基于虚拟现实技术的消防救援模拟训练系统软件设计开发的分析研究

李杰辉 宋文琦 陶鹏宇 姜芊叶

摘要：为解决消防救援队伍典型灾害事故救援训练设备配置不足、场地空间受限、实战演练频次低的现实问题，众多学者探索引入虚拟现实技术的模拟训练方法。要确保模拟训练满足实战化的需求，系统软件的设计开发尤为重要。故详细阐述基于虚拟现实技术的消防救援模拟训练系统的设计开发流程，并以高层建筑火灾的应用场景为例，进一步优化系统软件的功能设计和场景开发应用，以不断提升典型火灾事故消防救援模拟训练的精准度。

关键词：虚拟现实；模拟演练；场景应用

中图分类号：D631.6      文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2024）04-0001-04

根据国家消防救援局发布的全国消防救援队伍接处警与火灾情况统计数据，2021至2023年度，全国消防救援队伍共接报处置各类警情分别为195.6万起、209.2万起、213.8万起，其中火警分别为74.8万起、82.5万起、87.8万起，呈逐年递增的趋势[1-3]。随着全国消防救援队伍改制转隶的顺利完成，作为“国家队、主力军”的职责定位更为明确，随之而来的应急救援工作的压力和挑战也日益凸显。因此，不断提升消防救援队伍面对各类典型火灾事故的应急处置能力迫在眉睫。

当下传统的火灾事故救援培训有实战模拟演习、课堂教学和基于情景的桌面推演等几种方式，但都有其优缺点。实战演练能给消防救援人员带来较为真实的救灾体验，但组织协调难度大，可重复性较差。课堂教学和基于情景的桌面练习等方式，主要由培训老师单纯讲授培训内容，都缺乏真实火灾救援现场的体验感，多为机械性记忆，缺乏实操实训。然而，随着虚拟现实技术的不断发展和应用，将其引入典型火灾事故救援培训体系中，是对传统培训模式的一种提升和补充。

1 虚拟现实技术在消防领域的应用

在欧美发达国家，虚拟现实技术已广泛应用于消防领域。美国研究开发的Flame-sim消防训练游戏软件是一款用于事件指挥官和消防队员火场决策训练的3D实时模拟训练软件[4]。瑞典林雪平大学计算机信息科学系提出了一种森林火灾事故消防模拟训练系统，可以逼真模拟消防救援人员、救援指挥员等多个不同角色进行模拟实训[5]。英国也较早地将VR应用到消防领域中，Colt VirtualReality公司开发的消防疏散系统，用来训练消防人员在火灾现场的应急反应，模拟不同的疏散情形进行救援[6]。

在国内该领域相关研究中，中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院开发了石化火灾事故应急训练模拟装置[7]，中国海洋大学研究开发了基于Cortex的“消防装备模拟训练系统”，二者均有所突破[8]。但目前国内相关研究的场景实用性较为单一，实用性不强，软件的互动性不高。

2 VR软件系统的设计

2.1  软件设计架构及设计思路

软件框架分为“输入端、客户端、数据中心、存储中心、输出端”五大部分。其中输入端主要是VR手柄以及脑电监测等设备。客户端主要包含交互逻辑模块、场景管理模块、软件交互管理模块、模型资源管理模块以及UI模块等六个模块。数据中心主要包含成绩管理、用户信息管理、时间判定管理、脑电信息管理等。存储中心主要是软件整体信息的储存中枢。输出端的设备主要包括桌面显示设备、VR头显设备、烟热风电设备以及力反馈背心设备等。

2.2  脚本设计

脚本设计内容包括项目内容流程图绘制、美术建模工作量图标等。首先，要假定火情，完成火场素材和相关数据收集汇总，包括场景火灾前后的全景素材、场景平面图、全景监控素材、火场图片视频素材等。其次，梳理火灾场景现场救援行动的装备器材、具体操作要求、考核要点等内容，整合出一个原始文字脚本内容，并通过论证和确认。最后，完成分镜脚本的绘制工作，由分镜内容推演软件架构的搭建。

2.3  功能设计

结合对受训人员的用户分析、使用情境分析以及功能分析，从而确定本软件系统主要包括教学、训练和考核三大核心功能模块，支持在处置过程中以不同角色参与教学和训练。

在教学模式下，受训人员根据需要选择相应科目，系统通过文本、图片、PPT或视频等方式开展交互学习，在场景中嵌入相应的教学内容，对技术要点和操作技巧进行讲解。学习过程中受训人员随时可以通过VR交互手柄等工具对学习内容开展翻页、运行、暂停、快进、后退等操作，学习内容则通过显示屏或者头戴显示器展示给受训人员。

