基于三维可视化的灭火救援模拟训练系统的构建

■ 朱海 湖北省随州市消防救援支队指挥中心

传统的消防训练方式中包含技能训练、作业训练以及现场演练等模式，这些训练方式都需要实地场所，具体现场情况布置以及相关人员的技能训练重点是让他们更多地熟悉相关器材装备和技术战术，一般通过单兵训练或者是小组训练方式进行。作业训练以及现场演练是为了强化相关人员的指挥以及团队协作能力，主要是针对消防员进行训练。对消防救援支队队伍训练来说，消防员训练是训练中的重难点部分[1]。作业训练在一定程度上能够达到对消防员培养的要求，不过，对于一些比较严峻的火情情况，很难做到真正的模拟，采取现场演练的方式又存在高成本和高风险的特点，所以很难实现推广应用。而构建并使用灭火救援模拟训练系统能够解决相关问题，具有贴近现实场景的应用成效。

一、三维可视化技术

三维可视化技术是基于二维平面技术发展而来的，这种技术是三维空间中的物体形象呈现技术，这也是该技术的本质特征。通过对物体进行三维效果的呈现，可以让人们直观看到和感受到物体的特征，加深对于物体的理解。而这其中，可视化是通过抽象化的对象处理后，借助计算机技术进行转化，基于可视化基础和计算机图形学理论应用将二维图形转化成三维图形，构建三维可视化的立体空间，达到可视化的效果[2]。事实上，现实生活中的地形、地物等对象就是三维可视化技术应用的主要趋势和方向。实现三维立体化、可视化物体形象呈现，关键是借助计算机图形学技术以及图像处理技术等，将相应的地理形象搬到电子屏幕中，对三维图形进行可视化操作，实现模型描绘和理解，这也是三维可视化技术的具体表现形式。通过技术手段将具体物质变为抽象，从二维转向三维，将现实转化为虚拟，让人们通过计算机就能直观感知空间对象。三维可视化技术有以下特征：

第一，具有很强的直观性。肉眼看到的世界是立体的，具有很强的空间感，而人们使用工具展示的物体等多是通过平面图形来呈现的，而借助三维可视化技术，能够提升现实感，让图形和实物的差距不断缩小。要是对相应三维模型进行不断渲染，最终呈现出来的物体和图像效果就会越来越接近，提升了物质的直观性[3]。

第二，具有一定的可靠性。通过对物体图像进行制作和加工，结合实物的比例进行设计，这样呈现的三维物体带来的感受更好，操作时让人有身临其境的感觉，具有很强的可靠性。

第三，具有理想的兼容性。通过三维可视化技术的应用，不需要相关研发人员进行一一建模，只需要通过CAD图纸进行扫描，在相应软件中识别，就可以达到快速建模的效果。而对于一些消防机构来说，一些消防人员自身有一定的CAD制图能力和基础，单位内部也有相应建模需要的图纸，这对于加速三维建模工作进度有一定的奠基作用。

将三维可视化技术应用到消防训练中，通过构建三维可视化模拟训练系统，构建真实的虚拟环境，简化人机交互设计，可以满足消防救援人员在虚拟场景中进行消防救援技能和灭火技能的训练，这种训练可以避免高成本的制造训练场景的工作，让相关消防救援人员能够在虚拟培训环境中锻炼技能。相关消防人员可以借助计算机虚拟现实技术，进行模拟仿真训练和学习观摩，保证模拟训练量和训练效果。在具体的消防灭火救援模拟训练中，不仅要模拟相关救援环境，还需要模拟相关救援设施、器材以及相关操作功能，通过这样的模拟训练，相关消防救援人员能够有效把握相关设施应用技能，在三维可视化技术支持下，营造逼真的虚拟场景，能够更好地节省人力、物力、财力，提升消防救援人员灭火救援能力的训练效果[4]。

