基于虚拟现实的森林灭火指挥训练系统研究

邵磊，严小天，刘剑，刘玉明,7

1. 航天科工仿真技术有限责任公司，北京 100854

2. 复杂系统仿真技术应用国家工程研究中心，北京 100854

3. 北航歌尔虚拟现实研究院，山东 青岛 266308

4. 青岛虚拟现实研究院有限公司，山东 青岛 266308

5. 国家虚拟现实创新中心（青岛），山东 青岛 266308

6. 北京航空航天大学 数字导航中心，北京 100191

7. 清华大学 计算机科学与技术系，北京 100084

森林火灾突发性强、破坏性大、危险性高，是全球发生最频繁、处置最困难、危害最严重的自然灾害之一，是生态文明建设成果和森林资源安全的最大威胁。我国总体上是一个缺林少绿、生态脆弱的国家，是一个受气候影响显著、森林火灾多发的国家[1−3]。

党中央、国务院高度重视森林防火工作。2009 年，国务院批准实施了《全国森林防火中长期发展规划（2009—2015 年）》，森林防火基础设施和装备建设明显加快，预防、扑救和保障三大体系建设全面加强，森林火灾损失明显下降。近年来，随着气候变暖和极端天气增多，全球进入了森林火灾的高发期，我国仍将长期处于森林火灾的易发期和高危期，森林防火形势极其严峻[4−6]。目前，森林消防队伍执行森林防火应急预案以实装演练为主，存在训练成本高、环境限制等制约因素，因此本文研发了一套森林灭火虚拟仿真训练系统，能模拟真实森林防火场景，通过实景虚拟仿真训练，综合提升各级训练员和指战员临场应变、指挥协同和情况处置等综合素质能力。

1 概述

目前，森林消防队伍日常作训和考评主要还是以森林防火应急预案进行实装演练为主，例如森林消防局在昆明航空救援支队举办的 “火焰蓝”灭火专业技能尖子比武中，严格按照操场化向野外化、熟悉地域向陌生地域、昼间实施向昼夜连续实施、单项竞技向综合竞技和体能技能向综合能力运用，融技能、智能、体能于一体，系统检验各级训练水平和指战员临场应变、指挥协同和情况处置等综合素质能力。森林消防传统训练模式主要有野外山地拉练、单人灭火训练、火场逃生训练和团组灭火训练，如图1 所示。

图1 森林消防传统训练模式

但是，这种训练方式存在以下问题：一是训练成本高，实装演练需要消耗大量人、财、物；二是训练环境受到限制，实装演练受到天气、场地、人员及物质调配等条件制约；三是训练内容不足，实装演练无法模拟复杂的森林防火场景实际场地模型演练。随着云计算技术、大数据分析、物联网技术、人工智能、虚拟现实（virtual reality, VR）和增强现实（augmented reality, AR）等新一代信息技术深度运用，人们可以建立各种林火蔓延的预测模拟和分析管理的信息系统，也能搭建一个多维虚拟可视化平台去实现林火的燃烧及其蔓延过程、森林景观的三维实时再现和仿真，实现林火行为研究中“数”与“形”的有机统一，实现森林及林火信息的本真还原和科学模拟，为灭火决策提供依据[7−16]。

本文自主研发了一套基于采用定制化的U3D 渲染引擎的虚拟仿真训练教学考评系统，对比国外主流虚拟仿真软件，该软件的优势是：可以更加逼真地呈现真实场景细节，可以进行实景虚拟仿真训练，更加贴近灭火实战；能够实现系统的自主可控性、可扩展性，为使用者提供简单逻辑编辑方式，支持林火环境设计制作等森林消防专业应用逻辑。

2 虚拟现实仿真技术的森林灭火指挥训练系统架构

2.1 系统架构

森林灭火指挥训练系统基于Unity3D 引擎开发，该系统的主要功能有：支持基于状态调度逻辑编写，其特点为中文化的脚本命令，将C 语言实现的功能整合并封装为一条条的中文脚本命令；基于短消息服务(short message service, SMS)的各种功能的状态组件构成的状态库；包括图形用户界面(unity graphic user interface, UGUI)事件、组件调度、多媒体、自定义动作、状态调度、数据流、时间轴和流程管理等状态组件。

