基于VR技术的防灾虚拟演练平台

李雨欣 郭大为

摘要：基于VR技术的防灾虚拟演练平台以VR技术为依托，为各学校提供模拟的各种逼真场景安全演习如火灾、地震等突发事件。学校可以利用这些场景来进行各种应急演练及安全的灾难现场，参与者有身临其境的感觉，同时新颖的安全教育方式更能提高同学们的积极性。另外，虚拟演练平台建成后可随时随地投入使用，不受时间和场地的限制，每次开展演练和安全教育也不需要重新布置场景和道具，重复使用，降低了成本，提高了效率。

关键词：VR技术;防灾

现在国际、国内形势十分的复杂，火灾、洪涝灾害、地震等各种各样的灾害时有发生。人的生命重于泰山，因而国家十分重视安全工作，各学校每年都要组织开展一定数量的消防、地震等应急演练。虽然以前开展了一定数量的应急演练，对各种突发事件也有预案，但演练时好多人总是漫不经心，对演练毫不重视，更有甚者演練直接成为了形式主义，这些都是对生命极其的不负责任的行为。因此通过VR技术来模拟出来的灾害场景，令演练场景更加逼真，演练时的氛围变得紧张严肃，除此之外，在进行传统的应急演练时，绝大部分危险场景中的各种意外无法体现，但借助VR技术就可以在虚拟场景中实现，这样就可以使大家身临其境，从而具有更丰富的应对危险的经验。同时，制作出一套成熟的系统可以重复使用，同类型的演练在不同单位还可以通用，因此，从长期看可以大大降低时间和金钱的成本，人员组织也会相对容易。

一、技术

1.1 基本原理

防灾虚拟演练平台利用VR技术以应急预案为蓝本，以动态可视化的事故剧情为主线，三维可视化的协同演练环境为平台，多层且多角色的协同演练为手段，构建了逼真的场景，为应急指挥及处置人员提供了应急预案的演练脚本数字化、演练场景自主化。

VR技术利用了空间为用户提供了视觉、听觉、触觉、嗅觉等感官的虚拟，用户使用后会产生一种身临其境的感觉。可以说VR技术就是在计算机中构建一个完全虚拟的世界，并将我们的感官带入到这个世界中。

1.2 关键要素

（1）虚拟环境：虚拟环境是VR专家借助编程渲染技术创建的人工的3D世界。在这个环境下，用户可以互相交互，也可以同人工对象交互。在虚拟环境中，用户的视觉视角会实时影响其感受甚至物理反应。

（2）浸入：浸入是对虚拟环境中物理存在的感知。当这种环境越真实时，用户的体验就越自然。除此之外，以下两种浸入类型会影响用户渗透到虚拟环境中的深度：

心理浸入：心里浸入是用户如何感知虚拟世界。这是一个人对自己所见事物的反应深度。

物理浸入：物理浸入是用户对虚拟环境的物理反应。它包括动作、可见的情感和互动。

（3）感官反馈：任何VR技术的开发人员都会了解，当虚拟环境中所涉及的人类感触越多，这个虚拟环境就越真实。除了需要激活视觉和听觉之外，还需向用户提供触觉的反馈，来正确的模拟现实的世界。在一个VR系统中可能包含特殊的硬件，如均由VR软件管理的感觉手套或手控制器。

（4）交互性：交互性是高级的虚拟体验中的固有成分。简单的VR应用程序仅仅依赖视觉与听觉，复杂的VR应用程序可以允许用户与虚拟的三维对象进行实时的交互。如果没有交互性元素，用户就将无法像在现实世界中的那样真实地感知到虚拟环境。因此交互对于VR用户的体验至关重要。

（5）分类目录：根据现实水平，VR可以被分为三个主要的类型。而每个类型都会提供自己的沉浸度，从而使用户能在不同的参与度下体验虚拟的世界。

（6）非仿真式沉浸：在并非身临其境的虚拟环境中，用户可以保持同现实世界的强大的视觉联系。它拥有最少的沉浸式VR实现方式，仅仅刺激人类感觉中的一部分。为实现非沉浸式VR，开发公司会使用具有平均处理能力的硬件，例如标准分辨率的显示器或台式机。

（7）部分沉浸：与非仿真式沉浸相比，部分沉浸式VR为用户提供更加逼真的体验。例如，大量的飞行或者赛车模拟器的使用，在高分辨率的屏幕或高端的投影系统上再现了半沉浸式虚拟现实，这些虚拟现实可以充分地刺激了用户的视觉系统，使体验更加逼真。

（8）完全沉浸：高度详细的虚拟现实是完全沉浸式的模拟。在这些虚拟环境中，用户会完全的失去了与现实世界的联系，并且会深入渗透进虚拟世界。完全沉浸式的模拟涉及到人类的全部感官，包括视觉，听觉和触觉。通过使用HMD、运动检测硬件和手动控制器，使沉浸式VR类别成为可能。准确的触觉反馈、高分辨率的图像、详细的3D图形以及高度的交互性可以提供逼真的虚拟现实的体验。而VR技术如何实现完全沉浸技术则是由两个重要的组件来提供支持：借助VR技术开发的软件和硬件。VR技术的主要目的是形成人造的3D环境，且没有电视或者笔记本电脑屏幕中的任何帧或屏的概念。该概念与在AR中应用的概念是相反的， 后者只是将真实的环境同计算机生成的内容叠加起来。

