三維仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防訓(xùn)練中的應(yīng)用

毛勇忠 張繼新 黃瑋

[摘? ? 要] 滅火救援預(yù)案與演練推演在消防部隊(duì)的訓(xùn)練和滅火救援實(shí)踐中發(fā)揮著重要的作用，目前制定的滅火預(yù)案及推演大多停留在紙張作業(yè)的平面階段。依據(jù)傳統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)演練、推演模式、場地器材及組織展開受限較多，尤其是針對滅火救援演練，實(shí)際組織實(shí)施需多車多人協(xié)同配合，資源消耗大。為改變目前現(xiàn)狀，開發(fā)基于三維仿真技術(shù)的消防作戰(zhàn)培訓(xùn)系統(tǒng)，通過建設(shè)逼真的三維場景，模擬構(gòu)建各類突發(fā)事故虛擬環(huán)境，在可視化的環(huán)境下進(jìn)行討論和推演，以驗(yàn)證處理過程中所采用處置措施的可操作性及科學(xué)性，從而促進(jìn)指揮人員的指揮決策和協(xié)同配合能力，科學(xué)評定展開行動，有效提高演練效率。

[關(guān)鍵詞] 虛擬現(xiàn)實(shí);消防作戰(zhàn)培訓(xùn)系統(tǒng);消防訓(xùn)練;車輛裝備

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 03. 060

[中圖分類號] TU998.14;TM743? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2019）03- 0149- 04

0? ? ? 引? ? 言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最重要、最新奇的研究方向之一。最具特點(diǎn)的是虛擬現(xiàn)實(shí)的三維建模功能可以在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建生動逼真的虛擬環(huán)境，人們可以非常方便、直觀的“進(jìn)入”這個(gè)虛擬空間，沉浸其中交互推想。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際消防工作中，利用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用軟件及數(shù)據(jù)庫等技術(shù)和資源，以建筑火災(zāi)和石油化工裝置、罐區(qū)事故救援為背景，構(gòu)建虛擬火場和救援環(huán)境，指揮員受命展開行動，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信息查詢、災(zāi)害情景構(gòu)建、輔助決策分析、車輛及人員部署及作戰(zhàn)指揮、等功能，建設(shè)一個(gè)規(guī)范化、科學(xué)化、可視化的能力評估、綜合決策和教育培訓(xùn)的綜合性平臺。如對指揮員、消防員、搶險(xiǎn)救援人員的模擬災(zāi)害事故現(xiàn)場的培訓(xùn)，災(zāi)害現(xiàn)場處置應(yīng)急救援預(yù)案的制作和應(yīng)用、大型災(zāi)害的模擬推演等都具有重要作用。

1? ? ? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防訓(xùn)練中的業(yè)務(wù)應(yīng)用方向

1.1? ?消防教育和逃生能力訓(xùn)練

通過構(gòu)建辦公樓、石油化工裝置等場景，構(gòu)建虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，參訓(xùn)人員可在虛擬環(huán)境中進(jìn)行處置初期火災(zāi)和逃生訓(xùn)練，提高訓(xùn)練者的消防意識和自救能力。

1.2? ?消防裝備操作訓(xùn)練

通過建立裝備的虛擬模型，使消防員熟悉裝備的原理、功能和操作程序，訓(xùn)練消防員對裝備的操作、保養(yǎng)和維修技能。

1.3? ?決策、指揮、協(xié)同能力訓(xùn)練

通過虛擬災(zāi)害場景的設(shè)定，滅火戰(zhàn)術(shù)和救援方案的選擇，指令的下達(dá)等功能設(shè)計(jì)，對宏觀指揮、現(xiàn)場調(diào)度、決策分析能力和突發(fā)事件處置能力等內(nèi)容進(jìn)行交互式輔助訓(xùn)練，并提供綜合評判，采用分布式訓(xùn)練系統(tǒng)，各級指揮員和參謀人員可同時(shí)進(jìn)行訓(xùn)練，以提高大型火場聯(lián)合作戰(zhàn)的指揮、協(xié)同能力。

2? ? ? 消防作戰(zhàn)培訓(xùn)系統(tǒng)功能應(yīng)用

利用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用軟件及數(shù)據(jù)庫等技術(shù)和資源，以建筑火災(zāi)和石油化工裝置、罐區(qū)事故救援為背景，構(gòu)建虛擬火場和救援環(huán)境，指揮員受命展開行動，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信息查詢、災(zāi)害情景構(gòu)建、輔助決策分析、車輛及人員部署及作戰(zhàn)指揮等功能，建設(shè)一個(gè)規(guī)范化、科學(xué)化、可視化的能力評估、綜合決策和教育培訓(xùn)的綜合性平臺。

