VR 技術(shù)在高層建筑火災(zāi)撲救教學中的應(yīng)用

孫俊龍

應(yīng)急管理部消防救援局昆明訓練總隊（650000）

0 引言

VR（Virtual Reality），即虛擬現(xiàn)實，是一種能夠創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真技術(shù)；它利用計算機生成一種交互式的三維動態(tài)視景，其實體行為的仿真系統(tǒng)能夠使用戶沉浸到該環(huán)境中。作為21世紀多媒體技術(shù)的一大突破，VR 以其沉浸性、交互性、多感知性、構(gòu)想性及自主性等獨特優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于影視、娛樂、軍事、教育、醫(yī)學、設(shè)計等領(lǐng)域。與此同時，越來越多的教育工作者加強了對VR 技術(shù)的研究。在此背景下，VR 技術(shù)在高層建筑火災(zāi)撲救教學中也得到了應(yīng)用。

1 在高層建筑火災(zāi)撲救教學中運用VR 技術(shù)的意義

高層建筑火災(zāi)撲救是一門偏重實踐的課程，其教學目的是培養(yǎng)具備理論知識和實戰(zhàn)能力的初、中級指戰(zhàn)員。但是，理論教學往往停留在“學戰(zhàn)術(shù)、看戰(zhàn)例、搞想定”的層面；實操教學出于時間、成本、安全方面的考慮，也無法將實訓場景全部還原成真實、復雜的火場環(huán)境。這就使得課堂知識不能完全轉(zhuǎn)化為實戰(zhàn)能力[1]。

利用VR 技術(shù)構(gòu)建高層建筑火災(zāi)現(xiàn)場模型，渲染營造出具備真實感的高溫、火焰、濃煙、黑暗等火場環(huán)境氛圍以及轟燃、回燃、墜落、坍塌等突發(fā)危險因素，并根據(jù)教學需要設(shè)計出人機互動、人人互動機制，可以讓參訓者仿佛置身于“真實”的火災(zāi)現(xiàn)場，親自體驗滅火戰(zhàn)斗的整個過程。這既能夠把傳統(tǒng)的“說教式”教學轉(zhuǎn)化為“體驗式”教學，強化參訓者對專業(yè)知識的認知與理解，又能夠提高參訓者的興趣和情感體驗度，在無限貼近“真實”的基礎(chǔ)上達到實訓的效果。特別是其具備的可逆性、容錯性、安全性以及成本低的獨特優(yōu)勢，更是讓參訓者在避免因操作不當而導致安全事故的同時，可以通過反復的模擬訓練，強化、鞏固和反思自己的專業(yè)知識技能及應(yīng)急處置能力，同時也節(jié)省了演訓場地的建設(shè)成本。

2 應(yīng)用的原則

2.1 標準化

運用VR 技術(shù)對高層建筑火災(zāi)現(xiàn)場進行模型搭建、情景渲染、場景交互，應(yīng)當符合“國家綜合性消防救援隊伍對典型火災(zāi)撲救行動指南” 中的基本處置程序、行動要點和安全要求，遵循消防法規(guī)的相關(guān)標準和技術(shù)規(guī)范。要以高層建筑火災(zāi)滅火戰(zhàn)斗的概念、思想、原則和方法為依據(jù)，以現(xiàn)場滅火戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用、滅火行動的組織與實施、行動的安全措施等為重點，貫穿火災(zāi)危險性分析、撲救的基本對策、滅火技戰(zhàn)術(shù)和行動組織的方式與方法等流程，覆蓋高層建筑火災(zāi)撲救中涉及的偵查、決策、評估、指揮、處置以及對固定消防設(shè)施的應(yīng)用等環(huán)節(jié)，做到科學合理、符合災(zāi)情客觀實際，通過合理運用技戰(zhàn)術(shù)措施，嚴格落實作戰(zhàn)安全規(guī)程，不斷提高科學施救、安全處置水平[2]。

2.2 真實性

高層建筑火災(zāi)場景、設(shè)備、器具的模型需與實際情況一致，人物模型、著裝符合消防救援人員著裝標準； 在模型精度與貼圖精度上達到模型制作規(guī)范要求，保證視覺效果逼真；通過透鏡原理，讓參與者透過VR 頭戴顯示器所看到的虛擬物體物理尺寸都與實際物體大小相同，不能產(chǎn)生視覺印象失真現(xiàn)象和眩暈感。另外，三維模型制作過程中需特別關(guān)注模型效果，確保模型三維立體效果的還原。將虛擬場景作為固定參照系，模擬現(xiàn)實世界中人走動而景不動的視覺習慣； 動畫渲染過程需搭配合理的燈光設(shè)置與渲染設(shè)置，確保視頻的場景效果真實。體驗者可以上下左右360°無死角觀察、體驗虛擬場景，將設(shè)計物體直觀地呈現(xiàn)在眼前，可以多人、多角度觀看；場景與鏡頭設(shè)計應(yīng)充分考慮三維場景的特點，通過鏡頭和設(shè)計手法增強三維效果[3]。

