基于虛擬現實技術的隧道火災應急培訓系統構建和研究*

劉敦文，賈昊燃，翦英驊，邱豐愷，顏 輝

(1.中南大學 資源與安全工程學院， 湖南 長沙 410083；2.中南大學 安全理論創新與促進研究中心，湖南 長沙 410083;3.衡陽市城市建設投資有限公司，湖南 衡陽 421000)

0 引言

隨著我國隧道事業的發展，事故數量逐漸增加。2011年，甘肅省某公路隧道中，2輛重型油罐車發生追尾事故，車內近40 t的化學易燃品發生爆炸，造成4人死亡；2014年，山西省晉城某高速公路隧道內，2輛甲醇運輸車相撞引發隧道內部大火，造成直接經濟損失8 197萬元[1]；2015年，上海外環隧道發生1起5車連續追尾事故，導致1輛轎車起火，2人死亡。有關資料表明，國內隧道1 km里程每經過5 000萬輛車就會發生1場火災，隧道火災形勢嚴峻，針對火災的應急救援培訓刻不容緩。

近幾年各類應急培訓基地建設工作不斷推進，例如：2008年，四川電力公司創建電力應急培訓基地；2015年，天津市應急培訓基地初步實現應急救援指揮協調仿真模擬[2]；2017年，新疆電力公司完成我國首例高空救援應急培訓。但應急基地存在輻射范圍有限、建設成本高等問題，迫切需要輻射范圍廣、成本低的“新型應急救援基地”。虛擬現實技術[3-4](以下簡稱VR)可以創造出高沉浸性、交互性、聯想性的虛擬環境，具有互聯網傳播性、低成本演練、高效信息交互能力和趣味性的演練模式等特點，滿足安全應急救援知識、技能的學習和培訓要求。目前國內外已有相關研究，美國海軍使用虛擬游戲實現化學氣體攻擊的戰術培訓[5]；Backlund[6]認為虛擬培訓的協作模式利于隊員高效把握自己在整個救援過程中的任務和角色；劉曉雙[7]搭建液氨泄漏虛擬應急培訓系統，通過改變風向等參數實現對不同事故場景的模擬；黃仁東等[8]基于虛擬技術構建了非煤礦山的虛擬安全培訓系統。但虛擬現實技術應用于隧道火災應急救援培訓研究較少，雖有學者對火災人群疏散演練進行情境化的展示[9-10]，但未能發揮該技術在培訓中的交互能力。

基于此，本文從全新視角研究隧道火災應急救援培訓活動，依據虛擬現實技術在安全培訓領域的6大優化維度，提出隧道火災應急救援培訓系統的優化模型，借助VR虛擬現實技術開發隧道火災應急救援培訓系統，實現對“知識技能深化層”的虛擬現實化表達，即由3Dmax、Unity3D等關鍵技術完成場景元素建模、場景動畫設定、虛擬平臺第一人稱控制、虛擬漫游、火災場景虛擬再現，完成隧道火災應急救援培訓系統功能開發。

1 隧道火災應急救援培訓系統的優化模型

1.1 “VR+”建構主義安全培訓模型定義

“VR+”建構主義安全培訓的含義為：在建構主義[11]理論的指導下，以安全培訓知識技能的情境化為直接目的，以受訓者為培訓活動的中心對象，以受訓者與受訓者、受訓者與培訓者交互協作為主要培訓途徑，以現代計算機虛擬技術為培訓實現手段，豐富受訓者的安全知識，提高受訓者的安全技能，增強受訓者的安全意識，培養受訓者良好的安全習慣，從而減少安全事故、人員傷亡與財產損失，保障企業生產安全的1種安全培訓模式，建構主義安全培訓的概念模型如圖1所示。

