虚拟现实技术在城市应急救援训练中的应用

淡 默 汪 彤

北京市劳动保护科学研究所

随着我国经济和社会的快速发展,各类灾害事故频发,救援队伍面临的挑战巨大。一方面化学品事故、高层建筑、地下空间、化学恐怖袭击事件等复杂事故致灾因素复杂、易造成大量人员伤亡、环境损害和经济损失，社会政治影响大，对救援技术要求高，需要加强训练特别是实战模拟训练以提高救援技术和水平；另一方面，这些事故实战模拟难度大、事故发展控制难、不易或不宜经常进行实战模拟训练。训练要求高和难以训练的现实矛盾在一定程度上制约了城市应急救援能力的提高。虚拟现实技术的发展为该矛盾的解决提供了强有力的支持和工具，应用虚拟现实技术开展城市应急救援技术及适应性训练已成为当前城市应急救援训练研究的热点技术。

1 虚拟现实技术的概念

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），又译为临境, 灵境等,这个词最早始创于20世纪80年代是1989年由美国的Jarn Lanier正式提出的[1]。虚拟现实是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，即采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助头盔显示器和传感手套等交互设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。

虚拟现实系统具有三个特征：“沉浸(Immersion)“交互(Interaction)”和“构想(Imagination)”(3I特征)

（1）沉浸感：计算机通过建立三维图像的虚拟空间生成虚拟环境，使用户完全沉浸于其中，有目的的进行漫游、观看、触摸、听取和闻嗅各种虚拟对象,感觉似乎离开了自身所处的外部环境,沉浸在所研究的虚拟世界之中,成为系统的组成部分。

（2）交互性：用户在虚拟世界中所感受到的信息,经过大脑的思考和分析,形成自己想要实施的动作或策略,通过输入界面反馈给系统,实现与系统的交互和独立自主地控制系统运行的功能。

（3）构想：用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为,通过联想、推理和逻辑判断等思维过程,随着系统的运行状态变化对系统运动的未来进展进行想象,以获取更多的知识,认识复杂系统深层次的运动机理和规律性。

分布式虚拟现实技术是虚拟现实技术的发展，是基于网络的虚拟现实技术，该技术将异地分散的各种仿真系统通过网络连接起来，提供一个可供多用户交互操作的复杂的三维虚拟视景，处于不同地理位置的用户通过网络进入到同一个“真实环境”中，通过动作、声音或文字等“在一起”进行交流、学习、训练，完成协同演练。

2 虚拟现实技术在城市应急救援训练上的应用

2.1 主要应用领域

虚拟现实仿真模拟训练系统被广泛运用于军事、航空航天和医学手术训练中，近年来该技术也逐渐应用到城市应急救援训练，主要用于以下几个方面的训练：

（1）心理适应能力训练：系统构建各类逼真的灾害事故场景，让受训者在“真实环境”中感受体验，培养受训者对特定场景的认识、适应能力以及心理承受能力。

（2）装备操作训练：通过建立装备的虚拟模型和虚拟仪表，模拟装备操作程序，使受训者熟悉装备的原理、功能和操作程序，训练救援人员对装备的操作、保养和维修技能。

（3）救援技能训练：构建各类灾害事故场景，应急救援人员通过头盔显示器、数据手套等交互设备，在“真实场景”中操作虚拟的装备，与虚拟场景互动，进行灭火、破拆、堵漏、洗消、侦检等应急救援技能训练。

（4）决策、指挥训练：对高层建筑火灾、地铁事故、化学品事故、化学恐怖袭击等各类事故救援工作进行模拟仿真，辅助于化学品数据库、GIS系统、事故后果预测模拟分析，结合地理条件、交通状况、应急救援力量配置状况、救援物资分布等情况，选择救援战术和救援方案，通过指令的下达等功能设计，对现场指挥、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。采用分布式训练系统，各级指挥员可同时进行训练，以提高城市应急各部门、各救援队伍联合作战的指挥、协同能力。

