虚拟现实技术在地震应急救援训练基地中的应用

赵　晶，李建亮，李福海

(1. 四川省地震局，成都　610041；2. 西南交通大学，成都　610031)

虚拟现实技术在地震应急救援训练基地中的应用

赵晶1，李建亮1，李福海2

(1. 四川省地震局，成都610041；2. 西南交通大学，成都610031)

摘要：对虚拟现实技术的发展现状进行了叙述，从基地需求以及技术发展角度讨论了虚拟现实技术应用于地震应急救援训练基地的可行性，阐述了地震应急救援训练基地中虚拟仿真系统的关键技术，提出了虚拟现实技术在地震应急救援训练基地中的具体应用。最后，对虚拟现实技术在地震应急救援培训领域的应用前景进行了探讨。

关键词：虚拟现实；虚拟仿真；地震应急救援训练基地

0引言

虚拟现实(Virtual Reality，VR)又称灵境技术或人工环境[1]，是近年来发展起来的高新技术手段之一。虚拟现实是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间事物。当前，VR技术已经在医学、文化娱乐、体育、军事航天、室内设计、工业仿真、培训演练等领域得到了广泛的应用。例如，在军事领域，VR技术被应用在虚拟战场系统的建设中，使军队作战训练实现了向信息化、全域化、智能化的新型作战模式的转变。在体育仿真中，VR技术被应用于复杂、危险项目的虚拟训练，如滑雪、赛车、攀岩等；也被应用于技术动作类项目的动作重现，如体操、跳水等；还被应用于对运动员生理和心理数据采集分析，以探索人体运动学规律的研究，如田径、健身等[2-4]。而在娱乐产业，VR游戏的发展更是牵引了VR技术的发展，众多科技公司最近都推出了应用最新VR装备的虚拟游戏产品，如OMNI虚拟游戏机、极限竞速(虚拟赛车游戏)等。VR技术的发展随着其商业化的进程正在不断加速，越来越多领域的研究者加入进VR应用的开发中。随着相关技术的不断进步，VR技术将会更深度地影响人们的生活方式。

1VR技术应用于地震应急救援训练基地的可行性

虚拟现实技术早在2006年已经引入国家地震紧急救援训练基地，先后开发了面向应急管理人员“看现场，做决策”的地震应急救援虚拟仿真演练系统，面向救援队员救援训练的地震现场救援训练系统和面向公众应急避险体验的地震应急避险逃生游戏等[5-6]。众多科研院所、学校也逐渐加入了这一方向的研究工作[7-9]。

对于大多数地震多发国家，都有一套完整的地震应急管理体系，一般包括：地震应急指挥系统、专业紧急救援队伍、救援装备研发中心、救援训练基地等[10]。其中，救援训练基地作为培训救援队员专业技能、锻炼队员健壮的体魄和旺盛精力的场所，为确保现场救援工作能够有效开展奠定了基础。近年来，我国地震频发，我们急需培育更多的专业救援队伍。而我们正面临着训练基地紧缺、训练设施落后、训练方式偏于常规等诸多问题。其中，常规训练不能很好调动队员的积极性，且常规训练模式不够人性化，缺少对受训人个人情况的了解以及受训队伍整体水平的把握。

目前，四川省地震局为完善四川省应急救援体系建设，提高应急救援队伍的救援能力，促进防震减灾事业的可持续发展，正在建设省级应急救援专业队伍训练基地，致力于打造一个具有国际水平、高科技含量、高实用化的专业训练基地。为实现这一目标，我们必须把握当今科技发展的主要形势。VR技术作为一种发展速度快、各项相关技术发展成熟度高的新型技术手段，其商业化已经颇具规模，并且它在场景构建、动作重现、人机交互等方面均有良好的发展，这都为我们把它应用于基地建设提供了保证。

2应用于地震应急救援训练基地VR系统的关键技术

应用在地震应急救援训练基地VR系统中的关键技术主要有：环境建模技术、立体显示技术、用户(头、眼)跟踪技术、动作捕捉技术、触觉反馈技术、人机交互技术和分布式虚拟现实系统等。

2.1环境建模技术

环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需求，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型[1]。这项关键技术主要用于基地虚拟训练VR系统中地震应急救援训练虚拟现实场景的建设。场景的构成因素包括：地震发生背景、地震现场场景、各种救援设备和救援人员等。需要利用虚拟现实环境建模技术通过背景生成与图像合成，创造出与真实地震相似的虚拟地震灾害环境。

2.2立体显示技术和用户(头、眼)跟踪技术

在VR系统中，双目立体视觉起到了很大作用。人的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的，显示在不同的图像显示系统中。用户戴上特殊的眼镜，一只眼睛看到奇数帧图像，另一只眼睛看到偶数帧图像，奇、偶帧之间的不同也就使视差产生了立体感,这就是VR系统的立体显示技术[1]。

