基于虚拟现实技术的舰船虚拟消防训练系统体系架构研究

常 壮 邱金水 张秀山

1海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉 430033 2海军工程大学电子工程学院，湖北武汉430033

基于虚拟现实技术的舰船虚拟消防训练系统体系架构研究

常 壮1邱金水1张秀山2

1海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉 430033 2海军工程大学电子工程学院，湖北武汉430033

在建筑式仿真系统中实装开展的船舶消防训练，其灾害模拟程度不高、训练效果不明显，因而很难更好地评估消防员的灾害处置能力并提供决策辅助。基于虚拟现实技术的舰船虚拟消防训练系统通过将环境、灾害、训练策略等模型化，较好地解决了灾害模拟逼真度、仿真训练实效性等问题，为火灾模拟、消防训练、决策和评估提供了可靠途径。本文介绍了虚拟现实技术在船舶消防训练中的应用，讨论了船舶虚拟消防训练系统的体系框架结构，并对系统的5个底层模型及其建立方法进行了研究和探讨。

虚拟现实技术；舰船；消防训练；体系架构

1 引言

船舶火灾安全对船舶生存能力至关重要，对其火灾和消防的计算机模拟与仿真也一直是船舶消防的一个热点，虚拟现实技术为船舶火灾和消防的可视化搭建了一个有效平台，对船舶消防的模拟、训练、决策和评估具有极其深远的意义。

船舶消防的虚拟现实，就是通过计算机营建具有3I（沉浸性Immersion、交互性Interaction、想象性Imagination）特点的虚拟船舶环境和火灾现场，使消防人员在近似实战的逼真环境中进行模拟训练［1］，以提高应付船舶复杂火灾情况的处置和决策能力，并对火灾可能造成的危害及船员的消防能力进行评估，以此指导船舶消防训练和安全工程设计。

2 虚拟现实技术在船舶消防训练中的具体应用

利用虚拟现实技术开发的船舶消防训练系统，可以实现多种训练目的，如消防技能、战术协同、灭火救援指挥等。其应用概括起来主要有船舶舱室灭火预案的演练；舰船舱室、甲板消防和灭火技能的训练；特种消防装备器材功能的熟悉；各种规模的船舶火灾事故的应对处理和决策指挥；灾情发生过程的模拟以及救火现场的重现等几种形式。具体包括：

1）船员消防教育和逃生训练。根据舰船舱室结构和布局，构建虚拟疏散训练系统，在虚拟舱室环境中对船员进行初期火灾处置和逃生训练，以提高船员的消防意识和自救能力。

2）消防装备操作技能训练。受训人员通过操作虚拟的消防装备器材，熟悉实装原理、功能和操作程序，训练消防人员对装备的操作、保养和维修技能。

3）应急灭火救援和适应能力训练。构建舱室、甲板各类火灾事故场景，消防人员通过头盔显示器、数据手套、消防数据服等人－机设备，感受近乎真实的灾害环境，操作虚拟的消防装备，与虚拟场景互动，完成灭火、破拆、洗消、侦检等技能训练，还可训练消防人员适应火灾和事故的能力及心理承受能力。

4）消防决策、指挥、协同能力训练。对甲板火灾、船内舱室火灾、油气火灾、爆炸燃烧及各类事故的灭火救援工作进行可视化模拟，通过虚拟场景的设定、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理能力等内容进行交互式辅助训练并提供综合评判。各级指挥员和参谋人员可通过分布式训练系统同时参与，以提高应对大型船舶火场联合救援作战的指挥、协同能力。

3 舰船虚拟消防训练系统体系架构

一个完善的舰船虚拟消防训练系统应当是具有高性能的硬件设备和科学合理的模型体系作支撑的架构。硬件设备包括中央处理设备、显示设备和人机接口设备等，模型体系包括船舶实景模型、人群疏散模型、灾害场景模型、决策模型和消防过程控制等。系统采用基于分布式网络技术建立一个可供多用户异地同时参与的局域网虚拟船舶灾害环境，多个参与用户可以相互合作并通过语音或文字形式进行实时沟通 （如在火灾过程中协同控制火灾蔓延、交互引导人员疏散、对话等）。这样的系统是一个面向多用户的沉浸式系统，既能响应局部的个体用户动作，还能反映不同用户间的互动，并把总体环境实体和全部用户的互动效果表现出来；既有面向环境整体和用户整体的数据处理，也有面向单个用户的和局部环境的数据处理。系统由主服务器承担维护和处理具有全局效应的数据，客户机从主服务器获取全局数据、负责和独立用户的交互、生成局部视景［2］。

