虛擬現實裝備技術在建筑火災內攻救援中的應用

袁英峰 陳萌萌 劉敬松 高習鵬

（1.中國礦業大學（北京），北京 100083；2.商丘市消防救援支隊，河南商丘 476000；3.開封市消防救援支隊，河南開封 475000）

1 虛擬現實裝備技術概述

虛擬現實（VR）裝備技術可以借助聲、光、煙、電等科學技術創造近似真實的場景，包括計算機視覺技術、視覺生理學與心理學技術、仿真模型技術、傳感器與檢測技術、語音識別與合成技術、人工智能技術等多種高新技術。通過構建三維場景，模擬事物發展，虛擬人與人、人與物之間互動過程，使參與者產生身入其境的現實感覺。

（1）視覺裝備。

VR顯示器，內部為全息顯示屏，是最核心的設備。

（2）聽覺裝備。

配套耳機。

（3）面部識別裝備。

實時動作捕捉系統，通過虛幻引擎將面部表情和口型完美呈現在虛擬角色上。

（4）觸覺裝備。

手套，外觀類似于外骨骼機械，設備內部設置上百個感應器單元，能夠與控制器聯動，在VR場景中通過內部的空氣壓力變化模擬相應的觸感；體感衣，利用肌肉電脈沖技術，以生物電的形式將感覺由神經系統傳輸至大腦，模擬相應環境溫度，達到更為豐富細膩的VR效果。

2 VR裝備技術在消防救援工作中的應用

（1）預案編制。

2017～2018年，應急管理部消防局組織相關總隊的業務骨干和滅火救援專家，充分運用三維可視化技術對“高、低、大、化”四類場所的預案進行修訂完善，應用于培訓考核和沙盤推演；部分消防救援總隊先后通過VR裝備技術搭建平臺制作滅火救援預案。

（2）實戰化訓練。

運用VR裝備技術構建視覺、聽覺、感覺等火災場景，消防指戰員可以在模擬場景中借助3D眼鏡以及相關設備感受事故現場，通過在近似實戰的場景中訓練，提高指戰員滅火救援處置能力。

（3）心理訓練。

VR裝備技術可以重現災害事故處置現場，使參訓指戰員進入立體逼真、情況多變、緊張刺激的環境中，身臨其境參與事故處置全過程，培養指戰員的心理素質。

3 運用VR裝備技術進行建筑火災內攻訓練的必要性

建筑火災具有可燃物多、火勢發展迅速、煙霧大、內攻困難等特點。處置商業綜合體以及地下建筑火災時，缺乏經驗的消防指戰員在火場情況不明的情況下實施內攻救人，易發生人員傷亡事故。

通過相關案例可知，有必要進行內攻實戰化訓練，傳統訓練受時間、場地、安全以及成本等因素，無法經常性開展[1]。傳統訓練無法完全模擬火場內部環境，只能簡單搭建部分實景，天氣和時間與現實環境存在較大差異，消防員無法切實感受到火場內部環境的復雜性，達不到實戰化訓練的效果。

緊急避險訓練無法真實還原，只能通過視頻或者戰例研討的形式進行總結學習，無法針對緊急事故進行專項訓練。受心理壓力影響，指戰員面對即將發生的危險時無法快速反應、采取相應的避險措施[2]。

運用VR裝備技術進行實戰化內攻訓練能夠有效解決內攻訓練不符實戰的問題，進行重復化訓練，降低訓練成本，減少訓練安全事故，對指戰員處置建筑類火災事故具有較好的促進作用。

4 基于VR裝備技術建筑火災的場景構建

（1）建筑場景構建。

可以模擬建筑內外場景，如商業綜合體、地下商場、歌舞娛樂場所、電影院、會堂禮堂等人員密集場所。

（2）時間場景構建。

可以模擬白天以及火災事故頻發的凌晨和夜晚。

（3）氣候場景構建。

可以模擬霧天、晴天、影響滅火戰斗的雨雪天以及多變的風向。

（4）環境場景構建。

可以模擬能見度低的濃煙環境、無法通過聲音辨別方向的噪音環境等。

（5）內部場景構建。

可以模擬復雜的疏散路線、無法清晰辨認的安全出口、誤導疏散的眾多房間門、高溫烘烤下易坍塌的墻體或樓板、高壓配電室、大量堆積的可燃貨物、儲存有毒或易燃易爆物質的房間等。

（6）事故場景構建。

如進入內部疏散人群、搜索建筑內的被困人員、救助行動不便的人群（老人、兒童或已昏迷人員）、強攻滅火、火場排煙等。

5 基于VR裝備技術的內攻戰術訓練

通過模擬內攻時滅火戰斗的每個環節步驟，使指戰員實時、精準、直觀地體驗每一個場景，提高指戰員內攻滅火處置能力。

（1）火情偵查。

基于VR裝備技術模擬火場煙氣發展狀況，內攻人員根據場景偵查判斷火災燃燒階段、煙氣蔓延大致方向以及疏散逃生的大致路徑等情況，為后續的力量部署提供參考。

（2）疏散救人。

在場景中，內攻小組需佩戴全套戰斗服、空氣呼吸器、呼吸器、對講機、安全繩等約16 kg的個人防護裝備，在濃煙環境和身體負重的情況下，找尋疏散通道、樓梯間和安全出口，通過視覺觀察和聲音辨別進行搜索被困人員。

