唐軍芳

關(guān)鍵詞 技術(shù) 火災(zāi)救援 虛擬演練

1引言

VR（Virtual Reality）技術(shù)是當(dāng)前最為火熱的虛擬體驗(yàn)仿真技術(shù)，由于其具備流程引導(dǎo)和人體交互功能，通過(guò)仿真交互方式能夠使使用者得到身臨其境的體驗(yàn)。21 世紀(jì)是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，多媒體技術(shù)作為當(dāng)前潮流也是與對(duì)傳統(tǒng)方式的一種突破。VR 技術(shù)的沉浸式、交互式、感知性等優(yōu)勢(shì)已應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域[1] 。與此同時(shí)，火災(zāi)應(yīng)急救援演練從原先的實(shí)地操作變成VR 模擬，加之配上解說(shuō)和交互功能，在提升模擬場(chǎng)次的同時(shí)也能保障演習(xí)的安全。

2火災(zāi)撲救教學(xué)及使用VR 的意義

當(dāng)前，火災(zāi)情景模擬多采用范圍性實(shí)地模擬，這會(huì)提高場(chǎng)景成本、資源能耗成本，同時(shí)還存在一定的演習(xí)安全等問題。為模擬現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)情況，現(xiàn)階段的模擬救援還是采取理論和實(shí)戰(zhàn)分級(jí)式救援演練。

理論教學(xué)只是在戰(zhàn)術(shù)分析、場(chǎng)景分析、處理方法類比等基礎(chǔ)上進(jìn)行的反復(fù)教學(xué)，但是未對(duì)實(shí)戰(zhàn)情況進(jìn)行結(jié)合，從而導(dǎo)致實(shí)戰(zhàn)無(wú)法完全發(fā)揮救援策略。而在實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景情況下，未考慮多重因素，無(wú)法真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)情景，也不能及時(shí)有效地對(duì)復(fù)雜的火場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行分析，從而無(wú)法將理論教學(xué)內(nèi)容和實(shí)戰(zhàn)進(jìn)行有效融合[2] 。對(duì)此，我們需要采用VR 場(chǎng)景模擬技術(shù)對(duì)理論和實(shí)踐進(jìn)行雙重加深。

利用VR 和多場(chǎng)景答辯模擬技術(shù)將火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景及真實(shí)感進(jìn)行融合，通過(guò)渲染技術(shù)將火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的高溫、鹽霧、斷裂、環(huán)境及受傷人員進(jìn)行模擬，同時(shí)結(jié)合燃燒、坍塌、阻斷等情景，并通過(guò)教學(xué)窗口和智能提醒功能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析和結(jié)合處理手段[3] ，可以加強(qiáng)教學(xué)、實(shí)戰(zhàn)等。將原有的說(shuō)教式方法轉(zhuǎn)換成沉浸式體驗(yàn)教學(xué)，可以強(qiáng)化理論和實(shí)戰(zhàn)，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解和分析，從而有效減少培訓(xùn)者和培訓(xùn)員在操作中遇到不必要的安全事故，也能不斷地在模擬中提升和鞏固相關(guān)技能。同時(shí)，由于VR 模擬對(duì)使用場(chǎng)景的限制較少，可以減少場(chǎng)景搭建帶來(lái)的時(shí)間成本和場(chǎng)地成本。

3應(yīng)用的效益

3.1真實(shí)感

在各個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景下，溫度、濕度、鹽霧和家具坍塌等現(xiàn)象可以通過(guò)VR 和場(chǎng)景搭建而實(shí)現(xiàn)，由場(chǎng)景粒子、光線、物理引擎、碰撞引擎進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)模型的外表進(jìn)行貼圖和深度渲染，從而提升整體效果。使用者通過(guò)頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡，采取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物尺寸和場(chǎng)地現(xiàn)狀進(jìn)行特效顯示，可以提高真實(shí)感，同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生眩暈和通透效果。在虛擬場(chǎng)景下增加三維定位輔助器及實(shí)物貼膜踩點(diǎn)，可以將人物走動(dòng)和場(chǎng)景進(jìn)行切換，而通過(guò)動(dòng)畫的渲染和燈光設(shè)置可以加強(qiáng)真實(shí)感。因?yàn)榕宕黝^戴式虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡，可以讓使用者全方位無(wú)死角觀察和真實(shí)感受，從而以多角度和多人共同執(zhí)行任務(wù)。

通過(guò)碰撞技術(shù)檢測(cè)噴霧與著火點(diǎn)覆蓋和計(jì)算以及采用粒子效果，可以實(shí)現(xiàn)泡沫與火焰作用特效。此外，依據(jù)滅火器、火槍與火源的位置、噴射時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)，增加噴射時(shí)間提示和火情數(shù)據(jù)分析，可以進(jìn)一步得知熄火情況，并在視角內(nèi)提示完成情況說(shuō)明。而根據(jù)演習(xí)場(chǎng)景，可以實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景的滅火虛擬演練（圖1）。

3.2多功能

通過(guò)交互功能可以實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)的結(jié)合，并可以多人同時(shí)進(jìn)行任務(wù)，從而鍛煉團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。同時(shí)，仿真模擬火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)人與物之間的作用方式，如火焰、煙霧、光線、倒塌、需救人員等聯(lián)合因素，可以增加環(huán)境與人項(xiàng)目作用的效果。