二、应用

2.1 具体目标

基于VR技术的防灾虚拟演练平台目的在于开发一个针对学校的虚拟演练平台系统，主要开发消防疏散、地震疏散、公共卫生事件疏散等模块，作为基础虚拟演练平台系统。还可根据学校客户的个性化需求开发相应的模块，形成适合学校客户的虚拟演练平台系统。

2.2 市场分析

现在VR技术越来越成熟 ，很多以前无法实现的事现在借助VR技术就可以实现，同理学校可以借助我们平台提高演练效果。学校作为人员密集场所，学生又大都缺乏应对突发事件的经验，经常开展有效的应急演练是十分必要的。应急演练的市场需求是比较大的。现在VR技术飞速发展，通过VR技术制作的虚拟场景已经十分逼真，完全可以满足虚拟应急演练的要求。虚拟应急演练可以让参与者感觉到很强的代入感，角色模拟十分逼真，适合学生这个群体。同时，一套系统可以多次重复使用，既能达到强化效果，又不增加额外成本，经济效益明显。虚拟应急演练的市场前景比较好。

2.3 应用举例

2.3.1 火灾

通常来说，当人们处在陌生环境时会很大可能认真地留意安全通道，但若是处在再熟悉不过的环境，例如学校或者宿舍等，人们恐怕就不会去留意安全通道。而学校中的消防安全问题是历年来在社会中最受关注的民生问题。安全通道在火灾发生时极大可能会是最重要的逃生道路，但是宿舍中的隐患会直接阻碍火灾的逃生以及救援的效率，但传统的校园消防安全教育很多仅仅只是文字说教，少数会举行演练，而在少数的演练中绝大部分人都漫不经心，不能起到很好的的作用。但利用VR技術来进行消防安全演练形式新颖，可以令学生体会到身处环境的危险，使学生在演练时认真起来。

具体来说，当火灾开始蔓延时风向如何，如何根据风向来判断应该往哪里逃生等，这些场景更需要的是逼真场景的演练。例如，通常当发生火灾的楼层处于自己所在的楼层之上时，应当迅速向楼下跑。除此之外，逃生时应当注意尽量随手关闭通道上的门窗，以延缓甚至阻止烟雾向正在逃离的通道扩散。这一项在VR虚拟火灾场景演练中就有所涉及。

一般情况下，当宿舍发生火灾时第一时间应该及时汇报告给宿舍的值班员，并迅速报警。在VR虚拟的场景中，逼真的火势、运用湿毛巾来捂住口鼻、弯曲身体来逃生等都可以实现。当面对浓烟和烈火时，VR技术可以指导体验者保持镇静，且迅速判断危险的地点和安全的地点来决定逃生的办法，并尽快地撤离险地。在面对滚滚的浓烟和熊熊的火焰时，只要冷静机智地运用火场自救与逃生知识，就会极大可地能拯救自己。因此，尽可能地掌握多一些的火场自救的要领，在困境中也许就可能获得第二次生命。除此之外，VR技术可以让体验者尝试操作灭火模型，掌握正确的灭火操作，为逃生赢得更多的生机。

2.3.2 地震

在地震逃生中，自救的时间与我们的生命安全息息相关。VR技术可以发挥重要作用。

专家认为：在地震发生时，最科学的办法就是就近躲避，在震后迅速地撤离到安全的地方。VR技术可以模拟当学生处于室内并发生地震时，可以选择躲在结实的且可以掩护自己身体的物体的下方或旁边、形成三角空间的地方、小且有支撑的地方等来保护自己。学生可以根据提示来选取蹲下或坐下的措施来降低自己身体的重心，并抓住牢固的物体以此来避免自己受到过多的伤害。

虽然在虚拟场景中你会处于危险之中，但是在现实中你其实依旧平安无事，这也是传统演练中不可及的地方。随时随地可进行各种各样的地震场景的预防演练，并且能获得与真实演练一样的经验，除此之外还可以体验到真实演练所不能体现的场景，以此来丰富学生们对防震知识的理解，同时也不会因为操作失误而造成生命危险。地震的发生尚且不能预测，但我们需要具备面对地震时的应对能力。

灾难发生时留给我们的及时作出反应的时间十分短暂，在此之间我们感受到的更多的是由地震而引起的安全事故。例如：地震引起的踩踏事件、火灾、泥石流、山体滑坡等都会令人失去生命。而针对这些安全事故，学校的传统演练都是由老师来直接指挥，有序按照预设的路线逃走。但发生地震时老师也面临着危险，这时老师如何进行自救？而VR技术的普及无疑会让我们可以在自主情况下很大可能的幸免于难。

参考文献：

[1] 宋文琦，陶鹏宇，邢瑞泽.基于VR技术的火场求生训练系统开发及应用[A]. 2020中国消防协会科学技术年会论文集， 2020.

[2] 汪东.VR技术在森林防火教学中的应用初探[J].森林防火，2020（04）.

作者简介：

李雨欣（1999—），女，汉族，辽宁省大连市人，大连交通大学理学院2017级信息与计算科学+软件工程在读学生，专业方向为信息与计算科学、软件工程

郭大为（1986—），男，满族，辽宁省抚顺市人，职务：大连交通大学理学院团委书记，职称：副教授，学历：硕士研究生，专业方向为双创教育