火灾逃生与紧急疏散虚拟仿真实验系统的研究

2021-07-28郝凤涛曾文琪

科技创新导报 2021年7期

郝凤涛曾文琪

摘要：火灾安全事故一旦发生就会严重威胁人们的生命安全，学会如何处理险情至关重要。然而，火灾逃生与紧急疏散不可能通过反复亲身体验火灾事故真实情景的方式去直接获取经验，因此对火灾相关知识很难进行实践教学。本文构建了虚拟仿真实验系统对火灾事故场景进行虚拟再现，建立火灾逃生与疏散演练的虚拟环境，为学习者提供直观的学习手段，营造身临其境的真实体验环境，从而增强遇到特殊险情的应变能力。

关键词：虚拟仿真火灾疏散实验教学开放共享

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）03（a）-0220-03

Research on Virtual Simulation Experiment System of Fire Escape and Emergency Evacuation

HAO Fengtao ZENG Wenqi*

（Teachers College of Beijing Union University， Beijing， 100011 China）

Abstract： Once the fire accident happens， it will seriously threaten people's lives. So it is very important to learn how to deal with dangerous situation. However， it is impossible to directly acquire the experience of fire escape and emergency evacuation by repeatedly experiencing the real situation of fire accident. So it is difficult to carry out practical teaching of fire-related knowledge. In this paper， a virtual simulation experiment system is constructed to reproduce the virtual scenes of fire accident and establish the virtual environment for fire escape and evacuation drills. The system provides learners with an intuitive learning method and creates an immersive real experience environment， so as to enhance their ability to cope with emergencies.

Key Words： Virtual simulation; Fire evacuation; Experiment teaching; Open sharing

1 火灾逃生与紧急疏散虚拟仿真实验的意义

火灾安全事故一旦发生，就会严重威胁人们的生活，轻则损伤，重则危及生命。如何应对和处理火灾险情，学会在紧急时刻迅速逃生并进行疏散是我们每个人应该掌握的技能。由于火灾事故发生的特殊性和危险性，公众在实际生活中很难通过亲身经历的方式去取得实际学习经验。因此，研究并应用相应的虚拟仿真实验系统具有非常实际的意义，主要体现在：

（1）可将火灾环境在实验系统中仿真实现。

火灾逃生现场一般在现实演练中很难重现，而且由于场地的限制，现场逃生演练无法大面积推广。而且，在紧急的情况下，特别是一旦面对真实的火场，偶尔的逃生演练中学习的技能未必转化为危机时刻的正确行动[1]。

因此，将火灾逃生自救通过虚拟仿真的形式进行呈现，就能够很好地解决这一问题。在虚拟仿真系统中，可以任意构建复杂的楼宇环境，可以训练实验人员熟悉各种特殊的陌生环境和逃生方案，通过多次演练学习，掌握保护自身“安全”的逃生技能。

（2）可以针对特殊的实验对象设置相关实验。

除了火災逃生自救之外，紧急疏散虚拟仿真实验则主要针对的是一些特定职业的人士，如教师、安保人员、楼宇管理员等等[2]。比如，作为教师，在火灾发生的时刻，组织学生疏散的任务更为重要和艰巨，甚至在个人安全之上。而在真实的火灾紧急疏散演练中，涉及到大量人群，客观条件不允许进行反复训练与演习。

采用虚拟仿真技术对火灾现场和人群进行虚拟仿真，创建逃生演练和紧急疏散的虚拟环境，这样用虚拟仿真技术形成有效的虚拟训练环境，为实验者提供体验式的学习手段，营造身临其境的教学体验环境。有利于锻炼实验者面对突发险情的应急能力。虚拟仿真技术和教育的有机融合，可以较好地满足安全教育课程的实际需要，更是一种应对突发事件实践能力的综合训练。

2 火灾逃生与紧急疏散虚拟仿真实验系统技术架构

火灾逃生与紧急疏散虚拟仿真实验项目的开放运行依托于北京联合大学师范学院实践教学中心开放式虚拟仿真实验教学管理平台的支撑。该平台以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，采用面向服务的软件架构开发，集实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验结果自动批改和教学管理于一体。

虚拟仿真实验教学管理平台由数据层、支撑层、通用服务层、仿真层和应用层构成，每一层都为其上层提供服务，直到完成具体虚拟实验教学环境的构建。各层的具体功能如下：

（1）数据层。

火灾逃生与紧急疏散虚拟仿真实验项目涉及到多种类型虚拟实验组件及数据，这里分别设置虚拟实验的基础元件库、实验课程库、典型实验库、标准答案库、规则库、实验数据、用户信息等来实现对相应数据的存放和管理。

