基于虛擬現實的森林滅火指揮訓練系統研究

邵磊，嚴小天，劉劍，劉玉明,7

1. 航天科工仿真技術有限責任公司，北京 100854

2. 復雜系統仿真技術應用國家工程研究中心，北京 100854

3. 北航歌爾虛擬現實研究院，山東 青島 266308

4. 青島虛擬現實研究院有限公司，山東 青島 266308

5. 國家虛擬現實創新中心（青島），山東 青島 266308

6. 北京航空航天大學 數字導航中心，北京 100191

7. 清華大學 計算機科學與技術系，北京 100084

森林火災突發性強、破壞性大、危險性高，是全球發生最頻繁、處置最困難、危害最嚴重的自然災害之一，是生態文明建設成果和森林資源安全的最大威脅。我國總體上是一個缺林少綠、生態脆弱的國家，是一個受氣候影響顯著、森林火災多發的國家[1?3]。

黨中央、國務院高度重視森林防火工作。2009 年，國務院批準實施了《全國森林防火中長期發展規劃（2009—2015 年）》，森林防火基礎設施和裝備建設明顯加快，預防、撲救和保障三大體系建設全面加強，森林火災損失明顯下降。近年來，隨著氣候變暖和極端天氣增多，全球進入了森林火災的高發期，我國仍將長期處于森林火災的易發期和高危期，森林防火形勢極其嚴峻[4?6]。目前，森林消防隊伍執行森林防火應急預案以實裝演練為主，存在訓練成本高、環境限制等制約因素，因此本文研發了一套森林滅火虛擬仿真訓練系統，能模擬真實森林防火場景，通過實景虛擬仿真訓練，綜合提升各級訓練員和指戰員臨場應變、指揮協同和情況處置等綜合素質能力。

1 概述

目前，森林消防隊伍日常作訓和考評主要還是以森林防火應急預案進行實裝演練為主，例如森林消防局在昆明航空救援支隊舉辦的 “火焰藍”滅火專業技能尖子比武中，嚴格按照操場化向野外化、熟悉地域向陌生地域、晝間實施向晝夜連續實施、單項競技向綜合競技和體能技能向綜合能力運用，融技能、智能、體能于一體，系統檢驗各級訓練水平和指戰員臨場應變、指揮協同和情況處置等綜合素質能力。森林消防傳統訓練模式主要有野外山地拉練、單人滅火訓練、火場逃生訓練和團組滅火訓練，如圖1 所示。

圖1 森林消防傳統訓練模式

但是，這種訓練方式存在以下問題：一是訓練成本高，實裝演練需要消耗大量人、財、物；二是訓練環境受到限制，實裝演練受到天氣、場地、人員及物質調配等條件制約；三是訓練內容不足，實裝演練無法模擬復雜的森林防火場景實際場地模型演練。隨著云計算技術、大數據分析、物聯網技術、人工智能、虛擬現實（virtual reality, VR）和增強現實（augmented reality, AR）等新一代信息技術深度運用，人們可以建立各種林火蔓延的預測模擬和分析管理的信息系統，也能搭建一個多維虛擬可視化平臺去實現林火的燃燒及其蔓延過程、森林景觀的三維實時再現和仿真，實現林火行為研究中“數”與“形”的有機統一，實現森林及林火信息的本真還原和科學模擬，為滅火決策提供依據[7?16]。

本文自主研發了一套基于采用定制化的U3D 渲染引擎的虛擬仿真訓練教學考評系統，對比國外主流虛擬仿真軟件，該軟件的優勢是：可以更加逼真地呈現真實場景細節，可以進行實景虛擬仿真訓練，更加貼近滅火實戰；能夠實現系統的自主可控性、可擴展性，為使用者提供簡單邏輯編輯方式，支持林火環境設計制作等森林消防專業應用邏輯。

2 虛擬現實仿真技術的森林滅火指揮訓練系統架構

2.1 系統架構

森林滅火指揮訓練系統基于Unity3D 引擎開發，該系統的主要功能有：支持基于狀態調度邏輯編寫，其特點為中文化的腳本命令，將C 語言實現的功能整合并封裝為一條條的中文腳本命令；基于短消息服務(short message service, SMS)的各種功能的狀態組件構成的狀態庫；包括圖形用戶界面(unity graphic user interface, UGUI)事件、組件調度、多媒體、自定義動作、狀態調度、數據流、時間軸和流程管理等狀態組件。

