基于虛擬現實技術(VR)的校園安全消防實訓系統研究

姬磊， 孫芝嬈

（西安翻譯學院，陜西西安，710000）

1 虛擬現實在消防領域的研究現狀

隨著虛擬現實技術的發展發達國家較早的將此技術用于虛擬的消防訓練，并應用于實際訓練工作中，取得了較好的效果。

瑞典早期將虛擬現實技術應用到森林火災的預防與應對訓練中，RegoGranlund等人開發了一個系統，該系統適用于森林火災，可以用來訓練多種角色，包括消防員戰斗員、指戰員及指揮室的相關人員，當森林發生火災時這個系統可以以最快的速度獲取火災的相關情況，后方的人員可以根據現場的情況與前方戰斗人員或其他人采取相應對策，此外訓練結束后系統還可以回放，能夠通過觀看回放對訓練進行評估[1]。PAK KK等基于信息和通信技術、虛擬現實和離散事件模擬技術，研究了能夠再現大規模、多機構突發事件危險模擬系統。[2]

通過虛擬現實技術游戲方式可以使孩子對消防隱患形成認知，從而提升消防知識降低火災發生對孩子的傷害。國內的易濤等人針對化工災害應急演練與控制進行虛擬仿真研究，提出了化工三大類災害的概念及災害場的計算方法，建立了災害仿真Agent系統。馮德眾設計了針對礦井安全事故的具有智能虛擬交互控制和近似實戰條件下的場景模擬培訓功能的消防集成系統。羅月童等人實現了仿真度更高的火焰模擬并提供滅火交互功能，實現了模擬火災現場并進行消防訓練的目的。北京舉辦奧運會期間為避免出現消防事故，北京消防總隊與清華大學一起開發了消防訓練系統，模擬火災發生時可能出現的現象，并針對不同現象制定不同應急方案及消防部署[3]。2016年，馮蕊等人詳細分析我國現有的艦船消防訓練體系中存在的弊病，探討日后國內艦船消防訓練的主要發展方向。針對現在國內在艦船消防領域的問題，提出了構建新型科學高效的艦船消防訓練模式的觀點，新型的訓練模式包括利用虛擬技術模擬實戰場景進行訓練，劃分艦船消防訓練等級以及落實三級培訓體系等等。[4]

2 沉浸式消防演練系統需求分析

2.1 任務分析及描述

利用粒子系統技術模擬虛擬場景中煙霧和火焰的擴散，并根據煙霧和火焰各自的特點設計模擬煙霧和火焰擴散的算法。根據用戶的消防需求，開發基于虛擬現實的沉浸式消防演習系統。主要功能包括模擬滅火、逃生、救援、引導繩索拉伸、多人合作救援、搜尋火災隱患和漫游體驗場景。所實現的各項功能演練的操作流程需根據消防演練的實際操作流程和要求設計，尤其是粒子系統的實現首先要對粒子進行初始化，分析需要模擬的粒子特性從而確定其關鍵屬性，定義相關屬性的計算方法，分析粒子的消亡條件后判斷粒子是否滿足消亡條件[5]。為了節省硬件開支，提高渲染速度，可以首先使用正方形或球體來模擬微粒子。直到對運動形態滿意后，可進行粒子系統的正式渲染，包括加入粒子的透明度和紋理形狀等屬性的渲染。通過不斷的調整渲染參數，以使粒子達到視頻特效的預定要求。[6]其設計主要是為用戶提供操作培訓，保證用戶在具備一定消防知識和操作規范的前提下，通過沉浸式交互設備完成各項功能演練，從而對用戶進行有效的消防培訓。

圖1 消防演練系統需求分析

2.2 系統應用流程

整個系統的主要交互過程包括模擬滅火逃生演習和模擬救援演習。其中消防和逃生演練主要由現場的使用者和虛擬機器人完成。該系統為使用者提供消防和逃生訓練功能。模擬消防和逃生的交互過程可分為以下步驟：

（1）使用者在校園中循環行走，發現一處著火點，此時火焰類型屬于初級階段；（2）使用者找到火源附近的消火栓，拿取對應的滅火器對火源進行撲滅操作；（3）拿取滅火器的步驟為取出滅火器、拔掉保護銷、拿起滅火把頭，系統根據動作步驟判定滅火器是否正確使用；（4）使用者在正確拿取滅火器的前提下，開始對火源進行滅火操作；（5）如果滅火器噴射的物質能夠熄滅現有火焰，則系統確定滅火成功，用戶可以繼續在場景中繼續行走；（6）如果滅火失敗，會在現場播放逃生廣播，提醒用戶和師生逃生，要求用戶彎腰向指示方向逃生，系統會判斷用戶狀態并給出提示；（7）逃生過程中如果有卷簾門，則需要使用者關閉；（8）逃至電梯，此時系統會顯示不能使用此設備，則要求使用者經消防門處逃生；（9）逃至第一個消防門，此時系統會顯示門無法被開啟，使用者需要找到其他消防門并經過樓梯下樓；（10）直到逃出場景，系統會判定逃生演練的結果，如果成功，滅火和逃生演習會提示結束，否則，使用者需要再次進行相關演習，除非手動停止。