圖1 建構主義安全培訓的概念模型Fig.1 Conceptual model of constructivist safety training

1.2 隧道火災應急救援培訓系統的優化模型

“VR+”建構主義安全培訓模式強調受訓者個體思維在情境化知識環境中的自我建構和發展，知識的同化離不開個體在知識環境中的實踐活動，因此將隧道火災應急救援培訓活動抽象表達為3級“知識技能深化層”[12]：火災事故情境設定層、學習實踐層、意義建構層，利用VR的技術優勢實現對每個層級逐步深入優化，得到隧道火災應急救援培訓活動的優化模型，并以此模型為基礎，完成對隧道火災應急救援培訓系統模塊的構建，如圖2所示。

圖2 隧道火災應急救援培訓系統的優化模型Fig.2 Optimization model of tunnel fire emergency rescue training system

1)互聯維度：搭建互聯與安全的“橋梁”。橋梁一：搭建安全培訓者與受訓者間的橋梁關系，借助互聯網擴大虛擬化安全培訓平臺的輻射范圍，滿足對經濟欠發達地區安全培訓資源的優化配置；橋梁二：搭建高危性火災應急演練中安全性與真實性的橋梁關系，虛擬現實技術可以兼顧隧道火災應急救援演練中受訓成員自身安全感和體驗真實感的雙重需求，解決了高危火災救援培訓中新學員對人身安全的顧慮。

2)沉浸維度：創設沉浸交互式學習情境。虛擬技術借助傳感技術、計算機技術、3D仿真模擬技術等，生成集視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感覺一體化的虛擬環境，依靠感官接觸信息積累還原隧道火災現場事故發生的起因、經過、結果，實現學員對火災現場的直觀化認識，進行事故隱患識別、事故原因分析、事故應急措施決策，使抽象的隧道火災應急救援應對預案轉為應用情境，提升安全培訓的趣味性，實現隧道火災的虛擬化實操性培訓，提高學員的事故應對能力。

3)關卡維度：趣味化隧道火災應急救援培訓方式。以游戲關卡形式將學員帶入火災事故情境中，引導學員主動思考特定應急場景中隧道火災發生原因、處置措施和應急手段，激勵學員的安全應急思維能力。在指示性訓練監督系統的幫助下，學員通過實體設備如頭戴式顯示器、運動傳感器與虛擬火災場景中的火源、NPC人群、車輛等對象交互，主動尋求在隧道火災現場的自救、救他方法，確?；馂膽迸嘤柸蝿盏某晒ν瓿伞?/p>

4)團協維度：提升隧道火災應急救援小組團隊協作能力。虛擬技術為學員提供1個虛擬化的信息交流平臺，將個體學習模式轉變為協作學習模式，使得隧道火災應急救援培訓不再是單兵消防知識、技能學習，而是轉化為協作學習環境中學員通過交流和協作實踐共同進行的群體安全知識與技能建構，提高小組成員的分工合作能力與團隊協作能力。

5)考核維度：科學數據化的考核方式?；谔摂M技術的培訓平臺擁有強大的數據收集整理能力，通過各類傳感器實時收集學員訓練數據，存入場景學時記錄數據庫、集體訓練環節小隊評級數據庫以及隊長名單數據庫，優化訓練成果的展示方式，考核成績作為學員訓練成果的測評手段并設立榮譽嘉獎作為對學員認真學習的回饋和鼓勵，增強對學員的榮譽激勵作用，提高學員學習積極性和競爭性。

6)反思維度：有助于學員自我成長。相較于傳統火災應急救援培訓形式單一所導致的被動性、灌輸性等缺點，借助VR技術實現的情景化訓練讓學員在虛擬的隧道火災事故情境中真切體驗到各項應急救援技能的重要性，這種心理狀態[13]是對認知結構、學習過程的反省，可持續重復學習，實現自身定位由客體向主體的本質變化。

2 VR關鍵實現技術

為具體實現隧道火災應急救援培訓系統的優化模型，對3Dmax建模技術和Unity3D游戲引擎技術關鍵節點進行闡述。

2.1 3Dmax建模技術

3Dmax是專業的三維建模軟件，內置幾何體建模技術、多邊形建模技術、平面圖形擠壓建模技術、面片建模技術、NURBS建模技術。利用該技術對山體、隧道、應急火災場景設備、人物角色進行建模，結果如圖3所示。

