3D视景仿真在消防灭火救援训练中的应用研究

作者简介：

苏鹏（1986- ），男，汉族，河北故城人，本科，研究方向：灭火救援。

摘要：

在新时代背景下，消防救援队伍的任务主要集中在灭火行动、紧急抢险和为社会提供救助上。随着城市化进程的加速，各种新型火灾频发，对消防队伍提出了更高要求。为了有效应对这些挑战，制定面向特定情况的紧急应对预案以及按照预案进行定期训练和模拟演练变得尤为关键。本文将针对3D视景仿真在消防灭火救援训练中的应用途径展开详细分析，以供参考。

关键词：3D视景仿真；消防；灭火；救援；训练；应用

引言

随着城市化的快速推进，消防安全挑战日益增加，火灾的突发性和不可预测性给救援工作带来了复杂性。面对这些难题，消防队伍必须详细分析影响救援效率和安全的关键因素，并根据这些因素采取有效措施。通过持续改进和创新，确保能迅速有效应对各类火灾事故。

一、消防模拟训练内容

模拟训练在消防领域扮演着至关重要的角色，其主旨在于通过构建与实际灾难场景相仿的训练环境，将消防救援人员及必要的设备融为一体，从而在模拟高压环境下，达到磨练技能、提升意志的效果。通过模拟各种复杂、多变的灾害场景，消防训练可以塑造出一个既安全又接近真实的教学平台，确保消防救援队伍在面对真实灾害时，能够凭借训练中积累的经验和技能，快速有效展开救援行动。为了使模拟训练更加贴近实际操作，通常会引入现代化的教学手段和设备，如虚拟现实（VR）技术、模拟灾害场景制作等，使消防人员在仿真环境中遇到的情境与真实灾害尽可能吻合，从而提升应对真实灾害的快速反应能力和决策水平。此外，针对那些特定类型的灾害，如化学泄漏、高层建筑火灾等，定制化的訓练内容也是教学大纲的一部分[1]。

二、消防模拟训练内容

在传统的消防训练体系中，往往将重点放置在体能和基本技能培训上。尤其是近年来，消防救援领域发生了多起人员伤亡事件，强化消防队员的心理素质和临场指挥决策能力成了培训的新焦点。尽管沙盘演练等传统方法在某种程度上对提高队员应对能力有所帮助，但其模拟实战的真实性有限，难以满足高质量训练需求。

随着技术的进步，计算机技术广泛应用为消防训练领域带来了创新。计算机多媒体和三维虚拟现实技术的结合，为消防训练提供了前所未有的模拟环境。这种新型训练方法能够通过创建模拟现场，精准复现实际灾害发生时的环境与情境，从而使消防人员在虚拟、贴近真实的环境中制定应对策略，提升处置各类灾害的效率[2]。

通过模拟训练，消防人员可以在无风险的环境下对各种灾害情况进行深入学习与实践。计算机系统允许教官和训练者在实践过程中，依据消防和救援理论基础，对选定方案进行全面分析与评估，创造出接近实战的动态模拟体验。与传统训练相比，这种技术手段不仅能更准确还原实际救援场景，还可根据需要调整环境变量和训练情景，多次演练，从而确保训练的高效性和适应性。此外，整个训练过程及结果易于记录和回顾，便于后续分析和改进。

计算机辅助训练最主要的优势在于其成本效益高、安全性强且极具灵活性。它打破了地点和物理资源的限制，使消防救援人员能够随时处于准备状态，快速适应各种复杂紧急情况。更重要的是，这种训练方式突出心理素质和快速决策能力的培养，更贴合现代消防救援的实际需求[3]。

三、消防灭火救援模拟训练系统的组成和功能

消防灭火模拟训练的逼真度与效果是评估训练系统功能展现的关键因素。为此，训练的设计和实施，必须在现实操作的基础之上，更好确立模拟系统的架构和运作模式。现代灭火和救援任务通常包括四个基本阶段：接收报警和出动、战术部署、应对灾害和事后总结。在计算机辅助的模拟系统中，训练内容的设置要依据现实情况对参数进行合理量化，即挑选出对局势影响显著的核心因素。通过这些核心因素构建出相应的数学模型，从而使指挥决策模拟活动得以顺利推行。在整个训练流程中，所有活动的触发和进行情况，都必须建立在精确的数据信息基础之上，这是保证模拟训练可靠性的关键。

