班組協同的化學事故處置實訓平臺建設及應用

鐘文 程向東 何立

（1.消防救援局南京訓練總隊，江蘇南京 210000；2.內蒙古消防救援總隊，內蒙古呼和浩特 010010；3.福建消防救援總隊，福建漳州 363000）

為適應新時期消防隊伍實戰化訓練的要求，“緊盯一線”“對標實戰”，創新訓練體系，實現原理“動漫化”、裝備“模擬化”、操作“實戰化”，解決化學事故處置訓練手段單一、效果不明顯等情況。擬利用計算機虛擬現實技術重現各類化學事故發生、發展等一系列變化過程，有效提高模擬訓練場景的真實性，利用人機交互手段實現在虛擬現實中的技戰術應用和裝備選擇，通過系統的使用，既可以有效降低訓練成本，又能夠對訓練效果進行科學考核和評判。

1.化學事故處置虛擬實訓優勢

虛擬仿真技術改變了傳統的教學模式，早已被國外各大高校所應用[1-3]。虛擬仿真技術是近幾年我國教育改革的熱點，虛擬仿真實驗教學資源作為信息化技術發展的產物和傳統實驗實訓模式的必要補充，對實踐教學起著重要的輔助作用，在實訓課程教學中發揮著極大的優勢。系統分為教學、訓練、考核3個模塊，在教學模塊中，能夠快速學習基礎知識，目前消防隊伍的裝備庫、涉及的常見的危化品典型物質及理化性質；在訓練模塊中，可以在虛擬的災情現場進行組織指揮和處置訓練；考核模塊，分為日常考核和職業技能鑒定。

1.1 拓展實訓內容的廣度和深度

虛擬仿真通過創建與人類感官系統交互的虛擬空間，克服現實世界的空間和物理約束，為人們提供一種間接的，如同真實世界的真切、直觀的體驗。虛擬仿真系統地解決了部分傳統技能操作在課堂中難以示教、難以重復等問題，擴展了教學內容的廣度和深度。通過這種虛擬環境模擬訓練的方式有效解決了消防救援隊伍的幾大難題：（1）沒有毒害環境。（2）無法復制各類災情。（3）偵檢器材需要標定，器材損耗大訓練成本高。（4）通過這種協同作戰、班組操作，讓我們的消防員懂“戰術”，指揮員懂“技術”，解決在實戰中“指戰一體化”的難題。

1.2 拓展實訓的時間和空間

當受訓人員通過虛擬模擬器進行技能訓練時，他們學得更快，每小時練習的程序更多，達到傳統教學的技能訓練水平，并且可從系統里獲得更多的評價，因為虛擬模擬器的使用可以縮短教學評價的時間。化學事故處置虛擬仿真系統模擬毒害環境，能快速流程化、可視化學習，里面含教學、訓練、考核模式，能夠實現“自學自訓”，為“網考網訓”提供平臺。

1.3 提高興趣，強化班組協同能力

虛擬仿真實驗教學通過動畫、圖片、視頻、音頻等方式呈現給受訓者，讓抽象的理論更容易被理解[4]；虛擬化情境的創設讓通過人機交互，猶如“玩游戲”一般，可以極大地激發學習興趣和求知欲[5-7]；利用力學反饋虛擬仿真設備開展虛擬仿真實驗教學，受訓者在手持手柄操作時，可以獲得和現實中手持工具操作時相同的力學感受，達到模擬現場實戰效果。通過這種協同作戰、班組操作，讓我們的消防員懂“戰術”，指揮員懂“技術”，解決在實戰中“指戰一體化”的難題。

1.4 創新虛擬實訓評價體系

虛擬仿真技術與實驗教學的整合，可以讓受訓者通過交互學習模式與測試體系及時檢查自己的學習效果，同時將自己的學習情況及時反饋給教員；教員可以對學生做實驗的過程進行全程監控、記錄、分析，并給出結論和合理化的建議；此外，虛擬化考試系統可以使考核過程更全面、客觀、科學和標準，極大地減少傳統實物考試模式中繁瑣的材料準備、人員組織、考核結果統計等問題。

