公安院校消防虛擬仿真教學系統的設計與研發

李克建

摘 要：消防工作是公安消防部隊在新時期的主要任務。近年來，伴隨迅猛發展的城市現代化建設，火災事故的多發性和滅火救援任務的艱巨性日顯凸出。開展消防仿真虛擬訓練是新形勢下提高公安院校學生訓練質量、消防知識認知水平及滅火實戰能力的必由之路。因此，通過虛擬現實技術建立消防知識認知的體驗環境和相關模擬訓練軟件，以有效提高學生的專業素質和水平，滿足公安院校為公安基層民警隊伍培養合格人才的需求。

關鍵詞：公安院校 消防 虛擬仿真教學系統 設計

中圖分類號：TU998.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（b）-0128-03

公安院校學生未來就業方向主要是公安基層民警，而消防監督工作是公安基層工作的重要組成部分，因此，學生對消防監督檢查流程及重點應有一定了解，對通用消防器材裝備應熟練使用及對火災初期應靈活處置，而這些方面的教學工作在實際教學中存在教學與實際脫節的矛盾。隨著建模與虛擬仿真技術的快速發展，計算機模擬訓練以其特有的優點越來越受到高校的重視[1]。消防虛擬仿真教學系統的研發可以很好地解決教學與實際脫節的矛盾[2]。該教學系統由訓練（軟件）系統和3D交互沉浸環境（硬件）系統兩大部分構成，系統軟件部分通過三維虛擬仿真技術進行設計和研發，系統硬件部分為配套虛擬交互訓練內容實現3D沉浸交互功能應用的硬件平臺支撐，上述兩部分共同構成整個教學系統，以實現在虛擬環境下達到真實環境條件進行實驗認知、訓練的效果。

1 消防虛擬仿真教學系統軟件平臺的設計

根據目前公安基層工作的需要，教學系統軟件平臺由消防監督檢查、消防裝備與滅火技術和滅火救援指揮3部分組成。

1.1 消防監督檢查

消防監督檢查虛擬訓練系統以三維仿真的某大型商業綜合體為背景，利用虛擬仿真技術模擬商場中各消防設施、消防器材和相關消防設備與消防區域的設置情況。該系統主要包括消防監督檢查教學展示（3D效果）、消防監督檢查的組織、實施消防監督檢查訓練、對舉報、投訴的消防違法行為的查處訓練、重大火災隱患的判定、立案、督辦和消案的訓練、恢復施工（使用、生產、營業或者舉辦）的檢查訓練等部分。（如圖1所示）

該系統可以生動立體地講述消防知識，同時培訓學生在任意一個普通場景中，能夠完成消防監督檢查的各項工作措施，掌握消防監督檢查的技能，實現教學目標。系統設計使用虛擬環境、立體成像設備、模擬軟件的方式，一方面使學生全方位多角度的形式進入立體虛擬環境中去，身臨其境地到現場去發現問題、聽取解決辦法、學習相關知識；另一方面則利用安裝了“消防監督檢查虛擬實訓系統”的PC機，通過可視化交互，讓學生能自我做出判斷，發現并記錄虛擬場景中存在的安全隱患，以達到實訓要求，完成目標。

1.2 消防裝備與滅火技術模擬演練系統

鑒于學生對消防滅火實際操作知識的匱乏，以及經驗的欠缺，因此，需要通過實際動手訓練來提高學生實踐能力，以便日后能從容應對各種危機情況。由于火災本身是一個很難控制的事件，其危害性巨大，擴張速度迅猛，稍有不慎即可對人們的生命財產造成嚴重損失，因此，通過實際引發一場火災來進行撲救，達到訓練的目標自然是非常不可取的。但學生終究必須是要掌握消防滅火技術，如何連接理論知識和實際撲救之間的紐帶，達到訓練的目標，就成為了必須解決的問題。為解決理想與現實之間的矛盾，虛擬現實技術顯得尤為合適。消防裝備與滅火技術虛擬演練系統可全真模擬出火災現場環境、風力風向、火情蔓延面積等；細節來講，包括樓層通道、燃燒物質、火光火焰、煙霧層層等；撲救操作方面來講，包括各類滅火器使用的方式方法（如，除掉鉛封、拉下保險銷、對準火源、按壓手柄），以及室內、外消火栓的連接和使用模擬。因此，這套虛擬火災撲救系統可從宏觀到微觀層層遞進展開撲救技術訓練，兼具安全性和交互性，加之輕量化的演練環境，是火災撲救訓練最科學完善的解決方案。（如圖2所示）

