虚拟现实技术在消防模拟训练中的应用研究初探

严龙

【摘 要】综述了虚拟现实技术的定义、重要特征和典型虚拟现实技术系统的组成；阐述了国内外对虚拟现实技术的研究现状以及消防模拟训练中存在的问题；最后，结合自身经验，探讨了基于虚拟现实技术在消防灭火救援模拟训练的应用。

【关键词】虚拟现实技术；消防模拟训练；应用

1.前言

虚拟现实技术（Virtual Reality）简称VR技术，是20世纪末逐渐兴起的一门综合性信息技术，融合了数字图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体、传感器、网络以及并行处理等多个信息技术分支的最新发展成果[1]。它能利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。

目前，虚拟现实技术已经广泛应用于教育与训练、设计与规划、科学计算可视化、商业领域、艺术与娱乐等方面。尤其对于模拟训练方面，它能使学习者能直接、自然地与虚拟对象进行交互，以各种形式参与事件的发展变化过程，并获得最大的控制和操作整个环境的自由度。

2.虚拟现实技术的特征和系统组成

2.1 虚拟现实的重要特征

虚拟现实技术是指利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。其关键技术包括有：动态环境建模技术、立体显示和传感器技术、系统开发工具应用技术、实时三维图形生成技术、系统集成技术。它具有以下的重要特征：

（1）沉浸感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。

（2）交互性，指用户与虚拟环境的对象发生互动、相互作用，并且虚拟对象能作出相应的反应的效果。

（3）构想性，是指通过用户沉浸在“真实的”虚拟环境中，与虚拟环境进行了各种交互作用，从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识[2]。虚拟现实技术不只是用户与虚拟对象的接触，而且可以让用户沉浸于虚拟技术创造的环境，并汲取更多的知识，从而有利于创造性思维的产生和发挥更大的潜能。

（4）多感知性，指的是虚拟现实模拟环境创造的虚拟环境，并对用户产生视觉、听觉、感觉上的冲击。同时给用户一种身临其境的感觉。

2.2典型虚拟现实模拟技术系统的组成模块

典型的虚拟现实模拟技术系统主要由计算机软、硬件系统（包括VR软件和VR环境数据库）和VR输入、输出设备等组成，如下图1所示。

3.虚拟现实技术研究现状以及消防模拟训练中存在的问题

3.1研究现状

美国是虚拟现实技术的发源地[3]，有美国宇航局（NASA）、麻省理工学院（MIT）媒体实验室、华盛顿大学人机界面技术实验室（HIT Lab）等许多知名的研究机构，其在虚拟现实领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。

从20世纪80年代起，我国开始研究虚拟现实模拟技术。虽然起步较晚，但近年来政府有关部门非常重视，制定了开展VR技术的研究计划，而且国家重点科研计划，都把虚拟现实技术列入了重点研究项目，例如国家自然科学基金、国家重点科学研究发展计划等，而且国内的一些科学家和重点院校也已积极投入了对这一领域的研究。例如，最早开展虚拟现实工程技术研究的西北工业大学电子工程系积极开发虚拟现实和虚拟仿真等方面的研究，并取得了良好的科研成果。同时，促进了其他院校和研究所VR技术研究的发展。北京航空航天大学在2000年8月成立了虚拟现实新技术教育部重点实验室。

3.2消防模拟训练存在的问题

3.2.1消防队员心理素质

在火灾救援时消防救援人员缺乏自信，比较紧张；例如消防泵启动时略显紧张，消防工具不配套，地下消防栓扳子长度太短等。

3.2.2消防专业素质

在实际操作中，消防救援人员的操作经验的不足；例如，水龙带未完全展开就将消防栓蝶阀完全打开，使得水流高速冲击未展开的水龙带可能发生水龙带剧烈摆动，或因为水流太大造成后坐力过大使人员把持不住水枪而发生水枪伤人事故。或水枪的喷射点只集中在一个位点，没有达到整个油罐降温和将相邻油罐降温的目的，人员的站位也没有选择在上风口，在实际发生火灾的情况下很有可能对人身造成伤害。

