虛擬現實技術在災害救援演練中的應用價值

孫秀明，安麗娜，彭碧波

虛擬現實技術在災害救援演練中的應用價值

孫秀明，安麗娜，彭碧波

隨著計算機和電子信息技術的快速發展，虛擬現實（virtual reality，VR）技術已經逐漸發展成熟，加之近年來我國災害事件頻發， VR技術在災害救援方面的應用也越來越多，如地震救援演練、消防訓練、災難教育等。本研究對VR在自然災害及人為災難等救援領域的需求性、可行性及已有應用案例現狀作一總結，并對VR在該領域的應用前景進行了討論，以期為今后災害救援演練提供指導性建議。

虛擬現實；突發災害；應急救援演練

【Key words】 virtual reality; sudden disasters; emergency rescue drill

虛擬現實（virtual reality，VR）也稱人工環境或靈境技術，是近年來發展起來的一項高新技術手段。其借助于計算機或相關硬件設備模擬產生一個三維空間的虛擬世界，為使用者提供聽覺、視覺、嗅覺、觸覺等多種感官的實時模擬與實時交互，讓使用者擁有身臨其境般感受，可隨時且無限度地觀察三維空間事物[1]。VR系統是由多種技術所構成的大型綜合集成環境，如計算機圖形學、圖像模式識別與處理、語音處理與音像、傳感器及網絡技術等，是一門信息技術極強的綜合性學科[2]。自然災害與人為災難性事件無可避免，目前尚無任何一樣科技可有效阻止災難的發生，但通過適當的應急救援演練可最大限度地減少傷害并挽救生命。目前，VR技術是與災難救援演練相關且最具有前景的技術之一。本研究主要對VR技術在災害應急救援演練中的需求性、可行性及已有應急救援演練的應用進行總結，以期提高應急救援人員的應急處置能力與管理人員的現場科學決策能力，提升各相關部門的應變協同救援能力，為災害救援演練提供借鑒。

1 突發災害救援演練對VR的需求

1.1 突發災害事件頻發 近十余年來，各種重大的自然災害與人為性災難事件也在不斷上演，且呈現上升趨勢，具有爆發性、突發性、傳染性、流行性、群體性、復雜性、破壞性、危害性及不可預測性等特點，這就要求醫學救助任務復雜多變、救援力量構成多元性，以及醫學救助快速性，并亟需更多專業的應急救援隊伍[3,4]。面對各種突發災害事件，我國政府自2003年以來對應急救援演練的重視程度上升至新的層次，不僅相繼出臺了一系列應對突發災害事件的法律法規和預案，還加強了對各地應急救援隊伍的演練監督。為響應國家在突發災害事件應急救援方面的號召，衛生部在國家層面積極建設應急醫療救援體系，抽取精干力量組成國家突發事件應急醫學救援隊伍，敦促各地區重視對應急救援人員的訓練。

1.2 傳統災害救援演練的缺陷 在突發災害事件日益頻發及國家相關政策不斷出臺的背景下，各應急救援機構也提高了對災難性事件應急救援演練的重視度，加大人力、物力投入來研究如何在應急救援演練中提高救援人員的應急技術和決策能力。但傳統基地化實戰訓練存在諸多局限：（1）需要消耗大量人力和物力，需大型場地保障，訓練準備周期長；（2）復雜突發災害場景的真實性難以實現，訓練過程中費用昂貴且難以多次重復訓練，逼真危險場景中訓練或操作存在的危險性控制問題均難以解決；（3）傳統訓練模式對突發事故的回放多為二維視頻模式，無法給救援演練人員帶來真實情境感受，而突發災害事件的傷害往往超出人們的預期，因此救援演練范圍及層次需高于人們對災害的預估，加之常規演練多屬于照本宣科式的表演性演習，成效不明顯，不能充分調動救援人員的積極性，且訓練模式不夠人性化，對受訓隊伍的整體救援水平及個人情況缺少了解[5]。

