虛擬現實技術在消防戰訓工作中的應用探討

崔華峰

（黑龍江省消防救援總隊七臺河市消防救援支隊，黑龍江 七臺河154600）

城市邊緣的持續外擴使各類高層建筑物和快速增加的建筑密度都產生了較大的消防安全隱患。特別是一些設計存在缺陷或施工建造過程不合理的建筑，一旦發生火災，其產生的危害性極大。同時，激增的火災發生率也對消防救援工作和日常的消防安全檢查工作帶來了極大的挑戰。火場出勤和救援的危險性與施救難度都嚴重的限制了消防工作的開展效果，也會對國家和人民群眾的生命財產安全帶來威脅。為此，借助現代計算機穩定且高效的快速運算和三維建模能力，可靈活的將虛擬現實技術引入到消防領域。將常規的消防戰訓工作與虛擬現實相結合，利用計算機構建的虛擬三維環境讓消防救援人員可以獲得更具多樣性和真實性的模擬戰訓環境，在有效規避消防戰訓安全問題的同時切實提高了消防戰訓的實戰技能和對于救援現場復雜情況的應對能力。

1 虛擬現實技術原理介紹

虛擬現實技術是高速發展的計算機技術的典型產物，其可以和其他高端信息技術融合應用。借助人工智能，多媒體，網絡通訊等技術讓使用者能夠在人為創造出的特定環境內進行包括聽覺、視覺和手勢動作等在內的虛擬感官活動，這也是現階段人機交互技術的主要應用和展現形式。

利用計算機搭建的虛擬三維空間模型，輔以多媒體元素，生成虛擬空間中的視、聽體驗。虛擬現實技術最典型的特征即為它完全依賴于計算機軟件創造的多維信息空間，并且得益于多媒體技術的支持，能夠讓人獲得直觀且真實的視覺感受。在以視覺為主的體驗感上，適當增加聽覺和觸覺的同步交互，進一步增強虛擬現實帶來的沉浸感，如圖1 所示。

圖1 虛擬現實技術中人眼的視野范圍

此外，虛擬現實技術還能夠提供給體驗者直接觀察、接觸、操作甚至觸摸周邊環境中真實物體的通道，將虛擬與現實相結合，進一步增強虛擬世界和現實世界的聯系，并在此基礎上打破虛擬和現實的邊界，從時間和空間的層面讓體驗者獲得身臨其境的逼真感受。通過可穿戴設備中的陀螺儀，當消防人員轉動頭部時，陀螺儀能夠及時的通知圖像生成引擎，及時的更新畫面。從而讓體驗者感受到自己身處一個環繞的虛擬空間之中，產生360 度的三維空間感，如圖2 所示。

圖2 虛擬現實技術配合陀螺儀創造的三維空間

2 將虛擬現實技術引入消防戰訓工作的意義

虛擬現實技術的核心在于其營造出的虛構場景，完全不受時間和地點的限制。但所有構建出的虛擬場景都來源于真實世界，只是在特定環境下的人為重現。因此只需要進一步明確虛擬場景的種類與交互方式即可將其應用于特定的行業和領域。在傳統消防工作中引入虛擬現實技術能夠從根本上解決當前日常消防戰訓工作開展的難點及棘手問題。

2.1 在消防戰訓的內容組成中，體能與技能訓練可謂重中之重。而引入了虛擬現實技術的消防戰訓則融入了諸多富有時代特色的新元素。在傳統的體能、技能科目基礎上新增加了智能的訓練方式，讓消防戰訓工作擁有了更多靈活和可擴展的實施空間。逼真的模擬作戰救援環境能夠讓消防救援人員快速進入狀態，在保證安全的前提下開展仿真訓練。此外，根據三維空間內的多感官反饋機制，可為消防戰訓提供包含定位、方向及觸覺在內的復合型實時反饋，便于消防員及時根據模擬環境做出反應。另外，和傳統消防戰訓相比，虛擬現實技術的應用豐富了消防員接收到的指令形式，例如將原本的作戰任務經計算機程序計算得出最優解決辦法，在達到滅火目標的基礎上增加更高效的程序自動指揮機制，把所有需要執行的任務通過多感官信號傳遞給作戰人員，分工協作完成消防戰訓任務。虛擬現實技術的科學精準應用能夠在提升消防作戰人員體能、技能、心理素質的同時，對訓練的智能化程度大幅提高。利用更低成本構建的模擬救援場景，讓消防人員對于一些少見但又具有較高危險性的爆炸、火災及突發事件積累足夠的臨場經驗，全面提升消防救援的整體水平。

2.2 消防戰訓工作需要針對不同類型和程度的火災分別制定滅火作戰預案。傳統的消防預案中對于火場的內部結構，建筑性質及用途，安全出口位置數量及消防裝置的方位等信息的掌握都是靠文字描述或平面圖紙而實現的，這種方式不僅在效率及精度上容易受到限制，而且對于建筑物內部結構，通道情況的描述、分析和預測存在技術盲區。而基于虛擬現實技術，則可將消防預案的內容轉變為更加具象化、立體化和豐富化的實戰方案。三維空間的逼真環境可以讓消防員準確掌握火場的實際情況以及建筑物內部的布局、結構等細節，通過大量準確的數據讓消防作戰人員得以在較短的時間內制定出最佳作戰方案。保證了滅火救援效率和效果的同時，促進消防戰訓工作的水平持續提高。