可以快速搭建三维可交互训练脚本，其中包括：

1）生成三维地形；

2）基于三维地形的植被系统；

3）基于地形和植被的燃烧系统，燃烧系统可区分上山、下山等不同燃烧系数；

4）虚拟灭火工具体系（可设置灭火区域与灭火系数）；

5）森林消防三维模型库；

6）交互逻辑生成体系（包括UI 控件交互、三维对象交互、运动路径编辑等）；

7）语音、动画、多媒体、文本嵌入与支持。

利用本平台配置几何三维地形、植被、人员工具、火燃烧等因素，快速生成森林消防脚本。脚本作为虚拟训练环境，辅助森林消防指挥人员训练，从而达到提高培训认知的目的，如图2所示。软件基础架构如图3 所示。

图2 森林灭火指挥训练系统架构

图3 软件基础架构

由图3 可知，软件基础架构分为4 个层面：

1）资源配置层：资源配置主要对各种资源进行生成、存储、调配等工作，其相应资源被虚拟环境层所实时调用。

2）虚拟环境层：虚拟环境层分为2 个组成部分，第一部分是虚拟训练流程编辑器，其负责调用资源和角色逻辑进行编辑，生成相应森林火情虚拟现场脚本，包括火情的初始情况、相应地理环境和天气情况、基础虚拟人员及设备运动情况和特定触发项等。第二部分是实时生成的虚拟场景，其包括虚拟训练流程编辑器所生成的脚本逻辑及三维场景。虚拟场景可以实时与交互逻辑层相互对接。

3）交互逻辑层：交互逻辑层属于软件系统的底层架构，虚拟环境层实时调取其数据。交互逻辑层包含4 个组成部分。①交互逻辑控制单元：本单元给虚拟环境层进行交互基础逻辑支持。如运动规则、触发规则等等。②角色管理单元：在整个战术训练系统中，分多种角色，角色之间的逻辑关系由角色管理单元负责其逻辑支持。例如，人的运动规则、车辆的运动规则等。③基础AI 单元：本单元负责在没有人工干预的情况下，火势的自然走向规则和多种天气、地形对火势的影响逻辑。④复盘与评估单元：训练完成之后需要对整个训练进行复盘和评估，本单元主要提供相应逻辑支持。

4）数据接口层：接口层主要负责与硬件设备进行接口数据传输。

系统有3 个特点：一是易用性，无代码编辑想定，想定逻辑的模板化，方便甲方相关人员和教学人员快速高效地进行新的训练和考试脚本的调整和生成；二是专业性，在和森林消防业务部门深入的沟通中，梳理了森林灭火专业的业务逻辑，通过虚拟现实和计算机仿真技术，研发了林火燃烧模型、植被资源模型、天气模型以及针对我国实际的森林灭火装备制作了大量模型资源；三是可拓展性，对比国外主流软件，本系统可以更方便地设计复杂业务逻辑（根据不同使用者需求提供不同的服务）。

2.2 虚拟现实训练脚本编辑管理平台

在虚拟现实训练脚本编辑管理平台中，可预览所有场景编辑器系统9 个模块和8 个组件工具，具体如图4 所示。并可通过对应的操作，在中部的预览图中呈现。

图4 场景编辑器

场景编辑器系统模板包括可燃编辑系统、可燃随机系统、可燃节点模板、可燃线渲染器、基于地形的植被系统、基于地形的植被燃烧系统、基于地形的细节燃烧系统、基于地形的地表燃烧系统和虚拟时间系统，具体如图5 所示。编辑器组件工具库功能包括系统模块、角色、导航图、文本、相机、交互、多媒体和窗口等，如图6 所示。

图5 编辑器系统模块功能

图6 编辑器组件工具库功能

2.3 虚拟现实训练脚本编辑管理平台

基于系统操作员预设火场虚拟场景及与其相关内容，依据构想材料及本人的分析判断，操作虚拟现实系统完成后续虚拟动作。

按照“分析判断、扑救意图、灭火战法、力量部署及灭火手段”的程序，实操扑救不同形态火灾作业。通过底层虚拟场景编辑器，编辑设定21 项VR 训练内容。包括“上山火”“下山火”“沟塘火”“树冠火”“地表火”“地下火”“火翼火”“火谷火”“大风火”“密林火”“疏林火”“灌林火”和“紧急避险”等科目。随机抽选2 种形态火灾和1 种火场紧急情况处置构想材料。

