基于虛擬現(xiàn)實(shí)的滅火器使用訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 "要： 由于安全風(fēng)險(xiǎn)和訓(xùn)練成本的限制，傳統(tǒng)的教學(xué)方法難以為學(xué)生提供全面的消防安全知識(shí)和器械操作經(jīng)驗(yàn)，使得學(xué)生無(wú)法高效、快速地掌握滅火器等消防器材的使用技能。而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以安全高效地讓學(xué)生重復(fù)進(jìn)行虛擬仿真訓(xùn)練，有助于解決上述問(wèn)題。基于此，設(shè)計(jì)一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的滅火器使用訓(xùn)練系統(tǒng)。使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將知識(shí)講解和實(shí)操演練相結(jié)合，搭建了虛擬實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)場(chǎng)景；利用三維引擎設(shè)計(jì)了交互系統(tǒng)，并模擬了干粉滅火器的使用操作流程。此外，通過(guò)將具身認(rèn)知理論和手勢(shì)追蹤技術(shù)進(jìn)行融合，滅火器使用訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)需外部設(shè)備的交互方式和創(chuàng)新引導(dǎo)方法。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效幫助學(xué)生掌握滅火器的操作技能和消防安全知識(shí)。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)； 滅火器使用； 火災(zāi)場(chǎng)景； 交互系統(tǒng)； 沉浸式學(xué)習(xí)； 仿真訓(xùn)練

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915?34； TP391.9 " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2024）18?0139?05

Design and implementation of fire extinguisher training system based on virtual reality

QIN Yechang， TIAN Yang， HUANG Jinhe， QIN Haozhao

（School of Computer， Electronics and Information， Guangxi University， Nanning 530004， China）

Abstract： Due to the limitation of safety risk and training cost， it is difficult for traditional teaching methods to provide students with comprehensive fire safety knowledge and equipment operation experience， which makes students unable to master the use of fire equipment such as fire extinguishers efficiently and quickly. The use of virtual reality （VR） technology can safely and efficiently allow students to repeat the virtual simulation training， which can help to solve the above problems. On this basis， a fire extinguisher training system based on virtual reality is designed. The VR technology is used to combine instructional content with practical drills to build a virtual laboratory fire scene. The 3D engine is used to design an interactive system， and the operation flow of dry powder fire extinguisher is simulated. Furthermore， by integrating embodied cognition theory with gesture tracking technology， the fire extinguisher training system can introduce an interaction mode and innovative guidance method without the need for external devices. The evaluation results demonstrate that the designed system can enhance students’ learning interest， and effectively help students master the operation skills and fire safety knowledge of fire extinguishers.

Keywords： virtual reality technology; fire extinguisher use; fire scene; interactive system; immersive learning; simulation training

0 "引 "言

在高等教育機(jī)構(gòu)中，火災(zāi)是一種迅速擴(kuò)散且難以控制的潛在威脅，其在復(fù)雜的校園安全環(huán)境下可能導(dǎo)致重大事故。隨著高校實(shí)驗(yàn)室的持續(xù)發(fā)展和建設(shè)，人員密集度增加、電氣設(shè)施老化以及化學(xué)危險(xiǎn)品的存儲(chǔ)等因素使得火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)日益凸顯[1]。為了提升學(xué)生面對(duì)火災(zāi)的應(yīng)急能力并完善危機(jī)管理體系，高校開(kāi)展了大量的消防安全教育。這些消防安全教育形式上包括媒體宣傳、消防演習(xí)與安全手冊(cè)編制等多種措施[2]，內(nèi)容上則分為知識(shí)講解教學(xué)和實(shí)操演練教學(xué)，但總體上存在著重講解輕實(shí)操與缺乏創(chuàng)新教學(xué)手段等[3]。這些問(wèn)題在滅火器等復(fù)雜器械的使用訓(xùn)練上尤為突出，由于場(chǎng)地限制、安全風(fēng)險(xiǎn)考慮以及消防器材成本等，學(xué)生往往難以獲得必要的實(shí)操練習(xí)，從而無(wú)法快速掌握重要的消防技能，這削弱了高校中的消防安全教育效果[4]。這些問(wèn)題與挑戰(zhàn)要求高校在消防安全教育中尋求新的解決方案，以提高教育的實(shí)效性和互動(dòng)性。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality， VR）技術(shù)在模擬仿真和培訓(xùn)教學(xué)上展現(xiàn)的沉浸感、交互感等特點(diǎn)越來(lái)越突出，越來(lái)越多的仿真研究和教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)始將VR技術(shù)投入應(yīng)用中[5?9]，不僅解決了過(guò)往學(xué)習(xí)訓(xùn)練過(guò)程中模擬成本高和安全風(fēng)險(xiǎn)高的問(wèn)題，還激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而實(shí)現(xiàn)更好的學(xué)習(xí)效果。VR技術(shù)提供的沉浸感能夠促進(jìn)學(xué)生的程序性學(xué)習(xí)（Procedural Learning），從而令學(xué)生能更好地獲取知識(shí)，同時(shí)在訓(xùn)練完成后保持相對(duì)較高的自我效能水平[10?11]。由于虛擬訓(xùn)練場(chǎng)景主要依賴(lài)于計(jì)算機(jī)生成的3D圖形，因此場(chǎng)景構(gòu)建較為快捷，并可以應(yīng)用于不同人員的培訓(xùn)。完成后的訓(xùn)練場(chǎng)景和交互系統(tǒng)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)交付，訪(fǎng)問(wèn)方便[12]。

