眉睫。

當(dāng)下傳統(tǒng)的火災(zāi)事故救援培訓(xùn)有實(shí)戰(zhàn)模擬演習(xí)、課堂教學(xué)和基于情景的桌面推演等幾種方式，但都有其優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)戰(zhàn)演練能給消防救援人員帶來(lái)較為真實(shí)的救災(zāi)體驗(yàn)，但組織協(xié)調(diào)難度大，可重復(fù)性較差。課堂教學(xué)和基于情景的桌面練習(xí)等方式，主要由培訓(xùn)老師單純講授培訓(xùn)內(nèi)容，都缺乏真實(shí)火災(zāi)救援現(xiàn)場(chǎng)的體驗(yàn)感，多為機(jī)械性記憶，缺乏實(shí)操實(shí)訓(xùn)。然而，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，將其引入典型火災(zāi)事故救援培訓(xùn)體系中，是對(duì)傳統(tǒng)培訓(xùn)模式的一種提升和補(bǔ)充。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防領(lǐng)域的應(yīng)用

在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于消防領(lǐng)域。美國(guó)研究開(kāi)發(fā)的Flame-sim消防訓(xùn)練游戲軟件是一款用于事件指揮官和消防隊(duì)員火場(chǎng)決策訓(xùn)練的3D實(shí)時(shí)模擬訓(xùn)練軟件[4]。瑞典林雪平大學(xué)計(jì)算機(jī)信息科學(xué)系提出了一種森林火災(zāi)事故消防模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，可以逼真模擬消防救援人員、救援指揮員等多個(gè)不同角色進(jìn)行模擬實(shí)訓(xùn)[5]。英國(guó)也較早地將VR應(yīng)用到消防領(lǐng)域中，Colt VirtualReality公司開(kāi)發(fā)的消防疏散系統(tǒng)，用來(lái)訓(xùn)練消防人員在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)急反應(yīng)，模擬不同的疏散情形進(jìn)行救援[6]。

在國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域相關(guān)研究中，中國(guó)石油化工股份有限公司青島安全工程研究院開(kāi)發(fā)了石化火災(zāi)事故應(yīng)急訓(xùn)練模擬裝置[7]，中國(guó)海洋大學(xué)研究開(kāi)發(fā)了基于Cortex的“消防裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)”，二者均有所突破[8]。但目前國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的場(chǎng)景實(shí)用性較為單一，實(shí)用性不強(qiáng)，軟件的互動(dòng)性不高。

2 VR軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1? 軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)及設(shè)計(jì)思路

軟件框架分為“輸入端、客戶端、數(shù)據(jù)中心、存儲(chǔ)中心、輸出端”五大部分。其中輸入端主要是VR手柄以及腦電監(jiān)測(cè)等設(shè)備。客戶端主要包含交互邏輯模塊、場(chǎng)景管理模塊、軟件交互管理模塊、模型資源管理模塊以及UI模塊等六個(gè)模塊。數(shù)據(jù)中心主要包含成績(jī)管理、用戶信息管理、時(shí)間判定管理、腦電信息管理等。存儲(chǔ)中心主要是軟件整體信息的儲(chǔ)存中樞。輸出端的設(shè)備主要包括桌面顯示設(shè)備、VR頭顯設(shè)備、煙熱風(fēng)電設(shè)備以及力反饋背心設(shè)備等。

2.2? 腳本設(shè)計(jì)

腳本設(shè)計(jì)內(nèi)容包括項(xiàng)目?jī)?nèi)容流程圖繪制、美術(shù)建模工作量圖標(biāo)等。首先，要假定火情，完成火場(chǎng)素材和相關(guān)數(shù)據(jù)收集匯總，包括場(chǎng)景火災(zāi)前后的全景素材、場(chǎng)景平面圖、全景監(jiān)控素材、火場(chǎng)圖片視頻素材等。其次，梳理火災(zāi)場(chǎng)景現(xiàn)場(chǎng)救援行動(dòng)的裝備器材、具體操作要求、考核要點(diǎn)等內(nèi)容，整合出一個(gè)原始文字腳本內(nèi)容，并通過(guò)論證和確認(rèn)。最后，完成分鏡腳本的繪制工作，由分鏡內(nèi)容推演軟件架構(gòu)的搭建。

2.3? 功能設(shè)計(jì)

