三維建模技術(shù)在滅火救援作戰(zhàn)訓(xùn)練安全中的應(yīng)用初探

摘要：探討了三維建模技術(shù)在滅火救援作戰(zhàn)訓(xùn)練安全中的實際應(yīng)用。針對傳統(tǒng)場地存在建設(shè)成本高、空間受限等問題，三維建模技術(shù)可以通過動態(tài)模擬、場景還原和交互訓(xùn)練等手段有效規(guī)避；通過關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新和實際場景應(yīng)用，特別是三維數(shù)字化預(yù)案平臺、數(shù)字孿生系統(tǒng)及VR虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)在模擬作戰(zhàn)訓(xùn)練中的應(yīng)用，顯著增強了消防員的應(yīng)急處置能力和安全效能；未來的發(fā)展方向是跨區(qū)域協(xié)同訓(xùn)練、AI自適應(yīng)系統(tǒng)及公眾安全教育延伸等，為構(gòu)建智慧化消防體系提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)；動態(tài)災(zāi)害模擬；三維建模技術(shù)；災(zāi)害模擬與動態(tài)調(diào)整技術(shù)

中圖分類號：D631.6" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2024）12-0046-03

在當下科技日新月異的多維社會環(huán)境中，消防員不僅承擔(dān)著城鄉(xiāng)各類火災(zāi)的撲救和山林、草原等火災(zāi)的協(xié)助撲救任務(wù)，還擔(dān)負著參與重大災(zāi)害事故和應(yīng)急救援的職責(zé)，如地震、洪水等自然災(zāi)害，以及危化品泄漏、交通事故等突發(fā)事件。因此，消防員日常的作戰(zhàn)訓(xùn)練顯得尤為重要，其意義不僅在于能有效提升消防救援人員的技戰(zhàn)術(shù)素養(yǎng)，更關(guān)乎在各類災(zāi)害救援行動中消防員自身的安全。隨著城市化進程的加速以及建筑形態(tài)的復(fù)雜化，災(zāi)害事故呈現(xiàn)出“多災(zāi)種、大空間、高危害”的特點。由于傳統(tǒng)作戰(zhàn)訓(xùn)練場地受空間和建設(shè)成本等條件的限制，及存在安全風(fēng)險因素，很難滿足實戰(zhàn)訓(xùn)練的需求。三維建模技術(shù)通過建立動態(tài)災(zāi)害模擬、虛擬場景和智能化數(shù)據(jù)反饋，成為提升作戰(zhàn)訓(xùn)練安全性和實戰(zhàn)能力的關(guān)鍵工具[1]。

1 傳統(tǒng)模式的局限及三維建模技術(shù)的引入

1.1" 傳統(tǒng)作戰(zhàn)訓(xùn)練方法的局限

傳統(tǒng)的模擬作戰(zhàn)訓(xùn)練方法主要是實地演練，盡管實地演練具有一定的直觀性和真實性，但也存在一些難以克服的局限性。一方面，場地建設(shè)的成本較高，各單位建設(shè)訓(xùn)練場地的成本從幾十萬至上百萬不等，而且每次演練需要調(diào)配大量消防員和相關(guān)人員保障，同時，訓(xùn)練場地還受空間限制。另一方面，實地演練存在一定的安全風(fēng)險，特別是在模擬高層建筑煙火環(huán)境、危化品泄漏等復(fù)雜危險場景時，消防救援人員仍面臨一定的安全風(fēng)險，若組織不到位，就有可能發(fā)生各類事故。

1.2" 三維建模技術(shù)概念及應(yīng)用效果

三維建模技術(shù)是通過計算機軟件創(chuàng)建三維數(shù)字模型的過程。創(chuàng)建的模型能夠精準模擬現(xiàn)實世界中的物體和場景，主要應(yīng)用于建筑設(shè)計、產(chǎn)品開發(fā)等多個領(lǐng)域。其基本原理是利用計算機圖形學(xué)和相關(guān)算法，通過幾何建模、光照渲染、紋理映射等技術(shù)，將現(xiàn)實世界中的物體和場景轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的三維模型，從而在虛擬環(huán)境中進行模擬和操作。在滅火救援作戰(zhàn)訓(xùn)練方面，三維建模技術(shù)主要用于構(gòu)建虛擬的火災(zāi)現(xiàn)場、建筑結(jié)構(gòu)等復(fù)雜場景，使消防救援人員能夠在虛擬環(huán)境中進行身臨其境的訓(xùn)練和演訓(xùn)。三維建模作為一種先進的技術(shù)應(yīng)用，在模擬滅火救援作戰(zhàn)訓(xùn)練中的應(yīng)用，為解決傳統(tǒng)訓(xùn)練模式的局限開拓了全新的思路和途徑。通過構(gòu)建具體災(zāi)害現(xiàn)場的虛擬場景，消防救援人員可以在無實際風(fēng)險因素的環(huán)境中進行反復(fù)訓(xùn)練，可以有效提升應(yīng)對各種突發(fā)事件的能力。根據(jù)實際需求靈活調(diào)整設(shè)計訓(xùn)練場景，不論是模擬各種類型的火災(zāi)、自然災(zāi)害，還是其他應(yīng)急救援場景，都能很好的實現(xiàn)，切實提高了訓(xùn)練的效率和效果。