2.3 常規的消防戰訓工作開展目的在于讓消防員充分熟悉和掌握救援流程，作戰方案和各種消防裝備的使用方式。但在實際的救援任務中，現場的復雜情況往往會給救援工作的開展帶來諸多挑戰，例如建筑物內部結構復雜，消防通道堵塞，消防設備失效等都會給救援的效果造成巨大影響。而為了解決這些問題，只能在消防戰訓工作中有所傾向的增加相應投入，但這并不是長久之計。不僅會增加日常訓練、作戰、演習的成本，還會給消防工作的管理增加難度。加之消防演練本身的特殊性，必然需要人為制造火焰、煙霧等來模擬真實救援場景，這其中的安全隱患也難以準確控制。相比之下，虛擬現實技術的應用可以在保證安全的前提下徹底轉變消防戰訓的開展形式，使其兼具場景的真實性和作戰的標準性。

3 虛擬現實技術在消防戰訓工作中的應用系統結構與功能

3.1 三維立體模型建立

虛擬現實技術需要在三維空間中創建特定的場景，相應的三維模型一般來源于二維平面的圖像模式，結合照片、圖紙、遙感圖像等信息資源進行三維空間內的重構，如圖3 所示。常用的建模軟件如3DMAX，會根據實際應用方向和領域選擇匹配的建模技術諸如MAYA、JAVA3D、DIRECTX、AUTOCAD、OPENGL 等。

圖3 三維建模示例

虛擬現實圖像引擎的基礎圖形接口包括：在windowsPC 和移動操作系統上的directx 基礎圖像api；在工業領域則是linux、蘋果PC 和IPhone 上，在安卓操作系統上是通過一系列OpenGL 基礎圖形接口（移動端為opengl es，是簡化的opengl 版本）實現的。

3.2 模擬場景制作

一般來說，消防戰訓工作涉及到的虛擬三維場景制作都需要選用預先制作好的模型。同時，根據消防戰訓的具體需求做適當的調整和修改。利用虛擬現實技術軟件將模型進行重組或者規劃布局的調整能夠便于后續的消防戰訓工作中移動路徑及互動操作的進行。經過調試及階段性試用后，即可保證模擬場景的整體質量，經確定無誤后即可發布使用。三維場景能夠再現真實環境的各種細節要素，同時以真實的觀感讓體驗者自然的完成人機交互的過程。

3.3 模型二次開發與數據集成

考慮到消防戰訓工作對于場景還原度的真實性要求較高。因此，對既有模型的二次開發以及數據的集成應用出現頻率較高。對于3D 模型的深層次加工和再次利用不僅能夠利用現有資源實現建模效率的提升，也可將VR 技術和多媒體技術相結合，讓虛擬場景中的交互體驗方式更加多元化。通過數據計算公式和計算機的三維模型呈現，能夠讓使用者將感官與三維空間建立連接，適應其中動態變化的場景并做出自然的反饋。將基礎模型和存儲有消防戰訓工作數據的數據庫融合應用，可以加強三維圖形與消防工作數據的統一性，以便于對虛擬場景的逼真程度和細節豐富性做出改善。

3.4 三維交互與實景融合

三維模型架構軟件能夠搭建虛擬三維互動的場景，并且可以將現實環境中的實景元素移植到其中，滿足用戶個性化開發和定制的需要。結合三維數據庫中的海量數據接口將實景中的元素以圖形、圖像的形式封裝到三維模型中，并配合聲音和動畫的片段進行重新編排，可以針對使用者在虛擬場景中出現的碰撞等交互形式進行動態路徑規劃或對目標識別的結果做出預先設定。為消防戰訓工作的開展提供了諸多可擴展的功能和數據接口。

4 虛擬現實技術在消防戰訓中的使用場景

利用虛擬現實技術能夠創建模擬的火災救援現場，讓消防工作人員通過3D 視覺的方式觀察到周圍的環境，提升其滅火技能。對于部分較為特殊的火災現場，例如油罐類火災和煤礦類火災，還可以在普通火災訓練場景的基礎上額外增加降溫處理、滅火處理、塌方救援等選項式的操作流程。虛擬產品不僅可以提供逼真的地理環境，還原火災現場的復雜情況，還能根據訓練的需求自行設計火災發生的時間，地點，自然環境，天氣狀況等客觀條件，滿足各類火災事故救援演練的實際需要。

5 結論

利用已經較為成熟的虛擬現實技術能夠充分適應現代化消防戰訓工作的實際需求，解決消防演練和實戰模擬過程中的棘手問題。以逼真的場景和交互式的互動體驗讓消防人員能夠在模擬的訓練場景中提升自身的救援能力和反應能力。在保障安全的前提下實現了高素質消防戰訓工作的有序開展與實施。同時，虛擬現實技術支撐下的消防模擬訓練工作不會受到時間和空間的限制，并且場景的變化和訓練內容的安排更具靈活性，在實際戰訓活動中擁有較大的應用發展空間。