3.2.3指挥决策素质

在目前的火灾救援系统，主要采用的是二维平面系统，并且该系统的可辨别性和可视性较差。因此，针对立体空间的特性，训练中的指挥员难以制定相应的应对方案。

4.虚拟现实技术在消防模拟训练的应用及意义

20 世纪90 年代末，我国提出了将虚拟现实技术应用于消防模拟训练的构想，并在火灾的可视化、系统交互性等方面进行了大量的研究。

4.1建筑火灾方面

清华大学防灾减灾研究所率先研究了虚拟现实技术在建筑火灾方面的模拟训练[4]。该系统的研究方面主要包括了电子消防应急预案的制作、火灾发生时群众的疏散行为以及人员疏散演练等。

VR系统模拟了真实世界的火灾环境，借助立体眼镜来感受周围建筑环境、火灾的发展状况，这让群众和消防人员能亲身体验火灾发生时和救援群众的真实感受。同时，还可以根据人们的描述来研究火灾发生时人们的心理表现，这样既可增强大众在火灾发生时的良好防灾意识，又能教育群众离开火场或采取报警、参与营救等措施。

4.2油罐火灾方面

中国人民武警察部队学院提出并研究了油罐火灾灭火指挥计算机的模拟训练系统，模拟训练系统由总指挥部、冷却灭火和供水保障分指挥部等部分组成，并以地理信息系统和火灾三维场景为计算机交互界面。该系统具有一定的智能推理和训练评估功能，可以提高指挥员对油罐火灾发生时的指挥能力和战略潜能。

在油罐火灾模拟训练中，采用VR技术可以认识设计参数与设计结果之间的关系。同时，发现设计中潜在的缺陷和问题，立即提出更严格的解决方案，进而使得整个模拟训练方案趋于完善。

4.3煤矿事故救援训练方面

太原理工大学以VRML和Java 的接口为基础，研究了对煤矿事故救援训练过程的仿真。利用该技术来模拟一个真正的矿井灾害，通过计算机软件演示使人们更具体直观的认识到矿井灾害发生的各方面因素，从而能有效及时的采取防灾和救灾准备。

矿井VR模拟技术可以不受时间、地点、天气的影响来设置灾害发生时可能出现的一些特俗情况，使得救援人员能更形象生动的记住救援场面，从而提高矿井救援人员处理灾害的决策应变水平，并把矿井灾害的伤亡和损失降到最低。

4.4森林火灾模拟系统

瑞典林雪平大学计算机信息科学系首次提出了一种基于计算机网络的“指挥、控制和通信”系统。该系统中消防模拟训练的环境为森林火灾，用户能够沉浸到计算机系统所创建的环境中，从而逼真的模拟消防救援人员、救援指挥员、等任何角色进行训练。

该VR模拟技术系统具有较好的沉浸性和交互性。它创造的环境与真实森林环境的结合，再加之与地理信息系统、全球定位系统、决策支持系统等的结合，可使救援设施的配置达到最优化。

5.结束语

随着虚拟现实技术的研究不断深入和计算机技术的发展，逐渐应用到消防模拟训练的科学计算和试验结果的真实表现、火灾安全工程设计、规划及验证、消防队培训及公民消防意识教育、安全管理和消防决策支持等方面，使人们无需完全依靠真实世界的直接试验可以感受虚拟世界中的试验。

参考文献

[1]刘浩，戴居丰，杨磊，杜忠友，刘秀婷，孙翠娟.虚拟现实技术及其应用研究[J].微计算机信息.2005

[2]张占龙，罗辞勇，何为.虚拟现实技术概述[J].计算机仿真.2005

[3]马利民.虚拟现实技术及其应用展望[J].计算机时代.2005

[4]刘艳，邢志祥，刘伟.虚拟现实技术在消防模拟训练中的应用研究进展[J].灭火指挥与救援.2009