1.3 滅火救援指揮模擬訓練系統

滅火救援指揮模擬訓練系統以某大型商業綜合體為實戰訓練背景，利用虛擬仿真技術模擬生成特定環境條件下的虛擬火災事故場景；受訓學員依據應急救援戰術原則進行指揮決策，調動和部署搶險救援力量，形成戰斗方案，控制事故的發展和蔓延；并依據戰術知識庫，以模擬訓練系統提供的訓練監控、記錄回放等工具為輔助，記錄、分析受訓學員的戰斗方案，對受訓學員的戰斗方案進行邏輯推理，最終進行評判結果和結果解釋；虛擬火災事故場景也隨著戰斗方案的執行實時產生動態的仿真效果，為受訓學員創建一個具有高度沉浸感以及符合實際情況的訓練環境。該系統主要包括滅火救援指揮教學展示（3D效果）、接處警訓練需求、滅火救援指揮訓練需求、模擬訓練臺需求和場景、模型及處置效果需求等部分。（如圖3所示）

2 消防虛擬仿真教學系統硬件平臺的設計

消防虛擬仿真教學系統硬件平臺以三通道沉浸式環境G-Discover為主，同時配以學生機房，滿足教學認知以及課程考核的需要。（如圖4所示）

2.1 立體顯示系統

作為整個虛擬現實仿真平臺的顯示部分，顯示系統效果的好壞對整個系統表現的影響非常大。系統一般由投影機、投影屏幕、機械結構實現。其核心是根據使用要求和現場情況（環境光情況、場地情況、觀眾等），選擇恰當的投影方式，在投影方式確定的前提下，選擇適當的投影機、投影屏幕和結構形式以形成最佳的視場。由于顯示屏面積較大，圖像均勻性及一致性要求突出。

2.2 圖形圖像處理系統

由于虛擬系統所采用的軟件占用較大空間資源，因此，對計算機硬件的要求隨之提高，當前虛擬系統中的計算機硬件以高性能圖形工作站為主流，具體配置因所采用的建模和分析軟件不同而不同。

2.3 交互系統

虛擬設計平臺中的人機交互設備包括動作捕捉系統、半實物仿真滅火器、半實物仿真水槍等，可以使設計者和觀察者實時地對多通道顯示屏幕上的內容進行綜合操控，實現用戶與三維模型的交互瀏覽和相關訓練操作。

2.4 教學考核機房

包含學生機和教師機若干臺，“消防監督檢查”的學生考核部分、“消防裝備與滅火技術模擬演練”的認知教學部分、“滅火救援指揮”的協同操作演練部分均在該機房中完成。

2.5 火災現場信號轉播系統

可將當地公安消防部門消防指揮大廳通過衛星信號車采集到的火災現場視頻信號，通過網絡傳輸的形式接入到實驗室的投影環境中，供學生進行火災實戰的觀摩教學[3]。

消防虛擬仿真教學系統利用虛擬現實、三維仿真建模與再現技術、三維場景渲染技術等先進手段真實的再現各類場所火災現場的環境，以消防日常設備設施安全監督檢查，災害事故救援的應急指揮、處置和救護為主線，通過三維人機交互式教學實訓模式為學生針對以上不同場地條件和狀況下的消防安全檢查、面臨火災的自救、維持火災現場秩序、組織疏散及指揮群眾逃生等采取正確的指揮調度措施、應急處置辦法和消防設備器材的工作原理及使用等進行設計與研發，從而增強受訓者的臨場感覺，提升應急學員的快速反應和處置能力。

參考文獻

[1] 蔡丁友.優課虛擬仿真實驗室在化學實驗教學中的應用[J].教育信息技術，2013（6）：13-15.

[2] 劉昆，王廣生.基于三維實時渲染技術的虛擬火災訓練系統設計[J].計算機應用，2005，25（8）：1962-1964.

[3] 王乘，周均清，李利軍.Creator可視化仿真建模技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2005.