2.化學事故處置實訓平臺建設思路

按照標準化、模塊化、分步滾動發展的建設思路，充分利用成熟軟件架構技術，采用先進的MDA模型驅動的體系結構方法和SOA面向服務架方法構建系統。通過3D建模，以實時顯示災害事故現場發展動態，高低精度模型切換流轉順暢，最大程度使虛擬操縱接近真實情況。以典型化學災害事故處置基本程序和要求為依據，就不同情形下裝備選用、技術要求等方面建立正確地邏輯關系。在系統中對人員、裝備和事故發展變化等對象賦予模擬動畫，操作人員在觸發系統設置事件時，能夠及時正確地產生響應。

建立災害事態發展變化的數學模型，模擬實現泄漏物質隨地形、氣象條件、時間等發生內在變化，并能根據系統的操作對災情變化（泄漏擴大或減小）做出相應反應。能方便快捷地設置危險化學品種類、現場情況以及考核評判關鍵點，所有相關數據同步傳輸到前臺。系統設置中可供選擇的危險化學品可能為氣態、液態、固態，具有毒害、易燃易爆、腐蝕等危險性。

3.化學事故處置虛擬實訓平臺架構

化學事故處置實訓平臺最大的特點是能夠模擬毒害環境、重現災情現場、規范處置流程、彌補傳統訓練的短板。借助虛擬現實技術、仿真建模技術和數據分析評估技術，實現對化學事故處置多角度、全方位的演練和評估。為應急演練提供了通用可擴展的平臺架構，通過配置仿真模型、用戶操作界面和部署仿真場景，可快速構建多人協同模擬演練。

3.1 化學事故處置實訓平臺實體結構

化學事故救援虛擬仿真訓練系統分為管理端和訓練端兩部分。系統采用多層架構，實現數據與程序完全分離，管理端和訓練端的分離，界面與程序分離，以保證數據的安全性。能保證數據的完整性、一致性和有效性，采用操作員身份認證機制，防止偽造身份數據，防止不合法的操作。

管理端主要包含裝備數據編輯、想定編輯、考核管理、數據回放、實時監控、預案規劃和智能評判等功能，裝備數據編輯實現對裝備信息的編輯；想定編輯功能實現事故地點、氣象條件以及泄漏介質種類設置；考核管理功能實現多人同時考核；數據回放功能實現考核過程數據記錄以及操作過程的回放展現；實時監控功能實現對考核終端的實時監控；預案規劃功能實現對危險化學品及化工裝置災害事故訓練前期預案的設計與規劃，利用模板與數據結合的方式進行設置；智能評判功能根據考核人員操作情況，進行科學評判，并生成考核分析報告（包含扣分點、扣分原因和分值等）。

訓練端包括教學、訓練和考核3個模式，采用AR、VR、MR等設備模擬實現各種化學事故實踐操作，以分組模式進行協同模擬訓練。教學模式下，可對理化性質、結構認知、防控理念、注意事項等基礎知識進行學習；訓練模式下，可根據不同類型的槽車事故進行技戰術和具體的處置操作訓練；考核模式，參考人員需要在指定時間內，按照要求依次完成處置任務，操作結束后系統自動記錄操作過程并給出分析評判結果。

3.2 化學事故處置實訓平臺虛擬模塊

系統主要分為教學訓練模式和考核模式，其中在教學訓練模式中，操作者可以任意選擇化學事故處置節點，利于有針對性地練習，點擊觸發相應的事件或裝備時，屏幕有相應知識點的出現；在考核模式中，考核人員需要在指定時間內，按照化學事故處置基本程序和系統依次完成化學事故處置任務，操作結束，系統自動對考核人員操作進行評分，并指出錯誤操作。

