基于虛擬現實技術的消防救援模擬訓練系統軟件設計開發的分析研究

李杰輝 宋文琦 陶鵬宇 姜芊葉

摘要：為解決消防救援隊伍典型災害事故救援訓練設備配置不足、場地空間受限、實戰演練頻次低的現實問題，眾多學者探索引入虛擬現實技術的模擬訓練方法。要確保模擬訓練滿足實戰化的需求，系統軟件的設計開發尤為重要。故詳細闡述基于虛擬現實技術的消防救援模擬訓練系統的設計開發流程，并以高層建筑火災的應用場景為例，進一步優化系統軟件的功能設計和場景開發應用，以不斷提升典型火災事故消防救援模擬訓練的精準度。

關鍵詞：虛擬現實；模擬演練；場景應用

中圖分類號：D631.6? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2024）04-0001-04

根據國家消防救援局發布的全國消防救援隊伍接處警與火災情況統計數據，2021至2023年度，全國消防救援隊伍共接報處置各類警情分別為195.6萬起、209.2萬起、213.8萬起，其中火警分別為74.8萬起、82.5萬起、87.8萬起，呈逐年遞增的趨勢[1-3]。隨著全國消防救援隊伍改制轉隸的順利完成，作為“國家隊、主力軍”的職責定位更為明確，隨之而來的應急救援工作的壓力和挑戰也日益凸顯。因此，不斷提升消防救援隊伍面對各類典型火災事故的應急處置能力迫在眉睫。

當下傳統的火災事故救援培訓有實戰模擬演習、課堂教學和基于情景的桌面推演等幾種方式，但都有其優缺點。實戰演練能給消防救援人員帶來較為真實的救災體驗，但組織協調難度大，可重復性較差。課堂教學和基于情景的桌面練習等方式，主要由培訓老師單純講授培訓內容，都缺乏真實火災救援現場的體驗感，多為機械性記憶，缺乏實操實訓。然而，隨著虛擬現實技術的不斷發展和應用，將其引入典型火災事故救援培訓體系中，是對傳統培訓模式的一種提升和補充。

1 虛擬現實技術在消防領域的應用

在歐美發達國家，虛擬現實技術已廣泛應用于消防領域。美國研究開發的Flame-sim消防訓練游戲軟件是一款用于事件指揮官和消防隊員火場決策訓練的3D實時模擬訓練軟件[4]。瑞典林雪平大學計算機信息科學系提出了一種森林火災事故消防模擬訓練系統，可以逼真模擬消防救援人員、救援指揮員等多個不同角色進行模擬實訓[5]。英國也較早地將VR應用到消防領域中，Colt VirtualReality公司開發的消防疏散系統，用來訓練消防人員在火災現場的應急反應，模擬不同的疏散情形進行救援[6]。

在國內該領域相關研究中，中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院開發了石化火災事故應急訓練模擬裝置[7]，中國海洋大學研究開發了基于Cortex的“消防裝備模擬訓練系統”，二者均有所突破[8]。但目前國內相關研究的場景實用性較為單一，實用性不強，軟件的互動性不高。

2 VR軟件系統的設計

2.1? 軟件設計架構及設計思路

軟件框架分為“輸入端、客戶端、數據中心、存儲中心、輸出端”五大部分。其中輸入端主要是VR手柄以及腦電監測等設備。客戶端主要包含交互邏輯模塊、場景管理模塊、軟件交互管理模塊、模型資源管理模塊以及UI模塊等六個模塊。數據中心主要包含成績管理、用戶信息管理、時間判定管理、腦電信息管理等。存儲中心主要是軟件整體信息的儲存中樞。輸出端的設備主要包括桌面顯示設備、VR頭顯設備、煙熱風電設備以及力反饋背心設備等。

2.2? 腳本設計

腳本設計內容包括項目內容流程圖繪制、美術建模工作量圖標等。首先，要假定火情，完成火場素材和相關數據收集匯總，包括場景火災前后的全景素材、場景平面圖、全景監控素材、火場圖片視頻素材等。其次，梳理火災場景現場救援行動的裝備器材、具體操作要求、考核要點等內容，整合出一個原始文字腳本內容，并通過論證和確認。最后，完成分鏡腳本的繪制工作，由分鏡內容推演軟件架構的搭建。

2.3? 功能設計

結合對受訓人員的用戶分析、使用情境分析以及功能分析，從而確定本軟件系統主要包括教學、訓練和考核三大核心功能模塊，支持在處置過程中以不同角色參與教學和訓練。

在教學模式下，受訓人員根據需要選擇相應科目，系統通過文本、圖片、PPT或視頻等方式開展交互學習，在場景中嵌入相應的教學內容，對技術要點和操作技巧進行講解。學習過程中受訓人員隨時可以通過VR交互手柄等工具對學習內容開展翻頁、運行、暫停、快進、后退等操作，學習內容則通過顯示屏或者頭戴顯示器展示給受訓人員。