“扑救不同形态火灾00×号、00×号情况构想和火场紧急情况处置00×号情况构想”（大屏幕显示虚拟场景，同步语音播报；考评员同步向受考人员下发文字构想材料；受考人员作业区屏幕同步显示构想材料内容及虚拟现实场景）—受考人员熟悉构想材料，开始计时（计时员同步计时，约15 min）—计时结束（计时员终止计时）—受考人员开始作业，计时开始（计时员同步计时，约25 min）（受考人员依据构想材料和虚拟现实场景展开并提交作业；采取文字作业、口语与肢体语言相结合、实操系统等方式作业；大屏幕同步显示受考人员后续构建的虚拟动作路径；考评员同步评判）—计时结束。

2.3.1 火场情况侦查功能

熟悉构想材料。在项目中，指挥员根据火场情况侦查，得到基础信息，如图7 所示。

图7 火场情况侦查

同时指挥员可以多角度观察火场的基本情况，如图8 所示。

图8 多角度观察火场情况

2.3.2 火场参数描述功能

需描述与火场相关的详细指标参数，如图9 所示。包括天气、温度、风向、指南针、不同视角观察火场的角度、力量编成、装备配备、部署班及中队、时间轴速度提示、风区风力提示、风区风向提示、训练科目编号、火灾形态、具体训练科目详情和作业要求，并提供语音播报功能、重新载入训练和退出训练等。

图9 火场描述

2.3.3 火场装备部署功能

指挥员在了解详细文字描述后，进行力量编成和装备配置的操作。可对不同队伍进行不同装备配置的操作，其中队形设定及人员装备配备细节见图10。其中大队部配置可选指挥车、水罐车、车载电台、对讲机和卫星导航仪等；中队装备配置可选风力灭火机、灭火水枪、铁锹、组合工具、油锯、割灌机、点火器、加油器、灭火弹、水泵、配件箱、吸水管、贮水池、维修工具包和管带框等。

图10 队形设定及人员装备配备细节

2.3.4 火场力量编成位置部署功能

完成部署准备后，通过对上述情况的判断，由指挥员做出对中队、班的具体切入位置操作，图11 为部署完成后进行灭火作业的示意。

图11 完成部署进行灭火作业

2.3.5 灭火作业作训考试仿真功能

通过计算生成灭火作业虚拟现实场景脚本，中途可暂停，脚本随时间轴推进，可以进行二次编辑部署，最终完成灭火作业，具体如图12 所示。

图12 灭火作业

3 指挥训练与考评模式

该系统组织开展训练与考评的总体思路：以训练考评为核心，以强能提质为目的，以课题训练为牵引，以“三案”实操为方法，以资源平台为保障，以虚拟技术为支撑，在近似实地、实景、实情、实战背景下，组织开展实操性训练与考评。

3.1 基于虚拟现实技术支撑的指挥训练

训练的目的是：通过训练，提升指挥员的战时组织指挥能力，磨练战术思想，丰富战术素养，为实战条件下组织指挥灭火行动打下坚实基础。

训练的程序是：1)训练准备：主要包括设置场地器材、调试设施设备、拟写训练教案、构设虚拟场景、准备辅助资料和宣布作业提要等内容。2)训练实施：主要包括综述情况、讲解重点和应考提示等内容。3)训练讲评：主要包括总结回顾、重复重点、指出问题、提出要求和布置作业等内容。

训练的内容是：围绕实战当中的5 个阶段组织实施。即启动应急响应阶段、组织力量投送阶段、组织直前准备阶段、组织战斗实施阶段和组织撤离返营阶段。

训练的重点是：突出课题训练。所谓课题，就是重点围绕“组织战斗实施阶段”中的扑救不同形态森林火灾当中的“分析判断、扑救意图、灭火战法、力量部署、灭火手段”和火场紧急情况处置当中的“险情判断、处置措施、注意事项”等小课题，进行深研式、深耕式剖析和实训。每个小课题均有其规范要素和展开方法。

训练的方法是：主要采取“三案组织法”组织实施。所谓“三案”，即引导案、提交案和参考案。引导案即情况构想，由组训人员下达给受训人员。其作用是引导受训人员思考、消化、理解情况构想的全部内容和信息。提交案即受训人员的作业展开过程。其作用是检验受训人员是否按程序、按步骤、按规范、按要求进行作业。参考案即组训人员综合提交情况给出的参考答案。其作用是按照当前部局规范性文件特别是灭火实战要求，为受训人员提供较为详细、较为准确、较为全面的灭火组织指挥和火场紧急情况处置的程序和方法，以利于贯彻落实到灭火实战当中。训练当中以分段指导、阶段小结和总体讲评等方法组织实施。

