虛擬現(xiàn)實技術在消防工作中的應用研究

夏向明

摘要：本文主要探討虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術在消防工作中的應用。研究表明，其有效應用既有利于提高消防工作效率，又為消防工作提供了技術支撐，大大提高了消防員的生存技能和消防水平，從而使其能夠更好應對突發(fā)狀況。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術；消防工作；應用盡管消防科學經(jīng)歷了幾十年發(fā)展獲得了顯著進步，但部分消防戰(zhàn)訓、演練仍然采取傳統(tǒng)模式，導致無論是演練還是戰(zhàn)訓方法都存在一定的局限性，如成本和風險都處于一個較高的水平，且無法有效再現(xiàn)火災場景。計算機技術的迅速發(fā)展，與其相關的圖形學、人工智能技術以及人體工程學等出現(xiàn)了重大突破。虛擬現(xiàn)實（簡稱VR）和增強現(xiàn)實技術（簡稱AR）開始興起，并應用到了諸多領域。這兩項技術不僅可以模擬現(xiàn)場火災場景，還能增強相關工作人員的火災研判能力以及提供導航服務，為消防戰(zhàn)訓和演練創(chuàng)造更為真實的環(huán)境。此外， 虛擬現(xiàn)實技術的應用還為消防救援人員創(chuàng)造了逼真的場景，加之交互式體驗使模擬訓練更為真實、專業(yè)，大大提高了消防人員的救援能力，為解決消防救援戰(zhàn)訓難題奠定了基礎[1]。

一、VR和AR技術簡介

VR技術屬于綜合性信息技術，該技術融合了多項信息技術中的最新成果，如多媒體、人工智能、網(wǎng)絡等。VR技術則是借助身體感官，如眼睛、耳朵、鼻子等為用戶帶來新奇體驗，即沉浸式體驗[2]。

AR技術和VR技術存在著千絲萬縷的聯(lián)系，其中前者是在后者的基礎上逐漸發(fā)展而來，是借助計算機產(chǎn)生的信息來轉變用戶感知的一項技術。AR技術最突出的特點是增強現(xiàn)實，即將計算機提供的場景、虛擬物體等信息融入到真實場景中，通過信息疊加來增強現(xiàn)實。

二、虛擬現(xiàn)實技術在消防工作中的應用途徑

（一）虛擬現(xiàn)實技術在消防戰(zhàn)訓工作中的應用

1.虛擬現(xiàn)實技術在消防戰(zhàn)訓工作中應用的系統(tǒng)設計

（1）構建三維立體模型。由虛擬現(xiàn)實技術構建出來的場景需要工作人員努力工作，如搜集火災現(xiàn)場相關圖片以及視頻，并進行優(yōu)化處理，最后將它們添加到三維立體模型中。由于消防機構本身承擔著消防救援使命，其日常工作和火災現(xiàn)場緊密相關，具有海量的現(xiàn)場資料，能夠為該模型構建提供第一手素材。

（2）構建外置場景。在應用虛擬現(xiàn)實技術時想要達到理想效果，不能只依靠虛擬場景，還應另辟蹊徑，構建其他場景，如外置場景，以補充虛擬場景，讓模擬場景真實性更高。在此基礎上，應保障二者的吻合度。

（3）構建互動算法。火災救援是不斷變化的，即使是開展模擬練習，不能僅讓消防工作人員觀看視頻或者圖片，應讓他們?nèi)谌脒M去，通過親身體會和參與的方式提高消防戰(zhàn)訓質(zhì)量。因此，構建互動算法極為重要，應將其作為該技術應用的關鍵和核心[3]。

2.有效措施

（1）構建建筑火災場景。眾所周知，建筑火災是最為常見的火災事故類型。建筑火災不僅包括滅火，還包括疏散群眾，幫助其脫離火災現(xiàn)場。因此，在構建建筑火災場景時不應忽略這一點，從而使構建出來的虛擬場景更貼近現(xiàn)實，更能展現(xiàn)當時的真實狀況，從而為后續(xù)滅火救援工作的順利開展奠定基礎。