用户(头、眼)跟踪技术：在VR系统的虚拟环境中，每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿势，用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头(眼)的方向来确定的。在传统的计算机图形技术中，视角的改变是通过键盘和鼠标来实现的，用户的视觉系统和运动感知系统是分离的。运用头眼跟踪技术(比如可跟踪头部运动的虚拟现实头盔)，可通过改变图像的视角，使用户的视觉系统和运动感知系统联系起来，让人的感觉更加逼真[1]。

这两项技术的研究，旨在如何使现有的虚拟现实产品更好地投入基地救援训练可穿戴式专业装备的研发中，从而使新的VR装备更加便利、更加舒适。

另外，动作捕捉、触觉反馈、人机交互等技术的研究也是为进一步提高新的虚拟现实装备的实用化，以及产品与基地已有技术设备、系统平台融合必不可缺的关键技术。

2.3分布式虚拟现实系统[1]

分布式虚拟现实系统是基于网络虚拟环境的，在这个环境中，位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接，或者多个用户同时参与到一个虚拟现实环境中，通过计算机与其他用户进行交互，共享信息。系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。简单地说，是一个支持多用户通过实时网络进行交互的软件系统，每个用户在一个虚拟现实环境中，通过计算机与其它用户进行交互，并共享信息。运用这项技术，我们可以研发基于互联网、可供异地多用户同时参与的分布式地震虚拟推演系统。

3VR技术在地震应急救援训练基地中的应用

3.1基于VR技术的救援训练可穿戴式专业装备

人们一直在研究可应用到地震救援工作中的机器人。例如，美国研发了配备手杖的人形机器人，可应用于灾区营救工作；中国地震应急搜救中心正在进行面向地震应急搜救的机器人研究与应用，目前已研制出废墟缝隙搜救机器人；北京信息科技大学学生设计的具有完全自主知识产权的搜救机器人——“蚯蚓”机器人，可应用于地震、矿难等灾害现场搜救工作。但是，机器人缺少类似人类的触觉感知和复杂任务的控制性，而救援工作复杂、精细，且有许多突发情况需要主动处置。所以，目前人仍是救援工作的主要力量。

具有较高感知能力及自主处置能力的高智能机器人是当前救援机器人研发的一个主要方向，而实际上人们在这方面具有的研发水平并不高。与其在现有水平上去研发智能救援机器人，不如研究如何将人变得更加机械化。人的机械化，就是通过给人配备相应的机械装备，使人具有机械所具备的能力，机械化还可以使人最大或超常发挥人的某些能力。通常谈起人的机械化，大家会想到科幻电影中，人体某一部分被改造成机器、具有机器一般的战斗力此类桥段，如X-战警中的金刚狼。而实际上，人的机械化是一种很常见的概念，如穿着特殊潜水装备进行水下作业的蛙人，戴着具有红外线夜视功能头盔进行特种作战的士兵，等等。一般通过穿戴专业化设备，就可以使人具有某方面机械化能力。

我们进行的研究基于VR技术的地震救援训练中使用的专业可穿戴设备，主要包括具有增强现实功能的虚拟现实头戴设备。VR头盔除了具有红外夜视功能、通讯功能、防护功能以外，还可以让使用者在同一画面上看到眼前的真实环境和虚拟物体的实时叠加。例如，受训队员在进入现场搭建的地震废墟甬道进行救援时，通过头盔除了可以看清眼前的环境，同时能看到视野一侧显示的计算机重建的废墟环境模拟地图，图中可标示出本人及被救人的位置以及计算机分析得出的救援路线或方案等；通过功能键的切换，救援队员还可以看到现场环境的数据分析表，时刻了解现场温度、湿度、二氧化碳、有毒污染物等参数指标的变化，还可以看到自己体能参数表(包括脉搏、血压、肺活量等新陈代谢和人体机能指标)。除此之外，还考虑给头盔安装摄像功能元件，这样就可以把更多的现场图像信息通过通讯功能模块传输给现场救援指挥控制系统，有利于后方给出更好的支援。救援专业可穿戴装备还包括专业的数据衣，数据衣可以实时收集受训队员的技术动作及体能参数，一方面用于监测救援队员的身体状态，确保其人身安全，另一方面也为考察研究救援队员专业救援技术提供依据，从而可以更专业地提升救援队员的能力水平。

3.2基于VR技术的地震应急救援虚拟训练系统

VR技术用于地震应急救援虚拟训练已有研究，有从营救行动的多个业务模型出发研究针对专项救援技术的单兵式虚拟训练系统[8]，也有从指挥管理和救援能力双方面考虑建立的既有单兵训练、又有全局指挥的虚拟训练系统[9]。VR技术用于训练仿真系统已经十分普遍，在军事、消防等领域有很多此类应用案例[1,11]。与常规的训练方式相比较，虚拟训练具有环境逼真，“身临其境”感强、场景多变、训练针对性强，安全经济，可控制性强等特点[1]。

