混合現實技術（MR）在消防技術裝備課改中的應用

陶振翔，李 瀅

（中國礦業大學(北京)應急管理與安全工程學院 北京 100083）

消防技術裝備的教學已深受到社會及各大院校的廣泛關注，其在多個領域都扮演著至關重要的作用。作為消防指揮專業的基礎課程之一，消防裝備技術不僅是滅火技術訓練、滅火戰術和搶險救援等相關專業課程的基石，而且還承擔著為學生打下堅實基石的重要職責[1]。消防技術裝備課程的顯著之處在于其旨在培養高效的消防指揮員技能，并在處理各種緊急情況時發揮關鍵作用。對此課程的深入學習確保了學生在關鍵的滅火操作、策略制定和緊急救助領域的優勢，為其提供了在緊急情況下迅速、準確行動的能力，從而最大限度地保護生命和財產的安全。

1 消防技術裝備教學現狀和問題

近年來，我國在消防設備、消防器材、消防供水以及消防通信等關鍵領域進行了持續而深入的研究，已經取得了顯赫的科研成果。但在高等職業教育體系中，消防技術實訓教學依然面對諸多挑戰。首先，很多院校尚缺乏先進的實訓設備，現有的教學儀器與設備往往陳舊不堪。此外，相對于傳統的理論教學，消防技術裝備課程更加強調原理明確、結構分析、現場演示及實踐操作，這無疑要求有真實場景的教學設備來支撐。但受限于經費和設備購置的困難，很多學校難以配備既高效又具有高技術含量的設備，滿足高等職業教育的特性需求[2]。

當前，消防技術裝備教學中的計算機模擬和控制實驗已呈現出初步的效益，然而，兩者仍然各自存在不可忽視的局限[3-4]。例如，計算機模擬基于預先建立的知識模型，但與真實環境中復雜的人為因素及火勢的動態發展存在差距。再如，火勢的準確規模及火源的確切位置在復雜環境中辨識起來極為困難，這為火災原因的準確調查設下障礙。同時，一些實際場景中難以模擬的火災效應及煙霧影響也會對人的行為和其周圍環境造成意想不到的變化，如煙霧在公共場所的快速擴散等。綜上所述，消防技術裝備的教學與應用之間的鴻溝仍待縮小，亟須進一步強化雙方的整合與交流。

2 混合現實技術的概述

2.1 混合現實技術的定義和特點

混合現實（MR）是一種將真實和數字空間相結合的技術，通常體現能進行空間映射的頭盔顯示器。混合現實（MR）是對虛擬現實（VR）的深入研究，它將真實情景信息融入虛擬世界中，在虛擬世界和現實世界之間搭建起一座信息交流的橋梁，提高了用戶的體驗的真實性。MR 技術的核心在于與真實世界的互動以及實時地獲得信息，所以要實現MR 技術，必須要有一個能夠與真實世界中的所有東西進行互動的環境。MR 技術主要有以下幾個特點：

①虛實融合：MR 技術的主要特點是可以將虛擬物體和現實世界顯示在同一視角中，通過讀取數據，將該數據的內容通過虛擬的方式展示出來，使用者可以在真實環境中看到虛擬對象，增強可視化效果。

②實時交互：MR 技術為用戶提供“實中有虛”的半沉浸式體驗，用戶可通過手勢交互、語音交互、視網膜追蹤等交互方式，用戶可以更加精準地控制設備，提高用戶的操作效率和精度，與現實世界和虛擬物體進行實時的自然交互。

③三維注冊：虛擬物體可與現實世界精確對準，通過MR 顯示設備，用戶可以同時看到真實環境和虛擬全息影像，加之手勢、語音、視覺等方式的加持實現兩者互動，真正搭建了虛擬世界和現實世界的橋梁。

此外，MR技術在現實生活應用中還具有增強現實感、提高效率、提高安全性、交互性強和應用范圍廣等優點，為消防技術裝備教學帶來更加便捷和高效的體驗[5]。

2.2 MR 技術在教學中的應用

混合現實（MR）技術在消防技術裝備案例教學中的應用研究，目的是在教育領域提供一種更為沉浸式和高互動性的消防技術裝備培訓和教學方法。通過融合虛擬和現實世界的元素，該方法可為消防人員和學生提供真實的場景模擬、案例演練和即時反饋，確保讓學生能夠更為透徹地理解、掌握消防技術裝備在實際操作過程中可能遇到的問題，并積累寶貴的實踐性學習經驗。

