火災逃生與緊急疏散虛擬仿真實驗系統的研究

郝鳳濤 曾文琪

摘? 要：火災安全事故一旦發生就會嚴重威脅人們的生命安全，學會如何處理險情至關重要。然而，火災逃生與緊急疏散不可能通過反復親身體驗火災事故真實情景的方式去直接獲取經驗，因此對火災相關知識很難進行實踐教學。本文構建了虛擬仿真實驗系統對火災事故場景進行虛擬再現，建立火災逃生與疏散演練的虛擬環境，為學習者提供直觀的學習手段，營造身臨其境的真實體驗環境，從而增強遇到特殊險情的應變能力。

關鍵詞：虛擬仿真? 火災疏散? 實驗教學? 開放共享

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）03（a）-0220-03

Research on Virtual Simulation Experiment System of Fire Escape and Emergency Evacuation

HAO Fengtao? ZENG Wenqi*

（Teachers College of Beijing Union University， Beijing， 100011 China）

Abstract： Once the fire accident happens， it will seriously threaten people's lives. So it is very important to learn how to deal with dangerous situation. However， it is impossible to directly acquire the experience of fire escape and emergency evacuation by repeatedly experiencing the real situation of fire accident. So it is difficult to carry out practical teaching of fire-related knowledge. In this paper， a virtual simulation experiment system is constructed to reproduce the virtual scenes of fire accident and establish the virtual environment for fire escape and evacuation drills. The system provides learners with an intuitive learning method and creates an immersive real experience environment， so as to enhance their ability to cope with emergencies.

Key Words： Virtual simulation; Fire evacuation; Experiment teaching; Open sharing

1? 火災逃生與緊急疏散虛擬仿真實驗的意義

火災安全事故一旦發生，就會嚴重威脅人們的生活，輕則損傷，重則危及生命。如何應對和處理火災險情，學會在緊急時刻迅速逃生并進行疏散是我們每個人應該掌握的技能。由于火災事故發生的特殊性和危險性，公眾在實際生活中很難通過親身經歷的方式去取得實際學習經驗。因此，研究并應用相應的虛擬仿真實驗系統具有非常實際的意義，主要體現在：

（1）可將火災環境在實驗系統中仿真實現。

火災逃生現場一般在現實演練中很難重現，而且由于場地的限制，現場逃生演練無法大面積推廣。而且，在緊急的情況下，特別是一旦面對真實的火場，偶爾的逃生演練中學習的技能未必轉化為危機時刻的正確行動[1]。

因此，將火災逃生自救通過虛擬仿真的形式進行呈現，就能夠很好地解決這一問題。在虛擬仿真系統中，可以任意構建復雜的樓宇環境，可以訓練實驗人員熟悉各種特殊的陌生環境和逃生方案，通過多次演練學習，掌握保護自身“安全”的逃生技能。

（2）可以針對特殊的實驗對象設置相關實驗。

除了火災逃生自救之外，緊急疏散虛擬仿真實驗則主要針對的是一些特定職業的人士，如教師、安保人員、樓宇管理員等等[2]。比如，作為教師，在火災發生的時刻，組織學生疏散的任務更為重要和艱巨，甚至在個人安全之上。而在真實的火災緊急疏散演練中，涉及到大量人群，客觀條件不允許進行反復訓練與演習。

采用虛擬仿真技術對火災現場和人群進行虛擬仿真，創建逃生演練和緊急疏散的虛擬環境，這樣用虛擬仿真技術形成有效的虛擬訓練環境，為實驗者提供體驗式的學習手段，營造身臨其境的教學體驗環境。有利于鍛煉實驗者面對突發險情的應急能力。虛擬仿真技術和教育的有機融合，可以較好地滿足安全教育課程的實際需要，更是一種應對突發事件實踐能力的綜合訓練。

2? 火災逃生與緊急疏散虛擬仿真實驗系統技術架構

火災逃生與緊急疏散虛擬仿真實驗項目的開放運行依托于北京聯合大學師范學院實踐教學中心開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺的支撐。該平臺以計算機仿真技術、多媒體技術和網絡技術為依托，采用面向服務的軟件架構開發，集實物仿真、創新設計、智能指導、虛擬實驗結果自動批改和教學管理于一體。

