3D視景仿真在消防滅火救援訓練中的應用研究

作者簡介：

蘇鵬（1986- ），男，漢族，河北故城人，本科，研究方向：滅火救援。

摘要：

在新時代背景下，消防救援隊伍的任務主要集中在滅火行動、緊急搶險和為社會提供救助上。隨著城市化進程的加速，各種新型火災頻發，對消防隊伍提出了更高要求。為了有效應對這些挑戰，制定面向特定情況的緊急應對預案以及按照預案進行定期訓練和模擬演練變得尤為關鍵。本文將針對3D視景仿真在消防滅火救援訓練中的應用途徑展開詳細分析，以供參考。

關鍵詞：3D視景仿真；消防；滅火；救援；訓練；應用

引言

隨著城市化的快速推進，消防安全挑戰日益增加，火災的突發性和不可預測性給救援工作帶來了復雜性。面對這些難題，消防隊伍必須詳細分析影響救援效率和安全的關鍵因素，并根據這些因素采取有效措施。通過持續改進和創新，確保能迅速有效應對各類火災事故。

一、消防模擬訓練內容

模擬訓練在消防領域扮演著至關重要的角色，其主旨在于通過構建與實際災難場景相仿的訓練環境，將消防救援人員及必要的設備融為一體，從而在模擬高壓環境下，達到磨練技能、提升意志的效果。通過模擬各種復雜、多變的災害場景，消防訓練可以塑造出一個既安全又接近真實的教學平臺，確保消防救援隊伍在面對真實災害時，能夠憑借訓練中積累的經驗和技能，快速有效展開救援行動。為了使模擬訓練更加貼近實際操作，通常會引入現代化的教學手段和設備，如虛擬現實（VR）技術、模擬災害場景制作等，使消防人員在仿真環境中遇到的情境與真實災害盡可能吻合，從而提升應對真實災害的快速反應能力和決策水平。此外，針對那些特定類型的災害，如化學泄漏、高層建筑火災等，定制化的訓練內容也是教學大綱的一部分[1]。

二、消防模擬訓練內容

在傳統的消防訓練體系中，往往將重點放置在體能和基本技能培訓上。尤其是近年來，消防救援領域發生了多起人員傷亡事件，強化消防隊員的心理素質和臨場指揮決策能力成了培訓的新焦點。盡管沙盤演練等傳統方法在某種程度上對提高隊員應對能力有所幫助，但其模擬實戰的真實性有限，難以滿足高質量訓練需求。

隨著技術的進步，計算機技術廣泛應用為消防訓練領域帶來了創新。計算機多媒體和三維虛擬現實技術的結合，為消防訓練提供了前所未有的模擬環境。這種新型訓練方法能夠通過創建模擬現場，精準復現實際災害發生時的環境與情境，從而使消防人員在虛擬、貼近真實的環境中制定應對策略，提升處置各類災害的效率[2]。

通過模擬訓練，消防人員可以在無風險的環境下對各種災害情況進行深入學習與實踐。計算機系統允許教官和訓練者在實踐過程中，依據消防和救援理論基礎，對選定方案進行全面分析與評估，創造出接近實戰的動態模擬體驗。與傳統訓練相比，這種技術手段不僅能更準確還原實際救援場景，還可根據需要調整環境變量和訓練情景，多次演練，從而確保訓練的高效性和適應性。此外，整個訓練過程及結果易于記錄和回顧，便于后續分析和改進。

計算機輔助訓練最主要的優勢在于其成本效益高、安全性強且極具靈活性。它打破了地點和物理資源的限制，使消防救援人員能夠隨時處于準備狀態，快速適應各種復雜緊急情況。更重要的是，這種訓練方式突出心理素質和快速決策能力的培養，更貼合現代消防救援的實際需求[3]。

三、消防滅火救援模擬訓練系統的組成和功能

消防滅火模擬訓練的逼真度與效果是評估訓練系統功能展現的關鍵因素。為此，訓練的設計和實施，必須在現實操作的基礎之上，更好確立模擬系統的架構和運作模式。現代滅火和救援任務通常包括四個基本階段：接收報警和出動、戰術部署、應對災害和事后總結。在計算機輔助的模擬系統中，訓練內容的設置要依據現實情況對參數進行合理量化，即挑選出對局勢影響顯著的核心因素。通過這些核心因素構建出相應的數學模型，從而使指揮決策模擬活動得以順利推行。在整個訓練流程中，所有活動的觸發和進行情況，都必須建立在精確的數據信息基礎之上，這是保證模擬訓練可靠性的關鍵。