如圖1所示，一方面，在面對教學資源有限挑戰時，MR技術能夠模擬消防設備的使用場景，將各種消防設備的操作過程生動地展現在學生面前。這種沉浸式的學習模式能有效增強學生的學習動力、參與感和體驗感，幫助他們更直觀、深入地了解到消防設備的操作流程，從而更扎實地掌握消防關鍵知識。另一方面，為了使學生積累更豐富的實戰經驗，在教學中可以運用MR 技術構建虛擬場景。例如，模擬真實環境中對防火安全設施、滅火設備設施、疏散路線等進行演練，同時借助VR眼鏡等輔助工具，為學生帶來更為真實的滅火和疏散體驗。教學中，學生可以利用MR技術模擬火源撲滅、疏散行人等緊急情況，這種教學方法不僅加深了學生對火災行為規律以及逃生技能的理解，而且為后續的高級課程奠定了堅實的基礎，從而實質性地提升課程教學效果。

圖1 MR 技術在教學中應用流程圖

2.3 MR 技術在相關領域的成功案例

隨著消防行業對先進工具和培訓方法的日益迫切需求，混合現實技術提供了一種創新地解決方案，助力消防員更有效地應對日益復雜和多樣化的火災場景。Bourhim E L M 等人利用商業化的虛擬現實設備，構建造了一個高層住宅樓消防通道模型，開創了一種高度沉浸虛擬現實模擬教學方法[6]。Bliss J P 等人將30 名消防員隨機分為三個試驗訓練組：建筑模型、虛擬現實、無訓練組。實驗結果顯示，經過虛擬顯示和藍圖訓練的消防員在要求按照特定的訓練線路營救一個模型嬰兒時表現得更迅速和準確[7]。Yu F 等人則設計了一款基于虛擬現實技術的多維交互系統，專門用于模擬石化行業的火災消防應急訓練，從而避免了傳統消防訓練可能帶來的資源浪費和環境污染[8]。El Jed Mehdi P N 等人探索將情感模型納入虛擬現實環境中的。采用了情緒、個性和情感的方法，讓用戶將自己的虛擬角色動畫化，使消防員在培訓中可以體驗更豐富的情景與角色互動。

特別值得注意的是，微軟最新研究的Hololens 2 混合現實頭戴設備在消防員培訓中的廣泛應用，其將虛擬火場場景疊加到真實環境中極大地提高了消防員的實際技能。借助混合顯示技術，這款頭盔為消防員展現了實時的可視化信息，極大提高了火場上的應急響應能力。

同時，DAQRI的智能頭盔也在消防領域顯現出卓越的價值。這款先進的智能裝備融合了混合現實技術，向消防員展示了關鍵的可視化信息，從而極大地增強了其在火災現場的應急響應能力。不僅如此，這款頭盔使得消防員在緊急任務中獲取實時、關鍵信息，助力他們做出，更加迅速且準確的決策。這些技術的精準導航功能指引消防員快速定位火源、疏散路徑和其他關鍵區域，有助于更好地協調應急行動。此外，智能頭盔高度的可視化特性如展示溫度、氣體濃度和建筑結構等，為消防員提供了全面地火場情報，有助于他們更有自信地應對地面復雜的火災場景，并顯著降低潛在風險。

這些案例表明，混合現實技術已經被廣泛地應用到了消防技術裝備領域。混合現實技術的引入和發展不僅對消防員的培訓產生了深遠的影響，也有望在未來減少火災帶來的損失和風險，為公眾安全提供更多保障。因此，可以合理預期混合現實技術將繼續為消防技術裝備領域帶來創新，進而提高火災的響應和處理能力。

3 結語

綜上所述，混合現實技術正逐步走入研究和應用的前沿，逐漸被認為是消防技術裝備教學領域的一項創新途徑。該技術以交互式的虛擬增強為核心，結合真實性和數據應用的多方面優勢，確立了其在現代教育體系中的關鍵地位。與傳統的消防技術教學方法相比，混合現實技術為消防人員提供了一個更為豐富和實用的學習體驗，從而顯著提高了他們的緊急響應能力。鑒于此，這一創新技術預計將進一步完善和豐富消防教育與培訓領域，為提高火災應對的安全性和效率做出顯著的貢獻。