在訓練模式下，受訓人員根據訓練科目特點，選擇以第一視角或第三視角開展體驗性技能操作訓練。訓練模式執行過程中，施訓人員可以隨時中斷或改變訓練內容，從而增強訓練難度。同時，施訓人員可根據系統提示性內容開展跟隨訓練，從而達到技能操作和執行流程正規化訓練目的。軟件第三視角畫面見圖1。

在考核模式下，受訓人員在無提示場景中開展不間斷考核。考核內容涵蓋全部教學內容和訓練內容，考核方式包括知識點選擇答題和自主技能操作。考核評價方法以最終百分為標準，在選擇答題環節，隨機設置20道選擇題；在實操訓練環節，隨機選擇一種火災場景，在隨機著火點條件下開展滅火救援實操，根據操作用時和錯誤動作檢測，由系統自動評價賦分。

另外，同步開發心理訓練模塊應用場景，將火災場景下涉及燃燒點的監控錄像、真實的火場圖片和視頻資料嵌入場景地圖中，在場景中設置熱點點擊提示受訓人員進行觀看，通過感官刺激，加強對用戶心理狀態的沖擊，對心理測評后腦電設備的信息進行采集呈現，獲取受訓人員的心理測評相關結果。

3 VR軟件系統的開發和應用

3.1? 場景搭建軟件3ds MAX

本系統利用3ds MAX對系統火災場景進行模型的搭建。3ds MAX是Discreet公司開發的三維動畫渲染和制作軟件，具備豐富的建模功能和強大的渲染能力。本文利用3ds MAX軟件火災場景建筑的三維模型，搭建建筑內部樓梯間、疏散走道、安全出口、房間基礎布局、建筑消防設施以及消防車輛、消防器材等三維實體模型，同時建立消防指揮員、消防員、群眾等人員模型，進行骨骼綁定和行為動畫制作。

3.2? 系統搭建軟件Unity3D

本系統利用Unity3D來進行搭建。Unity3D是由Unity Technologies開發的，是全面整合了三維場景、動畫效果、三維視頻的專業游戲引擎[9]。根據前期收集的火災場景資料和腳本設計，將3D模型導入Unity3D軟件，構建火災現場的三維虛擬場景。根據前期軟件的功能設計進行編程，實現受訓人員控制軟件虛擬消防人員完成各種火場滅火救援操作動作。

3.3? 交互實現

系統功能實現的一個重要環節是使受訓者和系統中的虛擬環境實現人機交互的聯系，這就需要配置交互設備和系統場景的相應適應化改良。為進一步提升系統交互的真實感和實操性，本系統配置了VR頭盔套裝、行走模擬座椅及背心等特殊VR硬件交互設備，以實現人員在訓練場景中的移動交互。

根據上述交互設備特點，不斷調整火災場景視角VR化、交互VR化、界面VR化，對相應的視角和交互方式進行適應化改良。另外，本系統軟件還支持基于煙、熱、風、光及力反饋設備的接入，支持煙、熱、風、光、觸的效果呈現，能夠讓除視覺感官外的其他感官方式更加接近真實效果，增強沉浸感。

4 高層建筑火災事故應用場景開發實例

4.1? 火情設定

某日，轄區內某高層民用建筑801室發生火災，現場煙霧較大，有明火燒出窗外，且有持續擴大蔓延趨勢，起火房間內有人員被困。該高層建筑高度110m，設有1部防煙樓梯間，室內消火栓166個，室外消火栓4個，公共區域設置自動噴淋滅火系統、火災自動報警系統、防排煙系統等固定消防設施。起火房間面積101m2，戶型為三室兩廳兩衛，設有基礎家具陳設。

4.2? 火災事故處置應用場景設計和開發

4.2.1? 角色設計和開發

火災事故處置現場涉及角色有指揮崗和執行崗之分。指揮崗是指現場的消防指揮員，主要分為總隊、支隊、消防站三級指揮員，對其相應所控制的各類角色下達操作指令。執行崗角色主要是分為班長、戰斗員、安全員、偵察員、通訊員等，其是完成相關操作任務，同時向指揮崗角色匯報相關情況。受訓人員根據自身訓練內容和科目，可選擇單一角色操作訓練，也可選擇全流程角色訓練任務。