二、灭火救援模拟系统概述

随着时代的发展进步，技术不断革新，人们的安全意识也在不断提升，这些都需要应急救援工作也能够顺应时代发展趋势，不断进行传统工作模式的改变，转变思路和方法，做好消防模拟仿真训练工作，提升综合应急救援能力。在以往的消防演练训练中，消防救援队伍需要做好提前准备，花费一定的人力、物力、财力来进行设备、场景等的营造，设计相应的预案对于演习中的意外情况进行预防，前期投入比较大，但是最后开展的实际训练效果可能并不是很理想。对此，考虑采取建模的方式构建虚拟训练系统，这种系统构建后，能够实现无限操作，在相应场景转换中，只需要对于相应场景数据进行改变即可，且在这种灭火救援模拟系统应用中，完全不用担心相关消防救援人员会有意外的生命安全风险，可以有效避免传统消防训练的不足，促进灭火救援训练工作有序开展[5]。以三维可视化技术为基础构建灭火救援模拟训练系统，能够有效促进消防救援支队救援能力的提升。

随着相关计算机技术的发展应用，通过三维可视化技术实现灭火救援模拟训练系统的构建具有一定的可行性。通过三维技术构建火灾模拟现场环境，可以真实的展示现场情况，相关消防救援参训人员也能够通过灭火救援模拟仿真训练强化交流合作，提升灭火救援技能，掌握灭火救援要点和技战术。在灭火救援模拟仿真训练中，相关消防灭火救援模拟训练人员能够尽快进行状态调整。基于三维可视化技术构建的灭火救援模拟训练系统应该包含：消防知识培训模块、消防训练管理模块、态势现实管理模块、处置评判管理模块、过程回放管理模块以及用户角色管理模块等。通过使用计算机和虚拟现实技术，构建相应的火灾场景，通过设置不同角色部署灭火救援方案[6]。相关灭火救援参训人员需要根据自身的级别、工作要求进行角色扮演和模拟灭火救援模拟仿真训练，促进应急救援队伍协调和合作。

三、灭火救援模拟系统设计特点

（一）实战性

对消防灭火救援人员开展模拟仿真训练，旨在提升他们的组织指挥能力和应变能力，让他们通过感知真实的火场情景，锻炼战术，提升技能。在传统消防训练中，多通过现场演练进行训练，很难强化相关人员多方面的素养培养，所以，在基于三维可视化技术的灭火救援模拟系统中，必须要保证其对抗性、实战性。

第一，确保系统情节多变。不同的火灾发生地、发生范围带来的火场环境和影响是不一样的，借助三维可视化的灭火救援模拟系统设计，能够结合受训者选择不同处置措施的设计，应对不同的火情变化，还可以模拟突发险情，强化受训者的应变能力。

第二，在战斗对抗中，关键的一点是会出现人员、装备的占用和损耗。传统消防训练很难保证现场演练的对抗性，而在灭火救援模拟系统中，能够通过构建模型对消防救援支队的战斗力以及灾情实施量化处理，还能模拟战斗中的人员设备损害和占用等情况，弥补现场演练的不足。

（二）操作可重复性

在传统的现场演练中，必须要大量调动人力和物力，消耗是在所难免的，且一般也很难进行重复性演练。考虑到演习中设置的消防员名额限制，相关受训者无法同时兼任指挥员，所以很难得到全面锻炼。而灭火救援模拟系统可以完全不用考虑限制因素，能够对于灾情进行精准呈现，还可以多次、重复进行呈现，满足操作重复性需要。受训者在训练中可以同时担任同级别的指挥员，对于同一问题进行处理，也可以担任其他不同角色[7]。在这样的训练模式中，训练次数能够不断提升，受训者的组织指挥能力也能够得到锻炼。

（三）重点突出性

在灭火救援中，对消防救援队伍进行组织指挥是训练的关键所在，传统现场演练模式中，需要花费的人力、物力、财力资源众多，而借助灭火救援模拟系统，可以将重点放在训练上，从而做到有足够的时间来兼顾全局。针对训练内容，可以通过增加训练作业量、增设角色的方式，让参训者能够接受训练，提升多方面技能和素养。

