虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防工作中的應(yīng)用研究

摘要：本文主要探討虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防工作中的應(yīng)用。研究表明，其有效應(yīng)用既有利于提高消防工作效率，又為消防工作提供了技術(shù)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(yīng)對突發(fā)狀況。關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；消防工作；應(yīng)用盡管消防科學(xué)經(jīng)歷了幾十年發(fā)展獲得了顯著進(jìn)步，但部分消防戰(zhàn)訓(xùn)、演練仍然采取傳統(tǒng)模式，導(dǎo)致無論是演練還是戰(zhàn)訓(xùn)方法都存在一定的局限性，如成本和風(fēng)險都處于一個較高的水平，且無法有效再現(xiàn)火災(zāi)場景。計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，與其相關(guān)的圖形學(xué)、人工智能技術(shù)以及人體工程學(xué)等出現(xiàn)了重大突破。虛擬現(xiàn)實(shí)（簡稱VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（簡稱AR）開始興起，并應(yīng)用到了諸多領(lǐng)域。這兩項技術(shù)不僅可以模擬現(xiàn)場火災(zāi)場景，還能增強(qiáng)相關(guān)工作人員的火災(zāi)研判能力以及提供導(dǎo)航服務(wù)，為消防戰(zhàn)訓(xùn)和演練創(chuàng)造更為真實(shí)的環(huán)境。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)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(xùn)練更為真實(shí)、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(xùn)難題奠定了基礎(chǔ)[1]。一、VR和AR技術(shù)簡介VR技術(shù)屬于綜合性信息技術(shù)，該技術(shù)融合了多項信息技術(shù)中的最新成果，如多媒體、人工智能、網(wǎng)絡(luò)等。VR技術(shù)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(shù)和VR技術(shù)存在著千絲萬縷的聯(lián)系，其中前者是在后者的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展而來，是借助計算機(jī)產(chǎn)生的信息來轉(zhuǎn)變用戶感知的一項技術(shù)。AR技術(shù)最突出的特點(diǎn)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，即將計算機(jī)提供的場景、虛擬物體等信息融入到真實(shí)場景中，通過信息疊加來增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防工作中的應(yīng)用途徑（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防戰(zhàn)訓(xùn)工作中的應(yīng)用1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防戰(zhàn)訓(xùn)工作中應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計（1）構(gòu)建三維立體模型。由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建出來的場景需要工作人員努力工作，如搜集火災(zāi)現(xiàn)場相關(guān)圖片以及視頻，并進(jìn)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(jī)構(gòu)本身承擔(dān)著消防救援使命，其日常工作和火災(zāi)現(xiàn)場緊密相關(guān)，具有海量的現(xiàn)場資料，能夠為該模型構(gòu)建提供第一手素材。（2）構(gòu)建外置場景。在應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)時想要達(dá)到理想效果，不能只依靠虛擬場景，還應(yīng)另辟蹊徑，構(gòu)建其他場景，如外置場景，以補(bǔ)充虛擬場景，讓模擬場景真實(shí)性更高。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)保障二者的吻合度。（3）構(gòu)建互動算法?；馂?zāi)救援是不斷變化的，即使是開展模擬練習(xí)，不能僅讓消防工作人員觀看視頻或者圖片，應(yīng)讓他們?nèi)谌脒M(jìn)去，通過親身體會和參與的方式提高消防戰(zhàn)訓(xùn)質(zhì)量。因此，構(gòu)建互動算法極為重要，應(yīng)將其作為該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵和核心[3]。2.有效措施（1）構(gòu)建建筑火災(zāi)場景。眾所周知，建筑火災(zāi)是最為常見的火災(zāi)事故類型。建筑火災(zāi)不僅包括滅火，還包括疏散群眾，幫助其脫離火災(zāi)現(xiàn)場。因此，在構(gòu)建建筑火災(zāi)場景時不應(yīng)忽略這一點(diǎn)，從而使構(gòu)建出來的虛擬場景更貼近現(xiàn)實(shí)，更能展現(xiàn)當(dāng)時的真實(shí)狀況，從而為后續(xù)滅火救援工作的順利開展奠定基礎(chǔ)。（2）構(gòu)建油罐火災(zāi)場景。油罐火災(zāi)事故對于消防指戰(zhàn)員來說是一項較為艱巨的任務(wù)，極為考驗其正確處理和隨機(jī)應(yīng)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(yán)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(gòu)建油罐火災(zāi)場景時，應(yīng)明確重心，結(jié)合其行為給出反饋。為此，應(yīng)結(jié)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(shè)計互動反饋機(jī)制。（3）構(gòu)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(yán)重后果，如巨額經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡等。因此，該事故演練在消防戰(zhàn)訓(xùn)工作中占據(jù)重要地位。在構(gòu)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(yīng)考慮其他方面的因素，如空氣、地質(zhì)等。要達(dá)到較高的訓(xùn)練效果，應(yīng)在構(gòu)建該類型事故場景方面進(jìn)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(jìn)行全面考慮和檢驗。（二）虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防演練中的應(yīng)用1.