虚拟现实技术在消防战训工作中的应用探讨

崔华峰

（黑龙江省消防救援总队七台河市消防救援支队，黑龙江 七台河154600）

城市边缘的持续外扩使各类高层建筑物和快速增加的建筑密度都产生了较大的消防安全隐患。特别是一些设计存在缺陷或施工建造过程不合理的建筑，一旦发生火灾，其产生的危害性极大。同时，激增的火灾发生率也对消防救援工作和日常的消防安全检查工作带来了极大的挑战。火场出勤和救援的危险性与施救难度都严重的限制了消防工作的开展效果，也会对国家和人民群众的生命财产安全带来威胁。为此，借助现代计算机稳定且高效的快速运算和三维建模能力，可灵活的将虚拟现实技术引入到消防领域。将常规的消防战训工作与虚拟现实相结合，利用计算机构建的虚拟三维环境让消防救援人员可以获得更具多样性和真实性的模拟战训环境，在有效规避消防战训安全问题的同时切实提高了消防战训的实战技能和对于救援现场复杂情况的应对能力。

1 虚拟现实技术原理介绍

虚拟现实技术是高速发展的计算机技术的典型产物，其可以和其他高端信息技术融合应用。借助人工智能，多媒体，网络通讯等技术让使用者能够在人为创造出的特定环境内进行包括听觉、视觉和手势动作等在内的虚拟感官活动，这也是现阶段人机交互技术的主要应用和展现形式。

利用计算机搭建的虚拟三维空间模型，辅以多媒体元素，生成虚拟空间中的视、听体验。虚拟现实技术最典型的特征即为它完全依赖于计算机软件创造的多维信息空间，并且得益于多媒体技术的支持，能够让人获得直观且真实的视觉感受。在以视觉为主的体验感上，适当增加听觉和触觉的同步交互，进一步增强虚拟现实带来的沉浸感，如图1 所示。

图1 虚拟现实技术中人眼的视野范围

此外，虚拟现实技术还能够提供给体验者直接观察、接触、操作甚至触摸周边环境中真实物体的通道，将虚拟与现实相结合，进一步增强虚拟世界和现实世界的联系，并在此基础上打破虚拟和现实的边界，从时间和空间的层面让体验者获得身临其境的逼真感受。通过可穿戴设备中的陀螺仪，当消防人员转动头部时，陀螺仪能够及时的通知图像生成引擎，及时的更新画面。从而让体验者感受到自己身处一个环绕的虚拟空间之中，产生360 度的三维空间感，如图2 所示。

图2 虚拟现实技术配合陀螺仪创造的三维空间

2 将虚拟现实技术引入消防战训工作的意义

虚拟现实技术的核心在于其营造出的虚构场景，完全不受时间和地点的限制。但所有构建出的虚拟场景都来源于真实世界，只是在特定环境下的人为重现。因此只需要进一步明确虚拟场景的种类与交互方式即可将其应用于特定的行业和领域。在传统消防工作中引入虚拟现实技术能够从根本上解决当前日常消防战训工作开展的难点及棘手问题。

2.1 在消防战训的内容组成中，体能与技能训练可谓重中之重。而引入了虚拟现实技术的消防战训则融入了诸多富有时代特色的新元素。在传统的体能、技能科目基础上新增加了智能的训练方式，让消防战训工作拥有了更多灵活和可扩展的实施空间。逼真的模拟作战救援环境能够让消防救援人员快速进入状态，在保证安全的前提下开展仿真训练。此外，根据三维空间内的多感官反馈机制，可为消防战训提供包含定位、方向及触觉在内的复合型实时反馈，便于消防员及时根据模拟环境做出反应。另外，和传统消防战训相比，虚拟现实技术的应用丰富了消防员接收到的指令形式，例如将原本的作战任务经计算机程序计算得出最优解决办法，在达到灭火目标的基础上增加更高效的程序自动指挥机制，把所有需要执行的任务通过多感官信号传递给作战人员，分工协作完成消防战训任务。虚拟现实技术的科学精准应用能够在提升消防作战人员体能、技能、心理素质的同时，对训练的智能化程度大幅提高。利用更低成本构建的模拟救援场景，让消防人员对于一些少见但又具有较高危险性的爆炸、火灾及突发事件积累足够的临场经验，全面提升消防救援的整体水平。

2.2 消防战训工作需要针对不同类型和程度的火灾分别制定灭火作战预案。传统的消防预案中对于火场的内部结构，建筑性质及用途，安全出口位置数量及消防装置的方位等信息的掌握都是靠文字描述或平面图纸而实现的，这种方式不仅在效率及精度上容易受到限制，而且对于建筑物内部结构，通道情况的描述、分析和预测存在技术盲区。而基于虚拟现实技术，则可将消防预案的内容转变为更加具象化、立体化和丰富化的实战方案。三维空间的逼真环境可以让消防员准确掌握火场的实际情况以及建筑物内部的布局、结构等细节，通过大量准确的数据让消防作战人员得以在较短的时间内制定出最佳作战方案。保证了灭火救援效率和效果的同时，促进消防战训工作的水平持续提高。

