三维仿真及虚拟现实技术在消防训练中的应用

毛勇忠 张继新 黄玮

[摘    要] 灭火救援预案与演练推演在消防部队的训练和灭火救援实践中发挥着重要的作用，目前制定的灭火预案及推演大多停留在纸张作业的平面阶段。依据传统实战演练、推演模式、场地器材及组织展开受限较多，尤其是针对灭火救援演练，实际组织实施需多车多人协同配合，资源消耗大。为改变目前现状，开发基于三维仿真技术的消防作战培训系统，通过建设逼真的三维场景，模拟构建各类突发事故虚拟环境，在可视化的环境下进行讨论和推演，以验证处理过程中所采用处置措施的可操作性及科学性，从而促进指挥人员的指挥决策和协同配合能力，科学评定展开行动，有效提高演练效率。

[关键词] 虚拟现实;消防作战培训系统;消防训练;车辆装备

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 03. 060

[中圖分类号] TU998.14;TM743    [文献标识码]  A      [文章编号]  1673 - 0194（2019）03- 0149- 04

0      引    言

虚拟现实技术被认为是21世纪计算机领域最重要、最新奇的研究方向之一。最具特点的是虚拟现实的三维建模功能可以在计算机中构建生动逼真的虚拟环境，人们可以非常方便、直观的“进入”这个虚拟空间，沉浸其中交互推想。将虚拟现实技术应用于实际消防工作中，利用计算机、网络、应用软件及数据库等技术和资源，以建筑火灾和石油化工装置、罐区事故救援为背景，构建虚拟火场和救援环境，指挥员受命展开行动，实现现场信息查询、灾害情景构建、辅助决策分析、车辆及人员部署及作战指挥、等功能，建设一个规范化、科学化、可视化的能力评估、综合决策和教育培训的综合性平台。如对指挥员、消防员、抢险救援人员的模拟灾害事故现场的培训，灾害现场处置应急救援预案的制作和应用、大型灾害的模拟推演等都具有重要作用。

1      虚拟现实技术在消防训练中的业务应用方向

1.1   消防教育和逃生能力训练

通过构建办公楼、石油化工装置等场景，构建虚拟训练系统，参训人员可在虚拟环境中进行处置初期火灾和逃生训练，提高训练者的消防意识和自救能力。

1.2   消防装备操作训练

通过建立装备的虚拟模型，使消防员熟悉装备的原理、功能和操作程序，训练消防员对装备的操作、保养和维修技能。

1.3   决策、指挥、协同能力训练

通过虚拟灾害场景的设定，灭火战术和救援方案的选择，指令的下达等功能设计，对宏观指挥、现场调度、决策分析能力和突发事件处置能力等内容进行交互式辅助训练，并提供综合评判，采用分布式训练系统，各级指挥员和参谋人员可同时进行训练，以提高大型火场联合作战的指挥、协同能力。

2      消防作战培训系统功能应用

利用计算机、网络、应用软件及数据库等技术和资源，以建筑火灾和石油化工装置、罐区事故救援为背景，构建虚拟火场和救援环境，指挥员受命展开行动，实现现场信息查询、灾害情景构建、辅助决策分析、车辆及人员部署及作战指挥等功能，建设一个规范化、科学化、可视化的能力评估、综合决策和教育培训的综合性平台。

平台主要包括以下功能系统：消防作战三维桌面推演系统、消防理论知识培训考核系统、消防车辆及装备仿真培训系统。

3      消防作战三维桌面推演系统主要包括

系统功能：三维仿真场景库、场景化数据信息查询功能、灾害场景快速搭建功能、辅助决策分析功能、可视化模拟排兵布阵、作战指挥。

3.1   三维仿真场景库

三维仿真场景是由二维高清遥感图片结合三维模型无缝连接而成，在通过三维场景展现厂区或罐区布局、管线、消防设施、建筑物、道路信息等，通过二维地图展现周边几公里范围内的地理信息，如消防机构、医疗机构、主干道路及周边居民情况信息等。效果如图1、图2所示。

3.2   场景化数据信息查询功能

通过构建的三维仿真场景中可快速查看场景信息、消防设施设备设施信息等，系统通过将现场设备台账信息与三维场景相关联，在场景中快速查看定位设备位置、查看属性信息、结构尺寸信息等。效果如图3、图4所示。

3.3   灾害场景快速搭建功能

通过灾害场景快速搭建功能可快速模拟各类火灾事故、泄漏突发事故、现场特殊天气、风向、风速、伤员等。此外，还可植入真实事故案例。

3.3.1   特殊天气设置

系统提供多样化的天气模型，包括晴天、雨天、雪天，并可设置当前环境的风向、风力等因素。

3.3.2   火灾、泄漏事故模型设置

系统提供多样化的火焰形态、泄漏形态以及伤员模型，可在三维场景中自定义设置着火位置及火势大小，伤员位置及伤员个数等，结合设置的气象条件，可在短时间内模拟搭建一个科学合理的事故虚拟环境。效果如图5、图6所示。