可以快速搭建三維可交互訓練腳本，其中包括：

1）生成三維地形；

2）基于三維地形的植被系統；

3）基于地形和植被的燃燒系統，燃燒系統可區分上山、下山等不同燃燒系數；

4）虛擬滅火工具體系（可設置滅火區域與滅火系數）；

5）森林消防三維模型庫；

6）交互邏輯生成體系（包括UI 控件交互、三維對象交互、運動路徑編輯等）；

7）語音、動畫、多媒體、文本嵌入與支持。

利用本平臺配置幾何三維地形、植被、人員工具、火燃燒等因素，快速生成森林消防腳本。腳本作為虛擬訓練環境，輔助森林消防指揮人員訓練，從而達到提高培訓認知的目的，如圖2所示。軟件基礎架構如圖3 所示。

圖2 森林滅火指揮訓練系統架構

圖3 軟件基礎架構

由圖3 可知，軟件基礎架構分為4 個層面：

1）資源配置層：資源配置主要對各種資源進行生成、存儲、調配等工作，其相應資源被虛擬環境層所實時調用。

2）虛擬環境層：虛擬環境層分為2 個組成部分，第一部分是虛擬訓練流程編輯器，其負責調用資源和角色邏輯進行編輯，生成相應森林火情虛擬現場腳本，包括火情的初始情況、相應地理環境和天氣情況、基礎虛擬人員及設備運動情況和特定觸發項等。第二部分是實時生成的虛擬場景，其包括虛擬訓練流程編輯器所生成的腳本邏輯及三維場景。虛擬場景可以實時與交互邏輯層相互對接。

3）交互邏輯層：交互邏輯層屬于軟件系統的底層架構，虛擬環境層實時調取其數據。交互邏輯層包含4 個組成部分。①交互邏輯控制單元：本單元給虛擬環境層進行交互基礎邏輯支持。如運動規則、觸發規則等等。②角色管理單元：在整個戰術訓練系統中，分多種角色，角色之間的邏輯關系由角色管理單元負責其邏輯支持。例如，人的運動規則、車輛的運動規則等。③基礎AI 單元：本單元負責在沒有人工干預的情況下，火勢的自然走向規則和多種天氣、地形對火勢的影響邏輯。④復盤與評估單元：訓練完成之后需要對整個訓練進行復盤和評估，本單元主要提供相應邏輯支持。

4）數據接口層：接口層主要負責與硬件設備進行接口數據傳輸。

系統有3 個特點：一是易用性，無代碼編輯想定，想定邏輯的模板化，方便甲方相關人員和教學人員快速高效地進行新的訓練和考試腳本的調整和生成；二是專業性，在和森林消防業務部門深入的溝通中，梳理了森林滅火專業的業務邏輯，通過虛擬現實和計算機仿真技術，研發了林火燃燒模型、植被資源模型、天氣模型以及針對我國實際的森林滅火裝備制作了大量模型資源；三是可拓展性，對比國外主流軟件，本系統可以更方便地設計復雜業務邏輯（根據不同使用者需求提供不同的服務）。

2.2 虛擬現實訓練腳本編輯管理平臺

在虛擬現實訓練腳本編輯管理平臺中，可預覽所有場景編輯器系統9 個模塊和8 個組件工具，具體如圖4 所示。并可通過對應的操作，在中部的預覽圖中呈現。

圖4 場景編輯器

場景編輯器系統模板包括可燃編輯系統、可燃隨機系統、可燃節點模板、可燃線渲染器、基于地形的植被系統、基于地形的植被燃燒系統、基于地形的細節燃燒系統、基于地形的地表燃燒系統和虛擬時間系統，具體如圖5 所示。編輯器組件工具庫功能包括系統模塊、角色、導航圖、文本、相機、交互、多媒體和窗口等，如圖6 所示。

圖5 編輯器系統模塊功能

圖6 編輯器組件工具庫功能

2.3 虛擬現實訓練腳本編輯管理平臺

基于系統操作員預設火場虛擬場景及與其相關內容，依據構想材料及本人的分析判斷，操作虛擬現實系統完成后續虛擬動作。

按照“分析判斷、撲救意圖、滅火戰法、力量部署及滅火手段”的程序，實操撲救不同形態火災作業。通過底層虛擬場景編輯器，編輯設定21 項VR 訓練內容。包括“上山火”“下山火”“溝塘火”“樹冠火”“地表火”“地下火”“火翼火”“火谷火”“大風火”“密林火”“疏林火”“灌林火”和“緊急避險”等科目。隨機抽選2 種形態火災和1 種火場緊急情況處置構想材料。

