三維仿真及虛擬現實技術在消防訓練中的應用

毛勇忠 張繼新 黃瑋

[摘? ? 要] 滅火救援預案與演練推演在消防部隊的訓練和滅火救援實踐中發揮著重要的作用，目前制定的滅火預案及推演大多停留在紙張作業的平面階段。依據傳統實戰演練、推演模式、場地器材及組織展開受限較多，尤其是針對滅火救援演練，實際組織實施需多車多人協同配合，資源消耗大。為改變目前現狀，開發基于三維仿真技術的消防作戰培訓系統，通過建設逼真的三維場景，模擬構建各類突發事故虛擬環境，在可視化的環境下進行討論和推演，以驗證處理過程中所采用處置措施的可操作性及科學性，從而促進指揮人員的指揮決策和協同配合能力，科學評定展開行動，有效提高演練效率。

[關鍵詞] 虛擬現實;消防作戰培訓系統;消防訓練;車輛裝備

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 03. 060

[中圖分類號] TU998.14;TM743? ? [文獻標識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2019）03- 0149- 04

0? ? ? 引? ? 言

虛擬現實技術被認為是21世紀計算機領域最重要、最新奇的研究方向之一。最具特點的是虛擬現實的三維建模功能可以在計算機中構建生動逼真的虛擬環境，人們可以非常方便、直觀的“進入”這個虛擬空間，沉浸其中交互推想。將虛擬現實技術應用于實際消防工作中，利用計算機、網絡、應用軟件及數據庫等技術和資源，以建筑火災和石油化工裝置、罐區事故救援為背景，構建虛擬火場和救援環境，指揮員受命展開行動，實現現場信息查詢、災害情景構建、輔助決策分析、車輛及人員部署及作戰指揮、等功能，建設一個規范化、科學化、可視化的能力評估、綜合決策和教育培訓的綜合性平臺。如對指揮員、消防員、搶險救援人員的模擬災害事故現場的培訓，災害現場處置應急救援預案的制作和應用、大型災害的模擬推演等都具有重要作用。

1? ? ? 虛擬現實技術在消防訓練中的業務應用方向

1.1? ?消防教育和逃生能力訓練

通過構建辦公樓、石油化工裝置等場景，構建虛擬訓練系統，參訓人員可在虛擬環境中進行處置初期火災和逃生訓練，提高訓練者的消防意識和自救能力。

1.2? ?消防裝備操作訓練

通過建立裝備的虛擬模型，使消防員熟悉裝備的原理、功能和操作程序，訓練消防員對裝備的操作、保養和維修技能。

1.3? ?決策、指揮、協同能力訓練

通過虛擬災害場景的設定，滅火戰術和救援方案的選擇，指令的下達等功能設計，對宏觀指揮、現場調度、決策分析能力和突發事件處置能力等內容進行交互式輔助訓練，并提供綜合評判，采用分布式訓練系統，各級指揮員和參謀人員可同時進行訓練，以提高大型火場聯合作戰的指揮、協同能力。

2? ? ? 消防作戰培訓系統功能應用

利用計算機、網絡、應用軟件及數據庫等技術和資源，以建筑火災和石油化工裝置、罐區事故救援為背景，構建虛擬火場和救援環境，指揮員受命展開行動，實現現場信息查詢、災害情景構建、輔助決策分析、車輛及人員部署及作戰指揮等功能，建設一個規范化、科學化、可視化的能力評估、綜合決策和教育培訓的綜合性平臺。

平臺主要包括以下功能系統：消防作戰三維桌面推演系統、消防理論知識培訓考核系統、消防車輛及裝備仿真培訓系統。

3? ? ? 消防作戰三維桌面推演系統主要包括

系統功能：三維仿真場景庫、場景化數據信息查詢功能、災害場景快速搭建功能、輔助決策分析功能、可視化模擬排兵布陣、作戰指揮。

3.1? ?三維仿真場景庫

三維仿真場景是由二維高清遙感圖片結合三維模型無縫連接而成，在通過三維場景展現廠區或罐區布局、管線、消防設施、建筑物、道路信息等，通過二維地圖展現周邊幾公里范圍內的地理信息，如消防機構、醫療機構、主干道路及周邊居民情況信息等。效果如圖1、圖2所示。

3.2? ?場景化數據信息查詢功能

通過構建的三維仿真場景中可快速查看場景信息、消防設施設備設施信息等，系統通過將現場設備臺賬信息與三維場景相關聯，在場景中快速查看定位設備位置、查看屬性信息、結構尺寸信息等。效果如圖3、圖4所示。

3.3? ?災害場景快速搭建功能

通過災害場景快速搭建功能可快速模擬各類火災事故、泄漏突發事故、現場特殊天氣、風向、風速、傷員等。此外，還可植入真實事故案例。

3.3.1? ?特殊天氣設置

系統提供多樣化的天氣模型，包括晴天、雨天、雪天，并可設置當前環境的風向、風力等因素。

3.3.2? ?火災、泄漏事故模型設置

系統提供多樣化的火焰形態、泄漏形態以及傷員模型，可在三維場景中自定義設置著火位置及火勢大小，傷員位置及傷員個數等，結合設置的氣象條件，可在短時間內模擬搭建一個科學合理的事故虛擬環境。效果如圖5、圖6所示。

