多模態虛擬實戰教學設計在消防訓練中的應用

（浙江安防職業技術學院,浙江 溫州 325016）

消防工作是關系到人民安居樂業、社會穩定安全的大事，而我國消防的教學傳遞與專業培訓遠低于實際需求，同時常規的消防演習也很難讓人產生代入感，達不到訓練的目的；現實的實戰化模擬訓練則涉及高危或極端環境、不可及或不可逆的操作、高成本或高消耗、超大型的實驗教學內容。相對于傳統的消防訓練而言，虛擬仿真技術則具備高仿真、低成本、高安全、可重復等多個優點，為實現多維度變化需求的消防實戰化教學訓練提供了一個新思路[1]。

1 目前虛擬消防教學應用的研究情況

隨著虛擬現實技術的發展，發達國家較早將此技術用于消防訓練，并在實際訓練工作中，取得了較好的效果。例如，卡耐基麥隆大學和消防局合作開發的危險化教學事故應急救援訓練系統，以虛擬交互強化專業人員的救援操作能力，鞏固救援之手的基礎儲備；奧地利維也納工業大學研發的移動式虛擬現實可穿戴顯示系統ProFiTex，可幫助專業受訓者在模擬快速到達火災現場，同時將數據實時傳輸到作戰指揮中心，且數據反饋回受訓者穿戴的數據頭盔上執行作戰指導的教學訓練模式。在國內，中國科學技術大學和中國礦業大學合作，針對大空間建筑火災的特點，建立了大空間建筑火災VR系統，為消防工程專業教學提供虛擬實戰訓練；后勤工程學院開發了油罐火災滅火指揮計算機模擬訓練系統，為專業學生提供虛擬實戰類型的解決方案路線和操作流程；中國礦業大學安全工程學院消防工程研究所與奧雅納工程有限公司合作開發高鐵站虛擬現實火災人員逃生訓練系統，不僅為消防工程學生提供了逃生教學訓練，加強了技能實操的能力，又針對建筑的消防設計提出了改進措施，讓學生學以致用、創新發展[2]。

2 虛擬交互設備發展概況

虛擬交互設備能夠幫助人們與多維的VR信息環境進行自然地交互，在虛擬情境中感受實際所需的感官需求。但目前的反饋形式基本上是通過相關交互設備上的各種傳感器產生的，比如智能感應環、溫度傳感器、光敏傳感器、壓力傳感器、視覺傳感器等，通過震動、脈沖電流等形式讓皮膚產生相應的感覺。常見的虛擬交互傳感器設備有Dexmo、StompzVR、Teslasuit、Tactai Touch等可以切身感受到虛擬現實環境的變化。其中典型代表Teslasuit體感服，它擁有68個觸覺點，11個動作感知傳感器，內置計算單元，可兼容多個系統和開發平臺，其優勢特性已經在醫療和軍事培訓上進行擴展應用。

3 多模態虛擬實戰教學設計在消防訓練中的應用優勢

多感官融合的虛擬消防實戰化教學訓練，從創新教學發展及設計方式出發，提供了多功能采集、多感官交互的實戰化集成方案，并逐漸成為信息時代人們教育教學改革的重要組成部分[3]。

3.1 趨于實戰化訓練，提高學習興趣

針對傳統的消防知識教育，平面式、單一化的授課形式很難提高受訓者的興趣，而教學實施虛擬實感交互設計，能夠大幅度提升受訓者體驗實戰的感受，強化知識點的傳遞。虛擬仿真教學設計可以很大程度改變課程設計的直觀性和趣味性，面對虛擬仿真建設的立體實戰內容設計，其交互形式與逼真效果也容易激發受訓者的學習興趣和拓展發散性思維。

3.2 提高教學效率，強化教學目標

通過多種傳感設備模擬仿真訓練，盡管不能完全與實操相比，但能夠大幅度減少時間與空間的限制，提高訓練的效率與效果，完成訓練目標。仿真實訓通過虛擬環境與實感交互設計，可以幫助受訓者快速熟悉操作流程與操作方法。

3.3 打破時空限制，提高訓練標準

在消防實操訓練中，設備的數量、場地的需求、環境的變化、災害的控制等因素都會降低實操訓練的標準。而多模態虛擬消防實戰化模擬則可以再現環境、增強交互、實時控制，不受時間、空間和人員的限制，自由、快速地無限次進行操作訓練，增強交互反饋的實戰經驗，強化認知實戰需求的高標準性。

3.4 節約成本支出，降低器材損耗

在實踐環節，為了更好體現實戰化的教學理念，受訓者一般要通過認知、模仿、練習、反饋矯正等多個階段，而高成本、高消耗、超大型的實驗教學內容往往會因一項技能操作的反復訓練導致過高的成本支出與資源浪費。通過多模態虛擬仿真實戰化的模擬建設，全面反映出事故現場的實訓環境和體驗感，不僅能夠重復再現各種訓練情境，還能感受真實的訓練回饋信息，有效彌補實訓設備與師資的不足，減少設備損耗，節約成本。

3.5 減少安全隱患，提高教學質量

在實操過程中，大部分情境都涉及高?；驑O端環境、不可及或不可逆的操作危害，如煙火環境的火量控制、建筑坍塌的碰撞危害、高危救援的復雜工作等都存在人員傷害的危險。通過多模態虛擬仿真實戰化的教學設計訓練，讓受訓者置身高度仿真的實驗技能教學環境中，強化交互形式，構建思維體系，提升對理論知識的掌握和實踐操作的理解，避免潛在的危險，有效保障受訓者的生命安全[4]。

