VR 技术在高层建筑火灾扑救教学中的应用

孙俊龙

应急管理部消防救援局昆明训练总队（650000）

0 引言

VR（Virtual Reality），即虚拟现实，是一种能够创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术；它利用计算机生成一种交互式的三维动态视景，其实体行为的仿真系统能够使用户沉浸到该环境中。作为21世纪多媒体技术的一大突破，VR 以其沉浸性、交互性、多感知性、构想性及自主性等独特优势而被广泛应用于影视、娱乐、军事、教育、医学、设计等领域。与此同时，越来越多的教育工作者加强了对VR 技术的研究。在此背景下，VR 技术在高层建筑火灾扑救教学中也得到了应用。

1 在高层建筑火灾扑救教学中运用VR 技术的意义

高层建筑火灾扑救是一门偏重实践的课程，其教学目的是培养具备理论知识和实战能力的初、中级指战员。但是，理论教学往往停留在“学战术、看战例、搞想定”的层面；实操教学出于时间、成本、安全方面的考虑，也无法将实训场景全部还原成真实、复杂的火场环境。这就使得课堂知识不能完全转化为实战能力[1]。

利用VR 技术构建高层建筑火灾现场模型，渲染营造出具备真实感的高温、火焰、浓烟、黑暗等火场环境氛围以及轰燃、回燃、坠落、坍塌等突发危险因素，并根据教学需要设计出人机互动、人人互动机制，可以让参训者仿佛置身于“真实”的火灾现场，亲自体验灭火战斗的整个过程。这既能够把传统的“说教式”教学转化为“体验式”教学，强化参训者对专业知识的认知与理解，又能够提高参训者的兴趣和情感体验度，在无限贴近“真实”的基础上达到实训的效果。特别是其具备的可逆性、容错性、安全性以及成本低的独特优势，更是让参训者在避免因操作不当而导致安全事故的同时，可以通过反复的模拟训练，强化、巩固和反思自己的专业知识技能及应急处置能力，同时也节省了演训场地的建设成本。

2 应用的原则

2.1 标准化

运用VR 技术对高层建筑火灾现场进行模型搭建、情景渲染、场景交互，应当符合“国家综合性消防救援队伍对典型火灾扑救行动指南” 中的基本处置程序、行动要点和安全要求，遵循消防法规的相关标准和技术规范。要以高层建筑火灾灭火战斗的概念、思想、原则和方法为依据，以现场灭火战术应用、灭火行动的组织与实施、行动的安全措施等为重点，贯穿火灾危险性分析、扑救的基本对策、灭火技战术和行动组织的方式与方法等流程，覆盖高层建筑火灾扑救中涉及的侦查、决策、评估、指挥、处置以及对固定消防设施的应用等环节，做到科学合理、符合灾情客观实际，通过合理运用技战术措施，严格落实作战安全规程，不断提高科学施救、安全处置水平[2]。

2.2 真实性

高层建筑火灾场景、设备、器具的模型需与实际情况一致，人物模型、着装符合消防救援人员着装标准； 在模型精度与贴图精度上达到模型制作规范要求，保证视觉效果逼真；通过透镜原理，让参与者透过VR 头戴显示器所看到的虚拟物体物理尺寸都与实际物体大小相同，不能产生视觉印象失真现象和眩晕感。另外，三维模型制作过程中需特别关注模型效果，确保模型三维立体效果的还原。将虚拟场景作为固定参照系，模拟现实世界中人走动而景不动的视觉习惯； 动画渲染过程需搭配合理的灯光设置与渲染设置，确保视频的场景效果真实。体验者可以上下左右360°无死角观察、体验虚拟场景，将设计物体直观地呈现在眼前，可以多人、多角度观看；场景与镜头设计应充分考虑三维场景的特点，通过镜头和设计手法增强三维效果[3]。