平臺主要包括以下功能系統(tǒng)：消防作戰(zhàn)三維桌面推演系統(tǒng)、消防理論知識培訓(xùn)考核系統(tǒng)、消防車輛及裝備仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。

3? ? ? 消防作戰(zhàn)三維桌面推演系統(tǒng)主要包括

系統(tǒng)功能：三維仿真場景庫、場景化數(shù)據(jù)信息查詢功能、災(zāi)害場景快速搭建功能、輔助決策分析功能、可視化模擬排兵布陣、作戰(zhàn)指揮。

3.1? ?三維仿真場景庫

三維仿真場景是由二維高清遙感圖片結(jié)合三維模型無縫連接而成，在通過三維場景展現(xiàn)廠區(qū)或罐區(qū)布局、管線、消防設(shè)施、建筑物、道路信息等，通過二維地圖展現(xiàn)周邊幾公里范圍內(nèi)的地理信息，如消防機(jī)構(gòu)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、主干道路及周邊居民情況信息等。效果如圖1、圖2所示。

3.2? ?場景化數(shù)據(jù)信息查詢功能

通過構(gòu)建的三維仿真場景中可快速查看場景信息、消防設(shè)施設(shè)備設(shè)施信息等，系統(tǒng)通過將現(xiàn)場設(shè)備臺賬信息與三維場景相關(guān)聯(lián)，在場景中快速查看定位設(shè)備位置、查看屬性信息、結(jié)構(gòu)尺寸信息等。效果如圖3、圖4所示。

3.3? ?災(zāi)害場景快速搭建功能

通過災(zāi)害場景快速搭建功能可快速模擬各類火災(zāi)事故、泄漏突發(fā)事故、現(xiàn)場特殊天氣、風(fēng)向、風(fēng)速、傷員等。此外，還可植入真實(shí)事故案例。

3.3.1? ?特殊天氣設(shè)置

系統(tǒng)提供多樣化的天氣模型，包括晴天、雨天、雪天，并可設(shè)置當(dāng)前環(huán)境的風(fēng)向、風(fēng)力等因素。

3.3.2? ?火災(zāi)、泄漏事故模型設(shè)置

系統(tǒng)提供多樣化的火焰形態(tài)、泄漏形態(tài)以及傷員模型，可在三維場景中自定義設(shè)置著火位置及火勢大小，傷員位置及傷員個(gè)數(shù)等，結(jié)合設(shè)置的氣象條件，可在短時(shí)間內(nèi)模擬搭建一個(gè)科學(xué)合理的事故虛擬環(huán)境。效果如圖5、圖6所示。

3.4? ?輔助決策分析功能

系統(tǒng)植入了專業(yè)的熱輻射分析模型、爆炸分析模型、沖擊波分析模型，滅火劑用量計(jì)算模型、儲罐沸溢時(shí)間估算模型等，可通過災(zāi)害分析功能，在推演場景中可視化的呈現(xiàn)分析結(jié)果。

3.4.1? ?熱輻射分析模型

系統(tǒng)通過植入的專業(yè)熱輻射分析計(jì)算模型，根據(jù)存儲介質(zhì)類型及儲存量自動計(jì)算，生成并呈現(xiàn)可視化的分析結(jié)果。效果如圖7、圖8所示。

3.4.2? ?滅火劑用量計(jì)算模型

系統(tǒng)通過植入的專業(yè)消防計(jì)算模型，可輸入相關(guān)數(shù)值，計(jì)算出儲罐全面積火災(zāi)所需的滅火劑量、冷卻水量估算等數(shù)據(jù)結(jié)果，如圖8所示。

3.4.3? ?沸溢時(shí)間計(jì)算模型

系統(tǒng)通過植入的專業(yè)消防計(jì)算模型，可輸入液位高度、水墊層高度等數(shù)值，計(jì)算出儲罐沸溢時(shí)間估算等數(shù)據(jù)結(jié)果，如圖9、圖10所示。