4 多模態虛擬消防實戰教學的設計應用

根據目前虛擬消防訓練的仿真實戰化需求，其交互體驗應更趨于實戰化模擬形式，具備消防裝備仿真、故事情境仿真和設備回饋仿真。

4.1 消防裝備仿真

根據消防員的服裝和裝備特點，進行外形、重量、質感等仿真改造，并在各個設備的操作點位置加入追蹤器和感應器，為虛擬仿真添加更真實的交互體驗。對于消防裝備的仿真通過簡單的鼠標、鍵盤、手柄等交互設備來替代實體的操作使用，將失去實戰化訓練的實感建設意義，為了能夠增強實戰體驗的真實感受，應實現虛實的雙仿真建設，不僅要建立虛擬模型的真實造型，同時也要感受現實設備的體驗過程。通過手持的仿真設備，建立信號追蹤器和設備控制感應器，捕捉受訓者的動作，將信號傳遞到虛擬設備中，呈現虛擬的實施畫面，完成虛擬實戰化的訓練指標[5]。

4.2 故事情境仿真

故事情境仿真主要是通過植入真實的消防故事案例和消防情景演繹，其內容有三維場景的仿真建設、災害環境的效果制作、輔助決策的分析設置、作戰指揮的可視化模擬。

4.2.1 三維場景的仿真建設

三維仿真場景主要以結合二維高清圖與三維模型無縫銜接為主，實現最大化的高質量畫面。三維部分通過3ds max軟件對消防設施、建筑物、路段信息等現實情況進行建模制作，同時根據周邊的居民情況、消防措施和醫療機構等基礎輔助進行合理建設，并且根據情境的演繹進行模型的二次加工，增強訓練模擬的真實度變化[6]。

4.2.2 災害環境的效果制作

災害環境的模擬效果是情境仿真的一個重要輸出，例如火災事故的火焰形態、泄漏事故的爆炸狀態、坍塌事故的碰撞效果和特殊天氣的氣象條件等形成的虛擬環境是搭建科學合理的故事橋梁。還可根據具體的時間、空間和情節的需求，制作多組環境的模擬變化，來調節故事情境的演繹變化，建立逼真的現場環境。

4.2.3 輔助決策的分析設置

通過災害輔助分析，判斷情境變化，推演出場景可視化的呈現分析結果。在故事情境中，會根據所設置的時間、空間、情節的變化而演變結果，將不同的火焰形態、爆炸效果、滅火劑量等交互形態進行計算浮現，計算出專業的模型變化形態和數據分析結果。除此之外，輔助工具與預案分析功能也是必不可少的，根據所學的消防知識使用工具推演出災害的變化過程與救援的作戰預案[7]。

4.2.4 作戰指揮的可視化模擬

在三維仿真場景中，現場的消防設施、交通變化、作戰指揮等預案分析都是消防訓練的重要操作。通過上帝視角的可視化作戰模擬，對車輛及裝備資源的調度調配、現場消防的使用情況設置出最優的進攻及撤離路線和消防作戰的最佳方案[8]。

4.3 設備回饋仿真

面向受訓者的虛擬消防專業訓練考核，設備的回饋信息是設備與感官的語言交流。為了更好地完成人與計算機之間的信息交換過程，交互設備的傳感信息不能局限于震動和聲音，要完善更多更全的感官享受，如目前Skinterface觸覺模擬裝備，它可以通過矩陣式磁聲震動貼片布滿全身，通過發出不同振動頻率使使用者產生不同的觸感，模擬細微的擁抱、風吹等體表觸覺變化[9]；還有Tesla Studios推出的Teslasuit虛擬現實裝備，通過密集的運動追蹤器和溫度感應器來捕捉使用者的動作，并通過電脈沖信號來提供觸覺反饋等。由此，消防裝備中同樣可以通過設備的傳感器設置信號，觸發控制傳遞各類交互反饋，如消防器械使用的震動感、火焰燃燒身體的炙熱感和電閃雷鳴的視聽感等實感交互信息，提供精細的感官享受，實現虛擬實戰化訓練的目標。

5 現有虛擬消防訓練的不足及發展方向

目前的交互設備很容易受環境和使用不當等因素影響，產生畫面中斷和卡頓，導致受訓者在虛擬訓練中受到干擾，嚴重影響虛擬訓練的沉浸感。這就需要硬件的不斷提高，軟件采集和算法的不斷完善。除此之外，情境的逼真性與設備的交互反饋應用，也同樣需要不斷推演和開發，強化情境演繹過程的可視化研究，應用開發更多的消防教學設計，實現戰術訓練的多元化，推演和設計出更多逼真、實感的情境變化?，F有的虛擬消防訓練系統主要針對培訓和設備使用，不應該停留在現有的基礎教學，應推廣和開發更多廣泛的大場景、重情節、強訓練、高交互的虛擬消防實戰化教學設計，進一步研究虛擬情境中煙霧、氣味等反饋技術，促進更多的反饋感知訓練系統的開發與運作，提升虛擬消防實戰化演繹的備戰需求，打造出一個集視、聽、觸、玩于一體的虛擬消防實戰化教學訓練系統[10]。

6 結語

通過虛擬仿真的再現技術與多感官融合的交互手段相結合，應用到消防訓練的實戰教學中，有效地提高了受訓者的消防意識和技能，為消防員的訓練提供更為全面、詳細、生動的交互體驗。隨著科學技術與交互手段的進一步研究與開發，虛擬消防的情境演繹也將更為真實、細膩，實感交互設計的實時性與交互性也將進一步提高。真實、互動、開放、共享的虛擬消防實戰化訓練將為眾多消防人員帶來前所未有的感官新體驗，提升消防人員的戰斗力水平。