2 三維建模技術(shù)實際應(yīng)用的優(yōu)勢

2.1" 三維建模技術(shù)的核心優(yōu)勢與消防訓(xùn)練需求匹配

2.1.1" 高精度場景還原與動態(tài)災(zāi)害模擬

三維建模技術(shù)通過激光掃描、無人機傾斜攝影等手段，可生成1：1的建筑模型，精確標注消防通道、危險源（如燃氣管道、易燃物倉庫）及消防設(shè)施的位置，為訓(xùn)練提供真實的物理環(huán)境數(shù)據(jù)支持[2]。例如，某化工園區(qū)通過三維建模將儲罐區(qū)的管線布局與壓力閥狀態(tài)可視化，使消防員在虛擬環(huán)境中演練泄漏應(yīng)急處置，降低實操風(fēng)險，在隊伍內(nèi)部應(yīng)用更是取得較好效果。

某消防總隊構(gòu)建了覆蓋全省6000余家重點單位的滅火救援三維數(shù)字化預(yù)案平臺。該平臺通過傾斜攝影建模、激光掃描和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)了以下功能：第一，精細化模型構(gòu)建。對石化儲罐區(qū)、高層建筑等場景的消防設(shè)施（如消火栓、排煙口）進行1：1建模，并標注內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，支持快速調(diào)閱關(guān)鍵信息。第二，動態(tài)災(zāi)害推演。利用火焰粒子效果模擬儲油罐環(huán)狀火焰、石油泄漏流淌火等復(fù)雜火情，結(jié)合風(fēng)向、溫度等參數(shù)動態(tài)調(diào)整火勢蔓延路徑，輔助指揮員制定戰(zhàn)術(shù)決策。第三，多源數(shù)據(jù)協(xié)同。整合無人機實時回傳的紅外熱成像數(shù)據(jù)與三維模型，指揮員可實時查看火場溫度分布，規(guī)劃安全進攻路線。在2023年某市火災(zāi)中，該平臺通過三維定位技術(shù)引導(dǎo)消防員避開高溫區(qū)域，有效降低了傷亡風(fēng)險。

2.1.2" 沉浸式交互與心理素質(zhì)訓(xùn)練

結(jié)合虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)，消防員可在模擬的高溫、濃煙及坍塌環(huán)境中進行破拆、搜救等操作。系統(tǒng)通過觸覺反饋設(shè)備模擬火場高溫灼燒感，增強心理抗壓能力。研究表明，經(jīng)過VR訓(xùn)練的消防員在真實火場中的決策失誤率降低了27%。

某城市開發(fā)的數(shù)字孿生系統(tǒng)包含15類典型火災(zāi)場景（如地下空間、化工園區(qū)），通過三維建模與傳感技術(shù)實現(xiàn)以下創(chuàng)新：第一，智能評分與多模式訓(xùn)練。系統(tǒng)內(nèi)置AI算法，能夠?qū)缁鸩僮鬟M行實時評估，識別操作失誤（如滅火器噴射角度偏差），并生成改進報告。練習(xí)模式支持無限次重復(fù)訓(xùn)練，考核模式則模擬真實火場的壓力環(huán)境。第二，多感官沉浸體驗。通過VR設(shè)備模擬高溫灼燒觸感、濃煙窒息音效，增強消防員心理抗壓能力。

