基于HoloLens的交互式火災演練系統設計

丁哲勇

摘要：消防應急救援演練工作在火災救援實戰中發揮著關鍵作用。現階段，消防火災救援演練工作，通常僅依據相關理論模型以及數據開展理論模擬，而這與消防應急實戰救援相去甚遠。通常火災戰備演練的方式、設備和設計會受限于多方面，特別是在石油化工場所的火災救援模擬演練。針對目前消防應急救援預案與演練模擬的現狀，開發了基于微軟Hololens全息虛擬現實裝置的交互式火災演練系統，利用實物器件和混合現實（mixed reality，MR）技術，可較好地實現對火災事故現場的虛擬仿真模擬。同時，在可視化的虛擬場景中可實現對現場的模擬，從而可驗證火災救援處置措施的科學性及實施性，進而提高消防指揮人員的應急救援決策和協作能力，上述措施可在一定程度上提高演練效率及實戰處置能力。關鍵詞：全息影像 ?虛擬現實? 混合現實? 火災演練系統

Design of Interactive Fire Drill System Based on HoloLens

DING Zheyong

（Shanghai Zhongying Fire Engineering Co.， Ltd.， Shanghai， 200040 China）Abstract：Emergency rescue plan and drill play an important role in the training and practice of fire fighting. At present， most of the fire prevention plans and drills are established in the stage of theoretical model and data inference. Usually， the method， equipment and design of fire readiness drills are limited in many ways， especially for the petrochemical site fire rescue drill， the actual organization and implementation requires the cooperation of multiple vehicles and multiple people， resulting in large resource consumption. Aiming at the present situation of fire emergency rescue plan and drill simulation， an interactive fire drill system based on Microsoft Hololens holographic virtual reality device was developed. Through physical device and Mixed Reality （Mixed Reality， MR） technology， simulate the construction accident， under the environment of the visual simulation exercises， to verify that the process of disposal measures adopted by the operability and scientific， thereby promote the commander of the command decision-making and collaboration with ability， emergency rescue， scientific Effectively improve the drill efficiency and actual combat disposal ability.

Hololen作為Microsoft公司設計開發的混合現實全息設備，采用HoloLens設備可以實現對現場環境的掃描，并結合SLAM技術完成對真實環境的三維場景重建，使得真實環境得以在虛擬模型中顯現^[6-7]。

基于視覺傳感器的SLAM技術通過攝像機獲取現場圖片信息及預處理;利用機器視覺標定出現場景的方向和位置;利用算法處理的后端，優化并有效消除數據處理的累積誤差，依據獲取的周圍環境數據建立環境地圖（見圖1）。

HoloLens設備將環境感知和深度攝像頭作為硬件載體。其中，深度攝像頭實現對現實環境的掃描，并計算出圖像的深度值，環境感知攝像頭的作用主要是感知HoloLens在周圍環境中的偏移量。綜合利用環境感知和深度攝像頭的功能，實現HoloLens獲知周圍環境中的確切位置，最后基于Kinect Fusion 算法完成三維現實場景的重建。

2? 交互式火災演練系統設計

交互式火災演練系統主要由球罐、浮頂罐等典型石油化工裝置組成，按照實物進行比例縮放后，制作實物模型。在構建出石油化工裝置實物模型的基礎上，并結合MR混合現實技術，制作電子沙盤，將不同事故災害后果以三維粒子動畫效果疊加到實物模型上，觀測災害后果及事故演化過程，為石油化工災害事故戰例研討、指揮訓練和復盤推演提供強有力保障。交互式火災演練系統包含場景化數據信息查詢、災害場景快速搭建、輔助決策分析、可視化模擬排兵布陣、作戰指揮等功能。

2.1 火災救援場景化演練數據信息查詢

以三維罐區模型為識別入口，通過HoloLens識別三維罐區并進入場景。可實現快速有效識別、實時查看場景圖像信息、消防設備設施運行信息等。交互式火災演練系統將現場設備的信息與三維場景相融合，可實現在火災模擬演練場景中精準、便捷地查看定位設備位置、屬性等信息（見圖2）。

2.2 火災場景構建功能交互式火災演練系統中為用戶提供了個性化的數據模型，具體包括天氣模型，并可依據消防演練的實戰化作戰實際情況，通過設置環境風向、風力等具體天氣動態信息因素，進行消防火災救援實戰化模擬訓練。依據不同的著火設備和位置信息，交互式火災演練系統，為用戶提供了模擬現實狀態的火焰數據模型、化工原料泄漏形態，上述數據信息可在三維場景中自定義設置，并能夠在短時間內完成一個科學合理的事故虛擬環境的搭建（見圖3）。

2.3 輔助決策分析功能

在交互式火災演練系統中，根據消防應急救援的實戰化作戰實際需求，在系統中個性化的設計了火災熱輻射數據精準分析模型、物料爆炸分析模型、儲罐沸溢時間估算等模型。同時，交互式火災演練系統依據具體的災害分析功能，可以實現在模擬場景中，實時可視化呈現具體分析結果（見圖4）。

2.4 可視化戰略部署功能

交互式火災演練系統內部，按照消防火災救援實戰演練的需求，事先在系統內部預置了多種類型的消防處置、救援裝備，主要包括消防救援車輛、消防機器人、化工園區場景以及其他消防裝備資源。通過該系統進行火災救援場景的模擬訓練時，消防應急救援人員到達火災處置現場之前，可開啟火災現場的相關消防系統，包括罐體噴淋系統、固定消防炮等，消防力量到場之后，消防應急作戰指揮人員，可依據作戰方案完成車輛及裝備的可視化戰略部署操作（見圖5）。

3? 結語

本文闡述分析的交互式火災演練系統充分融合了傳統沙盤及桌面演練模擬的技術優勢，并有效利用三維仿真和虛擬現實技術，在整個火災應急救援的模擬演練過程中，消防應急救援演練參與人員，僅需要通過“人-機”交互控制的方式，便可完成對消防火災應急救援現場三維虛擬場景的操作。同時，交互式火災演練系統可實現現場信息查詢、災害情景構建、輔助決策分析、車輛及人員部署及作戰指揮，滿足消防隊日常集培訓、考核、演練推演一體化的綜合應用。

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