結(jié)合對(duì)受訓(xùn)人員的用戶分析、使用情境分析以及功能分析，從而確定本軟件系統(tǒng)主要包括教學(xué)、訓(xùn)練和考核三大核心功能模塊，支持在處置過(guò)程中以不同角色參與教學(xué)和訓(xùn)練。

在教學(xué)模式下，受訓(xùn)人員根據(jù)需要選擇相應(yīng)科目，系統(tǒng)通過(guò)文本、圖片、PPT或視頻等方式開(kāi)展交互學(xué)習(xí)，在場(chǎng)景中嵌入相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，對(duì)技術(shù)要點(diǎn)和操作技巧進(jìn)行講解。學(xué)習(xí)過(guò)程中受訓(xùn)人員隨時(shí)可以通過(guò)VR交互手柄等工具對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容開(kāi)展翻頁(yè)、運(yùn)行、暫停、快進(jìn)、后退等操作，學(xué)習(xí)內(nèi)容則通過(guò)顯示屏或者頭戴顯示器展示給受訓(xùn)人員。

在訓(xùn)練模式下，受訓(xùn)人員根據(jù)訓(xùn)練科目特點(diǎn)，選擇以第一視角或第三視角開(kāi)展體驗(yàn)性技能操作訓(xùn)練。訓(xùn)練模式執(zhí)行過(guò)程中，施訓(xùn)人員可以隨時(shí)中斷或改變訓(xùn)練內(nèi)容，從而增強(qiáng)訓(xùn)練難度。同時(shí)，施訓(xùn)人員可根據(jù)系統(tǒng)提示性內(nèi)容開(kāi)展跟隨訓(xùn)練，從而達(dá)到技能操作和執(zhí)行流程正規(guī)化訓(xùn)練目的。軟件第三視角畫(huà)面見(jiàn)圖1。

在考核模式下，受訓(xùn)人員在無(wú)提示場(chǎng)景中開(kāi)展不間斷考核?？己藘?nèi)容涵蓋全部教學(xué)內(nèi)容和訓(xùn)練內(nèi)容，考核方式包括知識(shí)點(diǎn)選擇答題和自主技能操作?？己嗽u(píng)價(jià)方法以最終百分為標(biāo)準(zhǔn)，在選擇答題環(huán)節(jié)，隨機(jī)設(shè)置20道選擇題；在實(shí)操訓(xùn)練環(huán)節(jié)，隨機(jī)選擇一種火災(zāi)場(chǎng)景，在隨機(jī)著火點(diǎn)條件下開(kāi)展滅火救援實(shí)操，根據(jù)操作用時(shí)和錯(cuò)誤動(dòng)作檢測(cè)，由系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)價(jià)賦分。

另外，同步開(kāi)發(fā)心理訓(xùn)練模塊應(yīng)用場(chǎng)景，將火災(zāi)場(chǎng)景下涉及燃燒點(diǎn)的監(jiān)控錄像、真實(shí)的火場(chǎng)圖片和視頻資料嵌入場(chǎng)景地圖中，在場(chǎng)景中設(shè)置熱點(diǎn)點(diǎn)擊提示受訓(xùn)人員進(jìn)行觀看，通過(guò)感官刺激，加強(qiáng)對(duì)用戶心理狀態(tài)的沖擊，對(duì)心理測(cè)評(píng)后腦電設(shè)備的信息進(jìn)行采集呈現(xiàn)，獲取受訓(xùn)人員的心理測(cè)評(píng)相關(guān)結(jié)果。

3 VR軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

3.1? 場(chǎng)景搭建軟件3ds MAX

本系統(tǒng)利用3ds MAX對(duì)系統(tǒng)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行模型的搭建。3ds MAX是Discreet公司開(kāi)發(fā)的三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作軟件，具備豐富的建模功能和強(qiáng)大的渲染能力。本文利用3ds MAX軟件火災(zāi)場(chǎng)景建筑的三維模型，搭建建筑內(nèi)部樓梯間、疏散走道、安全出口、房間基礎(chǔ)布局、建筑消防設(shè)施以及消防車輛、消防器材等三維實(shí)體模型，同時(shí)建立消防指揮員、消防員、群眾等人員模型，進(jìn)行骨骼綁定和行為動(dòng)畫(huà)制作。

