模拟火灾现场勘验系统的开发与应用

张金专，邓 亮，王力伯

(武警学院 a.消防工程系； b.训练部，河北 廊坊 065000)

一、引言

火灾现场勘验是火灾调查的关键环节，是现场勘验人员依法运用科学方法和技术手段，对与火灾有关的场所、物品、人身、尸体表面等进行勘查、验证，查找、检验、鉴别的提取物证的活动[1]。火灾现场勘验是火灾调查工作的重要组成部分，也是火灾勘查专业教学、训练的核心内容之一[2]。

目前火灾调查教学、训练的主要形式有：课堂理论教学、课堂案例讨论，以及在实验室制备火灾现场开展现场勘验训练等。其中，在传统火灾调查课堂教学和相关科研工作经验积累基础上逐步拓展、总结形成的利用实验室制备的火灾现场开展现场勘验训练方式，作为提升火灾调查能力的有效手段受到广大学员的热烈欢迎，为学员提供了一个将理论知识与实践操作相结合的重要平台。然而，利用实验室制备的火灾现场开展现场勘验训练，教学效果虽然良好，但也存在着诸多不足。如：场地和训练器材等硬件要求标准高；训练消耗多，经费保障压力大；训练效果评价困难等。受训练场地、模拟火灾次数、参加学员数量等诸多方面限制，还不能充分发挥训练的效能。因此，有必要针对上述训练方式的优缺点，探索一种新的现场勘验训练方式和平台。

解决问题的思路是搭建虚拟仿真平台[3]，利用虚拟现实技术开发基于实际火灾现场的模拟现场勘验系统[4]，把实际的火灾现场重建于系统中，让学生在计算机上对以实际火灾现场为背景建立的虚拟现场进行勘验，以达到理论与实际相结合的目的[5]。基于以上想法，以武警学院信息化建设为契机，笔者开发了一套模拟火灾现场勘验系统。

二、模拟火灾现场勘验系统的开发

(一)系统开发的目标

通过信息技术的深入应用，促进火灾调查教学手段的信息化、教学方式的现代化，带来教学形式和学习方式的重大变革，使理论学习的课堂、实践演练的训练场、分析操作的实验室演变成没有“硝烟”的“网上训练场”和“实验操作平台”。将虚拟现实技术融入模拟火灾现场勘验教学活动中，通过三维虚拟现实引擎构建基于真实火灾的仿真训练场景，通过对真实火灾案例调查环节训练内容的设置，实现各种基本调查能力的模拟训练。同时，融入模拟训练操作考评体系，对学员模拟训练操作进行自动考核评估，让参与培训和考核的教师、学员根据勘验、询问的规则在系统中完成各自任务，以达成培训、考核目标。

(二)系统包含的功能模块

三维场景模块：基于实际火灾现场，利用成熟的三维虚拟现实引擎平台构建一个典型的虚拟的火灾现场，真实再现火灾现场的各种客观痕迹。同时，根据火灾现场操作及处置场景搭建需求，对典型区域及周边的重点地形、地貌、地物进行三维建模。然后，把学员按照真实的地理位置放置在三维场景中，进行火灾现场勘验。

故事情节引导模块：在仿真系统中设置必要的故事情节，创建不同类型的人物角色，引导学员在火灾调查中开展调查寻访工作，获取火灾线索和证据，一步一步地寻找答案。

模拟勘察与鉴定模块：综合运用三维模型、文字、图片和声音等实现方式，以一种沉浸感极强的角色扮演形式把火灾勘验、现场询问、物证调查等活动准确地、直观地展示给受训学员。

训练导调模块：主要是完成演练任务设定、演练任务发布、训练过程控制、分组和角色管理、跟踪学员操作状态、保存记录和存取、突发事件设置、评分查询和统计等功能。

培训与考核模块：系统集培训、考核功能于一体，学员的每一步操作会被系统记录下来，在考核完毕提交后，系统会给每位学员列出相关考核结果，从而有效提升培训效果。

信息管理模块：数据库包括管理员、教员、学员基本信息，以及班级管理、权限管理、成绩管理、考核管理等信息。各种信息采用标准化模板，进行系统的导入与导出。

(三)系统采用的技术手段

系统包含3DGIS技术、网络技术、交互界面技术、三维建模技术、专业数据库和专业软件的集成。

3DGIS技术能够基于地表卫星影像、航空影像创建高分辨率的地球场景，不需要数据预处理，能够快速融合不同的、分布式的实时传输源数据快速构建实时三维交互式环境，集中体现虚拟现实和地理信息完美结合的优势，通过三维交互方式来展示海量的三维场景和空间地理数据，让一切虚拟火灾现场勘验活动具有了真实的时空背景。虚拟现实技术通过视、听、触觉等，实现身临其境的交互式视景仿真效果，使学员与火灾现场直接进行自然交互。通过虚拟现实技术在模拟火灾现场勘验系统中的应用，能使整个模拟火灾现场勘验过程可视化，使学员直接进入虚拟火灾现场内部观察事物内在变化，所勘察物体能够进行全方位单独展示和勘验，并且不会破坏现场，这是在真实火场中很难做到的。学员通过角色扮演参与到火灾现场勘验中去，成为虚拟世界的一部分。