2.1.3" 成本效益與訓(xùn)練可擴展性

傳統(tǒng)實訓(xùn)需建設(shè)實體訓(xùn)練基地，單次演練成本較高，而三維建模技術(shù)可復(fù)用虛擬場景庫，支持多人同時訓(xùn)練，可顯著降低訓(xùn)練成本。例如，某省級消防總隊通過虛擬訓(xùn)練平臺，年均節(jié)約場地與設(shè)備費用超500萬元，訓(xùn)練頻次提升3倍。深圳華銳視點滅火器3D虛擬演示系統(tǒng)便是一個很好的例子，該系統(tǒng)通過Web3D技術(shù)開發(fā)，覆蓋4類火災(zāi)場景（如電氣火災(zāi)、液體火災(zāi)），用戶可在虛擬環(huán)境中選擇對應(yīng)滅火器進行滅火操作。互動式學(xué)習(xí)設(shè)計：限定時間內(nèi)完成滅火任務(wù)，系統(tǒng)會根據(jù)滅火范圍、噴射角度等參數(shù)判定成功率。例如，液體火災(zāi)需使用二氧化碳滅火器并保持安全距離，否則觸發(fā)“火勢擴大”警告。相比傳統(tǒng)培訓(xùn)，該系統(tǒng)無需實體場地與器材，單次訓(xùn)練成本降低80%，且支持遠程多人協(xié)同訓(xùn)練[3]。

2.2" 三維建模技術(shù)的多場景應(yīng)用與安全效能提升

2.2.1" 虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的模塊化構(gòu)建

第一，場景庫分類與定制化設(shè)計。高層建筑火災(zāi)場景中，模擬玻璃幕墻破裂、電梯井煙囪效應(yīng)等特殊火勢蔓延路徑，訓(xùn)練垂直救援與云梯車協(xié)同作業(yè)。對于地下空間火災(zāi)，應(yīng)結(jié)合熱力學(xué)模型模擬高溫濃煙的擴散規(guī)律，優(yōu)化排煙戰(zhàn)術(shù)與呼吸器的使用效率。在工業(yè)火災(zāi)場景中，動態(tài)模擬化工裝置的爆炸連鎖反應(yīng)，演練緊急關(guān)閥與堵漏操作，規(guī)避二次災(zāi)害風(fēng)險。第二，實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的動態(tài)調(diào)整。通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器與無人機實時回傳火場數(shù)據(jù)（如溫度、CO濃度），訓(xùn)練系統(tǒng)可動態(tài)調(diào)整火勢發(fā)展參數(shù)，考驗指揮員的應(yīng)急決策能力。例如，在2024年某次地鐵火災(zāi)演練中，系統(tǒng)根據(jù)實時煙霧擴散數(shù)據(jù)自動生成多條逃生路徑，成功引導(dǎo)80%參訓(xùn)人員脫離“危險區(qū)”。

2.2.2" 協(xié)同指揮與戰(zhàn)術(shù)優(yōu)化

第一，多部門聯(lián)合推演平臺。三維建模平臺支持消防、醫(yī)療、公安等多角色協(xié)同訓(xùn)練。例如，某特大城市通過模擬大型商業(yè)綜合體火災(zāi)，測試消防與醫(yī)療團隊在傷員轉(zhuǎn)運方面的銜接效率，發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化了“黃金10min”救援窗口期的流程漏洞。第二，數(shù)字化預(yù)案與戰(zhàn)例復(fù)盤。傳統(tǒng)紙質(zhì)預(yù)案難以直觀展示戰(zhàn)術(shù)細節(jié)，三維動態(tài)預(yù)案可標注水槍陣地設(shè)置、供水線路規(guī)劃等關(guān)鍵節(jié)點。戰(zhàn)例復(fù)盤功能則通過重現(xiàn)歷史火災(zāi)，分析指揮失誤點并生成改進報告，提升戰(zhàn)術(shù)科學(xué)性[4]。

3 三維建模技術(shù)創(chuàng)新與面臨的挑戰(zhàn)

3.1" 關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

3.1.1" 動態(tài)災(zāi)害模擬與AI預(yù)測技術(shù)

技術(shù)創(chuàng)新點主要由建立三種模型來實現(xiàn)，第一，流體動力學(xué)模型（CFD），基于Navier-Stokes方程，模擬火焰燃燒、氧氣消耗與煙霧擴散過程。第二，熱輻射傳遞模型，利用離散坐標法（DOM）計算火場熱輻射分布，結(jié)合建筑材料熱傳導(dǎo)系數(shù)（如混凝土0.8～1.6W/m·K），預(yù)測結(jié)構(gòu)坍塌風(fēng)險。第三，AI時序預(yù)測模型，采用LSTM（長短期記憶網(wǎng)絡(luò)）對歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，輸入實時溫度、風(fēng)速實時數(shù)據(jù)驅(qū)動動態(tài)修正系統(tǒng)自動觸發(fā)“轟燃風(fēng)險”預(yù)警。

3.1.2" 數(shù)字孿生與虛實聯(lián)動技術(shù)