（3）火場排煙。

火場內部儲存大量可燃物時，會產生大量煙氣，影響指戰員的滅火行動，火場排煙是否順利會決定內攻戰斗和疏散救人是否成功。利用VR裝備技術構建煙氣蔓延的場景，模擬商業綜合體時，煙氣首先垂直向上蔓延至頂棚，形成頂棚射流，并沿頂棚在水平方向擴散；伴隨火勢發展和煙氣產生，煙氣逐步在建筑頂部聚集并向下充斥空間；頂層能見度低于其他層，墻壁和角落周邊的能見度低于其他位置[3]。在以上場景中，內攻人員應在最短時間內，破拆門窗洞口、打開天窗、拆除商場外廣告牌或采光頂棚，為疏散被困人員和阻止火勢蔓延贏得時間。

（4）強攻滅火。

利用VR裝備技術構建建筑內部地面高差較大或有塌陷可能的場景，內攻人員應按照前虛后實、探步前進的方式，以低姿行進，同時一只手向前摸索，確保前進方向無危險。

在構建轟燃的場景中，模擬室內所有可燃物同時全面燃燒，室內充滿火焰，頂棚和門窗存在大量高溫濃煙，大量煙氣以翻滾形式從窗口上部涌出。通過觀察這些現象，指戰員可以預判轟燃發生的可能性，避免盲目內攻，提前謀劃撤離路線。選用開花水槍對門窗外表進行降溫處理，通過門窗洞口等縫隙，使用噴霧水槍對房間內部射水降溫，稀釋室內煙氣濃度，避免室內發生轟燃；射水時，應選擇正確姿勢，如跪姿或臥姿，減少轟燃給內攻人員帶來傷害。

構建射水氣化的場景，水遇到正在燃燒的可燃物會瞬間蒸發，產生大量高溫水蒸氣，周邊環境溫度隨之升高、能見度快速下降，給火場撲救以及緊急撤離工作帶來困難。該場景中，內攻人員可以選擇以下戰術，發現起火部位時，快速射水降溫壓制火勢，稀釋周邊煙氣濃度；確保火場不會發生回燃或轟燃時，及時打開門窗進行火場排煙降溫，保證內攻人員生命安全。

（5）緊急避險。

構建內攻人員需要緊急避險的場景，如火勢和煙氣蔓延方向受天氣、風向等因素影響而發生變化；火場煙霧濃、能見度低的環境內攻，或在結構復雜、房間多、空間大的建筑內搜救，內攻人員易迷失方向。在以上場景中，指戰員應利用安全繩通過窗口撤離或沿水帶緊急逃生。

構建建筑坍塌的場景，建筑構件受熱達到耐火極限發生局部坍塌或出現墜物，如混凝土在600 ℃以上的高溫作用下強度基本喪失，鋼結構的強度在600 ℃時下降2/3，結構隨之發生明顯變形。這些場景均會阻礙內攻人員安全撤離。內攻人員應雙手抱頭俯臥，在稍高于自身高度的堅固掩體一側進行避險。

空氣呼吸器壓力不足或故障的場景，內攻人員應克制恐慌，保持清醒，防止呼吸過快，減少劇烈運動，延長空氣呼吸器的使用時間。空氣呼吸器故障時，內攻人員可利用濕毛巾包裹空氣呼吸器面罩的進氣口進行過濾，同時快速撤離火場。

（6）心理壓力克服。

利用VR裝備技術開展心理訓練時應遵循由淺入深原則，針對每個指戰員的心理承受能力，逐步增加事故處置的復雜程度，避免對指戰員造成心理壓力。

指戰員可以根據任務分工調整事故場景和訓練內容，提高內攻人員的應變心理素質。

（7）加強對裝備使用了解。

通過VR裝備技術將日常使用的裝備器材設置于虛擬場景中，根據不同事故場景開展針對性訓練，尤其訓練破拆、救生等裝備的操作使用，提高內攻人員熟練掌握不同場景下的裝備應用能力。

可以通過視頻回放對指戰員內攻的處置進行剖析評估，及時發現解決處置過程中存在的不足。指戰員可以根據參訓人員的情況隨時中止模擬訓練，避免安全事故發生，有效地保障指戰員的生命安全[4]。

6 結語

VR裝備技術的日趨成熟，將更多地應用在各類事故的實戰化訓練中，如建筑類火災、煤礦類火災、油罐類火災、地震救援等，全面提高指戰員指揮決策、滅火戰斗、緊急避險等方面的能力素質，解決指戰員實戰經驗不足問題，為更好地開展滅火救援工作奠定堅實基礎。