1.3 VR救援演練系統的優勢 VR救援演練系統協同實訓演練系統進行突發災害應急處理和訓練、指揮，彌補了傳統災害救援演練的訓練場地緊缺、方式不合理、設施落后等多種問題，可實現突發災害應急救援模擬演練，彌補實際場地演練中資源緊缺的客觀局限，總體投入成本少，綠色無環境污染和無危害，且演練任務可多重設計模擬，可使應急救援管理人員掌握在災害救援現場應急處置中如何快速啟動預案、作出應變決策、處置突發情況、協調各部門人員的救援工作能力，同時綜合提高救援人員應急處理能力[6,7]。

2 突發災害救援演練應用VR的可行性

為了滿足應急救援演練和各種預案落實及考核的需要，計算機系統通過對災害現場和災害過程的模擬仿真，為參訓者提供執行各項應急救援任務的虛擬環境[8]。參訓者在此環境中按職能和任務的不同，模擬不同的角色，各角色相互合作，協同訓練，完成所設定的任務[9]。VR通過對各類災害數值模擬和人員行為數值模擬的仿真，在虛擬空間中仿真災害發生、發展的過程，以及人們在災害環境中可能做出的各種反應，救援人員可通過視覺、聽覺、觸覺等多感官與之進行實時互動，大大提高了救援演練的真實性[10]。在VR演練平臺上，并在最大限度仿真實際災害的條件下，使災害場景再現，讓救援人員在仿真訓練中獲得與真實救援相同的感受，充分調動應急救援人員的演練積極性，使其更好地被帶入到三維虛擬空間中，充分表現出其在真實災害現場的生理和心理變化，繼而通過數據采集分析探索出適合救援人員的演練方式及強度[11]。在此基礎上，制訂各類企事業單位的數字化應急預案，應急仿真演練系統可用來訓練各級決策與指揮人員、事故處置人員根據現場情況及時作出對策，對以往救援經歷進行評價，發現應急處置過程中存在的問題，還可檢驗和評估應急預案的可操作性和實用性，加強企事業單位的協調能力和應急能力，使應急演練科學化、智能化、虛擬化[12]。

3 VR技術在突發災害救援演練中的應用

3.1 VR應急救援演練系統的核心裝備 在突發災害應急救援演練中，受訓人員的訓練強度較大，如何使VR產品在演練中得到推廣應用是目前研發的重點。在VR技術的災害應急救援演練中，VR頭盔除具有通訊、紅外夜視、防護功能外，還可使受訓人員在同一事物中看到眼前虛擬物體和真實環境的實時交互，如受訓人員可通過頭盔了解眼前的真實環境，還可看到視野另一側的災害環境模擬地圖，在地圖中可精確標示出被救人和施救人員的位置，并通過VR系統分析出救援的最佳路線和方案等。救援人員還可配帶對救援現場環境有關數據的分析表，及時了解救援現場的溫度、濕度、二氧化碳及相關毒性污染物等參數變化，還可掌握自身生命體征參數變化[13]。

3.2 VR技術的災害應急訓練模式 預案訓練模式是指受訓者按照預案規定的內容，各司其職，完整地按照預案執行救援的全過程。預案訓練將預案變得可以執行，并形成了一個考核手段。突發災害事件訓練模式就是在訓練的過程中，由系統操作人員進行干預操作，比如設置一次突然“爆炸”，突然改變“風向”等。突發事件的訓練主要是訓練救援人員對突發災害事件的反應和指揮能力[12]。

3.3 已有VR技術災害應急演練案例 虛擬訓練環境具有更為逼真、使受訓者有“身臨其境”之感、立體畫面情境多變、訓練突出點強、可控制性強等諸多優點，因此，近年來VR技術在災害應急演練中的應用越來越多，主要有地震應急救援演練、消防訓練、礦難救援等，均取得了顯著成效。

3.3.1 地震應急救援演練 VR技術早在2006年就已被引入到國家地震應急救援演練中，賈群林與周柏賈[12]團隊先后研發了面向地震應急救援管理人員現場做決策的應急救援虛擬仿真訓練系統，面向救援人員救援應急訓練的地震現場救援演練系統及面向公眾地震應急避險的逃生游戲等。該團隊通過VR相關技術將獲取的三維實際情境數據進行圖像合成和背景生成，模擬出與真實地震環境相似的虛擬受災現場環境，主要包括：地震發生背景（時間、等級）、現場場景、各種救援人員及救援設備等。參訓人員攜帶VR產品裝備進入情境逼真的虛擬災害現場，通過虛擬系統來設置不同的災害場景和各種突發情況，通過穿的VR產品裝備上的傳感裝置做出相應技術動作，選擇不同應急方案。