2.3 交互性

通过人机互动，能够真实模拟火灾现场人与物之间的关系，如在高温、火焰、浓烟、黑暗等复杂火灾现场环境中，环境与人互相作用发生相应变化的效果；又比如发生轰燃、回燃、坠落、坍塌等突发事件时的正确处置对策。设置空气呼吸器、喷雾水枪、消防斧、无齿锯等保障呼吸、控制火势、驱散烟雾、破拆的装备器材，对实战环境中不同装备、器材的作用效能进行模拟。又或是特殊环境下，需要参与者采用蹲下、奔跑、抱、抬等动作，实现特殊区域的通过、被困人员营救等目标。此基础上，凸显协助、掩护、互救等班组协同作战体验，即对火灾现场协同作战的作用效能进行模拟。

3 应用模式

3.1 自主性培训

利用VR 技术可以对场景进行高仿真模拟与虚拟交互，能够模拟高层建筑火灾现场真实环境下的事故情况和操作影响，在开放的模型和可操作仿真模块的渲染下，实现最大的操作自由度。参训者可以沉浸式体验高温、火焰、浓烟、黑暗等真实环境，应对轰燃、回燃、坠落、坍塌等突发危险因素，利用自身装备及高层建筑中的固定消防设施，“真实”体验侦查、战斗、破拆、疏散、搜救等作战环节，实现从认知到实操、从体验到融入、从警示到触动的全流程覆盖，对参训者的综合能力有一个直观性的考验。参训者通过虚拟高层建筑火灾的亲身经历，可以深化专业知识、掌握应急处置流程[4]。

3.2 合作性演练

通过网络平台实现多人同时在同一虚拟场景中实时演训，对高层建筑火灾扑救过程中所有战斗员的岗位职责进行仿真，体现班组战斗时互相掩护、协作分工、协作完成、实时通讯等协同作战场景。例如火势较大时，需多人同时使用水枪才能成功灭火；火场环境复杂时，需要班组队友掩护作战，才能通过指定区域，成功营救被困人员；班组队员因为突发情况或是操作失误时遇险，其他队员可前往救助等。让参训者通过多人协同模拟演练，逐步提高自身的协同作战能力。

3.3 综合考评

自主性培训或合作性演练完毕后，系统可根据个人及班组的实际操作、操作流程以及是否完成灭火救援任务等情况，结合既定的灭火战斗演练预案、典型火灾扑救处置程序、行动要点和安全要求等，对其进行综合评分。模拟演训评价系统能够指出参训者面对高危火灾现场及不可控意外因素时出现的错误判断及操作失误，参训者可反复、多次练习，摸索、总结出实战经验和策略，优化行动方案。通过量化的综合考评，可以帮助参训者在保证安全的同时，以“亲身经历”的方式感悟作战技能，并有针对性地加以改善和提高。

4 面临的挑战与建议

随着时代的发展，VR 技术将会在高层建筑火灾扑救教学乃至现代消防领域拥有广阔的应用前景，同时也面临一些挑战与困境：①自身软硬件配置与用户期待达到的使用效果还有一定差距，特别是软硬件的局限性会影响使用者的沉浸式体验效果，且缺乏较佳的感官反馈，从而影响使用效果；②VR技术与高层建筑火灾扑救教学乃至现代消防领域的融合还不够契合、深入，由于开发者本身对消防领域专业知识缺乏足够的认识，导致现有产品还停留在游戏性、趣味性和体验性的层面；③参与各方尚未完全适应基于VR 技术的新型教育模式和理念，对于如何运用VR 技术推进教学模式、教学理念、教材的改革以及教学平台的建设等课题，仍需深入研究[5]。

因此，应正确认识VR 技术带来的挑战与困境，紧抓发展机遇，首先是从国家层面加大对VR 技术应用和创新的扶持力度，推动VR 技术从先进性向普及性发展，鼓励各个领域开展VR 技术的研究与应用；其次是从VR 技术与高层建筑火灾扑救教学的融合应用入手，深入挖掘VR 技术与建筑火灾扑救教学乃至现代消防领域的契合点，着力在信息化、实战化、现代化方面推动消防教育事业和现代消防技术的革新；最后是倡导理念创新，打破陈旧观念，批判性地学习和掌握VR 技术，从使用对象的实际需求出发，做好基于VR 技术的辅助教学设计，对VR 素材进行把关与过滤，全面推进教育、教学、教材的改革。