虚拟现实技术在灾害救援演练中的应用价值

孙秀明，安丽娜，彭碧波

虚拟现实技术在灾害救援演练中的应用价值

孙秀明，安丽娜，彭碧波

随着计算机和电子信息技术的快速发展，虚拟现实（virtual reality，VR）技术已经逐渐发展成熟，加之近年来我国灾害事件频发， VR技术在灾害救援方面的应用也越来越多，如地震救援演练、消防训练、灾难教育等。本研究对VR在自然灾害及人为灾难等救援领域的需求性、可行性及已有应用案例现状作一总结，并对VR在该领域的应用前景进行了讨论，以期为今后灾害救援演练提供指导性建议。

虚拟现实；突发灾害；应急救援演练

【Key words】 virtual reality; sudden disasters; emergency rescue drill

虚拟现实（virtual reality，VR）也称人工环境或灵境技术，是近年来发展起来的一项高新技术手段。其借助于计算机或相关硬件设备模拟产生一个三维空间的虚拟世界，为使用者提供听觉、视觉、嗅觉、触觉等多种感官的实时模拟与实时交互，让使用者拥有身临其境般感受，可随时且无限度地观察三维空间事物[1]。VR系统是由多种技术所构成的大型综合集成环境，如计算机图形学、图像模式识别与处理、语音处理与音像、传感器及网络技术等，是一门信息技术极强的综合性学科[2]。自然灾害与人为灾难性事件无可避免，目前尚无任何一样科技可有效阻止灾难的发生，但通过适当的应急救援演练可最大限度地减少伤害并挽救生命。目前，VR技术是与灾难救援演练相关且最具有前景的技术之一。本研究主要对VR技术在灾害应急救援演练中的需求性、可行性及已有应急救援演练的应用进行总结，以期提高应急救援人员的应急处置能力与管理人员的现场科学决策能力，提升各相关部门的应变协同救援能力，为灾害救援演练提供借鉴。

1 突发灾害救援演练对VR的需求

1.1 突发灾害事件频发 近十余年来，各种重大的自然灾害与人为性灾难事件也在不断上演，且呈现上升趋势，具有爆发性、突发性、传染性、流行性、群体性、复杂性、破坏性、危害性及不可预测性等特点，这就要求医学救助任务复杂多变、救援力量构成多元性，以及医学救助快速性，并亟需更多专业的应急救援队伍[3,4]。面对各种突发灾害事件，我国政府自2003年以来对应急救援演练的重视程度上升至新的层次，不仅相继出台了一系列应对突发灾害事件的法律法规和预案，还加强了对各地应急救援队伍的演练监督。为响应国家在突发灾害事件应急救援方面的号召，卫生部在国家层面积极建设应急医疗救援体系，抽取精干力量组成国家突发事件应急医学救援队伍，敦促各地区重视对应急救援人员的训练。

1.2 传统灾害救援演练的缺陷 在突发灾害事件日益频发及国家相关政策不断出台的背景下，各应急救援机构也提高了对灾难性事件应急救援演练的重视度，加大人力、物力投入来研究如何在应急救援演练中提高救援人员的应急技术和决策能力。但传统基地化实战训练存在诸多局限：（1）需要消耗大量人力和物力，需大型场地保障，训练准备周期长；（2）复杂突发灾害场景的真实性难以实现，训练过程中费用昂贵且难以多次重复训练，逼真危险场景中训练或操作存在的危险性控制问题均难以解决；（3）传统训练模式对突发事故的回放多为二维视频模式，无法给救援演练人员带来真实情境感受，而突发灾害事件的伤害往往超出人们的预期，因此救援演练范围及层次需高于人们对灾害的预估，加之常规演练多属于照本宣科式的表演性演习，成效不明显，不能充分调动救援人员的积极性，且训练模式不够人性化，对受训队伍的整体救援水平及个人情况缺少了解[5]。

1.3 VR救援演练系统的优势 VR救援演练系统协同实训演练系统进行突发灾害应急处理和训练、指挥，弥补了传统灾害救援演练的训练场地紧缺、方式不合理、设施落后等多种问题，可实现突发灾害应急救援模拟演练，弥补实际场地演练中资源紧缺的客观局限，总体投入成本少，绿色无环境污染和无危害，且演练任务可多重设计模拟，可使应急救援管理人员掌握在灾害救援现场应急处置中如何快速启动预案、作出应变决策、处置突发情况、协调各部门人员的救援工作能力，同时综合提高救援人员应急处理能力[6,7]。

