虚拟现实技术在消防训练中的应用_李剑锋

2008年2月武 警 学 院 学 报

F eb .2008第24卷第2期

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V o.l 24N o .2

收稿日期:2007-11-10

作者简介:李剑锋(1984 ),男,河北邢台人,作战指挥学专业在读研究生;张学魁(1959 ),男,山西大同人,副教授。

消防教育

虚拟现实技术在消防训练中的应用

李剑锋a

,张学魁

b

(武警学院a .研究生队;b .消防指挥系,河北廊坊 065000)

摘 要:在对虚拟现实训练系统分类论述的基础上,探讨了虚拟现实技术在消防训练中的应用及优势,阐述了该领域在国内外的研究现状和发展前景,并指出了有待进一步研究的问题。关键词:虚拟现实;消防;模拟训练

中图分类号:D 631.6 文献标识码:A 文章编号:1008-2077(2008)02-0080-03 随着我国经济和社会的快速发展,各类灾害事故频发,灾害种类增多,救援难度加大,灭火救援工作面临新的任务和挑

战。消防部队要想适应社会发展、成功处置各类事故,不断改进训练方法是重要途径。近年来,全国各级消防部队利用多种手段,建设综合训练基地,创新训练模式,开展了公共聚集场所、高层建筑、地铁、油罐、液化气贮罐、化工装置等火灾扑救和事故处置的模拟训练,并利用烟热训练室、毒害品训练室提升了火灾和事故现场消防员的适应能力,这些训练有效提高了消防部队处置火灾和特种灾害事故的能力。但是,基于基地化的实战训练也存在多种局限,如:对于实际燃烧物质的多样性和事故现场的复杂性,基地化训练难以模拟实现,虚拟现实技术的发展为这些问题的解决提供了强有力的支持。采用虚拟现实技术开展消防技战术及适应性训练在国内外方兴未艾,开展了大量研究,取得了一定的成果,已成为当前消防训练研究的热点和难点问题。

1 虚拟现实技术及其在消防训练中的应用

虚拟现实技术(V irt ua l R eality),最早源于美国军方的作战模拟系统,20世纪90年代初逐渐为各界关注,并在商业领

域得到了进一步的发展。它利用计算机和电子技术生成一种模拟环境,通过多种传感设备,用户可根据自身的感觉,使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察和操作,参与其中的事件,同时提供视、听、触等直观而又自然的实时感知,使参与者 沉浸 于模拟环境中。虚拟现实技术集成了计算机图形技术、仿真技术、传感器技术及人工智能等技术的最新发展成果。

由于虚拟现实技术具有的沉浸感、交互性和构想性特征,使用户沉浸于计算机系统所创建的虚拟环境中,能够利用多种传感器与虚拟环境发生互动作用,因此在训练领域得到成功应用,例如:航空、航天、军事、驾驶、医学等高难度训练。研究用于消防训练的虚拟现实系统,必将对提高训练水平、战斗力和训练效率等起到巨大的推动作用。1.1 虚拟现实训练系统的分类

将虚拟现实训练系统分类,有助于深入了解训练系统,把握具体训练系统的特点。由于虚拟现实训练系统的实现方法、训练目的和交互方式的不同,存在多种分类方法。1.1.1 根据系统参与感和交互方式的不同,主要分为以下3类:(1)桌面虚拟现实系统:这样的一些系统主要是通过计算机显示器来显示虚拟世界。它的逼真程度较低,沉浸感差,并不是严格意义上的虚拟现实系统。一些三维游戏均可视为桌面虚拟现实系统。(2)坐舱式虚拟现实系统:使用这种系统时,用户置身于一个特制的坐舱之中,舱内有一个可以向外看到虚拟世界的屏幕,转动坐舱就可以从不同的角度观察虚拟世界,用户不需要佩带其它特殊装置,从而无负担地与虚拟世界交互。这类系统的沉浸感也较差。主要用于驾驶、射击、飞行等模拟训练系统。(3)沉浸式虚拟现实系统:这类系统有着较强的沉浸感,它往往配备有头盔式显示器或是全方位监视器,使用户能自由地环顾虚拟空间。此外还有一种被称为 CAV E 的沉浸式系统,它使用多个立体投影仪将图像投射到前、左、右、上、下5个面,用户则处于其中,使他们感觉仿佛置身于极其广阔的环境中。1.1.2 根据系统训练目的不同,主要分为以下3类:(1)认

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武警学院学报 2008年第2期(总第140期) 消防教育

知训练系统:这类系统主要用于用户体验虚拟场景,以培养用户对特定场景的认识、适应能力以及心理承受能力,一般系统的交互性较差,并不是严格意义上的虚拟现实系统。例如:三维演示系统。(2)技能训练系统:使用这类系统,用户可以操作虚拟世界中的物品、工具,完成一定的任务,从而提高某项技能。这类系统是当前应用比较广泛的系统。(3)决策训练系统:这类系统主要借助人工智能方法,在虚拟世界中,培养用户在特定场景下的判断、决策和指挥能力。例如:军事指挥模拟训练系统、灾害处置模拟训练系统。具体的训练系统通常以某一方面训练目的为主,也可以具有两个或多个训练目的,培养用户多方面能力。

1.2 虚拟现实技术在消防训练中的应用

利用虚拟现实技术可以开发多种不同的消防训练系统,从而实现多种训练目的,如:技能、战术、协同、指挥等。虚拟现实技术可以用于以下方面的消防训练:

1.2.1 公民消防教育和逃生能力训练。可针对酒店、商场、娱乐场所等人员密集场所,构建虚拟现实训练系统,向社会开放,公民在虚拟环境中进行处置初期火灾和逃生训练,提高公民的消防意识和自救能力。

1.2.2 装备操作训练。通过建立装备的虚拟模型,使消防员熟悉装备的原理、功能和操作程序,训练消防员对装备的操作、保养和维修技能。

1.2.3 灭火救援技能、适应能力训练。构建各类火灾、事故场景,消防员通过头盔显示器、数据手套、数据服,感受近乎真实的事故场景,操作虚拟的装备,与虚拟场景互动,完成灭火、破拆、堵漏、洗消、侦检等技能训练。还可以训练消防员火灾和事故的适应能力和心理承受能力。

1.2.4 决策、指挥、协同能力训练。对高层建筑火灾、地下商场火灾、化工装置火灾、液化石油气火灾、油罐火灾及各类事故灭火救援工作进行模拟仿真。通过虚拟场景的设定,灭火战术和救援方案的选择,指令的下达等功能设计,对宏观指挥、现场调度、决策分析能力和突发事件处理能力等内容进行交互式辅助训练,并提供综合评判。采用分布式训练系统,各级指挥员和参谋人员可同时进行训练,以提高大型火场联合作战的指挥、协同能力。

1.3 虚拟现实技术应用于消防训练的优势

将虚拟现实技术应用于消防训练,可大大提高训练效率,实现训练数字化,并降低训练成本,有助于提高消防员的灭火救援技能和指挥决策能力。相对于以往的训练手段,其主要优势在于:

1.3.1 更高的训练效率。系统可以开展多种类型的火灾和事故训练,包括剧毒、危险性科目的模拟训练,通过设置场景的复杂性,使场景更加符合实际。消防员可以通过反复训练,在较短时间内,积累丰富的灭火救援经验;另外,虚拟现实训练不受天气、时间、季节等环境因素的影响,系统具有较高的使用效率。

1.3.2 更大的可扩展性。由于虚拟现实技术采用数字技术,易于产生多种训练场景,系统具有很大的可塑性;通过网络,便于实现系统的互联,实现联合训练和远程训练;系统升级、改造简便。1.3.3 更低的训练成本。虚拟现实训练系统使用计算机、传感器作为训练设备,使训练系统小型化;训练中可以不用支付发烟剂、燃料、灭火剂等的消耗;系统运行和维护费用低;大型综合演练的网络化、虚拟化,这些都有助于降低训练成本。

2 国内外消防虚拟现实训练技术研究成果

英国、美国等发达国家较早的将虚拟现实技术应用于消防训练系统的开发,并已将训练系统应用于实际训练,取得了良好的训练效果。我国在上世纪90年代末提出了将虚拟现实技术应用于消防训练的构想,在火灾可视化、系统交互等方面开展许多卓有成效的研究,研究成果开始应用于实际训练。

2.1 国外主要研究成果

英国Co lv V irtualR ea lity公司开发了被称为V egas的火灾疏散演示模拟仿真系统。该系统是基于D i m ension i n terna ti ona l的Supe rs cape虚拟现实系统环境开发,以三维动画的形式演示火灾发生时人员的疏散情况,使用户具有沉浸感,让用户能够亲身体验火灾发生时的感觉,并可以进行消防人员灭火救援以及人员疏散的模拟训练。同时,通过普通用户的参与,可培养人们在火灾发生时良好的逃生自救意识,迅速离开火场或采取报警、营救等措施。应用该系统对地铁、港口等典型建筑物发生火灾时的人员疏散情况进行了模拟仿真验证,取得了良好的效果。

美国A laba m a大学的学者用虚拟现实程序训练消防队员通过不熟悉的建筑物找到营救路线,并与用蓝图训练的效果作了比较。N ava lR esea rch L aboratory的研究人员为了训练消防队员的规范操作,反应速度,消除恐惧感而专门设计了虚拟训练系统。通过一个模拟的火灾现场,对培训以及和未参加培训人员的比较后,研究者发现参训人员总体的反应速度加快以及出现错误操作的概率大大降低。

2.2 国内主要研究成果

中国科学技术大学和中国矿业大学合作,针对大空间建筑火灾的特点,建立了大空间建筑火灾VR系统。系统以O pen G L作为三维图形显示基础,火灾模型选用场区复合模型,用户借助立体眼睛可以感受周围建筑环境、火灾发生发展状况,借助于鼠标、数据手套等外部设备实现了走动、拾取、使用灭火器灭火等操作,系统具有较好的沉浸性和交互性。主要用于培养公民的消防安全意识和扑救初期火灾的能力,还可用于研究火灾条件下人的心理等方面。

后勤工程学院开发了基于单机运行的虚拟油库火灾消防模拟训练系统。系统以O penGL和3DS软件作为三维场景开发工具,建立了主要基于经验公式的油罐火灾模型和油罐火灾消防工程模型,实现了油罐火灾消防模拟训练的实时可视化,主要用于油罐火灾体验和消防战术训练,具有较好的实时性和交互性。

中国人民武装警察部队学院开发了油罐火灾灭火指挥计算机模拟训练系统。系统属于分布式仿真系统,由导演部、总指挥部、冷却灭火和供水保障分指挥部构成,以G IS系统和火

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