3.4   辅助决策分析功能

系统植入了专业的热辐射分析模型、爆炸分析模型、冲击波分析模型，灭火剂用量计算模型、储罐沸溢时间估算模型等，可通过灾害分析功能，在推演场景中可视化的呈现分析结果。

3.4.1   热辐射分析模型

系统通过植入的专业热辐射分析计算模型，根据存储介质类型及储存量自动计算，生成并呈现可视化的分析结果。效果如图7、图8所示。

3.4.2   灭火剂用量计算模型

系统通过植入的专业消防计算模型，可输入相关数值，计算出储罐全面积火灾所需的灭火剂量、冷却水量估算等数据结果，如图8所示。

3.4.3   沸溢时间计算模型

系统通过植入的专业消防计算模型，可输入液位高度、水垫层高度等数值，计算出储罐沸溢时间估算等数据结果，如图9、图10所示。

3.4.4   三維空间测量工具

系统植入了便捷三维空间测量工具，在推演场景中测量长度、高度、仰角、面积等，如图10所示。

3.4.5   三维可视化预案

系统可编辑、存储三维可视化预案，在推演过程中可调取编辑积累的可视化视化救援方案进行参考。

3.5   可视化排兵布阵、作战指挥功能

在三维仿真场景中，可视化的进行以下功能操作：车辆及装备资源调度、现场固定消防设施的使用、车辆行车及进场路线规划、排兵布阵及作战指挥、三维可视化预案制作及演练记录保存等功能。

3.5.1   车辆及装备资源调度

系统植入消防队车辆真实数据，指挥员可根据事故的现场情形及辅助分析结果进行资源的调配，此外，在救援过程中可根据火势及现场判定进行支援力量的调配。效果如图11所示。

3.5.2   现场固定消防设施的使用

消防力量到场之前，可进行现场固定消防系统的开启使用，包括罐体喷淋系统、半固定泡沫系统、现场固定消防炮等，如图12所示。

3.5.3   车辆行车及进场路线的规划

根据火场地理位置、地势条件、现场风向等因素进行车辆的行车及进场、撤离路线设置，如图13所示。

3.5.4   排兵布阵及作战指挥

系统植入了真实的消防车辆及装备资源，指挥员可根据作战方案进行车辆及装备的可视化排兵布阵、作战指挥等操作，如图14所示。

3.5.5   三维可视化预案制作及演练记录保存

整个推演过程的操作记录，系统后台自动进行存储可形成3个记录文件：演练文档记录文件、三维可视化预案脚本文件、演练记录复盘视频文件（备注：视频文件即整个推演过程的录屏avi视频文件，如图15、图16所示。

4      消防理论知识培训考核系统

系统面向指挥员及战斗员的日常消防专业理论知识的培训和考核，包括典型石油化工装置及各类储罐工艺流程和主要火灾危险性知识多媒体培训课件、3D动画课件，建立消防基础、灭火救援等知识资源库及考试题库，通过人工设置系统可提供自选学习内容、自动生成各类考评题库、计算机答题及自动评分。效果如图17、图书室18所示。

5      消防车辆及装备仿真培训系统

系统提供消防车操作面板触控式仿真培训，支持消防车各种操作的讲解、训练和自动操作式培训，实现消防装备的三维交互式培训。

主要包括视频教程和仿真操作两种模式，如图19、图20所示。

6      系统优势

消防作战培训系统融合了传统沙盘及桌面推演的优势，采用三维仿真及虚拟现实等先进计算机技术，并结合大尺寸多点触控显示屏进行三维交互式桌面推演，在整个推演过程中，操作者只需使用手指在触摸屏上直接对三维虚拟场景进行操作，利用简单的点击、拖拽等操作，可实现现场信息查询、灾害情景构建、辅助决策分析、车辆及人员部署及作战指挥、日常消防理论知识培训考核、消防车辆仿真培训等功能，满足消防队日常集培训、考核、演练推演一体化的综合应用。

此外，该系统平台目前在新疆油田公司消防支队研发测试，还要进一步与实际相融合，不断升级、研发创新。

主要参考文献

[1]王汝传，陈丹伟，顾翔. 虚拟现实技术及其实现研究[J].计算机工程，2000（12）：1-3.

[2]曾颖，汪青节.虚拟现实技术在消防中的应用[J].消防科学与技术，2006（3）：66-67.

[3]许云，任爱珠，藩国帅. 基于GIS和VR的消防指挥系统研究[J].土木工程学报，2006（5）：92-96.