目前使用虛擬現(xiàn)實(shí)的消防演練系統(tǒng)對(duì)學(xué)生與受訓(xùn)者的引導(dǎo)往往局限于文字和圖形指示，與系統(tǒng)的交互往往依賴(lài)于手柄控制器，造成了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)交互感和沉浸感的下降，進(jìn)而影響了消防知識(shí)在學(xué)生中的傳遞效率，最終限制了受訓(xùn)者對(duì)于應(yīng)急程序與消防技能的練習(xí)。具身認(rèn)知（Embodied Cognition）或稱(chēng)基礎(chǔ)認(rèn)知，是一種假設(shè)人類(lèi)的思想和行為深深植根于個(gè)人對(duì)物質(zhì)世界的感覺(jué)，包括身體部位、行為模式和周?chē)h(huán)境等的理論。利用具身認(rèn)知可以提升學(xué)習(xí)和培訓(xùn)的效果[13]。在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，虛擬的肢體特別是手部被證明是很好的指引方法，虛擬手與其他延伸肢體技術(shù)不僅能夠加強(qiáng)用戶(hù)的空間感知和目標(biāo)選擇能力[14]，還能帶來(lái)虛擬觸感[15]，進(jìn)一步加強(qiáng)用戶(hù)的交互感和沉浸感。

為了更有效地利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性和交互性來(lái)進(jìn)行滅火器使用的仿真訓(xùn)練，本文利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建模擬仿真實(shí)驗(yàn)室與教室場(chǎng)景，仿照現(xiàn)實(shí)滅火器使用流程還原滅火器使用步驟，并對(duì)干粉滅火器進(jìn)行仿真模擬。此外，訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)合具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論，設(shè)計(jì)了虛擬引導(dǎo)手以輔助學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，最終提高消防安全教育的效率。

1 "系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

滅火器使用訓(xùn)練系統(tǒng)的總體框架如圖1所示，主要功能層級(jí)為界面層、應(yīng)用層、仿真層和環(huán)境層。

環(huán)境層為系統(tǒng)依托的開(kāi)發(fā)平臺(tái)與部署硬件。為了保證培訓(xùn)系統(tǒng)的沉浸感，本文使用Unity3D引擎作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并在支持手勢(shì)追蹤的Oculus Quest 2虛擬現(xiàn)實(shí)一體機(jī)上部署。因此，學(xué)生僅使用Quest 2 VR設(shè)備本身即可進(jìn)入沉浸式虛擬環(huán)境中完成訓(xùn)練流程。

仿真層為通過(guò)仿真算法與建模的現(xiàn)實(shí)環(huán)境模擬。本層根據(jù)現(xiàn)實(shí)消防器械，如干粉滅火器和滅火器箱等在3ds MAX中制作建模，并通過(guò)算法和粒子系統(tǒng)等方法在虛擬物體上還原其現(xiàn)實(shí)物理特性，從而支持應(yīng)用層中的自然交互設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)滅火核心流程。