（2）構建油罐火災場景。油罐火災事故對于消防指戰(zhàn)員來說是一項較為艱巨的任務，極為考驗其正確處理和隨機應變的能力，否則不僅會延誤消防救援工作，還有可能產(chǎn)生更為嚴重的后果，如火勢不減反增，留下了較大安全隱患，且該隱患存在多變性。因此，在構建油罐火災場景時，應明確重心，結合其行為給出反饋。為此，應結合其行為來加以改正，統(tǒng)計消防指戰(zhàn)員的錯誤行為，并由此設計互動反饋機制。

（3）構建城市綜合體事故場景。城市綜合體事故的發(fā)生概率相對來說較低，一旦發(fā)生往往會造成嚴重后果，如巨額經(jīng)濟損失、人員傷亡等。因此，該事故演練在消防戰(zhàn)訓工作中占據(jù)重要地位。在構建虛擬場景時，城市綜合體事故由于范圍大、影響因素多，在救援時除了考慮常規(guī)因素之外，還應考慮其他方面的因素，如空氣、地質(zhì)等。要達到較高的訓練效果，應在構建該類型事故場景方面進行努力，充分考慮各項因素。與此同時，在完善該類型事故場景之后，也要對消防指戰(zhàn)員的能力和素養(yǎng)進行全面考慮和檢驗。

（二）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術在消防演練中的應用

1.系統(tǒng)總體架構

系統(tǒng)采用的框架為多層結構，包括四個層次。第一層為平臺層，第二層為人機交互層，第三層為應用層，第四層為對象層。平臺層之間能進行實時通信；第二層在用戶和虛擬環(huán)境之間，能夠為用戶提供人機交互方式；第三層是實現(xiàn)系統(tǒng)應用的核心；第四層是為模型提供來自系統(tǒng)數(shù)據(jù)方面支持的系統(tǒng)，并用于存取、維護等[4]。

2.角色設計

系統(tǒng)中包含的角色崗位不限于一種，如包括指揮、執(zhí)行。其中，指揮崗結合態(tài)勢發(fā)展、系統(tǒng)產(chǎn)生的工作參數(shù)，使控制的角色根據(jù)下達的操作指令進行行動。執(zhí)行崗根據(jù)指揮崗發(fā)布的命令、自身所處系統(tǒng)參數(shù)，結合訓練流程，為操作人員安排任務，并向指揮部匯報工作進度。實際上，這兩個崗位在仿真系統(tǒng)中都發(fā)揮著重要作用。

3.操作與智能交互

在進行人機交互時，對操作人員的交互意圖進行充分感知極其重要，一般可借助虛擬手段來實現(xiàn)。該方式屬于接觸式交互。除此之外，深度視頻采集設備的興起和大量應用，大大提升了行為識別的準確率。因此，也可采用視頻方式來對操作人員的行為、語言等進行識別，該方式為非接觸式。

虛擬現(xiàn)實演練操作包含兩個部分，一部分為虛擬手的移動控制、操作動作；另一部分為虛擬手、物體間的檢測。前者可借助VR虛擬手柄來實施，利用其定位裝置來檢測手的坐標，此時的坐標屬于實時坐標。參訓者進行角色扮演，并配套虛擬現(xiàn)實設備，并借助該設備在虛擬的場景中完成任務。實際上，在該場景內(nèi)，除了參訓者之外，還有其他角色，當其需要和別的角色合作時，可借助手柄的交互點擊、觸碰交互對象，而被碰觸的對象一旦接收交互指令，往往會自動執(zhí)行相關操作，通過和參訓者的配合來完成訓練任務。