在训练模式下，受训人员根据训练科目特点，选择以第一视角或第三视角开展体验性技能操作训练。训练模式执行过程中，施训人员可以随时中断或改变训练内容，从而增强训练难度。同时，施训人员可根据系统提示性内容开展跟随训练，从而达到技能操作和执行流程正规化训练目的。软件第三视角画面见图1。

在考核模式下，受训人员在无提示场景中开展不间断考核。考核内容涵盖全部教学内容和训练内容，考核方式包括知识点选择答题和自主技能操作。考核评价方法以最终百分为标准，在选择答题环节，随机设置20道选择题；在实操训练环节，随机选择一种火灾场景，在随机着火点条件下开展灭火救援实操，根据操作用时和错误动作检测，由系统自动评价赋分。

另外，同步开发心理训练模块应用场景，将火灾场景下涉及燃烧点的监控录像、真实的火场图片和视频资料嵌入场景地图中，在场景中设置热点点击提示受训人员进行观看，通过感官刺激，加强对用户心理状态的冲击，对心理测评后脑电设备的信息进行采集呈现，获取受训人员的心理测评相关结果。

3 VR软件系统的开发和应用

3.1  场景搭建软件3ds MAX

本系统利用3ds MAX對系统火灾场景进行模型的搭建。3ds MAX是Discreet公司开发的三维动画渲染和制作软件，具备丰富的建模功能和强大的渲染能力。本文利用3ds MAX软件火灾场景建筑的三维模型，搭建建筑内部楼梯间、疏散走道、安全出口、房间基础布局、建筑消防设施以及消防车辆、消防器材等三维实体模型，同时建立消防指挥员、消防员、群众等人员模型，进行骨骼绑定和行为动画制作。

3.2  系统搭建软件Unity3D

本系统利用Unity3D来进行搭建。Unity3D是由Unity Technologies开发的，是全面整合了三维场景、动画效果、三维视频的专业游戏引擎[9]。根据前期收集的火灾场景资料和脚本设计，将3D模型导入Unity3D软件，构建火灾现场的三维虚拟场景。根据前期软件的功能设计进行编程，实现受训人员控制软件虚拟消防人员完成各种火场灭火救援操作动作。

3.3  交互实现

系统功能实现的一个重要环节是使受训者和系统中的虚拟环境实现人机交互的联系，这就需要配置交互设备和系统场景的相应适应化改良。为进一步提升系统交互的真实感和实操性，本系统配置了VR头盔套装、行走模拟座椅及背心等特殊VR硬件交互设备，以实现人员在训练场景中的移动交互。

根据上述交互设备特点，不断调整火灾场景视角VR化、交互VR化、界面VR化，对相应的视角和交互方式进行适应化改良。另外，本系统软件还支持基于烟、热、风、光及力反馈设备的接入，支持烟、热、风、光、触的效果呈现，能够让除视觉感官外的其他感官方式更加接近真实效果，增强沉浸感。

4 高层建筑火灾事故应用场景开发实例

4.1  火情设定

某日，辖区内某高层民用建筑801室发生火灾，现场烟雾较大，有明火烧出窗外，且有持续扩大蔓延趋势，起火房间内有人员被困。该高层建筑高度110m，设有1部防烟楼梯间，室内消火栓166个，室外消火栓4个，公共区域设置自动喷淋灭火系统、火灾自动报警系统、防排烟系统等固定消防设施。起火房间面积101m2，户型为三室两厅两卫，设有基础家具陈设。

4.2  火灾事故处置应用场景设计和开发

4.2.1  角色设计和开发

火灾事故处置现场涉及角色有指挥岗和执行岗之分。指挥岗是指现场的消防指挥员，主要分为总队、支队、消防站三级指挥员，对其相应所控制的各类角色下达操作指令。执行岗角色主要是分为班长、战斗员、安全员、侦察员、通讯员等，其是完成相关操作任务，同时向指挥岗角色汇报相关情况。受训人员根据自身训练内容和科目，可选择单一角色操作训练，也可选择全流程角色训练任务。