3.2? 系統(tǒng)搭建軟件Unity3D

本系統(tǒng)利用Unity3D來(lái)進(jìn)行搭建。Unity3D是由Unity Technologies開(kāi)發(fā)的，是全面整合了三維場(chǎng)景、動(dòng)畫(huà)效果、三維視頻的專業(yè)游戲引擎[9]。根據(jù)前期收集的火災(zāi)場(chǎng)景資料和腳本設(shè)計(jì)，將3D模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D軟件，構(gòu)建火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的三維虛擬場(chǎng)景。根據(jù)前期軟件的功能設(shè)計(jì)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)人員控制軟件虛擬消防人員完成各種火場(chǎng)滅火救援操作動(dòng)作。

3.3? 交互實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是使受訓(xùn)者和系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的聯(lián)系，這就需要配置交互設(shè)備和系統(tǒng)場(chǎng)景的相應(yīng)適應(yīng)化改良。為進(jìn)一步提升系統(tǒng)交互的真實(shí)感和實(shí)操性，本系統(tǒng)配置了VR頭盔套裝、行走模擬座椅及背心等特殊VR硬件交互設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)人員在訓(xùn)練場(chǎng)景中的移動(dòng)交互。

根據(jù)上述交互設(shè)備特點(diǎn)，不斷調(diào)整火災(zāi)場(chǎng)景視角VR化、交互VR化、界面VR化，對(duì)相應(yīng)的視角和交互方式進(jìn)行適應(yīng)化改良。另外，本系統(tǒng)軟件還支持基于煙、熱、風(fēng)、光及力反饋設(shè)備的接入，支持煙、熱、風(fēng)、光、觸的效果呈現(xiàn)，能夠讓除視覺(jué)感官外的其他感官方式更加接近真實(shí)效果，增強(qiáng)沉浸感。

4 高層建筑火災(zāi)事故應(yīng)用場(chǎng)景開(kāi)發(fā)實(shí)例

4.1? 火情設(shè)定

某日，轄區(qū)內(nèi)某高層民用建筑801室發(fā)生火災(zāi)，現(xiàn)場(chǎng)煙霧較大，有明火燒出窗外，且有持續(xù)擴(kuò)大蔓延趨勢(shì)，起火房間內(nèi)有人員被困。該高層建筑高度110m，設(shè)有1部防煙樓梯間，室內(nèi)消火栓166個(gè)，室外消火栓4個(gè)，公共區(qū)域設(shè)置自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)等固定消防設(shè)施。起火房間面積101m2，戶型為三室兩廳兩衛(wèi)，設(shè)有基礎(chǔ)家具陳設(shè)。

4.2? 火災(zāi)事故處置應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)

4.2.1? 角色設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)

火災(zāi)事故處置現(xiàn)場(chǎng)涉及角色有指揮崗和執(zhí)行崗之分。指揮崗是指現(xiàn)場(chǎng)的消防指揮員，主要分為總隊(duì)、支隊(duì)、消防站三級(jí)指揮員，對(duì)其相應(yīng)所控制的各類角色下達(dá)操作指令。執(zhí)行崗角色主要是分為班長(zhǎng)、戰(zhàn)斗員、安全員、偵察員、通訊員等，其是完成相關(guān)操作任務(wù)，同時(shí)向指揮崗角色匯報(bào)相關(guān)情況。受訓(xùn)人員根據(jù)自身訓(xùn)練內(nèi)容和科目，可選擇單一角色操作訓(xùn)練，也可選擇全流程角色訓(xùn)練任務(wù)。

4.2.2? 系統(tǒng)場(chǎng)景界面的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)

