利用虚拟现实 创新实验室消防安全教育

张 婷， 杨 扬， 杨启浩， 柴春雷

（浙江大学国际设计研究院，杭州310058）

0 引 言

校园消防安全教育是所有师生不可忽视的一门功课，安全事故时刻提醒安全教育的重要性。近年来，VR技术发展迅猛，在很多领域都得到了应用。如何将虚拟现实技术与消防安全教育相结合，提高消防培训效果，增强学生的消防安全意识，成为国际设计研究院师生创新实践的新方向。学院通过研究多模态交互机制，开发基于虚拟现实技术的消防安全教育在线平台，即校园火灾逃生虚拟教学系统软件。该系统研发VR安全教育内容，主要针对火灾逃生的演练，沉浸式体验能让体验者感受更真切，更身临其境，从而有助于体验者学习到火灾逃生的要领以及技巧。结合社会发展需要，虚拟现实技术可为增强消防安全意识提供多种应用。基于虚拟现实技术的消防安全教育平台可以实现学校、商场、办公楼等多种培训场景，为该技术研究的创新提供了更多可能性。

1 实验室消防安全教学实践的现状

1.1 消防安全教育中的问题

对于大众来说，要提高公众的消防安全素质，加强消防科普教育，帮助大众有效获取消防安全知识是重点。除了使用常规的消防演练以及各种宣传手段让公众获得了解和学习相关知识和技能以外，最主要还是在培训中体验实际操作，使相关知识和技能牢记在心，才能在危险来临时，处变不惊［1］。

目前，纵观国内高校的消防安全教育状况，主要问题，①对于消防安全教育的重视程度不够，大多数高校并未将安全教育纳入日常课程体系中，学生甚至教职工认为火灾和自己的日常生活距离很遥远，消防安全意识淡薄，不能意识到潜在的危险；②高校相应训练素材和场地得不到保障，没有配套齐全的装备器材，教育方法与方式局限于课本，学生的安全教育学习缺乏体验感，没有兴趣深入学习，更谈不上熟练掌握逃生技巧和正确使用灭火器材；③知识技能与实战经验脱节，教育实效性有待加强。学校安全教育的开展形式主要是来自讲述、图片、视频等方面的警示教育，安全演习、消防疏散演习等形式的实践训练较少，难以保证消防安全教育的有效性［2］。④传统消防演练无法再现火情临场感，险情突发时，在烈火和浓烟中，受灾者的精神会高度紧张、极度恐惧，失去判断的能力，而大多数消防安全演习中相关人员敷衍走过场，演练的数量与质量远远达不到训练的目标。

1.2 虚拟现实技术在消防安全教育现状

虚拟现实技术基于多媒体、人机接口、感知传感、人工智能、仿真等技术，创建综合多种感官一体化的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互，获得身临其境的感受与体验［3］。3D虚拟现实技术应用在教学实践，能够突破时间与空间的限制，给学习者提供视觉、听觉等多种体验，创建真实感的学习环境、优化教学过程。虚拟现实技术在灾难预防与抢救的仿真建模中的应用也在积极尝试，国外已有不少研制成功的救灾、防灾模拟仿真系统。例如，1993年英国的Colt Virtual Reality公司就开发了一个被称为“Vegas”的火灾疏散演示模拟仿真系统，该系统是基于Dimension International的Superscape虚拟现实系统环境而开发的。它以三维动画的形式演示火灾发生时人员的疏散情况，使用户更有参与感，提升了趣味性，让用户能够亲身体验火灾发生时的感觉。受限于当时的技术水平，该仿真系统的视觉观感仍然不够真实，建模粗劣，交互性与沉浸感不足。通过普通用户的参与，大众有效培养了良好的防灾意识，在火灾发生时能够迅速离开火场或采取报警、营救等措施。

国内在这一研究领域尚处于初步阶段，但已经得到有关部门重视。例如，长春大学组成联合研发团队，开发了校园安全演练教学和考核系统；2016年11月，网龙网络公司在福建省“119”消防宣传月中针对小学生开发了消防安全VR教育体验系统。目前针对消防安全教育领域的研究存在些许不足，例如，研究方法缺乏有效的吸引力，大多数系统为桌面式，体验感不强，教学内容形式单一等。营造真实的环境十分关键，虚拟三维空间建模好坏决定了用户体验是否能够产生沉浸感和真实感，设计时应考虑技术水平与实现成本，将教育教学理论与VR技术深度融合，立足用户综合体验，激发学习者的兴趣和学习热情，以期达到最终的教学目的［4-6］。

2 将虚拟现实技术应用于消防安全教育

2.1 虚拟现实技术在消防教育中的优势

为了探索虚拟现实技术在消防安全教育领域应用的可能性，研究多模态交互机制，探索基于虚拟现实技术的面向消防安全教育的在线平台，国际设计研究院师生团队开发了校园火灾逃生虚拟教学系统软件，意在针对火灾逃生的演练，沉浸式体验能让使用者感受更真切，更身临其境，从而有助于使用者学习到火灾逃生的要领以及技巧。之所以把虚拟现实作为消防安全教育的教学辅助工具，是由于虚拟消防体验模式与传统消防安全教育方法相比，具有仿真性、开放性、针对性、自主性、安全性和节约性的特点［7-8］。