圖3 3Dmax建模示例Fig.3 Modeling example of 3Dmax

2.2 Unity3D關鍵技術

Unity3D是一款三維渲染代碼集合體，自帶完備的粒子生成系統，可以模擬粒子的發射、運動和效果渲染。利用與其兼容的Javascript語言進行二次開發可以實現友好的交互效果[14-15]，系統通過Javascript語言編程控制實現粒子系統同物理設備的碰撞來反向控制粒子系統的發射，從而模擬對隧道內著火車輛的滅火過程，圖4為車輛著火效果。

圖4 車輛著火效果Fig.4 Vehicle fire effect

本系統為實現受訓學員在虛擬世界中的漫游功能，調取Unity3D內置的角色交互控制代碼序列，設置第一人稱的交互角色預設體，通過鍵盤“w，s，a，d”4個功能鍵實現對虛擬世界里交互角色的移動和旋轉控制，并以代碼編寫植入方式實現鼠標[16-18]對交互角色與目標物體間距離的控制，同時為了避免出現物體彼此穿透的錯誤，在場景構建時虛擬物體均被賦予相應類型的碰撞器來模擬物體相互碰撞后的自然反應。

3 隧道火災應急培訓系統設計

本系統架構下分3大模式：體驗模式、訓練模式和底層模式。依據上述隧道火災應急救援培訓系統的優化模型框架中6大優化維度設定6大培訓模塊：情境漫游模塊、互聯信息數據庫模塊、事故場景體驗模塊、協作學習模塊、考核與展示模塊、反思與交流模塊。體驗模式幫助學員快速、真實、高效地認識隧道周邊和內部環境，缺乏救援經驗的新學員可體驗高混亂、低能見度、高噪聲的火災施救現場；訓練模式以趣味性的團體救援情節模擬作為訓練形式，強化救援人員對救援設備使用的熟練程度，增強救援人員應對各種救援任務的反應能力，縮短應急反應時間，提高救援隊伍的整體應急能力。

3.1 主要內容和系統架構

構建的隧道火災應急培訓系統對象為隧道管理人員、隧道應急救援人員，隧道火災應急救援是1種實操性強的活動，單純對受訓者進行文件型的應急預案培訓效果一般。因此，在建構主義培訓思想的指導下，構建了基于虛擬技術的隧道火災應急救援培訓系統，致力于提高受訓學員的環境熟悉度、設備熟練度、救援技能有效度。系統功能設計見表1，系統程序運行框架如圖5所示。

表1 系統功能Table 1 System functions

圖5 系統構建框架Fig.5 System construction framework

3.2 體驗模式

體驗模式幫助學員建立全局性、系統性、適用性的決策觀念，學員在虛擬情境化的學習環境中主動發現場景中存在的安全問題并做出應急救援決策。該模式由情境漫游模塊和事故場景體驗模塊組成，情境漫游模塊下設隧道環境漫游項目、隧道內部結構漫游項目、隧道通風系統漫游項目；事故場景體驗模塊下設人流擁擠體驗科目、煙霧環境逃生科目、爆炸沖擊體驗科目。

1)在情境漫游模塊中，學員以第一人稱交互角色操作鍵盤方向控制鍵進行漫游體驗，熟悉隧道在正常運行狀態下內外部的環境布置，例如周邊建筑物的位置、距離、道路設施的分布、隧道走向、常年的自然風向、隧道通風系統位置、人行橫洞位置等。在漫游學習過程中，系統界面上會出現文字介紹和語音教學提示，培養學員主動發現安全隱患問題和從整個環境系統出發做出合理、高效救援決策的能力。

