关于虚拟现实技术运用于消防仿真实训的几点思考

关于虚拟现实技术运用于消防仿真实训的几点思考

帖经炜

晋中市消防救援支队开发区大队，山西晋中030600

【摘要】随着虚拟现实技术的日渐成熟，国内外许多机构和部门都应用该技术开发出一系列虚拟消防系统，用来模拟火灾场景或用来制定消防应急预案，有效克服了传统方式消防演习训练的诸多缺点。从概念上讲，虚拟现实技术指的是基于数学建模，采用三维仿真技术对火灾场景和疏散过程进行动画仿真，真实刻画现实世界里火灾现场中各种物体的即时状态，包括火势的蔓延、烟雾的扩散、建筑物的形态、人员的逃生过程等。此文章通过对虚拟现实技术进行研究，旨在抛砖引玉，初步尝试用仿真建模法模拟应急救援中可能遇到的更大难题，供大家借鉴。

【关键词】虚拟现实技术，运用，消防，仿真实训

1.虚拟现实技术介绍及应用现状

1.1虚拟现实技术的基本概念。

虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)，它是集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机生成的高技术模拟系统，它原身就是军方的作战模拟系统。虚拟现实，它通过计算机生成一种特殊环境，人可以通过使用特殊装置将自己"投射"到这个环境中，并直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，实现特殊的目的，这种技术的特点在于人可以从视觉、听觉、触觉以及心理等达到现实中难以感知的环境，并能与之发生"交互"作用，使人和计算机很好地"融为一体"，给人一种"身临其境"的感觉。

1.2虚拟现实系统的应用

运用虚拟现实技术展开包括四个方面:模拟指挥训练、预案制作、战评总结、市民消防体验。

1.2.1模拟指挥训练功能主要实现对灭火救援相关的各级指挥员开展的个人或团队训练。受训救援人员进入事先创建好的场景中，从接警出动开始直至收残归队，训练其处置程序、决策指挥、力量部署、应急处突等方面的综合能力。在对地方新入职干部任职培训和基层干部培训中，已将该技术运用到理论教学、虚拟训练和考核评定中，效果显著。上课效率高，训练手段新，一人训练，一起探讨，共同提高，对灭火救援整体程序和各个环节的注意事项都有明显的帮助。

1.2.2预案制作主要体现在实现三维电子预案的制作以及对辖区重点单位情况的熟悉。利用模拟的虚拟场景制作某单位或某建筑的火灾和疏散预案，救援人员可以通过系统更加"身临其境"地熟悉单位的地形、水源、进攻通道等信息，"足不出户"就能实现"六熟悉"的训练。

1.2.3战评总结功能主要实现对以往发生的典型灭火救援案例在模拟训练系统中的重现，各级救援人员可以通过三维的案例场景更好地进行分析、总结、提高，同时作为典型案例进行教学。通过该技术，将事故现场的力量部署一一还原，摆脱之前战评总结"纸上谈兵"的定式，实现时间、空间上的沙盘推演，对总结提高、经典案例教学都有很大的帮助。

1.2.4市民消防体验功能主要通过模拟的手段，实现真实事故现场的声、光、烟效果，使群众体验在极度环境下的恐惧、慌乱感受，提升其应变和逃生的能力。

2.虚拟现实技术应用于消防灭火救援的重要意义

2.1、提升灭火救援绩效的客观需求

山西是中华民族的发祥地之一，历史悠久，人文荟萃，拥有丰富的历史文化遗产。近年来山西省内各大城市快速发展，但"历史悠久"和"快速发展"所带来的各类消防难题与灾害隐患，给城市安全运行带来了新的挑战。我们必须创新训练机制，利用虚拟现实技术实现分专业、分层次和分等级的培训，提升城市应急管理和灾害防控能力，提高现代化国际大都市公共安全管理水平，为山西经济快速发展、社会和谐稳定提供安全保障。面对越来越复杂的灾害事故，提升灭火救援绩效和训练场地、条件、装备、成本等因素的限制已成为一对不可避免的矛盾体，而虚拟现实技术可以让受训人员在逼真的事故环境中反复、经济、安全地开展训练，提高作战环节、力量部署、指挥程序以及突发状况应对的能力，真正实现"练为战"的训练目的。

2.2、转变战斗力生成模式的重要途径

要深化执勤训练改革，加快转变战斗力生成模式，就必须加强实战化、基地化组训模式，改变练兵活动只练"兵"的观念。传统的教学训练，侧重于理论教学，体能、技能、技术训练和实地演练，缺乏实战性。能够使救援人员在虚拟和仿真的环境中，学会如何快速的研判火情、制定作战方案、部署作战任务、指挥战斗行动。利用模拟训练系统进一步推进现代化消防救援建设，转变战斗力生成模式，创新基地化训练方式，实现专业化、模拟化和实战化训练。