3.3易模擬

不同的應(yīng)急救援場(chǎng)景情況各異，但涉及的救援方式、場(chǎng)景分析流程等相同。為模擬確切情況，我們進(jìn)行了駐點(diǎn)測(cè)試。

根據(jù)虛擬仿真火災(zāi)及滅火效果，可控制火情種類和滅火難度。在火災(zāi)虛擬模擬場(chǎng)景（圖2）中，對(duì)火焰粒子和煙霧粒子設(shè)定范圍定向流動(dòng)和透明度進(jìn)行調(diào)整（圖3），并通過(guò)碰撞次數(shù)和碰撞時(shí)間可以對(duì)滅火情況進(jìn)行綜合評(píng)判。通過(guò)初次分析，再進(jìn)行學(xué)習(xí)模擬，然后初次演練，最后到執(zhí)行任務(wù)等多個(gè)模式，對(duì)完成次數(shù)和完成時(shí)間進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可根據(jù)操作動(dòng)作將水源輸送到滅火點(diǎn)及傷員拯救動(dòng)作規(guī)范進(jìn)行評(píng)判[4] 。

4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)

4.1三維空間定位功能

VR 是虛擬現(xiàn)實(shí)中最為關(guān)鍵的設(shè)備，其具備真實(shí)感、沉浸式效果。目前，市場(chǎng)上的大多數(shù)VR 設(shè)備為頭跟蹤器和手跟蹤器，其實(shí)體交互作用的較小，主要通過(guò)手柄進(jìn)行行動(dòng)控制。為實(shí)現(xiàn)三維空間成像效果，必不可少的是空間定位功能。

根據(jù)三維空間定位研究基礎(chǔ)增設(shè)：（1）采用立體投射和立體音箱系統(tǒng)，成像效果更佳，身臨其境的效果更好，同時(shí)減少人體眩暈等問題;（2）影射顯示采用多通道三維立體顯示，同時(shí)對(duì)映射范圍進(jìn)行控制，通過(guò)計(jì)算碰撞、交互等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)滅火效果。

4.2場(chǎng)景搭建技術(shù)

通過(guò)二維圖像，利用3DMAX 或者Unity 3D 進(jìn)行結(jié)構(gòu)搭建（圖4），并通過(guò)修飾和渲染、貼圖對(duì)三維模型進(jìn)行復(fù)合對(duì)象建模、倒角、車削等處理，最終通過(guò)修改器進(jìn)行合并和匹配，從而實(shí)現(xiàn)模型搭建。

4.3粒子碰撞算法框架

每個(gè)火焰由一個(gè)或者多個(gè)粒子點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)散（圖5），并對(duì)粒子的速度、范圍、速度、加速度、存在市場(chǎng)、碰撞途徑等進(jìn)行限制。隨著時(shí)間的推移，每個(gè)粒子會(huì)經(jīng)過(guò)擴(kuò)散、熄滅、蔓延以及移動(dòng)等操作。通過(guò)動(dòng)畫器、渲染器等對(duì)粒子進(jìn)行調(diào)整，粒子系統(tǒng)需要與模擬場(chǎng)景進(jìn)行結(jié)合、交互、定位等操作，對(duì)此參數(shù)和屬性是粒子運(yùn)動(dòng)的核心。

5優(yōu)劣勢(shì)分析

隨著時(shí)代的發(fā)展，VR 技術(shù)不但能模擬高層火災(zāi)情況，還能模擬醫(yī)院、校園及特殊場(chǎng)地的火災(zāi)情況。應(yīng)用前景十分廣闊。但同時(shí)也有不足之處，即自身軟硬件不同帶來(lái)的效果也不同;無(wú)法直接體現(xiàn)實(shí)體壓力、煙霧感、熱度等;出現(xiàn)游戲化，從而使目的性培訓(xùn)產(chǎn)生偏移。

因此，面對(duì)VR 的優(yōu)劣勢(shì)，需要明確認(rèn)知VR 的效果，同時(shí)加大應(yīng)用的創(chuàng)新力度、加強(qiáng)配套設(shè)備的開發(fā)力度，使虛擬現(xiàn)實(shí)更加貼近真實(shí)生活，推動(dòng)VR 技術(shù)的應(yīng)用范圍從局部擴(kuò)展到全局。在深入研究VR 技術(shù)時(shí)不但要從特效上進(jìn)行提升，同時(shí)要對(duì)實(shí)體感覺、溫度、濕氣、煙霧等情況進(jìn)行多角度融合應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)信息化、戰(zhàn)略化、現(xiàn)代化的VR 火災(zāi)模擬[5] 。

6結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)場(chǎng)景搭建及參數(shù)、數(shù)據(jù)的計(jì)算，使用者通過(guò)系統(tǒng)交互、場(chǎng)景碰撞等功能，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)過(guò)程的模擬，并進(jìn)行滅火場(chǎng)景測(cè)試。

（2）通過(guò)技術(shù)平臺(tái)、人機(jī)交互機(jī)制提升使用者的快速應(yīng)急處理能力，同時(shí)為使用者構(gòu)建問題反饋機(jī)制，提升鞏固問題點(diǎn)。

（3）基于后臺(tái)數(shù)據(jù)匯總對(duì)個(gè)人情況進(jìn)行分析，并結(jié)合演習(xí)評(píng)價(jià)機(jī)制對(duì)個(gè)人情況進(jìn)行匯總以及對(duì)預(yù)案進(jìn)行計(jì)算，做出演習(xí)報(bào)告。