應(yīng)用層為用戶(hù)主要接觸的交互設(shè)計(jì)和虛擬場(chǎng)景。通過(guò)Oculus XR系統(tǒng)與MEgATrack手勢(shì)追蹤完成整體交互設(shè)計(jì)與封裝仿真層的各類(lèi)仿真功能，使得學(xué)生可以進(jìn)入各種虛擬場(chǎng)景中，用雙手自然地與環(huán)境中的虛擬物體交互，并學(xué)習(xí)現(xiàn)實(shí)滅火器操作方法，練習(xí)干粉滅火器操作。

界面層為用戶(hù)界面，引導(dǎo)用戶(hù)完成訓(xùn)練的各類(lèi)指引。該層收集學(xué)生的操作，展示消防安全教育文字說(shuō)明，顯示視覺(jué)提示并引導(dǎo)用戶(hù)。當(dāng)學(xué)生操作滅火器時(shí)，通過(guò)視覺(jué)提示，如箭頭等指引用戶(hù)按步驟與滅火器部件互動(dòng)，并提供給學(xué)生創(chuàng)新知識(shí)呈現(xiàn)方式，如利用虛擬引導(dǎo)手輔助學(xué)生進(jìn)行操作。

2 "系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 "訓(xùn)練場(chǎng)景搭建

為確保滅火器使用訓(xùn)練系統(tǒng)具有充分的沉浸感，加強(qiáng)學(xué)生在訓(xùn)練中的臨場(chǎng)感，并使學(xué)生能夠直觀(guān)感受虛擬場(chǎng)景與物體，本文使用3ds MAX對(duì)實(shí)驗(yàn)室器械、滅火器及滅火器箱等必要的虛擬物體和場(chǎng)景進(jìn)行仿真建模。滅火器模型如圖2所示。

訓(xùn)練場(chǎng)景搭建過(guò)程大致如下。首先進(jìn)行草圖繪制和初步建模：依照現(xiàn)實(shí)中的消防器材與實(shí)驗(yàn)室圖像繪制草圖，利用3ds MAX多邊形建模方法來(lái)構(gòu)造物體模型的整體雛形；其次，進(jìn)行消防器械的制作，即將消防器材解構(gòu)為不同的部件，并按照現(xiàn)實(shí)比例與尺寸，使用擠出倒角等修改器在滅火器各部件接合處制作各個(gè)部件；最后，把建模導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D引擎中，搭建整個(gè)訓(xùn)練場(chǎng)景，創(chuàng)建虛擬物體對(duì)象，使用UVW貼圖修改器對(duì)現(xiàn)實(shí)消防器材圖像進(jìn)行修改，獲得可用的貼圖與材質(zhì)球，為虛擬物體添加對(duì)應(yīng)材質(zhì)球與碰撞體組件，完成訓(xùn)練場(chǎng)景搭建。

2.2 "干粉滅火器仿真

2.2.1 "干粉滅火器噴射流仿真

仿真培訓(xùn)系統(tǒng)利用Unity3D引擎粒子系統(tǒng)來(lái)生成形狀不規(guī)則的火焰和滅火粉末的效果，以增強(qiáng)虛擬場(chǎng)景的真實(shí)感和交互性。噴射流粒子特效測(cè)試效果如圖3所示。

為更加真實(shí)地模擬噴射流與火焰交互效果，增強(qiáng)受訓(xùn)者臨場(chǎng)感與交互感，系統(tǒng)使用粒子系統(tǒng)碰撞模塊及其碰撞信息發(fā)送屬性來(lái)模擬干粉滅火器噴射流與火焰碰撞過(guò)程。當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，調(diào)用粒子系統(tǒng)碰撞體模塊發(fā)送碰撞信息，交互系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)函數(shù)，進(jìn)而調(diào)整煙霧粒子特效與火焰粒子特效的速度和生命周期等參數(shù)，最終在虛擬場(chǎng)景中有效地模擬滅火過(guò)程。

2.2.2 "滅火器軟管仿真

訓(xùn)練系統(tǒng)使用Mass?Spring物理仿真算法來(lái)模擬滅火器軟管跟隨用戶(hù)手部移動(dòng)時(shí)的形變與運(yùn)動(dòng)。模擬的思路為將自然長(zhǎng)度為L(zhǎng)的軟管分割成N個(gè)質(zhì)點(diǎn)，再根據(jù)軟管的受力更新第i個(gè)質(zhì)點(diǎn)的位置坐標(biāo)（xi，yi，zi），從而模擬軟管整體的運(yùn)動(dòng)與形變。首先計(jì)算質(zhì)點(diǎn)的加速度ai：