2.2 国内外的应用研究情况

英国、美国等发达国家较早的将虚拟现实技术应用于城市训练系统的开发，并已将训练系统应用于实际训练，取得了良好的训练效果。

美国环境建筑公司（ETC）开发了重大事故灾难管理模拟系统（Advanced Disaster Management Simulator,ADMS），该系统是基于虚拟现实的交互式团队训练系统，主要用于事故应急响应过程中不同部门间的4C（Command,Control,Coordination and Communication）能力和部门间协调工作的训练。

2004年，美国卡耐基麦龙大学和纽约消防局启动危险化学品事故第一响应者应急救援训练系统（Hazmat:Hotzone）合作开发项目[2]。该系统通过构建不同危险化学品、不同场景下的各类事故的三维虚拟场景，供多个用户在这虚拟仿真环境中通过语音、视觉传感器等各种交互方式协同进行危险化学品事故应急处置和救援训练。

英国ColvVirtual Reality公司开发了被称为Vegas的火灾疏散演示模拟仿真系统。该系统是基于Dimension international的Supers cape虚拟现实系统环境开发，以三维动画的形式演示火灾发生时人员的疏散情况，使用户具有沉浸感，让用户能够亲身体验火灾发生时的感觉，并可以进行消防人员灭火救援以及人员疏散的模拟训练。

我国在上世纪90年代末提出了将虚拟现实技术应用于城市应急救援训练的构想，在火灾可视化、系统交互等方面开展许多卓有成效的研究，研究成果开始应用于实际训练。

后勤工程学院开发了基于单机运行的虚拟油库火灾消防模拟训练系统[3]，建立了主要基于经验公式的油罐火灾模型和油罐火灾消防工程模型，实现了油罐火灾消防模拟训练的实时可视化，主要用于油罐火灾体验和消防战术训练，具有较好的实时性和交互性。

北京消防局和清华大学联合开发了北京奥运场所数字化灭火救援动态预案与虚拟仿真训练系统，该系统针对北京奥运会使用的比赛场馆和训练场馆，开发基于火灾烟气蔓延扩散分析、人群疏散模拟技术、GIS系统、交互式3D虚拟现实技术的数字化灭火救援动态预案和仿真模拟训练系统，用于消防战术和消防指战员心理素质训练。

3 虚拟现实技术应用于城市应急救援训练的优势

虚拟现实技术的“3I”特征使其能弥补桌面演练和实战模拟演练不足，在训练上具有明显优势。

（1）真实感强：虚拟现实模拟训练系统通过构建三维场景、人、烟、火、液体泄露等场景特效，为受训者提供逼真的事故现场，使受训者“身临其境”，真实感强，同时也能锻炼受训者在事故现场的心理承受能力。

（2）扩展性大：由于虚拟现实技术采用数字技术,可以产生多种训练场景，呈现各种事故类型，用于多种场景、多种事故类型、多种处置技能的应急救援模拟训练，系统具有很大的可塑性；分布式虚拟现实技术的发展使得能够通过网络，实现本地和远程各系统的互联，能够随时开展单兵和协同训练、本地训练和远程训练，训练形式灵活多变。

（3）训练针对性和可控性强：利用虚拟现实模拟训练系统，可以在计算机上对某一技能、战术进行反复训练、及时回放评估总结，在较短时间内，积累丰富的救援经验，训练针对性强，效率高；另外，虚拟现实模拟训练系统中的天气、灾害种类、人员、装备都是可设定的，训练过程中可以随时停止、开始，可控性强。

（4）安全经济、环境友好：虽然虚拟现实模拟训练系统的前期开发费用较高，但虚拟现实训练系统使用计算机作为训练设备，一旦系统建立起来，不同地区、不同部门的救援队伍可以使用，而且可以长期反复使用，省去了实际模拟演练场景布置、训练损耗等成本，从长远看经济效益突出训练中可以不用真实的装备、发烟剂、燃料、灭火剂、有毒有害物质等，降低了装备的损耗和实际模拟演练场景布置及材料设施消耗，系统运行和维护费用低；大型综合演练的网络化、虚拟化，可以进行远程多方合作演练，这些都有助于降低训练成本。另一方面，灾害事故是数字模拟的，不用担心演练过程中有毒物质扩散或火势失控造成演练参与者伤亡和环境污染，更安全更环保。