（2）支撑层。

支撑层是虚拟仿真实验教学与开放共享平台的核心框架，是实验项目正常开放运行的基础，负责整个基础系统的运行、维护和管理。支撑平台包括以下几个功能子系统：安全管理、服务容器、数据管理、资源管理与监控、域管理、域间信息服务等。

（3）通用服务层。

通用服务层提供开放式虚拟仿真实验教学平台的用户界面，提供虚拟实验教学环境的通用支持组件，以便用户能够快速在虚拟实验环境完成虚拟仿真实验。通用服务包括：实验教务管理、实验教学管理、理论知识学习、实验资源管理、智能指导、互动交流、实验结果自动批改、实验报告管理、教学效果评价、项目开放与共享等，同时提供相应集成接口工具，以便该平台能够方便集成第三方的虚拟实验软件进入统一管理[3]。

（4）仿真层。

仿真层主要针对该项目进行相应的器材建模、实验场景构建、虚拟仪器开发、提供通用的仿真器，最后为上层提供实验结果数据的格式化输出。

（5）应用层。

基于底层的服务，最终火灾逃生与紧急疏散虚拟仿真实验项目教学与开放共享。该框架的应用层具有良好的扩展性，实验教师可根据教学需要，利用服务层提供的各种工具和仿真层提供的相应的器材模型，设计各种典型实验实例，最后面向学校开展实验教学应用。

3 火灾逃生与紧急疏散虚拟仿真实验原理与过程

火灾逃生与紧急疏散虚拟仿真实验依托教学中心，实行“情景沉浸式、人机交互式、开发自主式、评价反馈式”实验教学方法，致力于培养实验对象的自主学习习惯和探索问题解决问题的能力。

（1）实验目的。

①将不可实现的火灾真实环境虚拟化呈现，实验对象能够身临其境体验火灾的危险性，提高安全意识。②情景教学提升实验对象火灾逃生的逃生应变能力和自救能力。③提高实验对象对突发事件的应对能力和组织疏散的能力。

本虚拟仿真实验教学项目线上基于计算机虚拟仿真实验环境及虚拟实验器具，不需消耗类或易损类实验材料，项目以真实火灾发生环境为依托，实验对象可以自主设计实验流程，选择相应参数，设计实验步骤，最终完成实验。实验中所涉及的参数包括火势大小、浓烟情况、楼层高度等信息。

（2）实验教学知识点。

①自学火灾逃生常识。在进入实验前，首先要自学初步了解火灾逃生知识。②掌握器材操作知识。实验对象进入火灾灾难虚拟现场前，必须了解的人身安全知识、灭火器等器材操作方法[4]。③逃生线路的设计，选择合适的逃生方法。④疏散方案的策划。针对不同的火灾现场情况，需要策划相应的现场疏散方案。⑤火势不严重的逃生技巧与疏散。掌握火灾刚刚发生还不是很严重的情况下的逃生技巧和疏散组织。⑥高层楼宇逃生技巧与疏散。掌握高层楼宇大火火灾难事件的逃生技巧与疏散方法。⑦浓烟时的逃生技巧与疏散。掌握浓烟大火灾难事件的逃生技巧与疏散方法。⑧实现火灾灾难安全教育。通过虚拟仿真实验教学，让实验对象懂得灾难的危害性，提高安全意识。

（3）实验实施过程。

在仿真平台上，虚拟仿真实验教学将设置预习、演示、学习、考核和报告等五个环节完成整个仿真实验。

预习模块：该系统类似于实验教材，要求学生在正式实验前必须完成，有实验目的、原理、操作步骤、注意事项等，这部分知识学生考核合格后方可进行后续实验;

演示模块：仿真实验的规范操作的视频学习资料，通过观看学习便于实验对象快速地从整体上了解实验内容;

学习模块：实验的实际操作过程，人机交互，逐步指导实验对象完成整个实验;

考核模块：采用过程考核，无需提示进行操作测试，考核结束后系统自动给出分数;

报告模块：考核完成后，实验者需撰写实验报告，包括实验目的、原理、实验过程、实验结论以及对该实验的评价和建议，从系统里提交老师评阅。

（4）实验方法与步骤。

通过仿真实验完成火灾逃生和紧急疏散的模拟训练。该实验教学项目通过三维仿真技术虚拟重现火灾现场情景，实验对象可在整个场景和情境中进行交互性操作完成实验。实验操作步骤如图1所示。

4 实验教学项目特色

4.1 教学方式方法多样

该项目遵循“项目教学导向、学科融合、创新实践，过程考核”的实验教学理念，通过实施体验式沉浸教学方法，让实验对象在沉浸式体验、问题式辨析、交互式练习、自主式设计、反思式评价的实验过程中，深刻掌握火灾发生时的逃生技能和紧急情况的应变能力和组织协调能力，提高综合能力实践能力[5]。