基于VR的特種災(zāi)害事故救援模擬訓(xùn)練模塊及功能探析

■ 郭茂坤 應(yīng)急管理部消防救援局昆明訓(xùn)練總隊(duì)

一、基于VR的特種災(zāi)害事故救援處置基礎(chǔ)訓(xùn)練概述

通俗地講，特種災(zāi)害事故救援就是除常見、常規(guī)外的事故救援，即在應(yīng)急救援任務(wù)中，消防員除常規(guī)的滅火救援、建筑、森林火災(zāi)、?；贰⑺?、地震、交通事故救援救助等外的，還會(huì)遇到電梯、船舶、航空器、核生化、空難、臺(tái)風(fēng)、海嘯等特種災(zāi)害事故的應(yīng)急救援[1]。由于消防職能任務(wù)的擴(kuò)展和日益復(fù)雜的災(zāi)害事故形勢(shì)，近年來消防救援隊(duì)伍參與特種災(zāi)害事故救援和處置的頻率有所增加。特種災(zāi)害事故對(duì)救援和處置的要求較高，體現(xiàn)為專業(yè)性強(qiáng)、技術(shù)要求高、裝備和救援程序特殊等。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)，即VR技術(shù)，是一項(xiàng)綜合了計(jì)算機(jī)仿真、圖形學(xué)、圖像處理、人機(jī)交互、傳感與識(shí)別等多項(xiàng)技術(shù)的總稱。通過虛擬現(xiàn)實(shí)，可以提供給用戶真實(shí)自然的體驗(yàn)，包括聽覺、視覺、觸覺甚至嗅覺上的刺激，并且由虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)建沉浸感（Immersion）和交互性（Interaction）[2]。

基于VR虛擬現(xiàn)實(shí)的特種災(zāi)害事故救援處置模擬基礎(chǔ)訓(xùn)練，就是把VR技術(shù)與特種災(zāi)害事故救援處置所需的基礎(chǔ)訓(xùn)練結(jié)合起來，在對(duì)基礎(chǔ)訓(xùn)練科目的虛擬真實(shí)模擬訓(xùn)練基礎(chǔ)上提高受訓(xùn)者認(rèn)知水平、操作能力、心理素質(zhì)和考核成績。這樣做能有效針對(duì)各種特種災(zāi)害事故的特點(diǎn)，利用一系列綜合技術(shù)實(shí)現(xiàn)近乎真實(shí)的場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)高度仿真的模擬訓(xùn)練。較建設(shè)實(shí)景模擬訓(xùn)練設(shè)施而言，基于VR的模擬訓(xùn)練具有低成本、多場(chǎng)景、全方位的訓(xùn)練體驗(yàn)，能有效提升訓(xùn)練效果。與傳統(tǒng)的訓(xùn)練設(shè)施相比，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備和配套訓(xùn)練應(yīng)用的成本更低，同時(shí)VR可以將無限的虛擬空間送到受訓(xùn)人員眼前[3]。尤其在基礎(chǔ)訓(xùn)練方面，比如對(duì)某種災(zāi)害事故的認(rèn)知、判斷以及簡單操作和應(yīng)對(duì)等基本能力素質(zhì)的訓(xùn)練，基于VR的特種災(zāi)害事故救援處置基礎(chǔ)訓(xùn)練可以實(shí)現(xiàn)足不出戶就能獲得與真實(shí)場(chǎng)景相當(dāng)?shù)挠?xùn)練效果。根據(jù)特種災(zāi)害事故救援處置的需求，可以把基于VR技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)訓(xùn)練分為四個(gè)模塊：認(rèn)知訓(xùn)練模塊、操作訓(xùn)練模塊、心理訓(xùn)練模塊和考核模塊。