2 突发灾害救援演练应用VR的可行性

为了满足应急救援演练和各种预案落实及考核的需要，计算机系统通过对灾害现场和灾害过程的模拟仿真，为参训者提供执行各项应急救援任务的虚拟环境[8]。参训者在此环境中按职能和任务的不同，模拟不同的角色，各角色相互合作，协同训练，完成所设定的任务[9]。VR通过对各类灾害数值模拟和人员行为数值模拟的仿真，在虚拟空间中仿真灾害发生、发展的过程，以及人们在灾害环境中可能做出的各种反应，救援人员可通过视觉、听觉、触觉等多感官与之进行实时互动，大大提高了救援演练的真实性[10]。在VR演练平台上，并在最大限度仿真实际灾害的条件下，使灾害场景再现，让救援人员在仿真训练中获得与真实救援相同的感受，充分调动应急救援人员的演练积极性，使其更好地被带入到三维虚拟空间中，充分表现出其在真实灾害现场的生理和心理变化，继而通过数据采集分析探索出适合救援人员的演练方式及强度[11]。在此基础上，制订各类企事业单位的数字化应急预案，应急仿真演练系统可用来训练各级决策与指挥人员、事故处置人员根据现场情况及时作出对策，对以往救援经历进行评价，发现应急处置过程中存在的问题，还可检验和评估应急预案的可操作性和实用性，加强企事业单位的协调能力和应急能力，使应急演练科学化、智能化、虚拟化[12]。

3 VR技术在突发灾害救援演练中的应用

3.1 VR应急救援演练系统的核心装备 在突发灾害应急救援演练中，受训人员的训练强度较大，如何使VR产品在演练中得到推广应用是目前研发的重点。在VR技术的灾害应急救援演练中，VR头盔除具有通讯、红外夜视、防护功能外，还可使受训人员在同一事物中看到眼前虚拟物体和真实环境的实时交互，如受训人员可通过头盔了解眼前的真实环境，还可看到视野另一侧的灾害环境模拟地图，在地图中可精确标示出被救人和施救人员的位置，并通过VR系统分析出救援的最佳路线和方案等。救援人员还可配带对救援现场环境有关数据的分析表，及时了解救援现场的温度、湿度、二氧化碳及相关毒性污染物等参数变化，还可掌握自身生命体征参数变化[13]。

3.2 VR技术的灾害应急训练模式 预案训练模式是指受训者按照预案规定的内容，各司其职，完整地按照预案执行救援的全过程。预案训练将预案变得可以执行，并形成了一个考核手段。突发灾害事件训练模式就是在训练的过程中，由系统操作人员进行干预操作，比如设置一次突然“爆炸”，突然改变“风向”等。突发事件的训练主要是训练救援人员对突发灾害事件的反应和指挥能力[12]。

3.3 已有VR技术灾害应急演练案例 虚拟训练环境具有更为逼真、使受训者有“身临其境”之感、立体画面情境多变、训练突出点强、可控制性强等诸多优点，因此，近年来VR技术在灾害应急演练中的应用越来越多，主要有地震应急救援演练、消防训练、矿难救援等，均取得了显著成效。

3.3.1 地震应急救援演练 VR技术早在2006年就已被引入到国家地震应急救援演练中，贾群林与周柏贾[12]团队先后研发了面向地震应急救援管理人员现场做决策的应急救援虚拟仿真训练系统，面向救援人员救援应急训练的地震现场救援演练系统及面向公众地震应急避险的逃生游戏等。该团队通过VR相关技术将获取的三维实际情境数据进行图像合成和背景生成，模拟出与真实地震环境相似的虚拟受灾现场环境，主要包括：地震发生背景（时间、等级）、现场场景、各种救援人员及救援设备等。参训人员携带VR产品装备进入情境逼真的虚拟灾害现场，通过虚拟系统来设置不同的灾害场景和各种突发情况，通过穿的VR产品装备上的传感装置做出相应技术动作，选择不同应急方案。

3.3.2 消防救援训练 基于实战模拟的训练对提高消防部队战训水平发挥着极其重要的作用，消防训练改革的方向也必将以模拟实战训练为主，参训消防指战员以虚拟火灾环境为依托，感受火灾进行专业的灭火救援训练。张云明与陈蕾[13]利用VR技术实现了灭火救援训练操作与火灾场景的交互，三维虚拟火灾场景的合成需要首先建立三维建筑模型，并以此为基础设定特定地点或部位的火灾，模拟火灾在建筑内的发生、发展、蔓延等过程。通过建立好的虚拟火灾场景，参与训练的人员能够身临其境地体验到特定的建筑火灾环境。虚拟训练系统通过一系列的人机交互术，体现出训练人员对火灾施加的影响，如模拟参训人员操作消火栓灭火并使火势逐渐减小甚至熄灭的过程。灭火训练的人机交互功能还可利用各种传感器技术，将火场的热量和烟气作用在参训人员身上，实现逼近真实情况下的灭火救援操作。