（四）过程可知性

在训练过程中发现问题也是进行训练的主要目的之一，这样才能够通过训练不断提升灭火救援的准确性、安全性，避免在救援中出现其他事故[8]。单一的现场演练模式涉及比较广，人员也比较混乱，在演习中的导演指挥员很难做到把握全局，可能导致演练中存在一定的疏漏。而借助灭火救援模拟系统，能够对受训者的训练过程进行精准记录，导演指挥员可以随时观看和播放，可以看到每位参训对象的全部训练过程，作为受训者自身，也可以及时发现自己在训练中的不足和问题，以便及时进行改正。

四、基于三维可视化技术的灭火救援模拟系统设计思路

（一）系统框架

此次灭火救援模拟系统设计以三维地理信息系统平台软件为基础，应用VB开发软件，通过VRMap3.0Q企业版进行仿真模拟，这一应用在进行系统二次开发中有突出的应用效果。

基于系统设计需要，为提升系统性能，采取分布式设计，这对于缓解系统数据负担有一定作用，分布式系统库设计可以将大量的数据负担分布到相应的分部系统中，避免数据负担集中导致的系统运行困难甚至是瘫痪问题出现。此次系统开发中，选择Microsoft SQL Server 2000数据库软件，主要是因为这一软件可以满足多用户的同时操作需要，还能够实现大规模的数据使用需要求。系统设计使用Microsoft Visual Studio.NET 2005作为数据编程，在这样的系统开发环境中，可以为系统设计提供可靠的指令控制语言，满足丰富的数据类型需要。系统设计能够确保代码模块化设计需要，这对于提升系统的拓展性能也有积极作用。系统设计分为用户管理模块、训练设计模块以及评定考核模块。

（二）系统功能及其实现分析

灭火救援模拟系统借助三维可视化技术，确保系统动态更新，为消防训练提供虚拟现实的场景支持，构建交互式操作系统，确保训练的可靠性。在设计中，借助虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、智慧三维仿真等科学技术手段实现贴近现实的仿真训练，对系统性能做进一步提升，效果突出。就系统功能实现来看，主要包含以下几点：

1.用户管理系统实现

这一模块要让用户通过登录获取相应权限，对系统进行管理，将考评结果和用户对接起来。在这一模块设计中，要确保系统使用者能够按照不同操作需求进行分类，包含系统管理员、教员以及参训对象三类，他们分别对应不同的系统权限。管理员功能设计中，要满足管理员在打开网页后，进入登录界面，输入用户名和密码，登录系统。完成登录后，选择管理员界面，进行用户权限管理。在管理员界面，还可以查看其他管理员信息，或者是添加新管理员。在这一模块设计中，还需要满足用户考评结果管理操作需要，教员能够对于参训对象考核记录进行复查，还可以根据考试记录号以及参训对象姓名进行查找，查看考核成绩。

2.训练设计和评定系统实现

这一模块设计中，需要按照训练目的进行编辑和管理。设计制作训练场景和设置训练问题，结合场景需求进行相应的动画制作，插入相应的影像和声音，构建真实的模拟火灾场景。在完成训练后，系统能够对参训对象的操作进行打分，评定方式是系统自动评定和专家评价相结合，其中，参训对象在训练中对于相关问题的回答时间也纳入考核指标。

3.训练考核功能实现

这一模块主要是针对参训对象操作设计的，是对参训对象的训练和考核。参训对象通过输入自己的身份信息登录系统，模块中会显示训练的具体场景以及问题，参训对象需要在规定时间内完成对于问题的回答，部署消防力量，最后模块能够将参训对象操作记录下来，结合训练设计以及评定模块评定结果计算出最终的考核成绩。

五、结语

灭火救援模拟训练系统为消防训练工作提供了一个虚拟的实战课堂，通过三维可视化技术和虚拟现实技术等的应用，构建一个个虚拟现实的火灾和救援场景，让相关消防灭火救援人员在系统中体验感知，进行模拟仿真灭火救援训练，转变了传统消防训练培训模式，让受训者的理论知识和专业技能能够得到全面强化，综合提升消防救灾能力，帮助更好地解决实际灭火救援中遇到的难题，大力提升消防人才培养的质量和效率。