基于VR技術的防災虛擬演練平臺

李雨欣 郭大為

摘要：基于VR技術的防災虛擬演練平臺以VR技術為依托，為各學校提供模擬的各種逼真場景安全演習如火災、地震等突發事件。學校可以利用這些場景來進行各種應急演練及安全的災難現場，參與者有身臨其境的感覺，同時新穎的安全教育方式更能提高同學們的積極性。另外，虛擬演練平臺建成后可隨時隨地投入使用，不受時間和場地的限制，每次開展演練和安全教育也不需要重新布置場景和道具，重復使用，降低了成本，提高了效率。

關鍵詞：VR技術;防災

現在國際、國內形勢十分的復雜，火災、洪澇災害、地震等各種各樣的災害時有發生。人的生命重于泰山，因而國家十分重視安全工作，各學校每年都要組織開展一定數量的消防、地震等應急演練。雖然以前開展了一定數量的應急演練，對各種突發事件也有預案，但演練時好多人總是漫不經心，對演練毫不重視，更有甚者演練直接成為了形式主義，這些都是對生命極其的不負責任的行為。因此通過VR技術來模擬出來的災害場景，令演練場景更加逼真，演練時的氛圍變得緊張嚴肅，除此之外，在進行傳統的應急演練時，絕大部分危險場景中的各種意外無法體現，但借助VR技術就可以在虛擬場景中實現，這樣就可以使大家身臨其境，從而具有更豐富的應對危險的經驗。同時，制作出一套成熟的系統可以重復使用，同類型的演練在不同單位還可以通用，因此，從長期看可以大大降低時間和金錢的成本，人員組織也會相對容易。

一、技術

1.1 基本原理

防災虛擬演練平臺利用VR技術以應急預案為藍本，以動態可視化的事故劇情為主線，三維可視化的協同演練環境為平臺，多層且多角色的協同演練為手段，構建了逼真的場景，為應急指揮及處置人員提供了應急預案的演練腳本數字化、演練場景自主化。

VR技術利用了空間為用戶提供了視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感官的虛擬，用戶使用后會產生一種身臨其境的感覺。可以說VR技術就是在計算機中構建一個完全虛擬的世界，并將我們的感官帶入到這個世界中。

1.2 關鍵要素

（1）虛擬環境：虛擬環境是VR專家借助編程渲染技術創建的人工的3D世界。在這個環境下，用戶可以互相交互，也可以同人工對象交互。在虛擬環境中，用戶的視覺視角會實時影響其感受甚至物理反應。

（2）浸入：浸入是對虛擬環境中物理存在的感知。當這種環境越真實時，用戶的體驗就越自然。除此之外，以下兩種浸入類型會影響用戶滲透到虛擬環境中的深度：

心理浸入：心里浸入是用戶如何感知虛擬世界。這是一個人對自己所見事物的反應深度。

物理浸入：物理浸入是用戶對虛擬環境的物理反應。它包括動作、可見的情感和互動。

（3）感官反饋：任何VR技術的開發人員都會了解，當虛擬環境中所涉及的人類感觸越多，這個虛擬環境就越真實。除了需要激活視覺和聽覺之外，還需向用戶提供觸覺的反饋，來正確的模擬現實的世界。在一個VR系統中可能包含特殊的硬件，如均由VR軟件管理的感覺手套或手控制器。

（4）交互性：交互性是高級的虛擬體驗中的固有成分。簡單的VR應用程序僅僅依賴視覺與聽覺，復雜的VR應用程序可以允許用戶與虛擬的三維對象進行實時的交互。如果沒有交互性元素，用戶就將無法像在現實世界中的那樣真實地感知到虛擬環境。因此交互對于VR用戶的體驗至關重要。

（5）分類目錄：根據現實水平，VR可以被分為三個主要的類型。而每個類型都會提供自己的沉浸度，從而使用戶能在不同的參與度下體驗虛擬的世界。

（6）非仿真式沉浸：在并非身臨其境的虛擬環境中，用戶可以保持同現實世界的強大的視覺聯系。它擁有最少的沉浸式VR實現方式，僅僅刺激人類感覺中的一部分。為實現非沉浸式VR，開發公司會使用具有平均處理能力的硬件，例如標準分辨率的顯示器或臺式機。

（7）部分沉浸：與非仿真式沉浸相比，部分沉浸式VR為用戶提供更加逼真的體驗。例如，大量的飛行或者賽車模擬器的使用，在高分辨率的屏幕或高端的投影系統上再現了半沉浸式虛擬現實，這些虛擬現實可以充分地刺激了用戶的視覺系統，使體驗更加逼真。

（8）完全沉浸：高度詳細的虛擬現實是完全沉浸式的模擬。在這些虛擬環境中，用戶會完全的失去了與現實世界的聯系，并且會深入滲透進虛擬世界。完全沉浸式的模擬涉及到人類的全部感官，包括視覺，聽覺和觸覺。通過使用HMD、運動檢測硬件和手動控制器，使沉浸式VR類別成為可能。準確的觸覺反饋、高分辨率的圖像、詳細的3D圖形以及高度的交互性可以提供逼真的虛擬現實的體驗。而VR技術如何實現完全沉浸技術則是由兩個重要的組件來提供支持：借助VR技術開發的軟件和硬件。VR技術的主要目的是形成人造的3D環境，且沒有電視或者筆記本電腦屏幕中的任何幀或屏的概念。該概念與在AR中應用的概念是相反的， 后者只是將真實的環境同計算機生成的內容疊加起來。