“撲救不同形態火災00×號、00×號情況構想和火場緊急情況處置00×號情況構想”（大屏幕顯示虛擬場景，同步語音播報；考評員同步向受考人員下發文字構想材料；受考人員作業區屏幕同步顯示構想材料內容及虛擬現實場景）—受考人員熟悉構想材料，開始計時（計時員同步計時，約15 min）—計時結束（計時員終止計時）—受考人員開始作業，計時開始（計時員同步計時，約25 min）（受考人員依據構想材料和虛擬現實場景展開并提交作業；采取文字作業、口語與肢體語言相結合、實操系統等方式作業；大屏幕同步顯示受考人員后續構建的虛擬動作路徑；考評員同步評判）—計時結束。

2.3.1 火場情況偵查功能

熟悉構想材料。在項目中，指揮員根據火場情況偵查，得到基礎信息，如圖7 所示。

圖7 火場情況偵查

同時指揮員可以多角度觀察火場的基本情況，如圖8 所示。

圖8 多角度觀察火場情況

2.3.2 火場參數描述功能

需描述與火場相關的詳細指標參數，如圖9 所示。包括天氣、溫度、風向、指南針、不同視角觀察火場的角度、力量編成、裝備配備、部署班及中隊、時間軸速度提示、風區風力提示、風區風向提示、訓練科目編號、火災形態、具體訓練科目詳情和作業要求，并提供語音播報功能、重新載入訓練和退出訓練等。

圖9 火場描述

2.3.3 火場裝備部署功能

指揮員在了解詳細文字描述后，進行力量編成和裝備配置的操作?？蓪Σ煌犖檫M行不同裝備配置的操作，其中隊形設定及人員裝備配備細節見圖10。其中大隊部配置可選指揮車、水罐車、車載電臺、對講機和衛星導航儀等；中隊裝備配置可選風力滅火機、滅火水槍、鐵鍬、組合工具、油鋸、割灌機、點火器、加油器、滅火彈、水泵、配件箱、吸水管、貯水池、維修工具包和管帶框等。

圖10 隊形設定及人員裝備配備細節

2.3.4 火場力量編成位置部署功能

完成部署準備后，通過對上述情況的判斷，由指揮員做出對中隊、班的具體切入位置操作，圖11 為部署完成后進行滅火作業的示意。

圖11 完成部署進行滅火作業

2.3.5 滅火作業作訓考試仿真功能

通過計算生成滅火作業虛擬現實場景腳本，中途可暫停，腳本隨時間軸推進，可以進行二次編輯部署，最終完成滅火作業，具體如圖12 所示。

圖12 滅火作業

3 指揮訓練與考評模式

該系統組織開展訓練與考評的總體思路：以訓練考評為核心，以強能提質為目的，以課題訓練為牽引，以“三案”實操為方法，以資源平臺為保障，以虛擬技術為支撐，在近似實地、實景、實情、實戰背景下，組織開展實操性訓練與考評。

3.1 基于虛擬現實技術支撐的指揮訓練

訓練的目的是：通過訓練，提升指揮員的戰時組織指揮能力，磨練戰術思想，豐富戰術素養，為實戰條件下組織指揮滅火行動打下堅實基礎。

訓練的程序是：1)訓練準備：主要包括設置場地器材、調試設施設備、擬寫訓練教案、構設虛擬場景、準備輔助資料和宣布作業提要等內容。2)訓練實施：主要包括綜述情況、講解重點和應考提示等內容。3)訓練講評：主要包括總結回顧、重復重點、指出問題、提出要求和布置作業等內容。

訓練的內容是：圍繞實戰當中的5 個階段組織實施。即啟動應急響應階段、組織力量投送階段、組織直前準備階段、組織戰斗實施階段和組織撤離返營階段。

訓練的重點是：突出課題訓練。所謂課題，就是重點圍繞“組織戰斗實施階段”中的撲救不同形態森林火災當中的“分析判斷、撲救意圖、滅火戰法、力量部署、滅火手段”和火場緊急情況處置當中的“險情判斷、處置措施、注意事項”等小課題，進行深研式、深耕式剖析和實訓。每個小課題均有其規范要素和展開方法。