VR空間互動利用的是光學動作捕捉原理，借助架構在空間上的高速相機，通過其對光學標記點的捕捉對物體運行軌跡進行識別跟蹤，促進并實現(xiàn)三維大空間的人機交互。在此過程中，讓訓練者的移位距離、虛擬環(huán)境按照固定比例（一般為1∶1）來進行手勢方面的交互，完成肢體動作，進行自由行走，通過對內(nèi)容的觀察來進行多種交互。

4.演練考核

設置一塊分辨率較高的屏幕，并將其置于監(jiān)控者面前，屏幕的中央為參與人員的實訓過程以及場景畫面。畫面內(nèi)容較為豐富，既包括實訓中的操作流程，也包含數(shù)據(jù)信息、參訓人員，以便為后續(xù)考核和評價創(chuàng)造條件。在此過程中，可使用Unity3D插件來進行視頻回放，借助點擊功能，觀察參訓人員列表，打開實訓中的每個階段操作步驟和流程，為其賦予分值，可由監(jiān)控者進行手動評分，也可由系統(tǒng)來進行自動打分，打分依據(jù)為參訓者的實操演練。此外，可觀察參演工作人員如何部署消防力量、安排戰(zhàn)略戰(zhàn)術、發(fā)布指令、消防人員應急處理能力以及執(zhí)行能力、滅火救援采取的措施是否科學、參與消防救援的班組配合默契度等，邀請專家對模擬的流程進行評價，定性+定量評價的方式能夠更好對參與演練人員的演練效果進行科學、客觀和合理評判。

5.大數(shù)據(jù)云管理平臺

應用Unity3D內(nèi)的“XCharts”插件，在運行系統(tǒng)時使用SQLSever語句，從而從數(shù)據(jù)庫中進行數(shù)據(jù)調(diào)取并對這些數(shù)據(jù)進行預處理，之后將其存儲到自身的緩存池中，等待“XCharts”執(zhí)行，一旦系統(tǒng)接受了數(shù)據(jù)可視化這一命令，系統(tǒng)工作模式便發(fā)生了改變，即不需要再從本地數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，而是直接從緩存池中獲得數(shù)據(jù)并將其傳遞到可視化插件當中，隨即生成相應圖片，一般為信息統(tǒng)計圖。

三、大型綜合體滅火救援案例

（一）滅火救援實戰(zhàn)演練與尺度

大型綜合體人員較為密集，無論是建筑結構還是功能都較為復雜，面臨的火災荷載較大，人員疏散也存在較大困難，屬于滅火救援的一大難點。在實戰(zhàn)當中，作為一線的消防指揮員應充分了解火災情況、著火部位的建筑構造、消防通道以及受困人員等相關信息，以便更好研判火災演化與發(fā)展態(tài)勢，部署救援力量。在部署時，應從外部滅火和內(nèi)部滅火兩方面入手，組織人員進行搜救和滅火。其中，指揮員對于火場態(tài)勢的判斷、人員的安排、力量的部署、戰(zhàn)略戰(zhàn)術的選擇等都是這一類型火災滅火救援的關鍵，在實戰(zhàn)演練中居于重要地位，也是提升消防工作人員戰(zhàn)斗力的難點。該類型的實景演練往往受場地、安全性等諸多方面制約，使得其組織開展難度較大。虛擬現(xiàn)實技術的出現(xiàn)和應用為該類型滅火救援的模擬演練以及預案推演創(chuàng)造了條件。

（二）系統(tǒng)建模

結合某地一大型綜合體，觀察其周邊的地理信息以及消防資源來構建三維場景模型，并標注、設置其內(nèi)部的消防設施，如消火栓、疏散通道、停車場、噴淋設備等。在綜合體的外部，要結合其環(huán)境信息，如當?shù)氐臏囟取L速、濕度等，并根據(jù)演練要求來進行科學設置。