2.3 常规的消防战训工作开展目的在于让消防员充分熟悉和掌握救援流程，作战方案和各种消防装备的使用方式。但在实际的救援任务中，现场的复杂情况往往会给救援工作的开展带来诸多挑战，例如建筑物内部结构复杂，消防通道堵塞，消防设备失效等都会给救援的效果造成巨大影响。而为了解决这些问题，只能在消防战训工作中有所倾向的增加相应投入，但这并不是长久之计。不仅会增加日常训练、作战、演习的成本，还会给消防工作的管理增加难度。加之消防演练本身的特殊性，必然需要人为制造火焰、烟雾等来模拟真实救援场景，这其中的安全隐患也难以准确控制。相比之下，虚拟现实技术的应用可以在保证安全的前提下彻底转变消防战训的开展形式，使其兼具场景的真实性和作战的标准性。

3 虚拟现实技术在消防战训工作中的应用系统结构与功能

3.1 三维立体模型建立

虚拟现实技术需要在三维空间中创建特定的场景，相应的三维模型一般来源于二维平面的图像模式，结合照片、图纸、遥感图像等信息资源进行三维空间内的重构，如图3 所示。常用的建模软件如3DMAX，会根据实际应用方向和领域选择匹配的建模技术诸如MAYA、JAVA3D、DIRECTX、AUTOCAD、OPENGL 等。

图3 三维建模示例

虚拟现实图像引擎的基础图形接口包括：在windowsPC 和移动操作系统上的directx 基础图像api；在工业领域则是linux、苹果PC 和IPhone 上，在安卓操作系统上是通过一系列OpenGL 基础图形接口（移动端为opengl es，是简化的opengl 版本）实现的。

3.2 模拟场景制作

一般来说，消防战训工作涉及到的虚拟三维场景制作都需要选用预先制作好的模型。同时，根据消防战训的具体需求做适当的调整和修改。利用虚拟现实技术软件将模型进行重组或者规划布局的调整能够便于后续的消防战训工作中移动路径及互动操作的进行。经过调试及阶段性试用后，即可保证模拟场景的整体质量，经确定无误后即可发布使用。三维场景能够再现真实环境的各种细节要素，同时以真实的观感让体验者自然的完成人机交互的过程。

3.3 模型二次开发与数据集成

考虑到消防战训工作对于场景还原度的真实性要求较高。因此，对既有模型的二次开发以及数据的集成应用出现频率较高。对于3D 模型的深层次加工和再次利用不仅能够利用现有资源实现建模效率的提升，也可将VR 技术和多媒体技术相结合，让虚拟场景中的交互体验方式更加多元化。通过数据计算公式和计算机的三维模型呈现，能够让使用者将感官与三维空间建立连接，适应其中动态变化的场景并做出自然的反馈。将基础模型和存储有消防战训工作数据的数据库融合应用，可以加强三维图形与消防工作数据的统一性，以便于对虚拟场景的逼真程度和细节丰富性做出改善。

3.4 三维交互与实景融合

三维模型架构软件能够搭建虚拟三维互动的场景，并且可以将现实环境中的实景元素移植到其中，满足用户个性化开发和定制的需要。结合三维数据库中的海量数据接口将实景中的元素以图形、图像的形式封装到三维模型中，并配合声音和动画的片段进行重新编排，可以针对使用者在虚拟场景中出现的碰撞等交互形式进行动态路径规划或对目标识别的结果做出预先设定。为消防战训工作的开展提供了诸多可扩展的功能和数据接口。

4 虚拟现实技术在消防战训中的使用场景

利用虚拟现实技术能够创建模拟的火灾救援现场，让消防工作人员通过3D 视觉的方式观察到周围的环境，提升其灭火技能。对于部分较为特殊的火灾现场，例如油罐类火灾和煤矿类火灾，还可以在普通火灾训练场景的基础上额外增加降温处理、灭火处理、塌方救援等选项式的操作流程。虚拟产品不仅可以提供逼真的地理环境，还原火灾现场的复杂情况，还能根据训练的需求自行设计火灾发生的时间，地点，自然环境，天气状况等客观条件，满足各类火灾事故救援演练的实际需要。

5 结论

利用已经较为成熟的虚拟现实技术能够充分适应现代化消防战训工作的实际需求，解决消防演练和实战模拟过程中的棘手问题。以逼真的场景和交互式的互动体验让消防人员能够在模拟的训练场景中提升自身的救援能力和反应能力。在保障安全的前提下实现了高素质消防战训工作的有序开展与实施。同时，虚拟现实技术支撑下的消防模拟训练工作不会受到时间和空间的限制，并且场景的变化和训练内容的安排更具灵活性，在实际战训活动中拥有较大的应用发展空间。