结合地震应急救援训练基地的实际情况，我们研发的地震应急救援虚拟训练系统着重于单兵训练模式。目前，我们已开发出了桌面式虚拟训练系统——3D虚拟训练影片。众所周知，桌面虚拟现实系统真实性差、可信度低，相比其他虚拟训练系统，技术水平比较落后，所以，我们下一步将研发沉浸式地震应急救援虚拟训练系统。沉浸式虚拟训练系统可以增强受训者的临场感受，有利于提高训练质量。首先，建立三维灾场环境图像库，包括地震发生背景、地震现场场景、各种救援设备和救援人员等。通过背景生成与图像合成创造出与真实地震相似的险象环生的虚拟灾场环境。穿戴虚拟现实装备的人员“真正”进入形象逼真的虚拟灾场，虚拟训练系统可设置不同的训练场景，给出不同的情况，而受训者通过虚拟现实装备上的操作传感装置做出或选择相应的技术动作，输入不同的处置方案。该训练系统可以使受训者体验不同的实战效果，并像实战一样锻炼和提高技术水平、快速反应能力和心理承受力。

3.3基于VR技术的地震应急管理培训推演系统

目前，地震应急救援训练基地主要承担专业救援队伍的救援训练和业务培训，未来还将承担地震应急管理人员的业务培训。应急管理培训系统的建设目标是为应急管理人员培训提供多种突发事件处置体验式教学推演平台，通过体验式培训与演练，让学员有身临其境的感觉，掌握现场灾害处置中如何快速响应、决策、处置与协调，实现看灾害现场、做救援决策的交互式推演与演练。

按照这一建设目标，我们考虑开发基于VR技术的地震应急管理培训推演系统。该系统主要包括基于灾害场景、应急预案数据库的虚拟事件生成子系统，可根据学员层次给出不同决策、处置方案的沉浸式与交互式的演练执行子系统和基于专家评分数据库的演练评估子系统。另外，系统还包括建模与仿真子系统、虚拟演练管理子系统(具有演练记录回放、控制干预等功能)等。

我们还考虑把系统建设成为能够实现网络远程教育模式的分布式虚拟推演系统。在基于互联网的可供异地多用户同时参与的分布式虚拟推演系统中，应急管理培训学员可以不受地域限制地参与到与其他参与者相互配合和策应的大规模应急演练中。这可以使我们以较少的费用、较短的时间组织大规模的应急演练，可以通过一次演练的多种方案或多次演练，发现、解决应急演练实战中存在的种种问题。

4结论与展望

先进、可靠的应急救援技术和装备是提升应急管理水平、提高救援队伍实战能力、降低次生事故发生率、减少救援人员自身伤害的重要保障。可以说，未来救援工作不再是凭体力、意志力的时代，而是凭技术、科技水平的时代。VR技术在地震应急救援工作中的应用，对提高地震应急管理水平、增强救援队伍技术水平与实战能力都有不可估量的影响。可以预见，随着VR技术的不断发展，它在地震应急救援培训领域的应用会更加广泛。

当前，应急救援培训领域对受训人的培训主要是在体能、技能、技术水平方面，对受训人的心理方面还没有比较直接的培训方式。而我们从数次地震应急救援工作经验中发现，救援人员的心理问题有时也会是救援工作的一道屏障。目前，VR 在心理治疗方面的应用已有突破，例如对创伤后应激障碍症(PTSD)的治疗[12-13]，这对我们也是一个很好的启发。我们可以利用现有的地震虚拟仿真运动平台，开发训练救援队员心理承受力的虚拟心理训练系统。然而，由于这方面研究的相关技术成熟度和便利性尚且不高，以及可利用VR产品的成本过高，我们只能期待未来条件具备时大展拳脚。

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Application of Virtual Reality Technology in Earthquake Emergency Rescue Training Base

ZHAO Jing1, LI Jian-liang1, LI Fu-hai2

(1. Earthquake Administration of Sichuan Province, Chengdu 610041, China；2. Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract:Applying virtual reality technology in earthquake emergency rescue training simulation can promote combat training level, and be beneficial to the development of the trainee’s individual ability, and reduce unexpected training injuries. This paper gives the potential trend of application of virtual reality technology in earthquake emergency rescue training base, describes the key technology of virtual simulation system in the earthquake emergency rescue training base, and introduces several specific applications. Finally, the application prospects of virtual reality technology in the field of earthquake emergency rescue training are discussed.

Key words:virtual reality; virtual simulation; earthquake emergency rescue training base

收稿日期:2015-07-20

基金项目：四川省地震局地震科技专项项目：地震虚拟仿真运动平台的人工合成地震动的研究(LY1515)

作者简介：赵晶(1981—)，女，河北唐山人，高级工程师，主要从事工程地震、地震应急、地震灾害损失评估和应急救援训练基地建设等工作．E-mail:122529855@qq.com

中图分类号:P315.95

文献标志码:A

文章编号:1003-1375(2016)02-0063-04

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2016.02.011

赵晶，李建亮，李福海．虚拟现实技术在地震应急救援训练基地中的应用[J]．华北地震科学，2016，34(2):63-66.