VR技术在火灾应急救援演练中的应用

唐军芳

关键词 技术 火灾救援 虚拟演练

1引言

VR（Virtual Reality）技术是当前最为火热的虚拟体验仿真技术，由于其具备流程引导和人体交互功能，通过仿真交互方式能够使使用者得到身临其境的体验。21 世纪是互联网时代，多媒体技术作为当前潮流也是与对传统方式的一种突破。VR 技术的沉浸式、交互式、感知性等优势已应用到各个领域[1] 。与此同时，火灾应急救援演练从原先的实地操作变成VR 模拟，加之配上解说和交互功能，在提升模拟场次的同时也能保障演习的安全。

2火灾扑救教学及使用VR 的意义

当前，火灾情景模拟多采用范围性实地模拟，这会提高场景成本、资源能耗成本，同时还存在一定的演习安全等问题。为模拟现场火灾情况，现阶段的模拟救援还是采取理论和实战分级式救援演练。

理论教学只是在战术分析、场景分析、处理方法类比等基础上进行的反复教学，但是未对实战情况进行结合，从而导致实战无法完全发挥救援策略。而在实训场景情况下，未考虑多重因素，无法真实反映现场情景，也不能及时有效地对复杂的火场环境进行分析，从而无法将理论教学内容和实战进行有效融合[2] 。对此，我们需要采用VR 场景模拟技术对理论和实践进行双重加深。

利用VR 和多场景答辩模拟技术将火灾现场场景及真实感进行融合，通过渲染技术将火灾现场的高温、盐雾、断裂、环境及受伤人员进行模拟，同时结合燃烧、坍塌、阻断等情景，并通过教学窗口和智能提醒功能进行现场分析和结合处理手段[3] ，可以加强教学、实战等。将原有的说教式方法转换成沉浸式体验教学，可以强化理论和实战，同时加强对专业知识的理解和分析，从而有效减少培训者和培训员在操作中遇到不必要的安全事故，也能不断地在模拟中提升和巩固相关技能。同时，由于VR 模拟对使用场景的限制较少，可以减少场景搭建带来的时间成本和场地成本。

3应用的效益

3.1真实感

在各个火灾场景下，温度、湿度、盐雾和家具坍塌等现象可以通过VR 和场景搭建而实现，由场景粒子、光线、物理引擎、碰撞引擎进行控制，同时对模型的外表进行贴图和深度渲染，从而提升整体效果。使用者通过头戴式虚拟现实眼镜，采取现场实物尺寸和场地现状进行特效显示，可以提高真实感，同时也不会产生眩晕和通透效果。在虚拟场景下增加三维定位辅助器及实物贴膜踩点，可以将人物走动和场景进行切换，而通过动画的渲染和灯光设置可以加强真实感。因为佩戴头戴式虚拟现实眼镜，可以让使用者全方位无死角观察和真实感受，从而以多角度和多人共同执行任务。

通过碰撞技术检测喷雾与着火点覆盖和计算以及采用粒子效果，可以实现泡沫与火焰作用特效。此外，依据灭火器、火枪与火源的位置、喷射时间进行预测，增加喷射时间提示和火情数据分析，可以进一步得知熄火情况，并在视角内提示完成情况说明。而根据演习场景，可以实现不同场景的灭火虚拟演练（图1）。

3.2多功能

通过交互功能可以实现理论知识的结合，并可以多人同时进行任务，从而锻炼团队协作能力。同时，仿真模拟火灾现场人与物之间的作用方式，如火焰、烟雾、光线、倒塌、需救人员等联合因素，可以增加环境与人项目作用的效果。

3.3易模拟

不同的应急救援场景情况各异，但涉及的救援方式、场景分析流程等相同。为模拟确切情况，我们进行了驻点测试。

根据虚拟仿真火灾及灭火效果，可控制火情种类和灭火难度。在火灾虚拟模拟场景（图2）中，对火焰粒子和烟雾粒子设定范围定向流动和透明度进行调整（图3），并通过碰撞次数和碰撞时间可以对灭火情况进行综合评判。通过初次分析，再进行学习模拟，然后初次演练，最后到执行任务等多个模式，对完成次数和完成时间进行综合评价，可根据操作动作将水源输送到灭火点及伤员拯救动作规范进行评判[4] 。

4系统实现及关键技术

4.1三维空间定位功能

VR 是虚拟现实中最为关键的设备，其具备真实感、沉浸式效果。目前，市场上的大多数VR 设备为头跟踪器和手跟踪器，其实体交互作用的较小，主要通过手柄进行行动控制。为实现三维空间成像效果，必不可少的是空间定位功能。

根据三维空间定位研究基础增设：（1）采用立体投射和立体音箱系统，成像效果更佳，身临其境的效果更好，同时减少人体眩晕等问题;（2）影射显示采用多通道三维立体显示，同时对映射范围进行控制，通过计算碰撞、交互等数据，实现灭火效果。

4.2场景搭建技术

通过二维图像，利用3DMAX 或者Unity 3D 进行结构搭建（图4），并通过修饰和渲染、贴图对三维模型进行复合对象建模、倒角、车削等处理，最终通过修改器进行合并和匹配，从而实现模型搭建。

4.3粒子碰撞算法框架

每个火焰由一个或者多个粒子点进行扩散（图5），并对粒子的速度、范围、速度、加速度、存在市场、碰撞途径等进行限制。随着时间的推移，每个粒子会经过扩散、熄灭、蔓延以及移动等操作。通过动画器、渲染器等對粒子进行调整，粒子系统需要与模拟场景进行结合、交互、定位等操作，对此参数和属性是粒子运动的核心。

5优劣势分析

随着时代的发展，VR 技术不但能模拟高层火灾情况，还能模拟医院、校园及特殊场地的火灾情况。应用前景十分广阔。但同时也有不足之处，即自身软硬件不同带来的效果也不同;无法直接体现实体压力、烟雾感、热度等;出现游戏化，从而使目的性培训产生偏移。

因此，面对VR 的优劣势，需要明确认知VR 的效果，同时加大应用的创新力度、加强配套设备的开发力度，使虚拟现实更加贴近真实生活，推动VR 技术的应用范围从局部扩展到全局。在深入研究VR 技术时不但要从特效上进行提升，同时要对实体感觉、温度、湿气、烟雾等情况进行多角度融合应用，从而实现信息化、战略化、现代化的VR 火灾模拟[5] 。

6结论

（1）通过对场景搭建及参数、数据的计算，使用者通过系统交互、场景碰撞等功能，实现火灾过程的模拟，并进行灭火场景测试。

（2）通过技术平台、人机交互机制提升使用者的快速应急处理能力，同时为使用者构建问题反馈机制，提升巩固问题点。

（3）基于后台数据汇总对个人情况进行分析，并结合演习评价机制对个人情况进行汇总以及对预案进行计算，做出演习报告。