3.1 系统总体架构及工作原理

舰船虚拟消防训练系统的体系框架包括主服务器、模型库、导调控制设备、人机接口设备群、客户机群和显示设备群等。其中，主服务器是整个框架的灵魂，承担整个虚拟系统的协调运行和数据处理与维护；体系模型库囊括了所有用于生成实时场景的模型数据，它构成系统的整个数据体系；导调控制设备是整个训练进程的总控制中心，负责对想定作业设置、训练进度及综合情况显示的控制。

系统工作原理为：单个用户通过客户机与主服务器进行实时通信，客户机接收用户操纵人机接口设备（虚拟系统外围设备，如数据手套、头盔等）的指令信息，然后从主服务器获取模型数据和场景信息，经过适当处理后将综合了声音、场景、状态等数据的信号传递到各客户显示器进行显示，并将力、声音、动态图像等信息反馈给人机接口设备终端，供用户与虚拟世界进行实时交流；主服务器在导调设备的控制下，根据各用户进入的客户机参与环境、人机交互实时动态等状态信息对客户机产生指令响应，通过模型选择和控制接口从模型库调度相应的模型和场景显示数据，其中一路一一对应地实时送返客户机，另一路经融合后送综合显示器供观摩或监控。图1展示了该系统的体系框架结构。

3.2 系统模型体系

3.2.1 舰船实景模型

舰船实景模型包括甲板环境实景、舱内环境实景和船外实景。良好的舰船实景模型是营造逼真环境、增强沉浸效果的首要因素。以机舱内部环境实景为例，由于舱室内部设备繁多、结构复杂、舱室管系纵横交错、舱柜层次迭起，因此机舱实景模型的建立是一项复杂、庞大的工程。实现技术上可以采用VRML、Vaga、OpenGL等虚拟现实专用建模工具完成机舱实景的三维立体模型建立，也可以综合考虑开发工作量、研制周期和现实需要等因素，借助于WTK软件工具包、3DSMAX等三维建模工具，利用船舶平面图、网络建模技术以及CAD软件的三维功能，完成船舶结构的三维建模（包括内部机器设备、管道、操控台等模型实现），然后通过调用OpenGL函数或照片贴图的方式完成外观渲染。国内在舰船舱室实景的虚拟仿真中，已有较为成熟的系统，可实现对多层甲板、多舱室空间和多种复杂设备的实船机舱场景的连续立体显示，同时还可伴有同步立体声响效果。如大连海事大学航海动态仿真与控制重点实验室和清华大学智能技术与系统国家重点实验室联合开发的船舶机舱虚拟现实仿真系统［3］。图2较好地展示了舱室内部虚拟环境的构建及虚拟设备起火的状态。

图1 舰船虚拟消防训练系统体系架构

图2 虚拟舱室及虚拟设备火灾

3.2.2 灾害场景模型

舰船灾害场景模型建立在船舶灾害的数学模型基础上，是一个对灾害事故状态场景进行建模从而对灾害进行模拟和分析的过程模型，它描述灾害发生、发展过程和灾害状态，用户借助三维立体眼镜或数据头盔可以感受舱室及甲板火灾发生与发展的状况。对火灾事故过程和状态的模拟主要有场模拟和区域模拟两种方法，通常采用场模拟的方法研究着火舱室，对邻近舱室采用区域模拟，对外层甲板采用区域模拟。舰船火灾虚拟现实系统就是基于船舶结构特点，采用场区复合模拟方法对火灾过程进行数值模拟和计算的。灾害场景模型理论上应包括火灾蔓延模型、弹药及油气爆炸模型等。

1）火灾蔓延模型

结合舰船内外环境特点，舰船火灾的蔓延主要受以下3个方面的因素影响：船舶结构因素、消防阻燃因素、天候状况和船舶外环境的特性。船舶结构因素要包括舱室物质材料、舱室面积、通风开口面积、舱室的高度等；消防阻燃因素主要指舰船耐火结构、舱室内及外甲板自动启动的消防设施（水喷淋、卤代烷及二氧化碳等灭火系统）、消防人员释放灭火剂行为等；天候因素主要指对风速、风向及雨雪情况，这些因素主要针对甲板外火灾蔓延的方向、范围以及火灾蔓延规模的可能性等方面的影响，可约简为对风速和风向的讨论；舰船外环境的特性主要包括船舶所处为海洋还是港口环境及周边建筑物等情况信息，这些因素用来反映火势向船外蔓延及其受限的情况。因此，舰船火灾按发生环境可分为舱室内火灾、海域中甲板外火灾和港口内甲板外火灾3类，舱室内火灾环境主要分普通舱室、带有大量易燃物（油气、酒精、织物等）舱室和弹药舱室，甲板外火灾主要考虑火灾在大空间、室外环境受天候影响以及是否向船外蔓延。