3.4.4? ?三維空間測量工具

系統(tǒng)植入了便捷三維空間測量工具，在推演場景中測量長度、高度、仰角、面積等，如圖10所示。

3.4.5? ?三維可視化預(yù)案

系統(tǒng)可編輯、存儲三維可視化預(yù)案，在推演過程中可調(diào)取編輯積累的可視化視化救援方案進(jìn)行參考。

3.5? ?可視化排兵布陣、作戰(zhàn)指揮功能

在三維仿真場景中，可視化的進(jìn)行以下功能操作：車輛及裝備資源調(diào)度、現(xiàn)場固定消防設(shè)施的使用、車輛行車及進(jìn)場路線規(guī)劃、排兵布陣及作戰(zhàn)指揮、三維可視化預(yù)案制作及演練記錄保存等功能。

3.5.1? ?車輛及裝備資源調(diào)度

系統(tǒng)植入消防隊(duì)車輛真實(shí)數(shù)據(jù)，指揮員可根據(jù)事故的現(xiàn)場情形及輔助分析結(jié)果進(jìn)行資源的調(diào)配，此外，在救援過程中可根據(jù)火勢及現(xiàn)場判定進(jìn)行支援力量的調(diào)配。效果如圖11所示。

3.5.2? ?現(xiàn)場固定消防設(shè)施的使用

消防力量到場之前，可進(jìn)行現(xiàn)場固定消防系統(tǒng)的開啟使用，包括罐體噴淋系統(tǒng)、半固定泡沫系統(tǒng)、現(xiàn)場固定消防炮等，如圖12所示。

3.5.3? ?車輛行車及進(jìn)場路線的規(guī)劃

根據(jù)火場地理位置、地勢條件、現(xiàn)場風(fēng)向等因素進(jìn)行車輛的行車及進(jìn)場、撤離路線設(shè)置，如圖13所示。

3.5.4? ?排兵布陣及作戰(zhàn)指揮

系統(tǒng)植入了真實(shí)的消防車輛及裝備資源，指揮員可根據(jù)作戰(zhàn)方案進(jìn)行車輛及裝備的可視化排兵布陣、作戰(zhàn)指揮等操作，如圖14所示。

3.5.5? ?三維可視化預(yù)案制作及演練記錄保存

整個(gè)推演過程的操作記錄，系統(tǒng)后臺自動進(jìn)行存儲可形成3個(gè)記錄文件：演練文檔記錄文件、三維可視化預(yù)案腳本文件、演練記錄復(fù)盤視頻文件（備注：視頻文件即整個(gè)推演過程的錄屏avi視頻文件，如圖15、圖16所示。

4? ? ? 消防理論知識培訓(xùn)考核系統(tǒng)

系統(tǒng)面向指揮員及戰(zhàn)斗員的日常消防專業(yè)理論知識的培訓(xùn)和考核，包括典型石油化工裝置及各類儲罐工藝流程和主要火災(zāi)危險(xiǎn)性知識多媒體培訓(xùn)課件、3D動畫課件，建立消防基礎(chǔ)、滅火救援等知識資源庫及考試題庫，通過人工設(shè)置系統(tǒng)可提供自選學(xué)習(xí)內(nèi)容、自動生成各類考評題庫、計(jì)算機(jī)答題及自動評分。效果如圖17、圖書室18所示。

5? ? ? 消防車輛及裝備仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

系統(tǒng)提供消防車操作面板觸控式仿真培訓(xùn)，支持消防車各種操作的講解、訓(xùn)練和自動操作式培訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)消防裝備的三維交互式培訓(xùn)。

主要包括視頻教程和仿真操作兩種模式，如圖19、圖20所示。

6? ? ? 系統(tǒng)優(yōu)勢

消防作戰(zhàn)培訓(xùn)系統(tǒng)融合了傳統(tǒng)沙盤及桌面推演的優(yōu)勢，采用三維仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)，并結(jié)合大尺寸多點(diǎn)觸控顯示屏進(jìn)行三維交互式桌面推演，在整個(gè)推演過程中，操作者只需使用手指在觸摸屏上直接對三維虛擬場景進(jìn)行操作，利用簡單的點(diǎn)擊、拖拽等操作，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信息查詢、災(zāi)害情景構(gòu)建、輔助決策分析、車輛及人員部署及作戰(zhàn)指揮、日常消防理論知識培訓(xùn)考核、消防車輛仿真培訓(xùn)等功能，滿足消防隊(duì)日常集培訓(xùn)、考核、演練推演一體化的綜合應(yīng)用。

此外，該系統(tǒng)平臺目前在新疆油田公司消防支隊(duì)研發(fā)測試，還要進(jìn)一步與實(shí)際相融合，不斷升級、研發(fā)創(chuàng)新。

主要參考文獻(xiàn)

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