（一）訓練設置模塊

此模塊的核心任務是創建一個初始的火場模擬環境，涵蓋模擬的火場背景、隊伍布局以及所配備的消防工具和裝備。這一階段的設計至關重要，它設定了后續訓練的基礎條件，包括火場規模、火勢強度、現場復雜環境等因素。

（二）戰術處置模塊

在此模塊中，消防指揮人員將面對各種挑戰，如何有效生成滅火處置方案、進行輔助決策計算以及執行力量部署的精準指揮。該模塊不只是簡單指派任務，還包含了對每個命令功能的詳盡解析。

（三）處置評判模塊

作為模擬訓練的終極階段，此模塊的主要職責是對整個滅火過程中的戰術方案和執行情況進行全面評估和分析。通過對比訓練前的方案設計和訓練中實際指揮效果，對指揮者的決策能力和執行力進行客觀評價。此外，處置評判模塊還負責收集和保存訓練數據，以便未來回顧和學習，不僅為指揮人員提供反饋，同時也為訓練系統的優化提供參考[4]。

（四）動態顯示模塊

該模塊致力于將虛擬火場的全貌及細節通過三維圖像技術生動展現。該模塊依托先進的建模技術、圖像渲染技術以及分布式網絡技術，力圖將火場情景以最真實的形式呈現給訓練者。這一過程旨在加深消防人員對火場各類情境的理解和感知，提升其在復雜環境下的操作和決策能力。

（五）過程重演模塊

此模塊職責在于記錄整個模擬過程，使訓練過程可重演、可分析。這不僅方便訓練者和教官對訓練進行回顧分析，檢查操作中的不足之處，而且為戰后總結提供了實質性的支持。通過精確重演，隊員們能夠從中學習到具體技巧和策略，不斷提高實戰應用能力。

四、3D視景仿真子系統體系結構

（一）硬件結構

在硬件構成方面，3D視景仿真系統主要包含三個主要組件：計算機硬件、實時圖形處理單元和顯示設備。計算機硬件部分主要由高性能計算處理系統和先進的網絡組成，是確保軟件能夠流暢運行的基礎設施。針對3D視景仿真技術在執行消防滅火救援功能需求時，會模擬搭建一個虛擬場景，此時系統對硬件性能需求極高，尤其是對處理速度的要求上。只有搭載高速處理器的系統，才能完成使用者對滅火救援等復雜模擬訓練任務的需求。此類計算機硬件，能夠有效模擬出場景中的光影效果和物體的表現形式，從而凸顯仿真環境的逼真度。在實時圖形處理方面，該技術通過高效率的圖形處理能力，顯著提升了3D視圖的真實感，能更生動展示空間內的圖像和細節。

（二）軟件構成

3D視景仿真系統依托于一系列專業的軟件組件，為用戶打造逼真的虛擬環境。這一系列軟件工具包括但不限于操作系統平臺、三維圖形的建模應用、集成開發環境以及專門針對3D視景仿真定制的應用系統等。考慮到計算機處理系統的多樣性和兼容性要求，在軟件開發過程中，需要重點考量跨平臺功能的實現，確保軟件組件在不同環境下均能穩定運行[5]。軟件的核心部分涵蓋了用于構建模型的多種工具，如用于創建3D視景數據庫以及利用MultiGen Creator等建模工具。在開展圖形渲染活動過程中，如何實時渲染技術成為人們普遍關注的熱點，它支持高效的場景交互與控制，相關使用人員能夠即時體驗仿真環境的變化。此外，高級圖形渲染API（應用程序編程接口）允許開發者，通過創建、編輯等方式深度定制三維仿真環境，從而實現從研發到應用的目標。

五、3D視景仿真在消防滅火救援訓練中的應用

消防滅火救援系統是一個復雜而全面的保護網絡，致力于火災的快速發現、有效警報和高效滅火。該系統綜合了火災自動報警、自動噴淋滅火、防排煙等多個子系統。這些子系統通過精密的配合，共同構成了一個強大的防護盾，確保在火災發生時能夠立刻做出反應，最大程度保護人員安全和減少財物損失。當火災發生時，整個系統的反應流程從探測器開始。探測器能夠實時監測環境中的變化，一旦檢測到與火災相關的信號，如煙霧濃度或溫度的異常升高，立即將這一信息傳輸至報警控制器。報警控制器將探測到的信息與設定的正常狀態數據進行比對，確認火災無誤后，即啟動報警機制，向整個建筑發送火警警報。報警控制器不僅能發出警報，還能激活必要的消防響應設備和安全措施。這些措施包括但不限于防火卷簾的降下、疏散指示燈的啟動、防排煙系統的激活以及自動噴淋系統的開啟，從而為人員疏散創造條件，同時控制或撲滅火勢。