火灾燃烧模型选取的关键，在于燃烧极限的模型（物质随温度、压力、浓度、助燃剂变化、阻燃物质介入的燃烧极限模型）和物质的可燃烧性模型。火灾的蔓延模型可以采用元胞自动机（Cellular Automaton，CA）理论建立。借助于城市火灾蔓延模型，利用元胞自动机原理将舱室或甲板划分成多个元胞，元胞尺寸SC可参考Jirou K和Kobayashi K［4］提出的公式进行估算并加以改进。将天候因素考虑进来，引入风速条件v，单位为m/s（舱室内v∈（0，1）），火灾传播的最远距离D为（单位为m）：

根据式（1），由于风速和风向的不同，火灾向邻居元胞蔓延所影响的范围将会随时间发生明显变化。将模型中元胞的状态设置为5个状态等级（状态0～状态4），分别表示不可燃或无可燃物、可燃但未燃、已燃但不具备蔓延能力、剧烈燃烧且具备蔓延能力、燃尽。火灾是否发生蔓延，由元胞（i，j）的状态是否从状态1转变为状态2进行判断，判断依据由火灾蔓延因子Fij决定，即

其中：α是除风速之外的火灾蔓延速度调整因子；Sij是建筑结构参数；Pij为建筑的火灾木质率，也就是将建筑可燃的部分转化为木材的比率；W是风因素，包括风速和风向两个方面的因素，β为调整因子（β＞0）；p（tckl）表示元胞（k，l）的火传播能力，与着火后直至具有蔓延能力的时间有关；除β外，上述参数值范围为（0，1）。

2）爆炸模型

与舰船有关的爆炸，从爆炸物质种类上，主要分弹药和油气引起的两种爆炸类型；从爆炸物和船体的相对空间位置上，主要分水中爆炸、船体范围内爆炸和空中爆炸3种类型。由于爆炸物质不同和爆炸位置不同，爆炸瞬时的状态、产生的炸后效果和对舰船的影响各有不同，因此，舰船爆炸模型在状况特征设置上主要包含4种情况，即燃烧中爆炸、链锁爆炸、爆炸后继续燃烧、爆炸后不燃烧。而爆炸行为的发生，需要依赖大量的参数［5］：爆炸相对位置、环境压力、爆炸物质组成和物理特性、引燃源特性、周围环境的几何特性、可燃物质的泄漏速率等。可见，舰船爆炸模型的建立是一个比较复杂的仿真过程，在舰船虚拟消防训练系统中，爆炸呈现的过程态势和爆炸后产生的破坏效果是关注的重点，所以爆炸模型的构建应当着重于爆炸特征模型和爆炸破坏模型。关于爆炸模型的研究，江苏科技大学对海洋平台舱室结构内部密闭空间内油气爆炸冲击载荷作用下变形和破坏的情况进行数值模拟，解放军后勤工程学院开发的虚拟油库火灾消防模拟训练系统中运用油罐火灾消防工程模型也对受限空间内油气爆炸进行了一些模拟和研究［6，7］。

3.2.3 消防过程与动态控制

消防过程与动态控制是指参与到虚拟消防系统的虚拟人通过使用船内虚拟消防装备、器材或工具对虚拟火灾进行控制后，火灾在受到人为干预下的状态场景，展现火灾受控时的动态变化过程。对火灾的虚拟消防过程模拟的主要内容，是进行虚拟灭火动态过程设计。虚拟人通过拾取虚拟灭火装置或使用虚拟消防装备，对虚拟火场施以一定的影响，直至实现灭火效果。灭火效果的实现，首先判断当“灭火装备在有效范围内”且“灭火设备已经启动”两个标志量均为真值时（通过软件检测控制参量，若判定为“超出有效范围”或“灭火设备未启动”，则灭火行为不发生），将虚拟火和烟气的参数中粒子的点密度减小，直至零或低于某很小阀值，从而实现虚拟火扑灭的动态过程和灭火效果。如使用虚拟灭火器灭火，是通过操作数据手套来拾取灭火器，移动到距火源有效的距离范围内，用数据手套的大拇指下压动作实现开关的启动，从而发生灭火器灭火的行为；舰船虚拟自动消防水喷淋系统灭火的实现，可通过在虚拟舱室内设置水喷淋头和火焰探测器，由火焰探测器自动检测起火点的位置并进行监测，火源位置的检测值决定对距离火源最近的水喷淋头有效性的选择，只要火焰高度或烟气密度达到设定阈值，虚拟水喷淋系统就会自动开启，扑灭火点［2］。虚拟消防过程和场景的控制，需要添加一定的火灾特效来实现环境的逼真，并能支持加入虚拟人进行灭火救援。

