基于虚拟现实技术(VR)的校园安全消防实训系统研究

姬磊， 孙芝娆

（西安翻译学院，陕西西安，710000）

1 虚拟现实在消防领域的研究现状

随着虚拟现实技术的发展发达国家较早的将此技术用于虚拟的消防训练，并应用于实际训练工作中，取得了较好的效果。

瑞典早期将虚拟现实技术应用到森林火灾的预防与应对训练中，RegoGranlund等人开发了一个系统，该系统适用于森林火灾，可以用来训练多种角色，包括消防员战斗员、指战员及指挥室的相关人员，当森林发生火灾时这个系统可以以最快的速度获取火灾的相关情况，后方的人员可以根据现场的情况与前方战斗人员或其他人采取相应对策，此外训练结束后系统还可以回放，能够通过观看回放对训练进行评估[1]。PAK KK等基于信息和通信技术、虚拟现实和离散事件模拟技术，研究了能够再现大规模、多机构突发事件危险模拟系统。[2]

通过虚拟现实技术游戏方式可以使孩子对消防隐患形成认知，从而提升消防知识降低火灾发生对孩子的伤害。国内的易涛等人针对化工灾害应急演练与控制进行虚拟仿真研究，提出了化工三大类灾害的概念及灾害场的计算方法，建立了灾害仿真Agent系统。冯德众设计了针对矿井安全事故的具有智能虚拟交互控制和近似实战条件下的场景模拟培训功能的消防集成系统。罗月童等人实现了仿真度更高的火焰模拟并提供灭火交互功能，实现了模拟火灾现场并进行消防训练的目的。北京举办奥运会期间为避免出现消防事故，北京消防总队与清华大学一起开发了消防训练系统，模拟火灾发生时可能出现的现象，并针对不同现象制定不同应急方案及消防部署[3]。2016年，冯蕊等人详细分析我国现有的舰船消防训练体系中存在的弊病，探讨日后国内舰船消防训练的主要发展方向。针对现在国内在舰船消防领域的问题，提出了构建新型科学高效的舰船消防训练模式的观点，新型的训练模式包括利用虚拟技术模拟实战场景进行训练，划分舰船消防训练等级以及落实三级培训体系等等。[4]

2 沉浸式消防演练系统需求分析

2.1 任务分析及描述

利用粒子系统技术模拟虚拟场景中烟雾和火焰的扩散，并根据烟雾和火焰各自的特点设计模拟烟雾和火焰扩散的算法。根据用户的消防需求，开发基于虚拟现实的沉浸式消防演习系统。主要功能包括模拟灭火、逃生、救援、引导绳索拉伸、多人合作救援、搜寻火灾隐患和漫游体验场景。所实现的各项功能演练的操作流程需根据消防演练的实际操作流程和要求设计，尤其是粒子系统的实现首先要对粒子进行初始化，分析需要模拟的粒子特性从而确定其关键属性，定义相关属性的计算方法，分析粒子的消亡条件后判断粒子是否满足消亡条件[5]。为了节省硬件开支，提高渲染速度，可以首先使用正方形或球体来模拟微粒子。直到对运动形态满意后，可进行粒子系统的正式渲染，包括加入粒子的透明度和纹理形状等属性的渲染。通过不断的调整渲染参数，以使粒子达到视频特效的预定要求。[6]其设计主要是为用户提供操作培训，保证用户在具备一定消防知识和操作规范的前提下，通过沉浸式交互设备完成各项功能演练，从而对用户进行有效的消防培训。

图1 消防演练系统需求分析

2.2 系统应用流程

整个系统的主要交互过程包括模拟灭火逃生演习和模拟救援演习。其中消防和逃生演练主要由现场的使用者和虚拟机器人完成。该系统为使用者提供消防和逃生训练功能。模拟消防和逃生的交互过程可分为以下步骤：

（1）使用者在校园中循环行走，发现一处着火点，此时火焰类型属于初级阶段；（2）使用者找到火源附近的消火栓，拿取对应的灭火器对火源进行扑灭操作；（3）拿取灭火器的步骤为取出灭火器、拔掉保护销、拿起灭火把头，系统根据动作步骤判定灭火器是否正确使用；（4）使用者在正确拿取灭火器的前提下，开始对火源进行灭火操作；（5）如果灭火器喷射的物质能够熄灭现有火焰，则系统确定灭火成功，用户可以继续在场景中继续行走；（6）如果灭火失败，会在现场播放逃生广播，提醒用户和师生逃生，要求用户弯腰向指示方向逃生，系统会判断用户状态并给出提示；（7）逃生过程中如果有卷帘门，则需要使用者关闭；（8）逃至电梯，此时系统会显示不能使用此设备，则要求使用者经消防门处逃生；（9）逃至第一个消防门，此时系统会显示门无法被开启，使用者需要找到其他消防门并经过楼梯下楼；（10）直到逃出场景，系统会判定逃生演练的结果，如果成功，灭火和逃生演习会提示结束，否则，使用者需要再次进行相关演习，除非手动停止。