虛擬仿真實驗教學管理平臺由數據層、支撐層、通用服務層、仿真層和應用層構成，每一層都為其上層提供服務，直到完成具體虛擬實驗教學環境的構建。各層的具體功能如下：

（1）數據層。

火災逃生與緊急疏散虛擬仿真實驗項目涉及到多種類型虛擬實驗組件及數據，這里分別設置虛擬實驗的基礎元件庫、實驗課程庫、典型實驗庫、標準答案庫、規則庫、實驗數據、用戶信息等來實現對相應數據的存放和管理。

（2）支撐層。

支撐層是虛擬仿真實驗教學與開放共享平臺的核心框架，是實驗項目正常開放運行的基礎，負責整個基礎系統的運行、維護和管理。支撐平臺包括以下幾個功能子系統：安全管理、服務容器、數據管理、資源管理與監控、域管理、域間信息服務等。

（3）通用服務層。

通用服務層提供開放式虛擬仿真實驗教學平臺的用戶界面，提供虛擬實驗教學環境的通用支持組件，以便用戶能夠快速在虛擬實驗環境完成虛擬仿真實驗。通用服務包括：實驗教務管理、實驗教學管理、理論知識學習、實驗資源管理、智能指導、互動交流、實驗結果自動批改、實驗報告管理、教學效果評價、項目開放與共享等，同時提供相應集成接口工具，以便該平臺能夠方便集成第三方的虛擬實驗軟件進入統一管理[3]。

（4）仿真層。

仿真層主要針對該項目進行相應的器材建模、實驗場景構建、虛擬儀器開發、提供通用的仿真器，最后為上層提供實驗結果數據的格式化輸出。

（5）應用層。

基于底層的服務，最終火災逃生與緊急疏散虛擬仿真實驗項目教學與開放共享。該框架的應用層具有良好的擴展性，實驗教師可根據教學需要，利用服務層提供的各種工具和仿真層提供的相應的器材模型，設計各種典型實驗實例，最后面向學校開展實驗教學應用。

3? 火災逃生與緊急疏散虛擬仿真實驗原理與過程

火災逃生與緊急疏散虛擬仿真實驗依托教學中心，實行“情景沉浸式、人機交互式、開發自主式、評價反饋式”實驗教學方法，致力于培養實驗對象的自主學習習慣和探索問題解決問題的能力。

（1）實驗目的。

①將不可實現的火災真實環境虛擬化呈現，實驗對象能夠身臨其境體驗火災的危險性，提高安全意識。②情景教學提升實驗對象火災逃生的逃生應變能力和自救能力。③提高實驗對象對突發事件的應對能力和組織疏散的能力。

本虛擬仿真實驗教學項目線上基于計算機虛擬仿真實驗環境及虛擬實驗器具，不需消耗類或易損類實驗材料，項目以真實火災發生環境為依托，實驗對象可以自主設計實驗流程，選擇相應參數，設計實驗步驟，最終完成實驗。實驗中所涉及的參數包括火勢大小、濃煙情況、樓層高度等信息。

（2）實驗教學知識點。

①自學火災逃生常識。在進入實驗前，首先要自學初步了解火災逃生知識。②掌握器材操作知識。實驗對象進入火災災難虛擬現場前，必須了解的人身安全知識、滅火器等器材操作方法[4]。③逃生線路的設計，選擇合適的逃生方法。④疏散方案的策劃。針對不同的火災現場情況，需要策劃相應的現場疏散方案。⑤火勢不嚴重的逃生技巧與疏散。掌握火災剛剛發生還不是很嚴重的情況下的逃生技巧和疏散組織。⑥高層樓宇逃生技巧與疏散。掌握高層樓宇大火火災難事件的逃生技巧與疏散方法。⑦濃煙時的逃生技巧與疏散。掌握濃煙大火災難事件的逃生技巧與疏散方法。⑧實現火災災難安全教育。通過虛擬仿真實驗教學，讓實驗對象懂得災難的危害性，提高安全意識。