1）火灾现场的特效场景

灭火救援视景仿真中大量的特殊效果，特别是烟尘、火、爆炸、水流等的实现能够大幅度提高灭火救援视景仿真的逼真度。对特效的模拟可以借助粒子系统从粗到细、从简到繁逐步实现。如MultiGen－Paradigm公司开发的Vega中实现特效有3个层次的方法：通过特效模块中系统定义的典型特殊效果（如烟雾、火焰、爆炸等），直接调用添加到虚拟场景中实现多种简单的位置、大小改变等效果；通过特效模块中自定义粒子系统的粒子运动参数设置，实现固定模型的特殊效果；通过回调函数机制和OpenGL代码实现完全的自定义粒子系统，可控性好、能产生更加逼真的特效效果。

2）虚拟消防人员的加入

灭火救援过程中的消防指战员是实施消防的主体，现场同时也可能存在各种被救对象。逼真的消防场景需要虚拟人的加入，虚拟消防员和被救对象作为人的因素加入场景对于真实表现灭火救援场景、提高场景仿真度具有重要意义。随着虚拟现实软硬件技术的高速发展，国内外在三维虚拟人运动及显示技术方面都开发了一些比较实用的系统。如由美国波士顿Dynamics公司研究开发的DI－Guy系统就可以利用其API、C＋＋和Vega来在实时虚拟战场环境中创建和嵌入三维虚拟人员并控制其行为动作。虚拟消防系统是对人体模型逼真度要求较高的领域。中国人民武装警察部队学院对该系统进行了二次开发，构建了具有中国人特点的国内消防队员及其战术行为动作，较好地实现了在灭火救援场景的视景仿真中加入虚拟人［］。

3.2.4 人员疏散模型

船舶发生火灾后，在船员实施灭火救援之前，需要在较短时间内将船内灾害区域的人员紧急疏散到安全地带。当虚拟火灾发生时，虚拟系统中的火灾探测和报警系统发出火灾信号，虚拟疏散引导系统自动生成疏散路线导引信息，并在对应的虚拟舱室内产生导引提示，引导虚拟群体疏散逃生。而处于灾害环境中的人员会出现一定程度的恐慌，会因大量人员群体急于逃生而形成一定的拥挤和无序行为，且这种因恐慌形成的盲目拥挤和无序会随灾害环境状况的持续和变坏而骤然加重。因此，舰船虚拟消防系统中的应急疏散仿真模型可采用群体行为建模技术，将实现对灾害环境下人员群体的紧急疏散模拟和分析，生成疏散策略图。

对于群体行为建模的方法，主要分为基于物理学粒子系统和动力学系统的方法及基于Agent的方法两大类，基于Agent的方法又可分为基于人工生命的建模方法与基于高级智能行为的认知学方法［9］。物理学方法能够真实再现无生命的粒子群行为特征，适合建立运动规律较强、在外界条件约束下智能行为较低的群体行为模型，如恐慌条件下的疏散人群、车站的人流等；认知学方法适合模拟灵活性较高、需要充分体现高级智能的人群群体行为模型，但受限于传统人工智能技术，实现难度非常大；人工生命方法的理论基础是人工生命和行为人工智能技术，是仿真模拟较大群体行为的主流方法。目前的人群紧急疏散仿真模型主要可分成两类：以元胞自动机模型（Cellular Automata Model）为代表的离散仿真模型和以社会力量模型（Social Force Model）为代表的连续仿真模型。

人员是否安全疏散由人群疏散评估模型［10］得到，其判据设置为“可用安全疏散时间（ASET）”是否大于“必需安全疏散时间（RSET）”。参照火灾风险评估中Togawa经验公式，可以计算舱室中人员疏散到外层甲板或船外安全地带的时间Tout：

其中：C表示通过安全出口的疏散能力，即单位流量，一般取1～1.2；Na表示火灾区域内的疏散总人数；Weff表示疏散出口的总有效宽度，即船舱对外甲板出口的总宽度；Vr是人员运动速度；Lmin为人员到出口的最短距离。

3.2.5 决策与评估模型

虚拟消防中的决策与评估，是计算机通过从底层提取虚拟灾害程度、人员疏散模型、消防实施和效果等关键数据，生成体现灾害状况及开展灭火救援行动的综合信息，通过人机交互界面动态展现消防状况。决策与评估模型包括火灾损失评测与消防效果和消防作战评定、消防决策指挥辅助和消防作战方案（预案）生成。