(四)系统的技术指标

系统数据库指标：本系统的数据库采用关系型数据库，对管理员、教员、学员三者统一管理，教员与学员通过更改身份关键字可实现身份自由切换。为保证数据库的安全性，采用库外加密方式，待数据使用时，从库中读出密文，解密为可使用明文数据，保证可见性数据只存在于运行时内存中。

系统场景建模标准：通过3D Max完成建模，建模单位统一采用Meter，模型完整无裂缝。所有物证均进行精细化建模，一律采用三角形或四边形建模，模型面数需大于1 000面，模型贴图分辨率大于或等于300 ppi(retina级别)，真实还原火灾现场的物证等。将生成的所有模型导出为FBX格式，通过Unity3D的可视化编辑功能，整合出整个火灾案发场景。系统运行平台为Windows 7及以上系统，通过物理渲染与Standard Shader的方式呈现火灾场景。为保证画面质量、画面特效与运行效率，提升系统运行流畅度，对模型运用光照反射、漫反射、高光、投影、网格改变等多种特效，采用遮挡剔除、视锥体剔除、Drawcall优化算法、合并图集、GC回收机制等优化手段。

系统服务器技术标准：系统服务器使用B/S架构，为管理员与教员提供访问端，用来访问服务器中的用户数据。可进行注册信息修改、学员操作流程查看、学员操作流程评判等工作。服务端在工作完成以后进行一轮及以上的压力测试，保证在网络状态良好情况下，网络操作平均响应时间小于500 ms，网络吞吐率达到3 000 req/s。系统载入时间与场景切换时间小于1 s，当大于1 s时需有Loading界面提示加载进度。按钮点击、物品拖拽、外设输入等操作需实时响应，等待时间小于1 ms。在网络状态良好情况下，要求网络操作平均响应时间小于100 ms，网络吞吐率达到3 000 req/s。数据库安全稳定，数据检索时间需小于50 ms。

三、模拟火灾现场勘验系统的应用

(一)勘验前的准备

进入系统后，点击屏幕左上角“前期准备”，选择要准备的勘验装备、工具和仪器。

在不同界面下，选择出现场勘验人员进入现场前应该穿戴的勘验服装、佩戴的个人防护装备、勘验用到的工具、现场检测用到的仪器等。每次选择完成后，在“当前任务”框内点击“提交”，完成此项任务。

(二)环境勘验

勘验人员携带所需装备进入火灾现场，开始对火场进行环境勘验。首先，点击“环境勘验”按钮，进入环境勘验界面，环境勘验过程中，可完成“观察外围”“观察现场主体”“设置现场保护范围”“处置现场可能存在的危险”等多种操作。

勘验人员进入现场后，可按住键盘上的“A”“S”“D”“W”四个键分别进行左、右、前、后移动，到所需位置进行外围观察。

现场勘验人员进入火灾现场内部前，履行火灾现场保护法律程序，现场填写封闭火灾现场公告，并张贴在火灾现场醒目位置。

在火场的外围，勘验人员可对整个火灾现场从不同方位进行拍照。

(三)初步勘验

环境勘验结束后，勘验人员进入火灾现场内部，进行初步勘验。点击“初步勘验”按钮，显示出初步勘验可进行的操作有“测量内部平面布局”“观察门窗入口情况”“标示内部火源电源”“标示内部可燃物”“标识蔓延路线”“圈定起火部位”等多项内容。

进入火灾现场内部后，可点击“观察门窗入口情况”，移动至门、窗位置进行观察。

初步勘验最重要的工作是通过观察火灾蔓延痕迹，可在系统中标识火灾蔓延路线，并最终确定起火部位，如图1、图2所示。

(四)细项勘验

确定起火部位后，勘验人员在起火部位处进行进一步勘验，进入细项勘验环节，具体内容有“观察物品确定蔓延路线”“确定起火点”“提取物证”“损失统计调查”“使用仪器获取数据”等多项操作。

图1 标识火灾蔓延路线

图2 标识起火部位

通过确定起火点，在起火点处提取火源或可燃物物证，并对相关部位进行相应的仪器测量，为下一步的专项勘验和进一步确定起火原因提供证据，如图3所示。

图3 确定起火点并进行仪器测量

(五)专项勘验

专项勘验主要是对在细项勘验中提取的引火源、起火物等重要物证进行深入分析和鉴定，以期为最终起火原因的认定提供证据。在本系统中主要通过与前期开发的“火灾物证鉴定仿真实验系统”联用，达到对关键物证进一步分析鉴定的目的。

四、结束语

“模拟火灾现场勘验系统”是为解决火灾调查教学过程中学员不能到实际火灾现场进行勘验的难题，采用计算机仿真技术开发的一套仿真教学系统。该系统可完成实际火灾现场勘验训练的大部分内容，既能满足学员现场勘验训练需求，又能大幅度降低培训时间和训练费用，为火灾调查实训教学提供了一种新的教学模式。