二、應用

2.1 具體目標

基于VR技術的防災虛擬演練平臺目的在于開發一個針對學校的虛擬演練平臺系統，主要開發消防疏散、地震疏散、公共衛生事件疏散等模塊，作為基礎虛擬演練平臺系統。還可根據學校客戶的個性化需求開發相應的模塊，形成適合學校客戶的虛擬演練平臺系統。

2.2 市場分析

現在VR技術越來越成熟 ，很多以前無法實現的事現在借助VR技術就可以實現，同理學校可以借助我們平臺提高演練效果。學校作為人員密集場所，學生又大都缺乏應對突發事件的經驗，經常開展有效的應急演練是十分必要的。應急演練的市場需求是比較大的。現在VR技術飛速發展，通過VR技術制作的虛擬場景已經十分逼真，完全可以滿足虛擬應急演練的要求。虛擬應急演練可以讓參與者感覺到很強的代入感，角色模擬十分逼真，適合學生這個群體。同時，一套系統可以多次重復使用，既能達到強化效果，又不增加額外成本，經濟效益明顯。虛擬應急演練的市場前景比較好。

2.3 應用舉例

2.3.1 火災

通常來說，當人們處在陌生環境時會很大可能認真地留意安全通道，但若是處在再熟悉不過的環境，例如學校或者宿舍等，人們恐怕就不會去留意安全通道。而學校中的消防安全問題是歷年來在社會中最受關注的民生問題。安全通道在火災發生時極大可能會是最重要的逃生道路，但是宿舍中的隱患會直接阻礙火災的逃生以及救援的效率，但傳統的校園消防安全教育很多僅僅只是文字說教，少數會舉行演練，而在少數的演練中絕大部分人都漫不經心，不能起到很好的的作用。但利用VR技術來進行消防安全演練形式新穎，可以令學生體會到身處環境的危險，使學生在演練時認真起來。

具體來說，當火災開始蔓延時風向如何，如何根據風向來判斷應該往哪里逃生等，這些場景更需要的是逼真場景的演練。例如，通常當發生火災的樓層處于自己所在的樓層之上時，應當迅速向樓下跑。除此之外，逃生時應當注意盡量隨手關閉通道上的門窗，以延緩甚至阻止煙霧向正在逃離的通道擴散。這一項在VR虛擬火災場景演練中就有所涉及。

一般情況下，當宿舍發生火災時第一時間應該及時匯報告給宿舍的值班員，并迅速報警。在VR虛擬的場景中，逼真的火勢、運用濕毛巾來捂住口鼻、彎曲身體來逃生等都可以實現。當面對濃煙和烈火時，VR技術可以指導體驗者保持鎮靜，且迅速判斷危險的地點和安全的地點來決定逃生的辦法，并盡快地撤離險地。在面對滾滾的濃煙和熊熊的火焰時，只要冷靜機智地運用火場自救與逃生知識，就會極大可地能拯救自己。因此，盡可能地掌握多一些的火場自救的要領，在困境中也許就可能獲得第二次生命。除此之外，VR技術可以讓體驗者嘗試操作滅火模型，掌握正確的滅火操作，為逃生贏得更多的生機。

2.3.2 地震

在地震逃生中，自救的時間與我們的生命安全息息相關。VR技術可以發揮重要作用。

專家認為：在地震發生時，最科學的辦法就是就近躲避，在震后迅速地撤離到安全的地方。VR技術可以模擬當學生處于室內并發生地震時，可以選擇躲在結實的且可以掩護自己身體的物體的下方或旁邊、形成三角空間的地方、小且有支撐的地方等來保護自己。學生可以根據提示來選取蹲下或坐下的措施來降低自己身體的重心，并抓住牢固的物體以此來避免自己受到過多的傷害。

雖然在虛擬場景中你會處于危險之中，但是在現實中你其實依舊平安無事，這也是傳統演練中不可及的地方。隨時隨地可進行各種各樣的地震場景的預防演練，并且能獲得與真實演練一樣的經驗，除此之外還可以體驗到真實演練所不能體現的場景，以此來豐富學生們對防震知識的理解，同時也不會因為操作失誤而造成生命危險。地震的發生尚且不能預測，但我們需要具備面對地震時的應對能力。

災難發生時留給我們的及時作出反應的時間十分短暫，在此之間我們感受到的更多的是由地震而引起的安全事故。例如：地震引起的踩踏事件、火災、泥石流、山體滑坡等都會令人失去生命。而針對這些安全事故，學校的傳統演練都是由老師來直接指揮，有序按照預設的路線逃走。但發生地震時老師也面臨著危險，這時老師如何進行自救？而VR技術的普及無疑會讓我們可以在自主情況下很大可能的幸免于難。

參考文獻：

[1] 宋文琦，陶鵬宇，邢瑞澤.基于VR技術的火場求生訓練系統開發及應用[A]. 2020中國消防協會科學技術年會論文集， 2020.

[2] 汪東.VR技術在森林防火教學中的應用初探[J].森林防火，2020（04）.

作者簡介：

李雨欣（1999—），女，漢族，遼寧省大連市人，大連交通大學理學院2017級信息與計算科學+軟件工程在讀學生，專業方向為信息與計算科學、軟件工程

郭大為（1986—），男，滿族，遼寧省撫順市人，職務：大連交通大學理學院團委書記，職稱：副教授，學歷：碩士研究生，專業方向為雙創教育