數(shù)字孿生五層架構(gòu)，即物理層實時采集火場數(shù)據(jù)→傳輸層5G/邊緣計算低延遲傳輸→模型層BIM+GIS構(gòu)建三維場景→仿真層CFD+AI動態(tài)推演災(zāi)害→應(yīng)用層AR/VR交互支持決策，形成“感知-推演-執(zhí)行”閉環(huán)；虛實聯(lián)動核心技術(shù)主要是實時數(shù)據(jù)映射和反向控制機制，在虛擬模型中調(diào)整相關(guān)策略，自動生成指令控制現(xiàn)場具體場景的調(diào)整與變化。

3.1.3" 硬件與交互技術(shù)創(chuàng)新

主要技術(shù)創(chuàng)新點為：第一，邊緣計算與實時定位相結(jié)合，在無人機端部署邊緣計算節(jié)點，完成點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，降低傳輸延遲。室內(nèi)定位技術(shù)（UWB/藍牙信標）結(jié)合三維模型，實現(xiàn)消防員的位置追蹤與路徑優(yōu)化。第二，觸覺反饋設(shè)備的應(yīng)用：VR手套模擬火場高溫灼燒感，而壓力傳感器則反饋破拆工具操作阻力，增強訓(xùn)練的真實感。

3.2" 面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)及解決方案

數(shù)據(jù)采集與建模效率瓶頸。復(fù)雜火場環(huán)境（如濃煙、高溫）會導(dǎo)致無人機激光掃描精度下降。解決方案包括：一是多光譜傳感器融合，結(jié)合紅外熱成像與可見光數(shù)據(jù)，提升障礙物穿透能力。二是邊緣計算實時處理，在無人機端完成點云數(shù)據(jù)預(yù)處理，減少傳輸延遲。

模型輕量化與計算資源分配。高精度模型需消耗大量GPU算力，可通過以下方式優(yōu)化：LOD技術(shù)，根據(jù)視角動態(tài)調(diào)整模型精度，降低渲染負載；構(gòu)建云邊協(xié)同架構(gòu)，將核心計算任務(wù)分配至云端，終端僅處理交互指令。

標準化與跨平臺兼容性。當前VR設(shè)備、無人機與指揮系統(tǒng)間存在協(xié)議不兼容的情況。行業(yè)需推動建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口標準，并構(gòu)建消防專用三維模型數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)資源共享。

4 對未來的展望

系統(tǒng)通過學(xué)習(xí)分析消防員歷史訓(xùn)練數(shù)據(jù)，生成個性化訓(xùn)練方案。例如，針對新入職消防員，系統(tǒng)會側(cè)重基礎(chǔ)技能強化；而對于入職兩年后的消防員，則增加多災(zāi)種復(fù)合場景的挑戰(zhàn)，動態(tài)調(diào)整訓(xùn)練難度，針對性提升消防員心理素質(zhì)與應(yīng)急反應(yīng)能力。基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建分布式虛擬訓(xùn)練平臺，支持多地消防隊伍在同一場景中協(xié)同作戰(zhàn)，模擬跨區(qū)域增援與資源調(diào)度，使演練不再局限于一時一地。將消防訓(xùn)練系統(tǒng)開放至社區(qū)與學(xué)校，通過VR設(shè)備普及火災(zāi)自救和逃生知識。如在中小學(xué)校推廣虛擬火場逃生課程，以大幅提升未成年人的火災(zāi)自救能力。

5 結(jié)束語

三維建模技術(shù)通過虛擬訓(xùn)練、動態(tài)推演與智能分析，顯著提升了滅火救援作戰(zhàn)訓(xùn)練的安全性與實戰(zhàn)效能。但是技術(shù)應(yīng)用還需要攻克成本、標準化與數(shù)據(jù)安全等難題。未來，隨著AI、物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字孿生技術(shù)的深度融合，三維建模將成為構(gòu)建智慧化消防體系的重要支柱，為應(yīng)急救援提供全周期、多維度的安全保障。

參考文獻

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[2]郭丹丹.無人機三維建模在消防救援中的應(yīng)用[C]//2024年度滅火與應(yīng)急救援技術(shù)學(xué)術(shù)研討會論文集，2024：37-39.

[3]溫宗維.三維激光掃描技術(shù)在火災(zāi)調(diào)查中的應(yīng)用[J].水上安全，2024（3）：49-51.

[4]崔建華.無人機三維建模在消防應(yīng)急救援中的應(yīng)用探析[J].數(shù)字通信世界，2020（10）：180-181.