（三）模擬演練

1.火災發(fā)生

當某層的一個商鋪意外發(fā)生火災時，將災情信息第一時間借助檢測系統(tǒng)傳遞到指揮中心。

2.調(diào)度指揮

由指揮中心結合實際的火情信息，借助模擬計算和分析來觀察綜合體內(nèi)部起火情況，構建火災仿真場景，了解其發(fā)展情況。由系統(tǒng)借助可視化的方式將綜合體周邊的消防力量、資源等信息以及著火點樓層附近消防設備、疏散通道等位置信息進行直觀顯示。結合演練位置來進行任務布置，由演練導調(diào)組下達相關演練任務，由指揮員、指戰(zhàn)員負責執(zhí)行命令。演練人員包括指揮員、救援班組、消防指揮員等。其中，指揮員主要負責的任務是從系統(tǒng)平臺所提供的相關信息出發(fā)，通過科學分析來下達任務，由救援班組執(zhí)行，并調(diào)派消防隊伍。組長在接到命令之后，發(fā)出滅火救援的相關指令，由佩戴好虛實融合裝備的模擬演練消防員執(zhí)行。在此過程中，無論是各層級的指揮員還是班組成員都應積極配合，以確保滅火救援任務的有效、順利完成。在此過程中，消防員可借助外部觀察以及詢問相關知情人士來來了解火場情況，從而制定出科學的滅火救援方案。

3.評測分析

指揮員、觀察員無需直接進入火災現(xiàn)場，而是通過指揮中心平臺來觀看演練人員的實際操作信息。在演練結束之后，系統(tǒng)會自動保存各個層級人員的語言、操作等和滅火救援相關的過程信息、火場信息，方便反復回放和分析，并形成關于本次滅火救援的演習報告。指揮員、觀察員可借助視頻的回放功能+演習報告等方式來評判本輪的演習效果。

（四）事故演化、推演計算

在進行系統(tǒng)設計時，數(shù)據(jù)層應用的是本地數(shù)據(jù)文件。進行初始化時，應首先創(chuàng)建本體的管理、實例對象，在文件系統(tǒng)進行讀取，讀取的往往也是本地文件，并將各實例數(shù)據(jù)進行載入。接收客戶端信息時，共包括以下兩種請求，如對本體實例進行讀取、對實例屬性加以修改。修改屬性數(shù)據(jù)一般應用于應急過程，用以標記形勢、人物動作的變化。在完成后，需要評判本體的對象。

圖1 事故推演流程圖

（五）滅火救援方案優(yōu)化

借助本系統(tǒng)來復盤整個模擬演練、預案推演。在此基礎上，進行關鍵點查找，分析處置方案中的不足之處，并提出優(yōu)化措施，通過優(yōu)化處置流程，增加關鍵信息，并進行提示，最后把優(yōu)化好的處置方案、預案數(shù)據(jù)加以整理，并將其存儲到數(shù)據(jù)庫中。

結語

將虛擬現(xiàn)實技術應用到消防工作中，形成模擬演練系統(tǒng)，有利于解決擺在消防救援隊伍面前的戰(zhàn)訓難題，場景的高度逼真、豐富的交互體驗有利于提升消防工作人員的反應能力、救援能力。其中，內(nèi)置的消防信息能夠為指揮員做出科學決斷提供依據(jù)，復盤和推演則有利于提高指揮員的應急能力和指揮能力，優(yōu)化后的滅火救援方案則為后續(xù)處理類似事故提供了借鑒。

參考文獻

[1]蔣美琪.基于VR的沉浸式消防演練系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].哈爾濱工業(yè)大學，2018.

[2]王冠虎.基于虛擬現(xiàn)實技術的消防安全系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].天津大學，2007.

[3]李磊.虛擬現(xiàn)實技術在消防仿真實訓中的應用[J].消防科學與技術，2021，40（02）：228-231.

[4]李康杰.探析虛擬現(xiàn)實技術及其在消防工作中的應用[J].數(shù)字技術與應用，2019，37（11）：71+73.