2.3、实现现代化训练手段的必然趋势

在欧美发达国家，虚拟现实技术训练软件广泛应用于刑侦、交通、应急管理、医疗救护等领域。如荷兰的XVR软件，有超过16个国家、13个领域在使用;美国的ADMS软件，有20个国家在使用;此外，英国的Victor Command软件以及美国的Fire Studio软件，也在广泛的使用。在国内，虚拟现实技术的训练系统已逐步应用于飞行驾驶、潜水作业、地铁驾驶等专业培训，同时解放军部队也在运用该系统开展训练。在消防领域，它更是成为了发达国家培训消防员的一种重要模式，也是未来消防教学训练的发展方向。

虚拟现实技术是现代信息技术的重要分支，由于其具备低消耗、高效益、形象化等优势，能够有效增强受训人员对现实场景的环境意识，使其在实兵实装实战前已具备相当熟练的作战技能;而且通过虚拟现实技术的训练，可以实现"以点带面"的高效收益。可以说，虚拟训练借助虚拟现实技术解决了作战训练的"真实性"问题，提高模拟训练的仿真度;借助网络技术解决了灭火救援训练的"规模性"问题，把"大兵团"作战纳入日常训练课目。虚拟训练使消防救援人员足不出户便可针对各种灾害事故类型开展训练，这为救援人员的日常训练提供了极大的方便。

3.消防灭火救援在实战和训练方面存在的问题与困难

近年来消防员牺牲人数不断上升，很大程度上是因为他们对火灾现场掌握不明，缺乏专业的技术知识，尤其是实战经验的缺少成了现今消防救援队伍的重疾。虽然我们一直采取多种措施，例如大调研、实战演练，但远远达不到真实模拟的程度，存在着一些问题和困难。

3.1模拟实战训练成本高，人力物力消耗大。真火模拟训练是我们消防救援人员跟车执勤前的一个必修课程，通过模拟一些火灾事故场景，来提高他们对火灾的应对能力，从而减少伤亡，达到零伤亡。但是这些模拟训练设施需要花很大的成本来建造和维修，并且不能包含所有火灾类型，训练模式单一、固定，跟不上新形势下火灾发展趋势。例如在我们山西消防总队，也仅仅只有一个培训基地，却承担着山西所有消防救援人员的培训工作，这就使得培训时间和质量有所降低;另外由于新招聘的救援人员的火场经验缺乏，在培训过程中，往往会按照上级所布置的要求按部就班，应变能力大大降低，达不到培训所预期的效果。

3.2应用型项目模拟真实性较低，无法营造紧迫感。应用型项目训练是基层救援站必训项目，它可以根据灾情预设，做出合理火场规划，锻炼救援人员的单车作战和协同作战能力，提升救援人员面对类似灾情时的处置能力以及自我防护。然而在训练过程中，常常用"消极保安全"的观念降低训练科目难度，也会因工作繁重挤占训练时间，影响了整体的训练效果。救援人员对于火场模拟真实性不足，也体验不到真实的火场感受，没有视觉、听觉上的冲击，从而无法达到锻炼战时心理的作用。

3.3对新形势火灾的知识储备不够。在社会经济、科学技术高速发展的今天，新能源、新科技也逐步出现在了我们的日常生活中，并且被广泛的应用在了社会的各行各业，其存在的火灾隐患和扑救方法更不是我们用以往的灭火经验知识所能应对的。在全球，每年都会合成许多新的化学物质，这些化学物质火灾的扑救方法，我们又知道多少。如果，单单用图片文字来学习扑救新型火灾方法、注意事项等知识，达不到很好的效果，往往都会学完就忘。例如，在各种不同的灾害场景，使用何种装备才能更快更安全的营救被困人员，这就需要丰富的知识、经验作为保障，而经验则需要一次又一次实际操作才能累积。

4.虚拟现实技术在消防救援实战训练中的应用讨论

以上一系列问题不断在困扰着我国消防行业的继续前进和发展，而虚拟现实技术这个既要能客观真实的反映消防工作现实情况又能及时"倒带"的新技术的出现让这些问题迎刃而解。

4.1虚拟现实技术扩大了实践活动范围和认识研究对象。从本质上讲，虚拟现实技术应是一种能顺应我们现实与实践双重需要发展的新虚拟与实践互动形式，它随着信息网络时代的到来应用而生，扩大了社会的认识实践研究范围，增强了人类认识实践能力。由于虚拟现实所具有的一些物理属性特征以及可实际操作模拟的特殊性质，人们完全可以利用好它来进行模拟现实，从事一些在现实世界根本不可能真实进行的或甚至具有潜在危险的社会活动，更可以用来模拟现实的各种社会问题、所需采取怎样的行动对策以及各种社会可能性行为的各种结果，通过这些虚拟的实践过程来进一步降低风险，为真实训练提供可参考依据。例如，开发具有虚拟现实仿真技术特征的消防战术训练装备系统，受训演练人员将穿上该系列技术设备，"投射"参与到各类复杂逼真的模拟实战操作训练的环境场景中，通过模拟做出各个不同角度的模拟战术动作后反馈输出到战术训练设备系统中，训练装备系统可再一次根据所接收来的训练动作信息，调整模拟训练操作场景。在救援训练实践中，无论伤者是直接受伤的还是因为操作发生失误导致受伤，都还可以再次进行一次重新演练操作，以便我们在演练实战操作中更好的去规避此类风险，既有利于提高专业救援人员的专业战术技能，又能帮助锻炼救援人员的心理素质。