3.4? ?輔助決策分析功能

系統植入了專業的熱輻射分析模型、爆炸分析模型、沖擊波分析模型，滅火劑用量計算模型、儲罐沸溢時間估算模型等，可通過災害分析功能，在推演場景中可視化的呈現分析結果。

3.4.1? ?熱輻射分析模型

系統通過植入的專業熱輻射分析計算模型，根據存儲介質類型及儲存量自動計算，生成并呈現可視化的分析結果。效果如圖7、圖8所示。

3.4.2? ?滅火劑用量計算模型

系統通過植入的專業消防計算模型，可輸入相關數值，計算出儲罐全面積火災所需的滅火劑量、冷卻水量估算等數據結果，如圖8所示。

3.4.3? ?沸溢時間計算模型

系統通過植入的專業消防計算模型，可輸入液位高度、水墊層高度等數值，計算出儲罐沸溢時間估算等數據結果，如圖9、圖10所示。

3.4.4? ?三維空間測量工具

系統植入了便捷三維空間測量工具，在推演場景中測量長度、高度、仰角、面積等，如圖10所示。

3.4.5? ?三維可視化預案

系統可編輯、存儲三維可視化預案，在推演過程中可調取編輯積累的可視化視化救援方案進行參考。

3.5? ?可視化排兵布陣、作戰指揮功能

在三維仿真場景中，可視化的進行以下功能操作：車輛及裝備資源調度、現場固定消防設施的使用、車輛行車及進場路線規劃、排兵布陣及作戰指揮、三維可視化預案制作及演練記錄保存等功能。

3.5.1? ?車輛及裝備資源調度

系統植入消防隊車輛真實數據，指揮員可根據事故的現場情形及輔助分析結果進行資源的調配，此外，在救援過程中可根據火勢及現場判定進行支援力量的調配。效果如圖11所示。

3.5.2? ?現場固定消防設施的使用

消防力量到場之前，可進行現場固定消防系統的開啟使用，包括罐體噴淋系統、半固定泡沫系統、現場固定消防炮等，如圖12所示。

3.5.3? ?車輛行車及進場路線的規劃

根據火場地理位置、地勢條件、現場風向等因素進行車輛的行車及進場、撤離路線設置，如圖13所示。

3.5.4? ?排兵布陣及作戰指揮

系統植入了真實的消防車輛及裝備資源，指揮員可根據作戰方案進行車輛及裝備的可視化排兵布陣、作戰指揮等操作，如圖14所示。

3.5.5? ?三維可視化預案制作及演練記錄保存

整個推演過程的操作記錄，系統后臺自動進行存儲可形成3個記錄文件：演練文檔記錄文件、三維可視化預案腳本文件、演練記錄復盤視頻文件（備注：視頻文件即整個推演過程的錄屏avi視頻文件，如圖15、圖16所示。

4? ? ? 消防理論知識培訓考核系統

系統面向指揮員及戰斗員的日常消防專業理論知識的培訓和考核，包括典型石油化工裝置及各類儲罐工藝流程和主要火災危險性知識多媒體培訓課件、3D動畫課件，建立消防基礎、滅火救援等知識資源庫及考試題庫，通過人工設置系統可提供自選學習內容、自動生成各類考評題庫、計算機答題及自動評分。效果如圖17、圖書室18所示。

5? ? ? 消防車輛及裝備仿真培訓系統

系統提供消防車操作面板觸控式仿真培訓，支持消防車各種操作的講解、訓練和自動操作式培訓，實現消防裝備的三維交互式培訓。

主要包括視頻教程和仿真操作兩種模式，如圖19、圖20所示。

6? ? ? 系統優勢

消防作戰培訓系統融合了傳統沙盤及桌面推演的優勢，采用三維仿真及虛擬現實等先進計算機技術，并結合大尺寸多點觸控顯示屏進行三維交互式桌面推演，在整個推演過程中，操作者只需使用手指在觸摸屏上直接對三維虛擬場景進行操作，利用簡單的點擊、拖拽等操作，可實現現場信息查詢、災害情景構建、輔助決策分析、車輛及人員部署及作戰指揮、日常消防理論知識培訓考核、消防車輛仿真培訓等功能，滿足消防隊日常集培訓、考核、演練推演一體化的綜合應用。

此外，該系統平臺目前在新疆油田公司消防支隊研發測試，還要進一步與實際相融合，不斷升級、研發創新。

主要參考文獻

[1]王汝傳，陳丹偉，顧翔. 虛擬現實技術及其實現研究[J].計算機工程，2000（12）：1-3.

[2]曾穎，汪青節.虛擬現實技術在消防中的應用[J].消防科學與技術，2006（3）：66-67.

[3]許云，任愛珠，藩國帥. 基于GIS和VR的消防指揮系統研究[J].土木工程學報，2006（5）：92-96.