2)事故場景體驗模塊中設定針對特定安全培訓領域的事故類型場景體驗科目，設定了隧道火災現場的典型事故場景科目：①煙霧逃生科目中，虛擬環境生成的煙霧能制造出低能見度的火災現場環境效果，幫助經驗不足的學員建立真實火災場景下的視野直觀感受，該科目的訓練解決了學員自身安全保障與火災救援現場出勤的矛盾；②人流擁擠體驗科目借助Unity3D的碰撞器設定、檢測功能，完成交互角色模型碰撞器類型的賦予過程，使學員以第一人稱進行奔跑逃生時能感受來自人流、車輛的阻礙碰撞效果，真實感受逃生路線的隨機性、障礙性、擁擠性，為隧道管理者預估逃生時間提供直觀的認識；③爆炸沖擊體驗科目通過對虛擬環境添加震動效果以及伴隨的爆炸巨響完成科目設定，爆炸聲和隧道主體結構的震動會營造出危險、緊急、混亂的感受，培訓學員的應急心理素質，鍛煉學員在高壓、高噪聲環境中集中精力冷靜處理事故的能力。圖6為爆炸的場景特效。

圖6 車輛爆炸場景Fig.6 Vehicle explosion scene

3.3 訓練模式

訓練模式中設定了3個模塊：協作學習模塊、考核與展示模塊、反思與交流模塊。

1)協作學習模塊：系統采用Unity3D兼容的Itween 插件設定一系列學習場景，每個場景會自動講解相關設備的操作方法和注意事項，提出操作要求并檢測學員操作是否正確，當系統捕捉到學員正確的操作反饋后，自動跳轉下一個學習場景。本系統現有開發的學習場景有消防設備操作場景、消防設備穿戴場景、醫療急救場景、人流疏散場景、爆炸源識別場景、隧道結構坍塌場景，圖7為醫療急救場景。

2)考核與展示模塊：為模擬真實隧道火災救援行動，本系統以3人為一隊進行集中考核訓練。隊員利用學習到的應急救援知識與操作，依靠合作完成系統考核。

圖7 醫療急救場景Fig.7 Medical first aid scene

系統對小隊整體救援效果做出“優秀、良好、不合格”3個等級的評價，將訓練考核數據保存到底層信息模塊的數據庫，提示不合格的小隊重新考核，具體情節設定如圖8所示。

圖8 考核情節設定Fig.8 Assessment plot settings

3)反思與交流模塊：心得體會大講堂和安全技能競技場是學習交流的安全社區平臺，促使學員在心得體會交流和安全技能競技的過程中熟練專業安全設備的操作，正確、高效地處理各類應急場景的安全救援問題，提高應對真實火災現場的能力，實現安全知識技能的強化和企業、社會安全文化氛圍的培養。

3.4 底層模式

底層模式下設互聯信息數據庫模塊來實現對整個應急救援培訓系統數據的收集，其存儲的內容包括：體驗模式類數據和訓練模式類數據，分別來源于對應的培訓模式。作為底層的數據結構，互聯信息數據庫模塊可以為上述的5個模塊各自的訓練科目提供數據服務支持功能，例如可以為不同學員記錄其訓練時間、訓練進度、訓練成績等，定期將學員訓練結果進行學時與技能熟練度考核，并根據個性化的訓練數據為每個學員反饋其訓練中存在的不足。

4 結論

1)基于VR技術手段和建構主義理論核心的“VR+”建構主義安全培訓模型框架，為安全虛擬化培訓系統構建提供了方法論，在此基礎上建構的隧道火災應急救援培訓系統具有良好的互動性和實際可操作性，讓學員在游戲闖關般的應急場景中學習火災應急的技能和知識，體驗模式幫助經驗不足的學員快速建立對火災現場的直觀感受，克服學員心理層次中對未知事物的恐懼。

2)隧道火災應急救援培訓系統相較于傳統的應急救援基地培訓，可以突破空間、時間、基地建設成本的束縛，高效地在全國各地實現大規模的應急救援培訓。

3)在火災救援場景方面的設定尚不完善，在下一步的研究中將致力于開發更豐富的學習場景，力求應急救援培訓系統和科目的多元化。