3.3.3 灾难救援教育 利用VR技术还原灾害发生情景，还可唤醒公众对受灾地区的关注，如2015-06，美国RYOT News发布了一部关于尼泊尔7.8级地震中房屋倒塌的场景，画面呈现的主要是两个地震重灾区巴克塔普尔和新图巴尔恰克，令观看者仿佛真的置身于堆积如山的废墟和碎石之中。RYOT公司称这部短片是首部VR版自然灾害纪录片，也是虚拟现实应用于“新闻和行动”的范例，回应VR技术将影响媒体发展的诺言，短片为公众呈现了地震发生及灾后场景[14]。

4 展 望

突发灾害应急救援管理水平的提升主要依靠先进的应急救援技术和救援装备来实现，同时也是提高应急救援人员在灾害现场的实战能力、降低其他事故发生概率、减少救援人员自身伤害的保障。灾害救援现场环境恶劣、条件艰苦，长期的应急救援工作往往使救援人员体力不支、意志力下降，而现代救援依靠科技水平和技术[15]，在突发灾害应急救援演练中引进VR技术，可提高救援队伍的实战能力和技术水平，还可提高灾害现场的应急管理水平。利用VR技术采集分析受训人员在演练过程中的心理和生理水平数据，以探索适应个体受训人员锻炼的时间和强度，进而开发救援人员心理承受力的VR心理训练系统[15]。目前，对于在受训人员心理训练中VR系统技术尚不够成熟，今后研究方便、经济的VR心理训练产品有重要意义。

[1]贺雪晨，陈振云，周自试.虚拟现实技术应用教程[M].北京：清华大学出版社，2012: 212.

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[3]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. DOI: 10.3969/j.issn.1003-1375.2016.02.011.

[4]付丽秋.虚拟现实技术在灭火救援模拟实验中的应用 [J].实验技术与管理，2015，32（4）：130-132. DOI:10.3969/j.issn.1002-4956.2015.04.032.

[5]吕志明，王婷婷，张付有.基于虚拟现实技术的地震游戏的设计—以地震紧急疏散为例[J].电脑知识与技术，2015, 11（11）：208-209.

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[8]王会霞. 虚拟现实技术在地震救援训练中的应用研究[C]//中国计算机用户协会. 2009全国仿真技术学术会议论文集. 九江. 2009.

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[13]张云明, 陈 蕾.基于虚拟现实技术的灭火救援训练系统[J].消防科学与技术, 2010, 29（11）: 996-998. DOI:10.3969/j.issn.1009-0029.2010.11.019.

[14]VR视界.首部VR版自然灾害纪录片——让你亲临震 灾 现 场 [EB/OL].（2016-06-05）[2017-04-06]. http://www.vryee.com/artinfo/3006.html.

[15]师国伟, 郭小朝, 宋华淼,等. 虚拟现实技术在PTSD暴露疗法中的研究分析[C] //中国心理学会. 中国心理学会成立90 周年纪念大会暨全国心理学学术会议.西安. 2011.

（2017-07-20 收稿 2017-09-30 修回）

（本文编辑 付 辉）

The application value of virtual reality technology in disaster rescue drills

SUN Xiuming, AN Li'na, and PENG Bibo. Institute of Disaster Medicine, General Hospital of Chinese People's Armed Police Force, Beijing 100039, China

PENG Bibo, E-mail: pengbibo0610@126.com

With the rapid development of computer and electronic information technology, virtual reality (VR) technology has been steadily developing in recent years. Owing to the high frequency of disasters, and the ongoing need for training such as earthquake rescue drills, fire training and disaster education etc, there is a high demand for VR training tools. This study summarizes the necessity, the feasibility and potential application status of VR in the field of natural and man-made disasters rescue and discusses its potential, with the view to providing guidance for future emergency rescue drill training.

TP391.9

10.13919/j.issn.2095-6274.2017.10.012

国家重点研发计划项目任务书（2017YFC0806700）

100039 北京，武警总医院灾害救援医学研究所

彭碧波，E-mail：pengbibo0610@126.com