4.2虚拟技术利于消防作战更科学、单兵发展更全面。随着网络技术突飞猛进的发展，虚拟现实技术应用也将开始逐渐地渗入于消防灭火及抢险救援中，改变练兵方式，使救援人员可以从繁复的传统训练中解放出来，使得训练更加科学、系统、全面。首先虚拟现实技术是可以进行动态地、多维地、综合和仿真地来构建虚拟现实，对现实世界作适当限度的强化、夸张和修补，使救援人员能够对现场的实际认识更为全面，在自身成长发展道路上减少失误，少走弯路。第二，虚拟现实技术可以实现将灭火救援现场虚拟到各个灾害发展阶段，隐藏着的、未来得及显露出来的灾害或灾害事故突发的状况，这有利于救援人员尽快对灾害事故过程进行超前判断，缩短灾害认识的周期，纳入今后的现实实践，及时进行指导。第三，把虚拟现实技术运用到事故救援人员的各种认识过程中，可以把过去的各类较典型复杂的灾害事故进行演化重新组合与模拟，形成跨越时空的学习实践。第四，虚拟现实技术使救援人员对灭火救援的体验更丰富、认识更深刻，并通过网络的互交性加速知识更新、经验交流，使救援人员的主观能动性得到前所未有的拓展，不断增强自信心，。

4.3虚拟现实技术可提效减耗做到可持续发展。传统的训练模式常常制约于训练场地空间不够、物资供给不足、时间、天气等种种原因影响到训练进度，往往达不到预期的训练效果。而虚拟现实技术所开发出的训练系统就很好的地解决掉了上述问题，有助于摆脱传统模式的困境，使人才培养可持续发展。首先，虚拟现实技术能够减少成长的代价。现实中新生力量的成长需要在现实中长时间的摸索、认知，却又受困于客观条件达不到定量，以及各种突发状况，更是延长了这一过程。而时间一直也是消防救援队伍最缺的物资，将虚拟现实技术运用到救援人员的成长学习过程中，通过网络技术提供信息服务，可以即不需要救援人员付出更实际的有形物质代价，又能有效大大的提高救援人员认知效率、缩减成长过程。其次，虚拟现实技术都是通过提高信息资料的空间流动速度来达到增强一个人正确判断问题和解决问题的能力，它对于提高指挥员综合的指挥、判断、决策分析能力等，有着直接的现实教育意义，同时也能更有效合理地节约人力资源，减少教育及培训方面的社会成本。

5.虚拟现实技术应用于消防训练的未来展望

消防虚拟现实训练系统由计算机虚拟和真火仿真训练两个部分组成，但只有虚拟没有仿真，或者只有仿真没有虚拟的消防模拟训练系统都是不完备的。如何把二者有效地结合起来，在仿真系统的基础上融入虚拟技术，用虚拟技术更好的指导仿真训练和现场灭火救援，将是今后消防模拟训练系统的发展方向之一。

虚拟现实训练将始终坚持"理论教学、虚拟训练、仿真演练"的"三步走"训练方针，这就要求虚拟现实技术必须履行好"承上启下"的关键作用，消防救援人员可以将学习到的理论知识通过计算机虚拟训练反复地、安全地进行验证。同时，丰富的虚拟作战历练也为仿真演练提供有力的经验基础。

未来还可以通过单兵定位系统和物联网技术结合虚拟现实技术实现火灾现场指挥的电子沙盘功能，即把现场火灾情况和人员车辆装备等情况直接以三维模拟的形式在计算机屏幕上全方位的展示，以提供对大型火灾现场的辅助决策功能。

6.结语

广泛开展虚拟现实技术训练，确保消防救援人员具有更高的综合素质，提高组训能力和灭火救援技战术水平，这是极为必要的，也是消防训练工作与国际接轨的必然趋势。虚拟现实技术的应用是实现消防模拟训练的重要环节，加大训练课程的开发、经典案例的整理、各类事故的处置等基础工作，不断完善系统的功能，最大限度发挥系统功效，可切实有效提高消防救援队伍的整体战斗力。总之，虚拟现实技术会随着科技的发展而不断升级，全面科学的运用这一高级工具服务消防，必会加速消防的革新进程，为促进社会的稳定、人民安居提供新力量。

【参考文献】

【1】唐小飞，虚拟现实技术及其在消防工作中的运用，《警察技术》2014年第2期

【2】曾颖，汪青节，虚拟现实技术在消防中的应用，消防科学与技术.2006(03)：66-67.

【3】尤飞，蒋军成，城市消防安全前沿技术及进展——新型消防信息技术和防灭火技术，消防科学与技术，2010(10)：851一862.

【4】刘艳，邢志祥，刘伟，虚拟现实技术在消防模拟训练中的应用研究进展.消防科学与技术，2009(03)：214-一216.

作者简介：帖经炜，男，1984年12月生，硕士研究生学历，（大队级正职）兼初级专业技术职务，工作单位：晋中市消防救援支队开发区消防救援大队，通信地址：山西省晋中市榆次区机械园南街，邮编：030600，联系电话：18234445429.