本系統(tǒng)采用第一視角操作界面，在界面上方設(shè)計(jì)了360°全景方向圖標(biāo)，為受訓(xùn)者提供方向指引。在界面下方設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)高層火災(zāi)處置流程選擇界面，分別為力量調(diào)集、火情偵察、登高進(jìn)入、疏散救人、固定消防設(shè)施選擇、陣地設(shè)置、內(nèi)攻滅火火場(chǎng)排煙、清理移交等處置項(xiàng)目選擇按鈕。在界面左側(cè)區(qū)域設(shè)計(jì)AI工作手札模塊，在教學(xué)和訓(xùn)練模式下為受訓(xùn)者提供教學(xué)要點(diǎn)和操作指引。在界面左側(cè)區(qū)域還設(shè)計(jì)了部分消防設(shè)備的快捷按鈕，方便受訓(xùn)者快捷操作。界面右側(cè)設(shè)置了地圖和工具箱操作按鈕，將現(xiàn)場(chǎng)總平面布局圖、建筑平面圖、房間平面圖等地圖信息集合在地圖按鈕中，方便受訓(xùn)人員調(diào)取使用；工具箱按鈕中集合了各類滅火救援裝備，方便受訓(xùn)人員學(xué)習(xí)和調(diào)取使用。界面右側(cè)下方還設(shè)置了秒表計(jì)時(shí)器，為受訓(xùn)者提供操作時(shí)間提示。系統(tǒng)操作界面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

4.2.3? 火災(zāi)處置流程模塊的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)

本系統(tǒng)場(chǎng)景中最核心的板塊就是火災(zāi)處置流程模塊。根據(jù)火情假定和現(xiàn)場(chǎng)建筑相關(guān)情況，梳理匯總高層建筑滅火救援的處置流程為：完成力量調(diào)集工作，協(xié)調(diào)AI進(jìn)行警戒疏散等工作，前往安全員處進(jìn)行安全檢查，“樓道排煙”和“放置分水器”任務(wù)為并行任務(wù)，不分先后，放置分水器后，連接水帶，破拆房門，房門破拆需協(xié)調(diào)AI協(xié)助，緩開(kāi)門，防止回火，進(jìn)入火場(chǎng)核心區(qū)域，需使用熱成像儀尋找火點(diǎn)和被困人員，隨后進(jìn)行室內(nèi)排煙讓可視范圍提升，然后前往滅火，使用直流水滅火，完成滅火后前往解救被困人員，對(duì)其需使用一次性防毒面罩，隨后協(xié)調(diào)AI隊(duì)友對(duì)其使用擔(dān)架救助，完成掃清灰燼工作后完成移交。將上述處置流程審議定稿后，繪制形成高層建筑火災(zāi)滅火救援處置流程框架圖，然后進(jìn)行逐一編程開(kāi)發(fā)。高層建筑火災(zāi)部分處置流程場(chǎng)景見(jiàn)圖3。

4.3? 考核評(píng)測(cè)模塊的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)

本系統(tǒng)的一個(gè)核心功能就是對(duì)受訓(xùn)者進(jìn)行考核評(píng)價(jià)。本系統(tǒng)的考核評(píng)價(jià)體系采用系統(tǒng)賦分和考官手動(dòng)評(píng)分結(jié)合的方式進(jìn)行綜合評(píng)定。一是靠使用Unity3D中的插件可實(shí)現(xiàn)視頻回放和操作流程、操作（下轉(zhuǎn)第14頁(yè)）（上接第3頁(yè)）數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)抓取，對(duì)考核點(diǎn)分別設(shè)置扣分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比操作人員考核流程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量化評(píng)價(jià)。二是在考官面前設(shè)置一塊高分辨率屏幕，顯示參訓(xùn)人員實(shí)訓(xùn)過(guò)程中的操作過(guò)程和場(chǎng)景畫(huà)面，通過(guò)觀察參與演練的指揮人員對(duì)車輛和人員部署是否得當(dāng)、戰(zhàn)術(shù)策略運(yùn)用是否恰當(dāng)、指令用語(yǔ)是否準(zhǔn)確、滅火救援技術(shù)運(yùn)用是否合理、消防救援班組之間配合是否默契等，實(shí)現(xiàn)考官手動(dòng)打分定性評(píng)價(jià)。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的典型火災(zāi)事故場(chǎng)景救援實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)既能夠逼真還原火災(zāi)事故現(xiàn)場(chǎng)，又能夠科學(xué)合理地提供火災(zāi)處置的全要素實(shí)訓(xùn)課程，給受訓(xùn)人員最直接的感官?zèng)_擊和最全面教學(xué)，內(nèi)置的考核模塊還可以作為消防員日?？己说闹匾侄魏鸵罁?jù)，大幅提升消防員的火場(chǎng)救援能力、反應(yīng)能力和協(xié)作能力，能夠解決當(dāng)前消防隊(duì)伍面臨的戰(zhàn)訓(xùn)難題，為今后的應(yīng)用案例提供指導(dǎo)。

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