（一）训练设置模块

此模块的核心任务是创建一个初始的火场模拟环境，涵盖模拟的火场背景、队伍布局以及所配备的消防工具和装备。这一阶段的设计至关重要，它设定了后续训练的基础条件，包括火场规模、火势强度、现场复杂环境等因素。

（二）战术处置模块

在此模块中，消防指挥人员将面对各种挑战，如何有效生成灭火处置方案、进行辅助决策计算以及执行力量部署的精准指挥。该模块不只是简单指派任务，还包含了对每个命令功能的详尽解析。

（三）处置评判模块

作为模拟训练的终极阶段，此模块的主要职责是对整个灭火过程中的战术方案和执行情况进行全面评估和分析。通过对比训练前的方案设计和训练中实际指挥效果，对指挥者的决策能力和执行力进行客观评价。此外，处置评判模块还负责收集和保存训练数据，以便未来回顾和学习，不仅为指挥人员提供反馈，同时也为训练系统的优化提供参考[4]。

（四）动态显示模块

该模块致力于将虚拟火场的全貌及细节通过三维图像技术生动展现。该模块依托先进的建模技术、图像渲染技术以及分布式网络技术，力图将火场情景以最真实的形式呈现给训练者。这一过程旨在加深消防人员对火场各类情境的理解和感知，提升其在复杂环境下的操作和决策能力。

（五）过程重演模块

此模块职责在于记录整个模拟过程，使训练过程可重演、可分析。这不仅方便训练者和教官对训练进行回顾分析，检查操作中的不足之处，而且为战后总结提供了实质性的支持。通过精确重演，队员们能够从中学习到具体技巧和策略，不断提高实战应用能力。

四、3D视景仿真子系统体系结构

（一）硬件结构

在硬件构成方面，3D视景仿真系统主要包含三个主要组件：计算机硬件、实时图形处理单元和显示设备。计算机硬件部分主要由高性能计算处理系统和先进的网络组成，是确保软件能够流畅运行的基础设施。针对3D视景仿真技术在执行消防灭火救援功能需求时，会模拟搭建一个虚拟场景，此时系统对硬件性能需求极高，尤其是对处理速度的要求上。只有搭载高速处理器的系统，才能完成使用者对灭火救援等复杂模拟训练任务的需求。此类计算机硬件，能够有效模拟出场景中的光影效果和物体的表现形式，从而凸显仿真环境的逼真度。在实时图形处理方面，该技术通过高效率的图形处理能力，显著提升了3D视图的真实感，能更生动展示空间内的图像和细节。

（二）软件构成

3D视景仿真系统依托于一系列专业的软件组件，为用户打造逼真的虚拟环境。这一系列软件工具包括但不限于操作系统平台、三维图形的建模应用、集成开发环境以及专门针对3D视景仿真定制的应用系统等。考虑到计算机处理系统的多样性和兼容性要求，在软件开发过程中，需要重点考量跨平台功能的实现，确保软件组件在不同环境下均能稳定运行[5]。软件的核心部分涵盖了用于构建模型的多种工具，如用于创建3D视景数据库以及利用MultiGen Creator等建模工具。在开展图形渲染活动过程中，如何实时渲染技术成为人们普遍关注的热点，它支持高效的场景交互与控制，相关使用人员能够即时体验仿真环境的变化。此外，高级图形渲染API（应用程序编程接口）允许开发者，通过创建、编辑等方式深度定制三维仿真环境，从而实现从研发到应用的目标。

五、3D视景仿真在消防灭火救援训练中的应用

消防灭火救援系统是一个复杂而全面的保护网络，致力于火灾的快速发现、有效警报和高效灭火。该系统综合了火灾自动报警、自动喷淋灭火、防排烟等多个子系统。这些子系统通过精密的配合，共同构成了一个强大的防护盾，确保在火灾发生时能够立刻做出反应，最大程度保护人员安全和减少财物损失。当火灾发生时，整个系统的反应流程从探测器开始。探测器能够实时监测环境中的变化，一旦检测到与火灾相关的信号，如烟雾浓度或温度的异常升高，立即将这一信息传输至报警控制器。報警控制器将探测到的信息与设定的正常状态数据进行比对，确认火灾无误后，即启动报警机制，向整个建筑发送火警警报。报警控制器不仅能发出警报，还能激活必要的消防响应设备和安全措施。这些措施包括但不限于防火卷帘的降下、疏散指示灯的启动、防排烟系统的激活以及自动喷淋系统的开启，从而为人员疏散创造条件，同时控制或扑灭火势。