3 動態模型的制作和兼容

感知操作人員的交互意圖是人機交互過程中極其重要的一環，通常使用虛擬手套等接觸式交互工具來實現。[7]取滅火器與拿取其他物體功能相同，此功能需要進行碰撞檢測及獲取位置信息。設定用于交互操作的手柄與消火栓發生碰撞的距離，左手按側鍵為拿起滅火器觸發鍵，右手食指按扳機鍵為拔掉插銷觸發鍵，左手按扳機鍵為拿起鞘管觸發鍵。需要為場景的模型都構造軸對齊包圍盒進行粗略碰撞檢測，如果發生碰撞的為滅火器這種不規則模型就構造網格碰撞體進行細致檢測。為模型添加剛體，由于不需要與物體產生碰撞效果，只與其檢測是否接觸，因此如果找到要拿起的滅火器標簽且發生接觸時就執行觸發開始的函數，獲取用于交互操作的手柄按鍵判斷是否為設定拿起按鍵，如果檢測到用于交互操作的手柄與物體發生接觸，那么物體被設為用于交互操作的手柄的子物體，定義布爾型變量標記拿起為true，操作結束后執行觸發結束的函數，標記放下滅火器為false。此外該交互環節還可進行動態手勢識別，但動態手勢識別不僅要進行手的檢測和手的分割，而且還需要對手進行跟蹤，識別其動態特征，[8]功能實現較為復雜。

4 功能設計

4.1 報警功能

隨著國家義務教育的普及，學生數量逐年增加。學生團體的逐漸龐大，自然也就帶來了許多消防安全方面的問題。教室是學校最常見的場景，教師和學生也會將一天的大部分時間，消耗在這里，滅火演練也從這里開始設計。教室滅火場景的功能主要從以下三個方向設計：滅火、報警和逃生。報警系統分為兩塊：自動報警、和人工報警。報警功能的設計如下圖3所示。

圖3 報警功能設計圖

自動報警系統采用常規報警裝置（如煙感、溫度感應器），本系統中主要使用煙霧感應器進行報警，將信號傳到消防主機，通過消防可視化系統呈現在值班人員面前，再由值班人員去判斷并安排救援。這里的自動報警系統，主要是通過一些感應器，本場景使用煙霧感應器。當煙霧感應器接觸到煙霧的時候，將著火信號傳回學校的消防監控主機，監控主機中內置的可視化軟件將著火信息（著火地點和時間）展現到值班人員眼前。此處的值班人員將信息傳達給擁有專業知識并且深入掌握不同情況的校園師生，由相應人員根據火種、火情安排滅火方法。同時消防報警器響起，選擇播放消防廣播。教室滅火場景的功能主要從以下三個方向設計：滅火、報警和逃生，如下圖4所示。

圖4 教室滅火場景的功能圖

人工報警要求現場人員（這里主要是學生和老師）對消防常識有一定了解，撥打119火警電話，準確指出著火地點、著火時間和火情等信息，然后根據火情滅火或者疏散逃生。滅火時，學生和教師應該具備基本的消防滅火意識，能夠基本判斷火情，有一定的滅火能力。首先，從著火的物體來判斷著火的類型，然后選擇使用泡沫滅火器，或者是消火栓進行滅火。當火情達到一定程度時，由老師或消防人員組織疏散逃生。滅火功能是本場景中和使用者交互最多，也是使使用者最能親身感受到的功能，此功能的設計更加具體化，可視化。當處在VIVE場景中的演示者觀察到火源時，根據常識選擇是否斷開電源；按下消火栓箱的按鈕打開消火栓箱后，要求使用者根據火源選擇使用泡沫滅火器或者消火栓滅火。

4.2 疏散逃生功能

火情過大或者滅火失敗的情況下可以選擇逃生，或者由遠程的專業人員安排逃生。逃生時，場景中會出現逃生指示標志，并且消防報警器長鳴，廣播會同時播送逃生指示。現實場景中應該由消防知識較為豐富的老師、同學或者專業人員引導大家滅火。

5 結論

該系統的應用可以節省資源，在有效的消防應對訓練的前提下，減少人為因素造成火災的概率，具有身臨其境的特點，功能豐富，在當今社會有著不可或缺的應用。通過簡單輕松的游戲，內置自動打分和評判系統，讓使用者掌握基本的逃生滅火技能；使用真實場景模擬，讓使用者可以判斷不同程度的火情，提升滅火能力；通過專業知識的插入，讓校園師生可以深入掌握不同程度的滅火能力，以及滅火的禁忌，減少錯誤滅火發生危險的概率。