4 几点思考

虚拟现实技术在我国各应急部门、应急救援队伍的决策和训练中的应用，为提高城市事故灾害应急救援水平和能力提供了先进的手段，取得了一定成果。但该应用刚刚起步，还有问题有待不断研究、完善。

4.1 事故场景模拟的真实度和可视化技术研究

事故场景模拟是应急救援训练的基础，模拟场景特别是事故后果场景与真实场景的接近程度直接影响到决策、指挥和现场处置行为。目前的虚拟现实模拟训练系统的事故后果场景模拟主要在于视觉听觉等感知效果模拟，在事故后果预测的真实相似度上研究较少。如何将比较成熟的基于事故后果预测分析的计算机仿真软件和三维视景开发软件对接起来，直接将准确地事故后果预测数据三维可视化，使得虚拟现实训练系统中的事故场景不仅在视觉感官上真实，在实际数据上也真实，从而提高战训水平，该项技术还有待进一步研究。

4.2 针对技能训练和装备训练的系统研究和开发

目前模拟训练系统主要针对公众体验培训和指挥决策能力训练，而当前城市应急救援队伍中人员更新频繁、高新仪器装备训练、装备训练损耗和现场救援矛盾等问题严重，急需开发针对技能（灭火、破拆、堵漏、洗消、侦检等）和装备训练的虚拟现实模拟训练系统，提高应急救援处置速度和水平。针对装备训练问题，北京市劳动保护科学研究所和中国航天员训练中心、北京市消防局就联合开发了“典型化学品事故侦检装备虚拟现实模拟训练系统”，如图1、2。该系统包括两种模式：单兵训练模式和协同训练模式。单兵训练模式通过三维动态模拟危险化学品泄漏、火灾、爆炸等事故场景、侦检装备仪器部件、操作过程和数据信息反馈，通过不同训练方式（学习、练习和考核），使受训者在真实的现场环境中身临其境的进行侦检操作训练，了解仪器的基本原理和基础知识，熟悉仪器操作程序，提高仪器操作技能。协同训练模式则利用网络分布交互技术，使消防特勤队伍中不同角色的受训者在同一时间、同一空间对同一目标进入到仿真系统中，在“真实现场”进行单兵侦检训练和协同侦检训练，锻炼一线救援人员的事故现场处置技能、协同作战和应急救援能力。目前该系统已经应用于消防特勤日常战训中。消防官兵通过在计算机上进行反复模拟训练，提高装备操作规范性和熟练程度，大大降低了装备训练损耗和训练成本，受到消防官兵的一致好评。

图1 典型化学品事故侦检仿真模拟训练系统软件体系结构

图2 某侦检装备三维虚拟组装示意图

4.3 虚拟现实模拟训练系统普适性和开放性技术研究

虚拟现实模拟训练系统的前期开发技术难度大、费用高，如果只是针对某部门或某类事故，虚拟现实系统的应用将受到限制，经济性也不能充分体现。事实上，在事故应救援训练的基本要素是共通的，如多部门针对同一事故场景、防护装备一样、救援装备相似等等。如果在虚拟现实系统中建立场景库、救援装备库、救援行为库，并将其模块化、开放化，受训者可以根据自身需要，设置场景、事故类型、气象条件、发生事故的物质、选择救援装备，实施救援训练，将大大提高虚拟现实系统的普适性，同时兼顾特殊性，降低开发成本，提高训练针对性和有效性。因此，虚拟现实模拟训练系统普适性和开放性技术研究有极大意义。

[1]李剑锋,张学魁.虚拟现实技术在消防训练中的应用[J].武警学院学报,2008,24（2）:80-82

[2]Hazmat Hotzone:First Responder Team Training Simulator,http://www.etc.cmu.edu/projects/hazmat_2005/

[3]王东,杜扬,李康宁.军用油库油罐火灾消防虚拟现实仿真模型研究[J].后勤工程学院学报,2002,(2):19-23