二、基于VR的特種災(zāi)害事故救援處置模擬基礎(chǔ)訓(xùn)練模塊及功能

基于VR的特種災(zāi)害事故救援處置模擬基礎(chǔ)訓(xùn)練模塊涵蓋數(shù)據(jù)、應(yīng)用和用戶三個(gè)邏輯層面。受訓(xùn)者即用戶，通過事先儲(chǔ)存的可視化數(shù)據(jù)進(jìn)行人機(jī)交互，結(jié)果由應(yīng)用軟件進(jìn)行處理。其中數(shù)據(jù)分為兩部分，一部分是應(yīng)用層面的軟件事先制作或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)，比如通過渲染的虛擬真實(shí)場(chǎng)景；一部分是人機(jī)交互所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。因此，模擬基礎(chǔ)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)為C/S架構(gòu)，包含了客戶端、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)處理器三個(gè)部分。

以下四個(gè)模塊主要是針對(duì)數(shù)據(jù)層面和應(yīng)用層面的使用及功能開發(fā)。

（一）認(rèn)知模塊及功能

1.屬性認(rèn)知

在受訓(xùn)者進(jìn)行人機(jī)交互時(shí)，為受訓(xùn)者提供某種特殊物質(zhì)的VR圖像，或者某種場(chǎng)景和狀態(tài)，輔助其認(rèn)識(shí)和掌握特定物質(zhì)和現(xiàn)象。比如呈現(xiàn)一種航空燃油儲(chǔ)罐的燃燒狀態(tài)，讓受訓(xùn)者學(xué)習(xí)它臨近爆炸時(shí)的煙霧顏色和火光等現(xiàn)象；在裝備方面，為受訓(xùn)者提供特種裝備的VR圖像，幫助其掌握裝備的構(gòu)成、功能等屬性。比如我們可以提供一套防輻射服的圖像，讓受訓(xùn)者學(xué)習(xí)它的材料、功能和防護(hù)等級(jí)等基礎(chǔ)知識(shí)。

2.構(gòu)造認(rèn)知

提供由3D制圖軟件渲染的模擬真實(shí)場(chǎng)景的VR圖像，讓受訓(xùn)者熟悉其內(nèi)部構(gòu)造。比如讓受訓(xùn)者學(xué)習(xí)船舶、航空器的內(nèi)部構(gòu)造，我們就可以提供其VR的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，讓其在人機(jī)互動(dòng)中了解掌握逃生通道、撤離路線等關(guān)鍵知識(shí)。我們可以把船舶或航空器3D模型圖像編程，做成一個(gè)VR的郵輪或者客機(jī)的構(gòu)造認(rèn)知軟件模塊，然后通過客戶端進(jìn)行人機(jī)交互，讓受訓(xùn)者身臨其境地“體驗(yàn)”該類型船舶或航空器的內(nèi)部環(huán)境，判斷緊急情況下的出口通道，以及逃生急救設(shè)施的位置等，還可以設(shè)置一些類似事故場(chǎng)景的構(gòu)造讓受訓(xùn)者適應(yīng)其環(huán)境的變化。

（二）操作模塊及功能

通過添加特種災(zāi)害救援處置裝備器材的3D圖像，結(jié)合簡單的虛擬場(chǎng)景就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)器材和相應(yīng)程序的模擬操作：

1.器材操作的模擬

把某種器材如蓋格計(jì)數(shù)器，做成VR圖像，讓受訓(xùn)者在虛擬真實(shí)場(chǎng)景中“測(cè)量”某種“放射性物質(zhì)”的輻射量。再比如模擬洗消或爆炸物探測(cè)的器材操作等，讓受訓(xùn)者熟悉掌握器材性能和使用方法。

2.程序操作的模擬

模擬救援處置案例，讓兩人以上的受訓(xùn)者在同一預(yù)設(shè)情境中演練完整規(guī)范的處置程序。比如對(duì)傷者進(jìn)行簡單的施救，避免錯(cuò)誤程序造成二次傷害。比如模擬一個(gè)狹小空間的救援，讓受訓(xùn)者熟悉一整套施救的程序。

（三）心理訓(xùn)練模塊及功能

模擬真實(shí)的特種災(zāi)害事故救援處置場(chǎng)景，可以很好地實(shí)現(xiàn)心理訓(xùn)練的效果。心理訓(xùn)練模塊可分為以下兩種：