[ai=Ftotalm] （1）

式中：m為質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量；Ftotal為質(zhì)點(diǎn)i所受合力，主要包括阻尼力Fc、彈簧力Fs與僅作用于y方向的重力Fg。各方向Ftotal可表示為：[Ftotal，x=-k?（xi+1-xi-L）-c?vi，x（t）Ftotal，y=-mg-k?（yi+1-yi-L）-c?vi，y（t）Ftotal，z=-k?（zi+1-zi-L）-c?vi，z（t）] （2）

式中：k為軟管彈性系數(shù)；c為軟管阻尼系數(shù)；g為重力加速度；[vi，x（t）]、[vi，y（t）]與[vi，z（t）]為質(zhì)點(diǎn)i在t時(shí)刻各方向速度。利用歐拉表示法可得質(zhì)點(diǎn)i下一時(shí)刻坐標(biāo)：

[xi（t+Δt）=xi（t）+vi，x（t）?Δtyi（t+Δt）=yi（t）+vi，y（t）?Δtzi（t+Δt）=zi（t）+vi，z（t）?Δt] （3）

式中[Δt]為時(shí)間步長(zhǎng)，可以通過(guò)Unity3D引擎中的fixedDeltaTime屬性來(lái)控制具體數(shù)值大小。下一時(shí)刻的[vi（t+Δt）]可通過(guò)ai計(jì)算得：

[vi（t+Δt）=vi（t）+ai（t）?Δt] （4）

通過(guò)不斷迭代，每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的位置與速度不斷被更新，從而模擬整體軟管的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)軟管末端與滅火器噴嘴連接處的質(zhì)點(diǎn)添加用戶(hù)手握滅火器噴嘴帶來(lái)的牽引力Fhand，末端質(zhì)點(diǎn)加速度aN計(jì)算公式如下：

[aN=Ftotal+Fhandm] （5）

當(dāng)受訓(xùn)者握住虛擬干粉滅火器噴嘴時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)噴嘴移動(dòng)速度更改Fhand大小，實(shí)現(xiàn)軟管跟隨受訓(xùn)者手部自然移動(dòng)與形變。

2.2.3 "裸手交互仿真與虛擬引導(dǎo)手

為了讓學(xué)生直接通過(guò)雙手和虛擬物體進(jìn)行自然互動(dòng)，同時(shí)模擬干粉滅火器的使用方法，訓(xùn)練系統(tǒng)使用Oculus的MEgATrack手勢(shì)追蹤解決方案[16]，通過(guò)手勢(shì)追蹤系統(tǒng)生成一雙和用戶(hù)現(xiàn)實(shí)雙手動(dòng)作同步的虛擬手。學(xué)生與虛擬場(chǎng)景內(nèi)的物體交互全部通過(guò)這雙虛擬手來(lái)完成。虛擬場(chǎng)景中的物體可以通過(guò)附加上碰撞體模塊的方式來(lái)檢測(cè)虛擬手。當(dāng)虛擬手觸碰虛擬物體時(shí)，碰撞體模塊觸發(fā)碰撞事件，從而調(diào)用指定的函數(shù)。交互系統(tǒng)判斷各個(gè)手勢(shì)關(guān)鍵點(diǎn)位置是否構(gòu)成捏取或抓握等動(dòng)作姿勢(shì)，若手部姿勢(shì)為捏取或抓握姿勢(shì)，則將虛擬物體設(shè)置成虛擬手的子物體，使其跟隨虛擬手移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)虛擬物體的抓取功能。

為了更好地幫助受訓(xùn)者與學(xué)生學(xué)習(xí)滅火器使用方法，訓(xùn)練系統(tǒng)根據(jù)操作流程的不同步驟，向用戶(hù)提供不同的箭頭、文字說(shuō)明和虛擬引導(dǎo)手等視覺(jué)提示。其中，箭頭用于指示此操作步驟中應(yīng)使用的滅火器部件，或是指明操作動(dòng)作大致方向；文字說(shuō)明則用于指明具體的操作動(dòng)作和提示學(xué)生相關(guān)的消防知識(shí)；虛擬引導(dǎo)手是一系列特別設(shè)計(jì)的透明手部模型，用于指導(dǎo)學(xué)生正確操作滅火器。這些手部模型按照滅火器操作流程出現(xiàn)在場(chǎng)景中，固定于當(dāng)前操作步驟應(yīng)使用的干粉滅火器部件上。虛擬引導(dǎo)手通過(guò)不斷重復(fù)播放動(dòng)畫(huà)的方式向?qū)W生展示正確的操作動(dòng)作，直到學(xué)生獨(dú)立完成當(dāng)前操作步驟。對(duì)于簡(jiǎn)單的動(dòng)作，學(xué)生可以觀(guān)察虛擬引導(dǎo)手的動(dòng)畫(huà)完成操作。對(duì)于較復(fù)雜的操作步驟，學(xué)生可以將自己雙手與虛擬引導(dǎo)手重合，直接跟隨虛擬引導(dǎo)手動(dòng)作進(jìn)行操作，如圖4所示。