4.2.2? 系統場景界面的設計和開發

本系統采用第一視角操作界面，在界面上方設計了360°全景方向圖標，為受訓者提供方向指引。在界面下方設計開發高層火災處置流程選擇界面，分別為力量調集、火情偵察、登高進入、疏散救人、固定消防設施選擇、陣地設置、內攻滅火火場排煙、清理移交等處置項目選擇按鈕。在界面左側區域設計AI工作手札模塊，在教學和訓練模式下為受訓者提供教學要點和操作指引。在界面左側區域還設計了部分消防設備的快捷按鈕，方便受訓者快捷操作。界面右側設置了地圖和工具箱操作按鈕，將現場總平面布局圖、建筑平面圖、房間平面圖等地圖信息集合在地圖按鈕中，方便受訓人員調取使用；工具箱按鈕中集合了各類滅火救援裝備，方便受訓人員學習和調取使用。界面右側下方還設置了秒表計時器，為受訓者提供操作時間提示。系統操作界面設計見圖2。

4.2.3? 火災處置流程模塊的設計和開發

本系統場景中最核心的板塊就是火災處置流程模塊。根據火情假定和現場建筑相關情況，梳理匯總高層建筑滅火救援的處置流程為：完成力量調集工作，協調AI進行警戒疏散等工作，前往安全員處進行安全檢查，“樓道排煙”和“放置分水器”任務為并行任務，不分先后，放置分水器后，連接水帶，破拆房門，房門破拆需協調AI協助，緩開門，防止回火，進入火場核心區域，需使用熱成像儀尋找火點和被困人員，隨后進行室內排煙讓可視范圍提升，然后前往滅火，使用直流水滅火，完成滅火后前往解救被困人員，對其需使用一次性防毒面罩，隨后協調AI隊友對其使用擔架救助，完成掃清灰燼工作后完成移交。將上述處置流程審議定稿后，繪制形成高層建筑火災滅火救援處置流程框架圖，然后進行逐一編程開發。高層建筑火災部分處置流程場景見圖3。

4.3? 考核評測模塊的設計和開發

本系統的一個核心功能就是對受訓者進行考核評價。本系統的考核評價體系采用系統賦分和考官手動評分結合的方式進行綜合評定。一是靠使用Unity3D中的插件可實現視頻回放和操作流程、操作（下轉第14頁）（上接第3頁）數據的實時抓取，對考核點分別設置扣分標準，對比操作人員考核流程，實現自動量化評價。二是在考官面前設置一塊高分辨率屏幕，顯示參訓人員實訓過程中的操作過程和場景畫面，通過觀察參與演練的指揮人員對車輛和人員部署是否得當、戰術策略運用是否恰當、指令用語是否準確、滅火救援技術運用是否合理、消防救援班組之間配合是否默契等，實現考官手動打分定性評價。

5 結束語

基于虛擬現實技術的典型火災事故場景救援實訓系統既能夠逼真還原火災事故現場，又能夠科學合理地提供火災處置的全要素實訓課程，給受訓人員最直接的感官沖擊和最全面教學，內置的考核模塊還可以作為消防員日常考核的重要手段和依據，大幅提升消防員的火場救援能力、反應能力和協作能力，能夠解決當前消防隊伍面臨的戰訓難題，為今后的應用案例提供指導。

參考文獻

[1]中國青年網.應急管理部消防救援局公布2021年全國消防接處警與火災情況 去年消防出警量歷年最多[EB/OL].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1722476185996523996&wfr=spider&for=pc

[2]國家消防救援局.2022年全國警情與火災情況[EB/OL].https：//www.119.gov.cn/qmxfxw/xfyw/2023/36210.shtml

[3]北京日報客戶端.國家消防救援局：2023年共接報處置各類警情213萬余起[EB/OL].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1787156040631092864&wfr=spider&for=pc

[4]劉敏.基于美國《Flame-sim》消防訓練游戲的分析與思考[J].中國科技縱橫，2014（23）：248-249.

[5]章竹喬.虛擬現實技術在滅火救援模擬訓練中的應用分析[J].中國設備工程，2023（5）：21-23.

[6]牛坤，劉晅亞，陶鵬宇，等.基于虛擬現實技術的消防救援模擬演練系統[J].消防科學與技術，2021（11）：1639-1643.

[7]李智臨.石化火災事故應急訓練模擬裝置的設計與實現[J].廣東化工，2021（12）：300-301+315.

[8]秦鵬宇.基于Cortex的消防裝備模擬訓練系統的設計與實現[J].今日消防，2022，7（5）：19-21.

[9]王雨杰，呂述杭，丁懷遠，等.基于Unity的安卓游戲軟件開發設計[J].信息與電腦，2022（11）：134-136.