3.3.2 消防救援訓練 基于實戰模擬的訓練對提高消防部隊戰訓水平發揮著極其重要的作用，消防訓練改革的方向也必將以模擬實戰訓練為主，參訓消防指戰員以虛擬火災環境為依托，感受火災進行專業的滅火救援訓練。張云明與陳蕾[13]利用VR技術實現了滅火救援訓練操作與火災場景的交互，三維虛擬火災場景的合成需要首先建立三維建筑模型，并以此為基礎設定特定地點或部位的火災，模擬火災在建筑內的發生、發展、蔓延等過程。通過建立好的虛擬火災場景，參與訓練的人員能夠身臨其境地體驗到特定的建筑火災環境。虛擬訓練系統通過一系列的人機交互術，體現出訓練人員對火災施加的影響，如模擬參訓人員操作消火栓滅火并使火勢逐漸減小甚至熄滅的過程。滅火訓練的人機交互功能還可利用各種傳感器技術，將火場的熱量和煙氣作用在參訓人員身上，實現逼近真實情況下的滅火救援操作。

3.3.3 災難救援教育 利用VR技術還原災害發生情景，還可喚醒公眾對受災地區的關注，如2015-06，美國RYOT News發布了一部關于尼泊爾7.8級地震中房屋倒塌的場景，畫面呈現的主要是兩個地震重災區巴克塔普爾和新圖巴爾恰克，令觀看者仿佛真的置身于堆積如山的廢墟和碎石之中。RYOT公司稱這部短片是首部VR版自然災害紀錄片，也是虛擬現實應用于“新聞和行動”的范例，回應VR技術將影響媒體發展的諾言，短片為公眾呈現了地震發生及災后場景[14]。

4 展 望

突發災害應急救援管理水平的提升主要依靠先進的應急救援技術和救援裝備來實現，同時也是提高應急救援人員在災害現場的實戰能力、降低其他事故發生概率、減少救援人員自身傷害的保障。災害救援現場環境惡劣、條件艱苦，長期的應急救援工作往往使救援人員體力不支、意志力下降，而現代救援依靠科技水平和技術[15]，在突發災害應急救援演練中引進VR技術，可提高救援隊伍的實戰能力和技術水平，還可提高災害現場的應急管理水平。利用VR技術采集分析受訓人員在演練過程中的心理和生理水平數據，以探索適應個體受訓人員鍛煉的時間和強度，進而開發救援人員心理承受力的VR心理訓練系統[15]。目前，對于在受訓人員心理訓練中VR系統技術尚不夠成熟，今后研究方便、經濟的VR心理訓練產品有重要意義。

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[14]VR視界.首部VR版自然災害紀錄片——讓你親臨震 災 現 場 [EB/OL].（2016-06-05）[2017-04-06]. http://www.vryee.com/artinfo/3006.html.

[15]師國偉, 郭小朝, 宋華淼,等. 虛擬現實技術在PTSD暴露療法中的研究分析[C] //中國心理學會. 中國心理學會成立90 周年紀念大會暨全國心理學學術會議.西安. 2011.

（2017-07-20 收稿 2017-09-30 修回）

（本文編輯 付 輝）

The application value of virtual reality technology in disaster rescue drills

SUN Xiuming, AN Li'na, and PENG Bibo. Institute of Disaster Medicine, General Hospital of Chinese People's Armed Police Force, Beijing 100039, China

PENG Bibo, E-mail: pengbibo0610@126.com

With the rapid development of computer and electronic information technology, virtual reality (VR) technology has been steadily developing in recent years. Owing to the high frequency of disasters, and the ongoing need for training such as earthquake rescue drills, fire training and disaster education etc, there is a high demand for VR training tools. This study summarizes the necessity, the feasibility and potential application status of VR in the field of natural and man-made disasters rescue and discusses its potential, with the view to providing guidance for future emergency rescue drill training.

TP391.9

10.13919/j.issn.2095-6274.2017.10.012

國家重點研發計劃項目任務書（2017YFC0806700）

100039 北京，武警總醫院災害救援醫學研究所

彭碧波，E-mail：pengbibo0610@126.com