1）火灾损失预测与消防效果评定。船体损伤可根据灾害场景模型的状态数据进行计算；人员伤亡以人员疏散模型计算的舱室疏散情况和虚拟人救援状况进行预测，并可以对在不同时间点火灾可能导致的损失进行评估；直接财产损失包括船体损伤、构筑物和设备损毁及其他财物的损失，具体计算时按损毁实物价值折现进行计算。根据人员伤亡和实物损失的整体情况，系统生成对消防效果的综合评定 （具体实现可采用受损项目的损伤状态值与预设等级值比较，得到对受损项目状况评估）。作战训练的成绩评定，采取消防效果指标参数和作战训练体系指标参数相结合的方法，生成综合评定消防作战的训练成绩等级。

2）消防指挥辅助决策。将灾害模型、人员疏散模型、火灾损失预测等数据和信息，与灾害定位、消防和疏散路径优化、消防力量调度和管理以及应急决策等指挥方式相融合，快速确定火灾蔓延范围、灭火援救与疏散方案、消防力量使用，辅助消防指挥员和队员对火灾情况处理、疏散和灭火救援分析、消防指挥调度及控制显示等，提高从起火到疏散到灭火扑救过程的效率，从而增强消防决策指挥的水平和整体作战能力。辅助决策主要包括：灾害位置快速定位、舱室环境快速分析、救援力量的自动生成、疏散和救援路线等智能优化、作战指挥方案的标绘等［10］。

3）消防作战方案（预案）生成。利用模型库提供的虚拟灾害信息，确定消防和救援力量、消防装备和方法选择、灭火和控制措施、医疗救护的调配，基于辅助决策信息实施动态调整，根据火灾事故的类型和等级、火灾发生的时间和地点、扑救条件、事故现场信息以及舱室通行状况等生成该阶段的灭火救援和疏散方案，通过文字、声音和图像进行多媒体展示。

4 结论与展望

将虚拟现实技术应用于舰船消防领域，具有数据直观、贴近实际、模拟灵活便利和费用消耗相对较小等优点，对于指导舰船消防训练、辅助船舶火灾评估和研究船舶安全工程设计具有极为重大的现实意义。随着计算机软、硬件技术的发展和火灾科学研究的深入，舰船虚拟消防训练系统将不断完善，系统的沉浸性、实时性和交互性将不断提高。当然，虚拟消防系统还有很多消防专业技术层面的问题有待研究，如船舶火灾与灭火模型、灭火机理、灭火干预下火灾发展与可视化等的实现问题。舰船虚拟消防训练系统的技术难点主要在于两个方面，即虚拟现实技术本身的不完善和各类复杂仿真模型的建立。虚拟现实技术本身的完善取决于软、硬件技术状况及虚拟系统的配置选择；考虑到虚拟环境的逼真性，各类复杂模型要能够真实或者贴近真实地反映对象的状况，就需要建立结构和功能具有较高精细度的模型，反映在计算机中就是庞大的数据体系，而当系统硬件性能受限时，庞大的模型数据就会影响处理速度，它将使系统的实时性受到影响，它的解决仍旧要依赖虚拟现实硬件技术的完善。

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Research of the Virtual Ship Fire-fighting Training System Architecture Based on Virtual Reality Technique

Chang Zhuang1Qiu Jin－shui1Zhang Xiu－shan2
1 College of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China 2 College of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

Warship fire－fighting training in building is less severe and less effective，thus less accurate to evaluate firemen＇s capability of handling the fire disaster and less supportive to decision－making.The Virtual Warship Fire－fighting Training System（VWFTS）based on virtual reality technique will lead to a better solution for the fidelity of simulation and efficiency of training by introducing models of environment，disaster and training tactic etc.VWFTS will bring a dependable approach for disaster simulating，firefight training，and evaluation and decision－making.This paper presents the application of virtual reality technique to firefighting onboard，discussion of the framework of the VWFTS，and research of the five bottom models and their developments.

Virtual Reality technique；warship；fire－fighting training；architecture

U664.88

A

1673－3185（2009）03－56－06

2009-02-16

常 壮（1982－），男，硕士研究生。研究方向：舰艇安全技术。E-mail：joanahwf@hotmail.com

邱金水（1963－），男，副教授，硕士生导师。研究方向：舰艇安全技术。

张秀山（1968－），男，副教授，硕士生导师。研究方向：虚拟现实技术。