3 动态模型的制作和兼容

感知操作人员的交互意图是人机交互过程中极其重要的一环，通常使用虚拟手套等接触式交互工具来实现。[7]取灭火器与拿取其他物体功能相同，此功能需要进行碰撞检测及获取位置信息。设定用于交互操作的手柄与消火栓发生碰撞的距离，左手按侧键为拿起灭火器触发键，右手食指按扳机键为拔掉插销触发键，左手按扳机键为拿起鞘管触发键。需要为场景的模型都构造轴对齐包围盒进行粗略碰撞检测，如果发生碰撞的为灭火器这种不规则模型就构造网格碰撞体进行细致检测。为模型添加刚体，由于不需要与物体产生碰撞效果，只与其检测是否接触，因此如果找到要拿起的灭火器标签且发生接触时就执行触发开始的函数，获取用于交互操作的手柄按键判断是否为设定拿起按键，如果检测到用于交互操作的手柄与物体发生接触，那么物体被设为用于交互操作的手柄的子物体，定义布尔型变量标记拿起为true，操作结束后执行触发结束的函数，标记放下灭火器为false。此外该交互环节还可进行动态手势识别，但动态手势识别不仅要进行手的检测和手的分割，而且还需要对手进行跟踪，识别其动态特征，[8]功能实现较为复杂。

4 功能设计

4.1 报警功能

随着国家义务教育的普及，学生数量逐年增加。学生团体的逐渐庞大，自然也就带来了许多消防安全方面的问题。教室是学校最常见的场景，教师和学生也会将一天的大部分时间，消耗在这里，灭火演练也从这里开始设计。教室灭火场景的功能主要从以下三个方向设计：灭火、报警和逃生。报警系统分为两块：自动报警、和人工报警。报警功能的设计如下图3所示。

图3 报警功能设计图

自动报警系统采用常规报警装置（如烟感、温度感应器），本系统中主要使用烟雾感应器进行报警，将信号传到消防主机，通过消防可视化系统呈现在值班人员面前，再由值班人员去判断并安排救援。这里的自动报警系统，主要是通过一些感应器，本场景使用烟雾感应器。当烟雾感应器接触到烟雾的时候，将着火信号传回学校的消防监控主机，监控主机中内置的可视化软件将着火信息（着火地点和时间）展现到值班人员眼前。此处的值班人员将信息传达给拥有专业知识并且深入掌握不同情况的校园师生，由相应人员根据火种、火情安排灭火方法。同时消防报警器响起，选择播放消防广播。教室灭火场景的功能主要从以下三个方向设计：灭火、报警和逃生，如下图4所示。

图4 教室灭火场景的功能图

人工报警要求现场人员（这里主要是学生和老师）对消防常识有一定了解，拨打119火警电话，准确指出着火地点、着火时间和火情等信息，然后根据火情灭火或者疏散逃生。灭火时，学生和教师应该具备基本的消防灭火意识，能够基本判断火情，有一定的灭火能力。首先，从着火的物体来判断着火的类型，然后选择使用泡沫灭火器，或者是消火栓进行灭火。当火情达到一定程度时，由老师或消防人员组织疏散逃生。灭火功能是本场景中和使用者交互最多，也是使使用者最能亲身感受到的功能，此功能的设计更加具体化，可视化。当处在VIVE场景中的演示者观察到火源时，根据常识选择是否断开电源；按下消火栓箱的按钮打开消火栓箱后，要求使用者根据火源选择使用泡沫灭火器或者消火栓灭火。

4.2 疏散逃生功能

火情过大或者灭火失败的情况下可以选择逃生，或者由远程的专业人员安排逃生。逃生时，场景中会出现逃生指示标志，并且消防报警器长鸣，广播会同时播送逃生指示。现实场景中应该由消防知识较为丰富的老师、同学或者专业人员引导大家灭火。

5 结论

该系统的应用可以节省资源，在有效的消防应对训练的前提下，减少人为因素造成火灾的概率，具有身临其境的特点，功能丰富，在当今社会有着不可或缺的应用。通过简单轻松的游戏，内置自动打分和评判系统，让使用者掌握基本的逃生灭火技能；使用真实场景模拟，让使用者可以判断不同程度的火情，提升灭火能力；通过专业知识的插入，让校园师生可以深入掌握不同程度的灭火能力，以及灭火的禁忌，减少错误灭火发生危险的概率。