4.2.2  系统场景界面的设计和开发

本系统采用第一视角操作界面，在界面上方设计了360°全景方向图标，为受训者提供方向指引。在界面下方设计开发高层火灾处置流程选择界面，分别为力量调集、火情侦察、登高进入、疏散救人、固定消防设施选择、阵地设置、内攻灭火火场排烟、清理移交等处置项目选择按钮。在界面左侧区域设计AI工作手札模块，在教学和训练模式下为受训者提供教学要点和操作指引。在界面左侧区域还设计了部分消防设备的快捷按钮，方便受训者快捷操作。界面右侧设置了地图和工具箱操作按钮，将现场总平面布局图、建筑平面图、房间平面图等地图信息集合在地图按钮中，方便受训人员调取使用；工具箱按钮中集合了各类灭火救援装备，方便受训人员学习和调取使用。界面右侧下方还设置了秒表计时器，为受训者提供操作时间提示。系统操作界面设计见图2。

4.2.3  火灾处置流程模块的设计和开发

本系统场景中最核心的板块就是火灾处置流程模块。根据火情假定和现场建筑相关情况，梳理汇总高层建筑灭火救援的处置流程为：完成力量调集工作，协调AI进行警戒疏散等工作，前往安全员处进行安全检查，“楼道排烟”和“放置分水器”任务为并行任务，不分先后，放置分水器后，连接水带，破拆房门，房门破拆需协调AI协助，缓开门，防止回火，进入火场核心区域，需使用热成像仪寻找火点和被困人员，随后进行室内排烟让可视范围提升，然后前往灭火，使用直流水灭火，完成灭火后前往解救被困人员，对其需使用一次性防毒面罩，随后协调AI队友对其使用担架救助，完成扫清灰烬工作后完成移交。将上述处置流程审议定稿后，绘制形成高层建筑火灾灭火救援处置流程框架图，然后进行逐一编程开发。高层建筑火灾部分处置流程场景见图3。

4.3  考核评测模块的设计和开发

本系统的一个核心功能就是对受训者进行考核评价。本系统的考核评价体系采用系统赋分和考官手动评分结合的方式进行综合评定。一是靠使用Unity3D中的插件可实现视频回放和操作流程、操作（下转第14页）（上接第3页）数据的实时抓取，对考核点分别设置扣分标准，对比操作人员考核流程，实现自动量化评价。二是在考官面前设置一块高分辨率屏幕，显示参训人员实训过程中的操作过程和场景画面，通过观察参与演练的指挥人员对车辆和人员部署是否得当、战术策略运用是否恰当、指令用语是否准确、灭火救援技术运用是否合理、消防救援班组之间配合是否默契等，实现考官手动打分定性评价。

5 结束语

基于虚拟现实技术的典型火灾事故场景救援实训系统既能够逼真还原火灾事故现场，又能够科学合理地提供火灾处置的全要素实训课程，给受训人员最直接的感官冲击和最全面教学，内置的考核模块还可以作为消防员日常考核的重要手段和依据，大幅提升消防员的火场救援能力、反应能力和协作能力，能够解决当前消防队伍面临的战训难题，为今后的应用案例提供指导。

参考文献

[1]中国青年网.应急管理部消防救援局公布2021年全国消防接处警与火灾情况 去年消防出警量历年最多[EB/OL].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1722476185996523996&wfr=spider&for=pc

[2]國家消防救援局.2022年全国警情与火灾情况[EB/OL].https：//www.119.gov.cn/qmxfxw/xfyw/2023/36210.shtml

[3]北京日报客户端.国家消防救援局：2023年共接报处置各类警情213万余起[EB/OL].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1787156040631092864&wfr=spider&for=pc

[4]刘敏.基于美国《Flame-sim》消防训练游戏的分析与思考[J].中国科技纵横，2014（23）：248-249.

[5]章竹乔.虚拟现实技术在灭火救援模拟训练中的应用分析[J].中国设备工程，2023（5）：21-23.

[6]牛坤，刘晅亚，陶鹏宇，等.基于虚拟现实技术的消防救援模拟演练系统[J].消防科学与技术，2021（11）：1639-1643.

[7]李智临.石化火灾事故应急训练模拟装置的设计与实现[J].广东化工，2021（12）：300-301+315.

[8]秦鹏宇.基于Cortex的消防装备模拟训练系统的设计与实现[J].今日消防，2022，7（5）：19-21.

[9]王雨杰，吕述杭，丁怀远，等.基于Unity的安卓游戏软件开发设计[J].信息与电脑，2022（11）：134-136.