虚拟演练环境是以现实培养演练环境为基础搭建的，操作规则同样立足于现实中实际的操作规范，旨在营造真实感与沉浸感。与现实中的真实安全演练相比，虚拟仿真训练可随时进行多次重复演练，体验者始终处于安全教育的主导地位，掌握安全教育主动权。虚拟演练的另一大优势就是可以方便地模拟任何培训科目，借助虚拟现实技术，受训者可以将自身置于各种复杂、突发环境中去，从而进行针对性训练，提高自身的应变能力与相关处理技能。作为培训中重中之重的安全性，虚拟的演练环境远比现实中安全，培训与受训人员可以大胆地在虚拟环境中尝试各种演练方案，即使闯下大祸，也不会造成恶果，而是将这一切放入演练评定中，作为最后演练考核的参考［9-10］。

2.2 设计方案的内容和重点

当前基于基地化的实战训练存在多种局限，如：对于实际燃烧物质的多样性和事故现场的复杂性，基地化训练难以模拟实现，虚拟现实技术为这些问题的解决提供了强有力的支持。国际设计研究院师生团队的消防演练软件探索了VR场景中深度压缩问题优化、多模态混合的VR交互技术研究、可控温度反馈模块的设计开发、动态场景仿真与建模等问题，开展了大量研究，取得一定的成效［11］。

（1）结合多个前沿的研究成果改善了用户在虚拟环境中广泛存在的深度压缩问题，让用户能够更准确地感知、理解虚拟场景的布局。

（2）融合了视觉、听觉、触觉、温度的多模态交互方法，让用户可以更深入地参与教学中，充分挖掘了虚拟现实技术在教育领域的潜力。

（3）针对消防教育的特点创造性地设计了可控温度反馈模块，为用户营造了更加出色的沉浸感。

（4）动态场景的仿真与建模即提高了场景的渲染效率，也为用户提供了更多交互的可能性，显著提高了教学质量。

2.3 项目研究成果及形式

（1）通过对虚拟现实场景中的温度压缩优化。①保证虚拟场景的真实感。在不显著降低渲染效率的前提下尽可能提高场景模型和渲染效果的真实感。②预先让用户完成一些行走任务，以此增强用户的存在感，从而提高其对虚拟场景的感知准确性。③引入多模态、多通道的交互方法。提供视觉、听觉、触觉、温度信息可以显著改善深度压缩问题。

（2）使用多模态融合的虚拟现实交互技术。多模态融合的虚拟现实交互技术图解见图1。

图1 多模态融合的虚拟现实交互技术图解

视觉、听觉、触觉信息的获取是用户对虚拟场景进行感知、交互的基础。为了营造更好的沉浸感，增强用户的学习效果，为用户提供了视觉、听觉、触觉、温度多模态混合的交互方法。利用HTC Vive提供的Lighting House定位技术，实时检测用户头部和手部的运动，根据用户当前行为实时地提供多模态的信息反馈。HTC Vive提供的控制器符合人体工程学原理，可以模拟用户在现实生活中的触摸、抓取、指点等行为，让用户以最自然的方式与虚拟物体进行交互［12-13］。用户可以用抓取动作拾取虚拟桌面上的水杯，可以按下扳机键来启动虚拟的灭火器（见图2）。

图2 抓取水杯和按下扳机启动灭火器

2.4 在消防安全教育教学中的实践效果

该系统已在国内应用于大中小学的安全常识和技能教育；消防部队以及其他应急救援力量的日常训练；安全生产重点行业和企业的安全技能培训等。国际设计研究院师生团队已与消防、安监等部门合作，开展安全推广，也在商场、学校、工厂搭建了体验环境，实现了低成本、高效率、深沉浸的VR安全消防逃生演习。并在全国建立了5个典型应用示范基地。授权国家发明专利1项。授权软件著作权2件。培养硕士研究生4名。

国际设计研究院师生团队研发的校园火灾逃生虚拟教学系统软件已安装在学校安全保卫处的“安全培训教室”，免费对全校师生开放。2020年8月，研发团队与浙大安保处、浙大红会急救培训与推广中心三方联办的“VR+消防”公益消防安全培训教育活动在学校紫金港校区安保处文化长廊举行。活动期间，全校师生使用该团队的校园火灾逃生虚拟教学系统软件，收获了独特的沉浸式消防教育体验。该系统通过语音和视觉的冲击，打造出一个逼真的VR世界，让参与的师生们雀跃不已，通过短短5 min身临其境的体验，不仅知道了火场的恐怖，更是收获了逃生常识与技巧。图3为软件使用过程中效果图，图4所示为产品展示图。［14-15］

图3 效果图

图4 产品展示图

3 结 语

虚拟现实作为当下新兴的技术手段，给安全教育培训提供了新的方式，对未发生未接触过的事情的理解很有启发意义。虚拟演练环境操作方便，体验者始终处于安全教育的主导地位，掌握安全教育的主动权。校园火灾逃生虚拟教学系统发软件及硬件设备适用于消防安全教育的普及课堂，整个配可套装置能模拟真实的操作，在仿真消防事故中进行学习。安全事故演练是仿真模拟中的重要模块，针对安全事故的演练，可以有效提高消防安全意识与临危不乱的心理素质和应急处理能力。

今后，关于消防安全的虚拟现实创新实践应用，国际设计研究院实验室将进行二次适应性开发，继续秉承教育创新实践的宗旨，可应用在应急救援、突发环境事件应急处置、疫情疫病检疫处理、反恐防爆处置等领域，为高校创新实践的探索提供借鉴。