VR技术在船舶消防培训中的应用

朱 苏， 周卫平， 李 酬， 陈 极

(1.上海船舶工艺研究所， 上海200032； 2.九江职业技术学院 船舶工程学院， 江西 九江332007)

0 引 言

与普通建筑不同，船舶是在海上移动的建筑，一旦发生火灾等事故，灾害危险性和救援难度将非常大。加强船舶高级消防技能专业化训练是减小灾难危害、增强灭火救援效果的重要途径。当前，船舶高级消防培训仍以实操为主，存在消耗量大、危险性高、准备周期长、真实性低、可重复性差等问题，特别是对航海专业类学校，培训场地和条件有限，实现难度更大。随着VR软件和硬件技术快速发展，基于VR技术的消防模拟训练模式应运而生，通过在虚拟场景中模仿船舶火灾真实场景，采用人机交互方式，训练受训人员在船舶火灾发生时的处置和决策应对能力。这种训练模式与传统实战训练相比，参与性更强，可重复性更高，也更安全可控，为船舶高级消防培训提供了一种崭新的思路。

1 VR技术简述

虚拟现实，简称VR技术，也称灵境技术。其主要原理是利用电脑模拟产生一个三维空间虚拟世界，让使用者能够从视觉、听觉、触觉等各方面产生与真实环境相似的感受，如同亲临其境，并可利用计算机、头盔、手柄等交互设备与虚拟场景进行交互，完成对虚拟场景中对象的操作，并能接受各类反馈信号。目前，随着计算机、传感、人机交互等技术的发展，VR技术已广泛应用于军事、商业、科技、工程、教育、医学、娱乐等各个领域[1]。

美国科学家BURDEA等认为VR技术具有3个显著特性:沉浸性、交互性和想象性,并提出 “VR技术的三角形”[2], 如图1所示。

图1 VR技术的3个基本特征

2 船舶消防培训现状

船舶作为海上移动的大型建筑物，一旦发生火灾，往往不能得到陆上消防部队的及时救援，同时由于其自身结构复杂、内部通道狭窄、设备集中，消防救援人员若没有进行专业的结构知识的培训，容易产生二次伤害并造成非常大的损失。加强船舶消防、特别是高级消防技能专业化训练，是减小灾难危害、增强灭火救援效果的重要途径。船舶高级消防是以船舶组织战术及指挥方面为重点的高级消防专业技能训练，而不是简单地重复消防基础知识、船舶基本灭火设备和器材的性能及使用方法等。高级消防的培训课时为42学时，其中理论培训时间为31学时，实操为11学时[3]。

目前船舶消防实操培训大多在模拟舱中进行，不仅耗资大、污染大、危险性高，且能重复开展的并不多。某海事培训学校在进行高级消防培训时曾发生火势无法控制，将整个模拟机舱全部烧毁的安全事故。因船舶特殊的功能和结构，其产生的火灾具有特殊性，需要经常组织船员进行消防演练，因此就需要一个可以重复利用和考核评估的培训平台。推广VR技术在船舶消防演练中的应用，基于VR技术搭建一个沉浸感强、交互性高的船舶消防培训平台，采用视、听、体验相结合的综合互动模式，进行船舶消防基础、消防模拟、消防训练和评估的技能培训显得非常重要。

3 VR技术在船舶消防培训中的应用

上海船舶工艺研究所凭借多年来在VR技术研发方面的优势和积累，结合当前船舶消防培训的需求，利用VR技术开发了船舶消防培训平台。该平台可实现多种训练目的，如船舶消防知识培训、船舶结构认知以及多场景灭火、协同综合演习等分布式场景训练，并可进行操作考核与评定。平台具体功能如图2[4]所示。

图2 船舶消防培训平台具体功能

3.1 基于VR技术的消防基础知识实训

船舶消防基础知识实训系统通过界面交互和体感操作方式对受训者进行消防基础知识培训，其中基础知识教学模块负责受训者基础知识的培训，船舶典型消防设备交互操作教学模块则是通过头盔显示器和动作捕捉手柄模拟真实消防设备的使用，提升受训者的实际操作能力。系统技术设计方案如图3所示。

图3 船舶消防基础知识实训系统设计架构

3.2 基于VR技术的船舶结构认知

船舶结构认知系统采用VR、计算机图形学、图像处理、多媒体等技术，主要对机舱、驾驶室、甲板左右舷、集控室、会议室、居住室等主要环境进行三维漫游交互展示。通过添加热点、箭头、雷达、图片、文本、视频等素材资料，在漫游场景中交互查看，受训者能通过此系统认识船舶布局、了解船体结构[5]。

