基于HoloLens的交互式火灾演练系统设计

丁哲勇

摘要：消防应急救援演练工作在火灾救援实战中发挥着关键作用。现阶段，消防火灾救援演练工作，通常仅依据相关理论模型以及数据开展理论模拟，而这与消防应急实战救援相去甚远。通常火灾战备演练的方式、设备和设计会受限于多方面，特别是在石油化工场所的火灾救援模拟演练。针对目前消防应急救援预案与演练模拟的现状，开发了基于微软Hololens全息虚拟现实装置的交互式火災演练系统，利用实物器件和混合现实（mixed reality，MR）技术，可较好地实现对火灾事故现场的虚拟仿真模拟。同时，在可视化的虚拟场景中可实现对现场的模拟，从而可验证火灾救援处置措施的科学性及实施性，进而提高消防指挥人员的应急救援决策和协作能力，上述措施可在一定程度上提高演练效率及实战处置能力。关键词：全息影像  虚拟现实  混合现实  火灾演练系统

Design of Interactive Fire Drill System Based on HoloLens

DING Zheyong

（Shanghai Zhongying Fire Engineering Co.， Ltd.， Shanghai， 200040 China）Abstract：Emergency rescue plan and drill play an important role in the training and practice of fire fighting. At present， most of the fire prevention plans and drills are established in the stage of theoretical model and data inference. Usually， the method， equipment and design of fire readiness drills are limited in many ways， especially for the petrochemical site fire rescue drill， the actual organization and implementation requires the cooperation of multiple vehicles and multiple people， resulting in large resource consumption. Aiming at the present situation of fire emergency rescue plan and drill simulation， an interactive fire drill system based on Microsoft Hololens holographic virtual reality device was developed. Through physical device and Mixed Reality （Mixed Reality， MR） technology， simulate the construction accident， under the environment of the visual simulation exercises， to verify that the process of disposal measures adopted by the operability and scientific， thereby promote the commander of the command decision-making and collaboration with ability， emergency rescue， scientific Effectively improve the drill efficiency and actual combat disposal ability.

Hololen作为Microsoft公司设计开发的混合现实全息设备，采用HoloLens设备可以实现对现场环境的扫描，并结合SLAM技术完成对真实环境的三维场景重建，使得真实环境得以在虚拟模型中显现^[6-7]。

基于视觉传感器的SLAM技术通过摄像机获取现场图片信息及预处理;利用机器视觉标定出现场景的方向和位置;利用算法处理的后端，优化并有效消除数据处理的累积误差，依据获取的周围环境数据建立环境地图（见图1）。

HoloLens设备将环境感知和深度摄像头作为硬件载体。其中，深度摄像头实现对现实环境的扫描，并计算出图像的深度值，环境感知摄像头的作用主要是感知HoloLens在周围环境中的偏移量。综合利用环境感知和深度摄像头的功能，实现HoloLens获知周围环境中的确切位置，最后基于Kinect Fusion 算法完成三维现实场景的重建。

2  交互式火灾演练系统设计

交互式火灾演练系统主要由球罐、浮顶罐等典型石油化工装置组成，按照实物进行比例缩放后，制作实物模型。在构建出石油化工装置实物模型的基础上，并结合MR混合现实技术，制作电子沙盘，将不同事故灾害后果以三维粒子动画效果叠加到实物模型上，观测灾害后果及事故演化过程，为石油化工灾害事故战例研讨、指挥训练和复盘推演提供强有力保障。交互式火灾演练系统包含场景化数据信息查询、灾害场景快速搭建、辅助决策分析、可视化模拟排兵布阵、作战指挥等功能。

2.1 火灾救援场景化演练数据信息查询

以三维罐区模型为识别入口，通过HoloLens识别三维罐区并进入场景。可实现快速有效识别、实时查看场景图像信息、消防设备设施运行信息等。交互式火灾演练系统将现场设备的信息与三维场景相融合，可實现在火灾模拟演练场景中精准、便捷地查看定位设备位置、属性等信息（见图2）。

2.2 火灾场景构建功能交互式火灾演练系统中为用户提供了个性化的数据模型，具体包括天气模型，并可依据消防演练的实战化作战实际情况，通过设置环境风向、风力等具体天气动态信息因素，进行消防火灾救援实战化模拟训练。依据不同的着火设备和位置信息，交互式火灾演练系统，为用户提供了模拟现实状态的火焰数据模型、化工原料泄漏形态，上述数据信息可在三维场景中自定义设置，并能够在短时间内完成一个科学合理的事故虚拟环境的搭建（见图3）。

2.3 辅助决策分析功能

在交互式火灾演练系统中，根据消防应急救援的实战化作战实际需求，在系统中个性化的设计了火灾热辐射数据精准分析模型、物料爆炸分析模型、储罐沸溢时间估算等模型。同时，交互式火灾演练系统依据具体的灾害分析功能，可以实现在模拟场景中，实时可视化呈现具体分析结果（见图4）。

2.4 可视化战略部署功能

交互式火灾演练系统内部，按照消防火灾救援实战演练的需求，事先在系统内部预置了多种类型的消防处置、救援装备，主要包括消防救援车辆、消防机器人、化工园区场景以及其他消防装备资源。通过该系统进行火灾救援场景的模拟训练时，消防应急救援人员到达火灾处置现场之前，可开启火灾现场的相关消防系统，包括罐体喷淋系统、固定消防炮等，消防力量到场之后，消防应急作战指挥人员，可依据作战方案完成车辆及装备的可视化战略部署操作（见图5）。

3  结语

本文阐述分析的交互式火灾演练系统充分融合了传统沙盘及桌面演练模拟的技术优势，并有效利用三维仿真和虚拟现实技术，在整个火灾应急救援的模拟演练过程中，消防应急救援演练参与人员，仅需要通过“人-机”交互控制的方式，便可完成对消防火灾应急救援现场三维虚拟场景的操作。同时，交互式火灾演练系统可实现现场信息查询、灾害情景构建、辅助决策分析、车辆及人员部署及作战指挥，满足消防队日常集培训、考核、演练推演一体化的综合应用。

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