（3）實驗實施過程。

在仿真平臺上，虛擬仿真實驗教學將設置預習、演示、學習、考核和報告等五個環節完成整個仿真實驗。

預習模塊：該系統類似于實驗教材，要求學生在正式實驗前必須完成，有實驗目的、原理、操作步驟、注意事項等，這部分知識學生考核合格后方可進行后續實驗;

演示模塊：仿真實驗的規范操作的視頻學習資料，通過觀看學習便于實驗對象快速地從整體上了解實驗內容;

學習模塊：實驗的實際操作過程，人機交互，逐步指導實驗對象完成整個實驗;

考核模塊：采用過程考核，無需提示進行操作測試，考核結束后系統自動給出分數;

報告模塊：考核完成后，實驗者需撰寫實驗報告，包括實驗目的、原理、實驗過程、實驗結論以及對該實驗的評價和建議，從系統里提交老師評閱。

（4）實驗方法與步驟。

通過仿真實驗完成火災逃生和緊急疏散的模擬訓練。該實驗教學項目通過三維仿真技術虛擬重現火災現場情景，實驗對象可在整個場景和情境中進行交互性操作完成實驗。實驗操作步驟如圖1所示。

4? 實驗教學項目特色

4.1 教學方式方法多樣

該項目遵循“項目教學導向、學科融合、創新實踐，過程考核”的實驗教學理念，通過實施體驗式沉浸教學方法，讓實驗對象在沉浸式體驗、問題式辨析、交互式練習、自主式設計、反思式評價的實驗過程中，深刻掌握火災發生時的逃生技能和緊急情況的應變能力和組織協調能力，提高綜合能力實踐能力[5]。

4.2 教學效果明顯

仿真實驗沉浸式的教學方法能夠激發實驗對象的學習興趣，加深應對火災的知識體驗和應變能力，提高學習的效率，提升學習的能力，積淀面對突發緊急情況的應對處理能力。該實驗方式方法還能培養實驗對象主動學習的習慣以及發現問題、分析問題、解決問題和創新思考的能力。

4.3 評價體系

4.3.1 糾錯與反饋。

在項目的規范練習環節，操作錯誤時系統會自動提示和糾錯;可以自主設計實驗，系統全程自動記錄實驗過程與操作步驟，實驗對象能夠追溯回看自己的操作記錄，促使其養成規范練習和主動思考的學習習慣[6]。

4.3.2 評價與反思。

實操成績采用計算機記錄的過程性考核方式，系統將自動生成實驗過程中的記錄和分數，過程性評價依靠系統對操作次數、操作時間、交互操作要點等進行多維度考核后記錄生成實操成績，教師通過實驗報告對實驗對象理論知識進行考核，形成理論與實驗相結合、過程性和終結性評價相融合的綜合評價體系。

4.4 傳統教學的延伸與拓展

本文開發的火災仿真實驗系統為實驗對象提供了高度仿真的虛擬實驗環境，解決了火災具有一定危險性、實驗環境缺乏、實驗時空受限等問題，節省了實驗教學成本。基于網絡教學的模式將傳統的實驗室、固定的上課時間延伸為網絡虛擬實驗24h在線的“空中課堂”[6]。

參考文獻

[1] 黃世裕.基于移動終端的火災逃生系統設計與實現[D].西安：西安科技大學，2019.

[2] 朱睿，劉艷霖，王國勝，等.實驗室安全準入平臺建設與實踐[J].中國現代教育裝備，2019（5）：29-32.

[3] 王森，高東峰.在線開放虛擬仿真實驗項目建設的思考[J].實驗技術與管理，2018，35（5）：115-118.

[4] 徐圓，朱群雄.基于虛擬現實的安全教育系統與教學實踐[J].計算機與應用化學，2019，36（3）：234-237.

[5] 劉怡.基于信息熵模型的礦井火災逃生路徑規劃算法研究[D].武漢：武漢科技大學，2020.

[6] 張金專.虛擬仿真技術在火災調查教育培訓中的應用[J].中國消防，2019（3）：58-60.