1.災(zāi)害事故場(chǎng)景仿真

制作近乎真實(shí)的災(zāi)害事故場(chǎng)景，通過VR客戶端設(shè)備讓受訓(xùn)者置身于該場(chǎng)景中，訓(xùn)練其面對(duì)災(zāi)害事故場(chǎng)景時(shí)的心理承受能力和調(diào)節(jié)能力。比如制作一個(gè)“空難”的事故場(chǎng)景或者一個(gè)船舶事故的現(xiàn)場(chǎng)，或者模擬一場(chǎng)臺(tái)風(fēng)過后的場(chǎng)景、一次海嘯過后的場(chǎng)景等?？梢栽诋嬅嬷谐尸F(xiàn)近乎真實(shí)的高像素虛擬對(duì)象，比如湍流、傷者、殘破的建筑等，以造成受訓(xùn)者強(qiáng)烈的視覺沖擊和心理反應(yīng)，從而鍛煉應(yīng)對(duì)災(zāi)害事故時(shí)的心理素質(zhì)。

2.突發(fā)狀況模擬

把受訓(xùn)者置身于事先設(shè)定的情境中，并設(shè)置突發(fā)狀況，比如突發(fā)的坍塌、高空的墜落、突發(fā)爆炸等，訓(xùn)練其臨危不亂的心理素質(zhì)。比如模擬一個(gè)隧道或橋梁坍塌事故，設(shè)置周圍不穩(wěn)定環(huán)境，隨時(shí)有構(gòu)筑物坍塌和墜落，以及?；繁ǎ尤肼曇?、畫面等災(zāi)害事故環(huán)境因素，鍛煉受訓(xùn)者在極端條件下冷靜沉著的心理素質(zhì)，并訓(xùn)練撤離時(shí)的安全意識(shí)和迅速反應(yīng)等心理素質(zhì)。

（四）考核模塊及功能

把以上三個(gè)模塊中的虛擬場(chǎng)景、虛擬裝備等數(shù)據(jù)編成考核程序，在一定的考核標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)層面的考核模式：

1.基本判斷考核

把認(rèn)知模塊中的VR圖像關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行融合，編入軟件的預(yù)設(shè)情境，考核其對(duì)屬性、構(gòu)造等基本認(rèn)知的判斷，可以實(shí)時(shí)糾正其認(rèn)知錯(cuò)誤，也可以在預(yù)設(shè)情境進(jìn)行完成后形成考核成績。

2.基本操作考核

讓受訓(xùn)者在考核系統(tǒng)中“操作”一個(gè)或幾個(gè)裝備完成一項(xiàng)或幾項(xiàng)任務(wù)，復(fù)雜程度視考核難度而定。若按規(guī)定完成任務(wù)，則顯示合格，若操作有誤，則出現(xiàn)相應(yīng)的結(jié)果，考核不合格，以分不同的情況多場(chǎng)景呈現(xiàn)。

3.協(xié)同和程序考核

通過預(yù)設(shè)多人協(xié)同進(jìn)行救援和處置的場(chǎng)景，由外接顯示設(shè)備投屏的方式讓考官評(píng)判受訓(xùn)者在救援和處置中是否做到有效協(xié)同、程序規(guī)范?？己藰?biāo)準(zhǔn)可根據(jù)救援技術(shù)規(guī)范或課程標(biāo)準(zhǔn)制定，考核對(duì)象在相應(yīng)時(shí)間完成既定任務(wù)即視為考核通過。

三、結(jié)語

當(dāng)下正值消防救援隊(duì)伍全面發(fā)展時(shí)期，“全災(zāi)種、大應(yīng)急”的國家綜合性應(yīng)急救援力量格局正在形成。在國家綜合性消防救援隊(duì)伍處置特種災(zāi)害事故的能力穩(wěn)步提升的今天，利用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)大幅提升訓(xùn)練效能，為保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全作出貢獻(xiàn)，是一件利國利民的好事。