（一）火灾自动报警系统仿真

在火灾自动报警系统仿真中，技术实现的焦点主要集中在三维探测器的精确建模以及报警器声音报警功能的生动模拟上。以感烟探测器为例，其三维建模过程开始于对实体感烟探测器的详细拍摄，接着利用图形处理软件进行纹理的精细制作，随后在三维建模软件中构建模型并贴上相应的纹理，从而实现探测器虚拟模型在视觉上的逼真再现。报警器声音报警功能的仿真是通过专用声音模块来完成。该模块支持多种音频文件格式，包括*.wav、*.aiff和*.aifc。具体的实现步骤包括在Lynx图形环境中配置ADF文件，运用AudioWork2模块进行声音文件的加载和设置。操作包括创建带有Alarm命名的AW Sound，加载特定的报警声音文件alarm.wav，设置声音引擎AW Engine、声音通道AW Channel等参数以及在场景与观察者设置中分别添加声音对象和选择相应的声音通道。

（二）自动喷淋系统仿真

在构建自动喷淋系统仿真过程中，一个关键步骤是配置ADF文件以模拟真实的喷淋效果。这涉及到特效的创建和属性设置，确保模拟的自动喷淋系统能够在虚拟环境中准确演示水流效应。首先，用户需要通过点击“特殊效果”的按钮进入设置界面，在此创建一个特效实例并为其赋予名称particle。随后，将类型设置为“自定义”，并输入代表特定喷头位置的坐标。用户需要进入“自定义粒子系统”菜单，对喷淋粒子系统的多项属性进行调整和设置。这一阶段的精细调整是为了确保仿真效果既真实又符合预期，如模拟水流速度、粒子密度等。

（三）防排烟系统控制

对于模拟防排烟系统的仿真设计，需要通过应用Photoshop这样的专业图形编辑软件，精心制作出带有透明效果的纹理图案，这一步骤的目的是更真实反映防排烟风机叶片在旋转过程中产生的模糊效果，从而增加视觉上的动态感和真实感。为进一步增强这种动态的视觉效果，仿真系统采用了“特殊效果”（Special Effects）模块内的“blade”功能。通过这一功能，我们能够有效模拟防排烟风机的转动情况。这种模拟不仅仅停留在静态的显示上，还能够展现风机在实际运作时的动态旋转过程。在防排烟系统的控制机制方面，可以灵敏反应火灾信号，一旦火灾信号被侦测并传递给系统，相应的排烟风机便会自动被激活。

结语

综上所述，3D视景仿真技术凭借其技术先进性，在消防灭火及救援模拟训练领域展现出无限的应用潜力。为了充分发挥这项技术的潜力，需进行深入的需求调研，密切结合用户的实际需求和所在地域的特定情况进行细致分析和量身打造。通过这一过程，3D视景仿真技术能够更准确模拟真实的消防灭火及救援场景，为消防人员提供高质量、接近真实的训练体验。

参考文献

[1]

星发财.新时期消防队伍灭火救援训练探讨[J].消防界（电子版），2023，9（05）：31-33.

[2]袁狄平，靳学胜，沈剑荧，等.基于开源技术的灭火救援计算机模拟训练系统研究[J].中国安全生产科学技术，2012，8（12）：80-86.

[3]袁狄平，靳学胜，张晓丽，等.基于图像建模的灭火救援虚拟场景生成技术[J].消防科学与技术，2012，31（08）：853-856.

[4]翟兆建.基于Vega Prime的大型灭火飞机投水视景仿真研究[D].南昌航空大学，2012.

[5]靳学胜，袁狄平.灭火救援视景仿真中三维虚拟消防队员的设计与实现[J].武警学院学报，2010，26（10）：5-8.