（一）火災自動報警系統仿真

在火災自動報警系統仿真中，技術實現的焦點主要集中在三維探測器的精確建模以及報警器聲音報警功能的生動模擬上。以感煙探測器為例，其三維建模過程開始于對實體感煙探測器的詳細拍攝，接著利用圖形處理軟件進行紋理的精細制作，隨后在三維建模軟件中構建模型并貼上相應的紋理，從而實現探測器虛擬模型在視覺上的逼真再現。報警器聲音報警功能的仿真是通過專用聲音模塊來完成。該模塊支持多種音頻文件格式，包括*.wav、*.aiff和*.aifc。具體的實現步驟包括在Lynx圖形環境中配置ADF文件，運用AudioWork2模塊進行聲音文件的加載和設置。操作包括創建帶有Alarm命名的AW Sound，加載特定的報警聲音文件alarm.wav，設置聲音引擎AW Engine、聲音通道AW Channel等參數以及在場景與觀察者設置中分別添加聲音對象和選擇相應的聲音通道。

（二）自動噴淋系統仿真

在構建自動噴淋系統仿真過程中，一個關鍵步驟是配置ADF文件以模擬真實的噴淋效果。這涉及到特效的創建和屬性設置，確保模擬的自動噴淋系統能夠在虛擬環境中準確演示水流效應。首先，用戶需要通過點擊“特殊效果”的按鈕進入設置界面，在此創建一個特效實例并為其賦予名稱particle。隨后，將類型設置為“自定義”，并輸入代表特定噴頭位置的坐標。用戶需要進入“自定義粒子系統”菜單，對噴淋粒子系統的多項屬性進行調整和設置。這一階段的精細調整是為了確保仿真效果既真實又符合預期，如模擬水流速度、粒子密度等。

（三）防排煙系統控制

對于模擬防排煙系統的仿真設計，需要通過應用Photoshop這樣的專業圖形編輯軟件，精心制作出帶有透明效果的紋理圖案，這一步驟的目的是更真實反映防排煙風機葉片在旋轉過程中產生的模糊效果，從而增加視覺上的動態感和真實感。為進一步增強這種動態的視覺效果，仿真系統采用了“特殊效果”（Special Effects）模塊內的“blade”功能。通過這一功能，我們能夠有效模擬防排煙風機的轉動情況。這種模擬不僅僅停留在靜態的顯示上，還能夠展現風機在實際運作時的動態旋轉過程。在防排煙系統的控制機制方面，可以靈敏反應火災信號，一旦火災信號被偵測并傳遞給系統，相應的排煙風機便會自動被激活。

結語

綜上所述，3D視景仿真技術憑借其技術先進性，在消防滅火及救援模擬訓練領域展現出無限的應用潛力。為了充分發揮這項技術的潛力，需進行深入的需求調研，密切結合用戶的實際需求和所在地域的特定情況進行細致分析和量身打造。通過這一過程，3D視景仿真技術能夠更準確模擬真實的消防滅火及救援場景，為消防人員提供高質量、接近真實的訓練體驗。

參考文獻

[1]

星發財.新時期消防隊伍滅火救援訓練探討[J].消防界（電子版），2023，9（05）：31-33.

[2]袁狄平，靳學勝，沈劍熒，等.基于開源技術的滅火救援計算機模擬訓練系統研究[J].中國安全生產科學技術，2012，8（12）：80-86.

[3]袁狄平，靳學勝，張曉麗，等.基于圖像建模的滅火救援虛擬場景生成技術[J].消防科學與技術，2012，31（08）：853-856.

[4]翟兆建.基于Vega Prime的大型滅火飛機投水視景仿真研究[D].南昌航空大學，2012.

[5]靳學勝，袁狄平.滅火救援視景仿真中三維虛擬消防隊員的設計與實現[J].武警學院學報，2010，26（10）：5-8.