2.3 交互性

通過人機互動，能夠真實模擬火災(zāi)現(xiàn)場人與物之間的關(guān)系，如在高溫、火焰、濃煙、黑暗等復雜火災(zāi)現(xiàn)場環(huán)境中，環(huán)境與人互相作用發(fā)生相應(yīng)變化的效果；又比如發(fā)生轟燃、回燃、墜落、坍塌等突發(fā)事件時的正確處置對策。設(shè)置空氣呼吸器、噴霧水槍、消防斧、無齒鋸等保障呼吸、控制火勢、驅(qū)散煙霧、破拆的裝備器材，對實戰(zhàn)環(huán)境中不同裝備、器材的作用效能進行模擬。又或是特殊環(huán)境下，需要參與者采用蹲下、奔跑、抱、抬等動作，實現(xiàn)特殊區(qū)域的通過、被困人員營救等目標。此基礎(chǔ)上，凸顯協(xié)助、掩護、互救等班組協(xié)同作戰(zhàn)體驗，即對火災(zāi)現(xiàn)場協(xié)同作戰(zhàn)的作用效能進行模擬。

3 應(yīng)用模式

3.1 自主性培訓

利用VR 技術(shù)可以對場景進行高仿真模擬與虛擬交互，能夠模擬高層建筑火災(zāi)現(xiàn)場真實環(huán)境下的事故情況和操作影響，在開放的模型和可操作仿真模塊的渲染下，實現(xiàn)最大的操作自由度。參訓者可以沉浸式體驗高溫、火焰、濃煙、黑暗等真實環(huán)境，應(yīng)對轟燃、回燃、墜落、坍塌等突發(fā)危險因素，利用自身裝備及高層建筑中的固定消防設(shè)施，“真實”體驗偵查、戰(zhàn)斗、破拆、疏散、搜救等作戰(zhàn)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)從認知到實操、從體驗到融入、從警示到觸動的全流程覆蓋，對參訓者的綜合能力有一個直觀性的考驗。參訓者通過虛擬高層建筑火災(zāi)的親身經(jīng)歷，可以深化專業(yè)知識、掌握應(yīng)急處置流程[4]。

3.2 合作性演練

通過網(wǎng)絡(luò)平臺實現(xiàn)多人同時在同一虛擬場景中實時演訓，對高層建筑火災(zāi)撲救過程中所有戰(zhàn)斗員的崗位職責進行仿真，體現(xiàn)班組戰(zhàn)斗時互相掩護、協(xié)作分工、協(xié)作完成、實時通訊等協(xié)同作戰(zhàn)場景。例如火勢較大時，需多人同時使用水槍才能成功滅火；火場環(huán)境復雜時，需要班組隊友掩護作戰(zhàn)，才能通過指定區(qū)域，成功營救被困人員；班組隊員因為突發(fā)情況或是操作失誤時遇險，其他隊員可前往救助等。讓參訓者通過多人協(xié)同模擬演練，逐步提高自身的協(xié)同作戰(zhàn)能力。

3.3 綜合考評

自主性培訓或合作性演練完畢后，系統(tǒng)可根據(jù)個人及班組的實際操作、操作流程以及是否完成滅火救援任務(wù)等情況，結(jié)合既定的滅火戰(zhàn)斗演練預(yù)案、典型火災(zāi)撲救處置程序、行動要點和安全要求等，對其進行綜合評分。模擬演訓評價系統(tǒng)能夠指出參訓者面對高危火災(zāi)現(xiàn)場及不可控意外因素時出現(xiàn)的錯誤判斷及操作失誤，參訓者可反復、多次練習，摸索、總結(jié)出實戰(zhàn)經(jīng)驗和策略，優(yōu)化行動方案。通過量化的綜合考評，可以幫助參訓者在保證安全的同時，以“親身經(jīng)歷”的方式感悟作戰(zhàn)技能，并有針對性地加以改善和提高。

4 面臨的挑戰(zhàn)與建議

隨著時代的發(fā)展，VR 技術(shù)將會在高層建筑火災(zāi)撲救教學乃至現(xiàn)代消防領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，同時也面臨一些挑戰(zhàn)與困境：①自身軟硬件配置與用戶期待達到的使用效果還有一定差距，特別是軟硬件的局限性會影響使用者的沉浸式體驗效果，且缺乏較佳的感官反饋，從而影響使用效果；②VR技術(shù)與高層建筑火災(zāi)撲救教學乃至現(xiàn)代消防領(lǐng)域的融合還不夠契合、深入，由于開發(fā)者本身對消防領(lǐng)域?qū)I(yè)知識缺乏足夠的認識，導致現(xiàn)有產(chǎn)品還停留在游戲性、趣味性和體驗性的層面；③參與各方尚未完全適應(yīng)基于VR 技術(shù)的新型教育模式和理念，對于如何運用VR 技術(shù)推進教學模式、教學理念、教材的改革以及教學平臺的建設(shè)等課題，仍需深入研究[5]。

因此，應(yīng)正確認識VR 技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)與困境，緊抓發(fā)展機遇，首先是從國家層面加大對VR 技術(shù)應(yīng)用和創(chuàng)新的扶持力度，推動VR 技術(shù)從先進性向普及性發(fā)展，鼓勵各個領(lǐng)域開展VR 技術(shù)的研究與應(yīng)用；其次是從VR 技術(shù)與高層建筑火災(zāi)撲救教學的融合應(yīng)用入手，深入挖掘VR 技術(shù)與建筑火災(zāi)撲救教學乃至現(xiàn)代消防領(lǐng)域的契合點，著力在信息化、實戰(zhàn)化、現(xiàn)代化方面推動消防教育事業(yè)和現(xiàn)代消防技術(shù)的革新；最后是倡導理念創(chuàng)新，打破陳舊觀念，批判性地學習和掌握VR 技術(shù)，從使用對象的實際需求出發(fā)，做好基于VR 技術(shù)的輔助教學設(shè)計，對VR 素材進行把關(guān)與過濾，全面推進教育、教學、教材的改革。