2.3 "系統(tǒng)效果評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證訓(xùn)練系統(tǒng)的有效性，本文參考基于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[17]設(shè)計(jì)利克特式量表評(píng)估問(wèn)卷。此量表主要針對(duì)情感、過(guò)程和知識(shí)三個(gè)層面進(jìn)行考察，每個(gè)層面含有5～8個(gè)利克特五分制形式問(wèn)題，共計(jì)20道。

一共有34名受試者體驗(yàn)了滅火器使用訓(xùn)練系統(tǒng)并完成了調(diào)查問(wèn)卷。三個(gè)層面平均得分圖如圖5所示。對(duì)三個(gè)層面問(wèn)題的得分均值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)平均分都在4分以上，說(shuō)明整體學(xué)習(xí)效果較為良好。

情感層面平均得分為4.16，意味著系統(tǒng)充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度較為積極，同時(shí)對(duì)自己在學(xué)習(xí)過(guò)程中的表現(xiàn)感到滿(mǎn)意和自信，并愿意繼續(xù)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)學(xué)習(xí)。

過(guò)程層面平均得分為4.06，說(shuō)明學(xué)生能夠全面地學(xué)習(xí)，對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)生的狀況也能進(jìn)行交流探索，最后能探明并解決問(wèn)題。在學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生也能對(duì)學(xué)習(xí)到的內(nèi)容進(jìn)行反思和內(nèi)在化。

知識(shí)層面平均得分為4.03，各問(wèn)題的平均分?jǐn)?shù)表明雖然學(xué)生能夠?qū)W習(xí)到新知識(shí)和掌握到新技能，但缺乏學(xué)習(xí)遷移的自信，特別是在順應(yīng)性和重組性方面上的學(xué)習(xí)遷移。這說(shuō)明系統(tǒng)的多樣性有待加強(qiáng)，需要添加更多方面的學(xué)習(xí)內(nèi)容，如增加水基型滅火器的使用訓(xùn)練或是滅火器的維護(hù)訓(xùn)練等。

3 "結(jié) "語(yǔ)

本文利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合消防知識(shí)講解和實(shí)操演練內(nèi)容，設(shè)計(jì)了一個(gè)沉浸式的滅火器使用訓(xùn)練系統(tǒng)，并在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行了干粉滅火器使用技能的仿真訓(xùn)練，探討了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防安全教育領(lǐng)域的應(yīng)用。在滅火器使用訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，搭建了沉浸的虛擬實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)場(chǎng)景，并通過(guò)粒子效果和部件交互實(shí)現(xiàn)了對(duì)干粉滅火器的模擬仿真。在交互設(shè)計(jì)上，使用箭頭與文字說(shuō)明幫助學(xué)生學(xué)習(xí)消防安全知識(shí)，并利用具身認(rèn)知理論設(shè)計(jì)虛擬引導(dǎo)手，讓學(xué)生跟隨虛擬引導(dǎo)手快速、熟悉地掌握干粉滅火器的規(guī)范操作。經(jīng)實(shí)驗(yàn)評(píng)估發(fā)現(xiàn)，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)室滅火器訓(xùn)練培訓(xùn)系統(tǒng)是一種有效的教育培訓(xùn)方式，能夠克服傳統(tǒng)訓(xùn)練方法的局限，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高學(xué)習(xí)效率。但訓(xùn)練系統(tǒng)在知識(shí)層面特別是學(xué)習(xí)遷移上的效果有待提高，下一步應(yīng)根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景與不同的火災(zāi)險(xiǎn)情，增加更多的虛擬場(chǎng)景與消防器械，從而完善消防安全的教育內(nèi)容，提升學(xué)習(xí)訓(xùn)練效率。

注：本文通訊作者為田陽(yáng)。

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