训练的方式是以集团作业为主，编组作业为辅。集团作业，即同一背景、同一身份、统一作业。编组作业，即同一背景、不同身份、分别作业。根据训练需要，另辅之以分段作业、连贯作业和综合演练等训练方式。

训练的手段是：基于虚拟现实系统支撑，依托训练教案、训练课件和预设场景模型展开沉浸式森林火灾扑救和避险训练。特别是基于虚拟现实技术构设的仿真地形、仿真植被、仿真气象、仿真火环境、仿真队伍、仿真装备，是利用该系统开展训练的核心手段，这也是这一系统最为突出的核心技术价值和最为突出的一个亮点。

3.2 基于虚拟现实技术支撑的指挥考评

考评的目的是：指挥考评是指挥训练的延伸和继续，是检验指挥训练成果的一种方式，目的在于将训练的诸要素贯穿于近似实战条件下的连贯性考核和评价，进而提升指挥员的组织指挥能力并付诸灭火实战。同时，也为指挥员获取指挥资质提供准确和可靠的依据。

考评的程序是：1)考评准备。主要包括考评机构起草作业提要和构想材料，预设虚拟场景，制定考评标准。2)考评实施。包括宣布作业提要、随机抽签选题、下发情况构想、展开实操作业和现场同步评判。3)考评结束。包括提交作业成果、汇总考评成绩、形成评价结论和录入系统存档。

考评的内容是：主要分为3 部分：一是理论考评。介绍软件时已作具体汇报，这里不再重复。二是实操考评。即受考人员按照“分析判断、扑救意图、灭火战法、力量部署和灭火手段”的程序，实操扑救不同形态火灾作业。按照“险情判断、避险措施和注意事项”的程序，实操火场紧急情况处置作业。三是能力评估。为从另一个方面考察受考人员的指挥能力，在每个考核分项当中均相对应设计了观察判断、处置协调和机动应变3 种指挥能力，其权重和分值与其对应的考核项目权重和分值相同。考核项目主要为评价受考人员等级提供依据，能力评估主要考察受考人员各项指挥能力的强弱，作为下一步努力和改进的方向。

考评的方式是：以集团作业方式组织实施。即同一背景、同一身份、统一作业。

考评的方法是：统一组织、单个作业、系统支撑、现场评判。其中现场评判按照“先定性后定量，先分评再总评”的方法和顺序实施。

考评的权重是：理论部分20%，实操部分80%，总评为100 分。

考评的等级是：总体评价分为两级制，即合格与不合格。总评成绩70 分（含）以上为合格，即获取资质准入；70 分（不含）以下为不合格，即未获取资质。

考评的手段是：基于虚拟现实系统支撑，依托情况构想、预设场景模型、评判标准展开沉浸式森林火灾扑救和避险考核。同样，基于虚拟现实技术构设的各种仿真环境和资源，是该利用该系统开展考评的核心手段和突出亮点。

4 结束语

本文针对森林消防专业队伍指挥员训练和考评方式，进行了全新训练和考评的设计和规划，充分分析和利用虚拟现实、仿真、人工智能等技术，通过虚拟实训降低人员安全风险，和传统训练场地相比成本大幅降低；通过实时留存训练记录，有针对性训练，快速提升消防人员专业技能，缩短训练周期。

本系统可以根据训练需求虚拟出任何种类灾害事故场景，特别是一些在实际训练中无法设定的灾害事故场景，如森林火灾场景，进而达到训练场景逼真、减少训练成本、降低训练危险性的目的。同时，本文论证的系统最大的一个特点是参与训练的多名消防指战员在虚拟环境下的真实性和互动性体验，也就是战斗员都进入了一个事先编辑好的虚拟仿真世界中，在这个世界中参训人员彼此之间是可以看到对方的存在并进行交流互动的，相互之间可以协同配合完成各种实战训练任务。该系统的建成，对于丰富森林灭火训练和考评手段，探索建立规范化、信息化森林灭火指挥员训练考评体系，具有十分重要的价值和现实意义。