本系统的目的是让受训者了解船舱各个部位的设备布局，提高船舶消防安全意识。系统功能如下：

(1) 提供船舶机舱、驾驶台、居住室等场景展示。采集的图像能最大限度展现周围设备。

(2) 提供场景目录。用户可根据教学实训需要，通过目录选择相应场景进行体验。

(3) 进行场景间切换。通过在场景中添加热点即可切换到指定场景，其中热点可采用箭头图片、Flash动画等方式。场景热点切换如图4所示。

图4 场景热点切换

(4) 可将船舶地图添加至系统中供用户交互。设计两个按钮，可进行地图的放大和缩小,同时双击地图可全屏显示地图。

(5) 通过点击可弹出相关的图片和说明书。说明书包括机舱或驾驶台相关消防设备等，在场景中通过热点链接到设备的图片和说明书进行展示。

(6) 进行视频展示。通过热点链接设备展示视频，视频含有机舱或驾驶台相关消防设备等内容介绍，可控制视频播放和暂停。

3.3 基于VR技术的船舶高级消防分布式仿真实训

船舶高级消防分布式仿真实训系统通过 VR 技术，使受训者在视觉和听觉上真实体验火灾环境，熟悉火灾区域的环境特征。受训者通过显示设备、立体观察装置、人机操纵装置等与虚拟环境中的对象进行交互且相互影响，产生沉浸于真实火灾现场的感受和体验。根据不同角色和任务完成VR交互体验。同时，通过搭建局域网服务器，实现多台客户端设备之间的通信，多个客户端之间能进行交互，实现 VR 消防的多人协同功能，可对受训者的消防组织战术和指挥方面的能力进行训练[6]。通过实训使受训者能够快速组织决策、正确果断指挥、积极配合协调，不断提高整体灭火能力。船舶高级消防分布式仿真实训系统架构如图5所示。实训场景如图6所示。

图5 船舶高级消防分布式仿真实训系统架构

图6 船舶高级消防分布式仿真实训场景

3.3.1 系统主要功能

(1) 提供用户登录功能，对受训者进行权限管理；

(2) 具有模型管理、场景管理功能，可实现模型或场景的显示、隐藏、查询等；

(3) 可支持立体模式，与硬件设备良好地结合运行；

(4) 提供场景视角切换、交互漫游等功能，受训者可在场景中以多种方式进行交互操作；

(5) 支持采用手柄等交互设备进行船舶场景漫游；

(6) 场景提供逃生路线、消防器材布置等；

(7) 提供不同的火源位置、火势场景，提供丰富的火灾环境效果，包括声、光、电、烟雾等，受训者可置身于近乎实战的消防救援环境中，感受火灾事故现场的动态场景，包括爆炸烟火、污染扩散等；

(8) 提供多人协同消防救援实训功能，在系统中多个学员可进行协同灭火实训；

(9) 提供火灾事故动态发展功能，并可根据场景设定不同人员的任务分工，实现火灾灭火和救援等任务的协同实训。

3.3.2 系统应用效果

以载重量82 000 t散货船为例，在系统中构建机舱、厨房等重点防火区域的虚拟着火场景。

(1) 提高受训人员的应急灭火救援和适应能力。在单人训练模式下，单个受训人员通过头盔、显示器等显示设备，感受真实的火灾环境，克服恐惧心理，进行心理适应性和承受力训练。通过动作捕捉手柄、光学跟踪器等外在硬件设备，根据系统预设的各类着火模式，操作虚拟消防栓、虚拟斧头、虚拟担架等虚拟消防和救援装备，与虚拟场景进行互动，完成灭火、救援、逃生等各种技能训练。

(2) 提高受训团队的消防决策、指挥、协同能力。在团队训练模式下，系统针对船舶火情中甲板火灾、船内舱室火灾、油气火灾、爆炸燃烧以及各类事故的灭火救援工作要求，进行虚拟场景的设定、灭火战术和救援方案的选择、指令的下达等功能设计，受训人员可根据权限设定，扮演指挥者、救助者、灭火者等不同角色，从而达到训练指挥、决策、救援、协同能力的目的。

4 结 语

在船舶消防培训中引入VR技术，具有直观、互动性强、成本低、安全等优点[7]，在船舶消防培训课程设置中，虚实结合将大幅增强消防培训的效果。船舶消防培训平台目前已在某航海职业院校航海专业类的教学培训中得到初步应用。当然，VR技术在船舶消防中的应用还只是初步探索，在场景效果、人物模型、多人协同、火灾模型等方面需要进一步研究[8]。