訓練的方法是：主要采取“三案組織法”組織實施。所謂“三案”，即引導案、提交案和參考案。引導案即情況構想，由組訓人員下達給受訓人員。其作用是引導受訓人員思考、消化、理解情況構想的全部內容和信息。提交案即受訓人員的作業展開過程。其作用是檢驗受訓人員是否按程序、按步驟、按規范、按要求進行作業。參考案即組訓人員綜合提交情況給出的參考答案。其作用是按照當前部局規范性文件特別是滅火實戰要求，為受訓人員提供較為詳細、較為準確、較為全面的滅火組織指揮和火場緊急情況處置的程序和方法，以利于貫徹落實到滅火實戰當中。訓練當中以分段指導、階段小結和總體講評等方法組織實施。

訓練的方式是以集團作業為主，編組作業為輔。集團作業，即同一背景、同一身份、統一作業。編組作業，即同一背景、不同身份、分別作業。根據訓練需要，另輔之以分段作業、連貫作業和綜合演練等訓練方式。

訓練的手段是：基于虛擬現實系統支撐，依托訓練教案、訓練課件和預設場景模型展開沉浸式森林火災撲救和避險訓練。特別是基于虛擬現實技術構設的仿真地形、仿真植被、仿真氣象、仿真火環境、仿真隊伍、仿真裝備，是利用該系統開展訓練的核心手段，這也是這一系統最為突出的核心技術價值和最為突出的一個亮點。

3.2 基于虛擬現實技術支撐的指揮考評

考評的目的是：指揮考評是指揮訓練的延伸和繼續，是檢驗指揮訓練成果的一種方式，目的在于將訓練的諸要素貫穿于近似實戰條件下的連貫性考核和評價，進而提升指揮員的組織指揮能力并付諸滅火實戰。同時，也為指揮員獲取指揮資質提供準確和可靠的依據。

考評的程序是：1)考評準備。主要包括考評機構起草作業提要和構想材料，預設虛擬場景，制定考評標準。2)考評實施。包括宣布作業提要、隨機抽簽選題、下發情況構想、展開實操作業和現場同步評判。3)考評結束。包括提交作業成果、匯總考評成績、形成評價結論和錄入系統存檔。

考評的內容是：主要分為3 部分：一是理論考評。介紹軟件時已作具體匯報，這里不再重復。二是實操考評。即受考人員按照“分析判斷、撲救意圖、滅火戰法、力量部署和滅火手段”的程序，實操撲救不同形態火災作業。按照“險情判斷、避險措施和注意事項”的程序，實操火場緊急情況處置作業。三是能力評估。為從另一個方面考察受考人員的指揮能力，在每個考核分項當中均相對應設計了觀察判斷、處置協調和機動應變3 種指揮能力，其權重和分值與其對應的考核項目權重和分值相同。考核項目主要為評價受考人員等級提供依據，能力評估主要考察受考人員各項指揮能力的強弱，作為下一步努力和改進的方向。

考評的方式是：以集團作業方式組織實施。即同一背景、同一身份、統一作業。

考評的方法是：統一組織、單個作業、系統支撐、現場評判。其中現場評判按照“先定性后定量，先分評再總評”的方法和順序實施。

考評的權重是：理論部分20%，實操部分80%，總評為100 分。

考評的等級是：總體評價分為兩級制，即合格與不合格?？傇u成績70 分（含）以上為合格，即獲取資質準入；70 分（不含）以下為不合格，即未獲取資質。

考評的手段是：基于虛擬現實系統支撐，依托情況構想、預設場景模型、評判標準展開沉浸式森林火災撲救和避險考核。同樣，基于虛擬現實技術構設的各種仿真環境和資源，是該利用該系統開展考評的核心手段和突出亮點。

4 結束語

本文針對森林消防專業隊伍指揮員訓練和考評方式，進行了全新訓練和考評的設計和規劃，充分分析和利用虛擬現實、仿真、人工智能等技術，通過虛擬實訓降低人員安全風險，和傳統訓練場地相比成本大幅降低；通過實時留存訓練記錄，有針對性訓練，快速提升消防人員專業技能，縮短訓練周期。

本系統可以根據訓練需求虛擬出任何種類災害事故場景，特別是一些在實際訓練中無法設定的災害事故場景，如森林火災場景，進而達到訓練場景逼真、減少訓練成本、降低訓練危險性的目的。同時，本文論證的系統最大的一個特點是參與訓練的多名消防指戰員在虛擬環境下的真實性和互動性體驗，也就是戰斗員都進入了一個事先編輯好的虛擬仿真世界中，在這個世界中參訓人員彼此之間是可以看到對方的存在并進行交流互動的，相互之間可以協同配合完成各種實戰訓練任務。該系統的建成，對于豐富森林滅火訓練和考評手段，探索建立規范化、信息化森林滅火指揮員訓練考評體系，具有十分重要的價值和現實意義。