（1）場景中設置相應的教學任務點，界面設有消防裝備庫，設置虛擬消防員，根據系統提示逐步操作完成化學事故應急救援工作。

（2）系統中的事故模擬場景包括地形、道路、車輛、設備、人員、建筑物等，運用虛擬仿真視覺技術使整體效果能夠充分展現。模型制作范圍為每個模塊所需表現場景范圍，根據實際需求和系統開發時間的實際情況來確定。

（3）化學事故應急救援三維虛擬仿真實訓系統包含可交互操作的模擬化學事故現場環境，結合相關硬件設備進行模擬操作，實現操作者具有身臨其境的臨場感，從而科學直觀地展示安全事故對整個環境及人員的影響。此套系統當中，虛擬仿真技術的應用可將真實環境中無法很好展示的要素如人員位置、車輛位置、風向、風速、危險化學品擴散蔓延方向速度等以直觀可視化、可操控的方式實現交互功能，提供最直觀的表現方式以幫助操作者觀察及操作，從而達到系統模擬訓練的實際目標。

（4）系統分為多個功能模塊，每個模塊都可進行相應功能的設置,當用戶點擊相關模塊時，就進入可操控的內容。通過電腦操作及投影大屏幕的顯示，操作者可以在模擬的虛擬場景內進行自由步行、鳥瞰，也可以點選重點位置查看，可以多視角、全方位地了解虛擬現實的三維事故現場的各區域情況。在有毒有害物質偵檢環節，系統設置模擬器操作進行偵檢儀器模擬器（與真實偵檢儀器1：1仿真模擬）操作，讓操作者身臨其境的使用。逼真的三維圖像，完善的人機交互特性，使該系統成為對消防人員處置化學事故應急救援訓練、考核的實用工具。系統開發完成后，可根據實際需求，逐步升級進行完善，如增設不同的災害事故場景、訓練科目等，開發多人多角色在不同的電腦上、共同的虛擬災害場景內完成協同消防任務，實現更完善的虛擬仿真實訓。

（5）為達到接近實際情況的三維可視化模擬效果，主要場景紋理保持和模擬現場情況基本一致。對需要傳達的信息及發生動作的重要環節進行可視化虛擬仿真，并結合文字、圖片、音效等多媒體信息進行綜合有效的傳達，表現出化學事故應急救援的主要狀態。運行的系統擁有完整的二維圖形用戶界面，同時顯示三維場景，以完成所有的交互操作功能。

4.虛擬仿真實訓平臺建設成效

為了解學員對化學事故處置虛擬實訓的滿意程度，以全國站長助理為調查對象，在該平臺的基礎上添加以氯氣泄漏、LPG槽罐車事故模塊，并以此為內容展開調查。主要從虛擬仿真資源評價、虛實結合教學效果評價和虛擬仿真教學優勢3個方面進行調查，調查結果統計如下：

（1）在虛擬仿真資源評價的調查中，學員認為所提供的槽罐車模型精細，結構正確，能夠真實反映槽罐車事故處置中的狀態; 學員認為事故處置流程合理，能夠真實模擬實戰過程; 對本虛擬實訓平臺建設感到滿意。

（2）在虛實結合教學效果評價的調查中，學員認為這種虛實結合的教學模式有助于理解處置中裝備的內部結構及工作原理，同時可以更好地指導事故處置。尤其是班組協同操作的方式，更貼近實戰，能夠準確地協同作戰。

（3）在虛擬仿真優勢的調查中，學員認為虛擬實訓平臺將傳統實物教學三維數字化和網絡化，能夠不限時間、不限空間，在安全、便捷的條件下開展訓練，并將知識點融會貫通，有助于切實掌握專業知識。

此外，也對實訓平臺提出建議：（1）客戶端軟件對電腦配置要求較高，希望在更新版本時能夠合理優化資源，使低配置的電腦也能流暢運行虛擬客戶端。（2）希望在虛擬實訓平臺能夠上網，實現“網考網訓”。（3）希望豐富虛擬實訓平臺文字說明，以便更好地理解實訓和工作原理。總之，學員對新的訓練模式較為滿意。