系統(tǒng)總體架構(gòu)系統(tǒng)采用的框架為多層結(jié)構(gòu)，包括四個層次。第一層為平臺層，第二層為人機(jī)交互層，第三層為應(yīng)用層，第四層為對象層。平臺層之間能進(jìn)行實(shí)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(jī)交互方式；第三層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)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(hù)等[4]。2.角色設(shè)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(jié)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(dá)的操作指令進(jìn)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(jié)合訓(xùn)練流程，為操作人員安排任務(wù)，并向指揮部匯報工作進(jìn)度。實(shí)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(jìn)行人機(jī)交互時，對操作人員的交互意圖進(jìn)行充分感知極其重要，一般可借助虛擬手段來實(shí)現(xiàn)。該方式屬于接觸式交互。除此之外，深度視頻采集設(shè)備的興起和大量應(yīng)用，大大提升了行為識別的準(zhǔn)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(jìn)行識別，該方式為非接觸式。虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)施，利用其定位裝置來檢測手的坐標(biāo)，此時的坐標(biāo)屬于實(shí)時坐標(biāo)。參訓(xùn)者進(jìn)行角色扮演，并配套虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，并借助該設(shè)備在虛擬的場景中完成任務(wù)。實(shí)際上，在該場景內(nèi)，除了參訓(xùn)者之外，還有其他角色，當(dāng)其需要和別的角色合作時，可借助手柄的交互點(diǎn)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(guān)操作，通過和參訓(xùn)者的配合來完成訓(xùn)練任務(wù)。VR空間互動利用的是光學(xué)動作捕捉原理，借助架構(gòu)在空間上的高速相機(jī)，通過其對光學(xué)標(biāo)記點(diǎn)的捕捉對物體運(yùn)行軌跡進(jìn)行識別跟蹤，促進(jìn)并實(shí)現(xiàn)三維大空間的人機(jī)交互。在此過程中，讓訓(xùn)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(jìn)行手勢方面的交互，完成肢體動作，進(jìn)行自由行走，通過對內(nèi)容的觀察來進(jìn)行多種交互。4.演練考核設(shè)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(shí)訓(xùn)過程以及場景畫面。畫面內(nèi)容較為豐富，既包括實(shí)訓(xùn)中的操作流程，也包含數(shù)據(jù)信息、參訓(xùn)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(jìn)行視頻回放，借助點(diǎn)擊功能，觀察參訓(xùn)人員列表，打開實(shí)訓(xùn)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(jìn)行手動評分，也可由系統(tǒng)來進(jìn)行自動打分，打分依據(jù)為參訓(xùn)者的實(shí)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(shù)、發(fā)布指令、消防人員應(yīng)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(xué)、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(jìn)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(jìn)行科學(xué)、客觀和合理評判。5.大數(shù)據(jù)云管理平臺應(yīng)用Unity3D內(nèi)的“XCharts”插件，在運(yùn)行系統(tǒng)時使用SQLSever語句，從而從數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)取并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)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(dāng)中，隨即生成相應(yīng)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(shí)戰(zhàn)演練與尺度大型綜合體人員較為密集，無論是建筑結(jié)構(gòu)還是功能都較為復(fù)雜，面臨的火災(zāi)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(diǎn)。在實(shí)戰(zhàn)當(dāng)中，作為一線的消防指揮員應(yīng)充分了解火災(zāi)情況、著火部位的建筑構(gòu)造、消防通道以及受困人員等相關(guān)信息，以便更好研判火災(zāi)演化與發(fā)展態(tài)勢，部署救援力量。在部署時，應(yīng)從外部滅火和內(nèi)部滅火兩方面入手，組織人員進(jìn)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(shù)的選擇等都是這一類型火災(zāi)滅火救援的關(guān)鍵，在實(shí)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(diǎn)。該類型的實(shí)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(shí)技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用為該類型滅火救援的模擬演練以及預(yù)案推演創(chuàng)造了條件。（二）系統(tǒng)建模結(jié)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(gòu)建三維場景模型，并標(biāo)注、設(shè)置其內(nèi)部的消防設(shè)施，如消火栓、疏散通道、停車場、噴淋設(shè)備等。在綜合體的外部，要結(jié)合其環(huán)境信息，如當(dāng)?shù)氐臏囟?、風(fēng)速、濕度等，并根據(jù)演練要求來進(jìn)行科學(xué)設(shè)置。（三）模擬演練1.火災(zāi)發(fā)生當(dāng)某層的一個商鋪意外發(fā)生火災(zāi)時，將災(zāi)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(jié)合實(shí)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(gòu)建火災(zāi)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(diǎn)樓層附近消防設(shè)備、疏散通道等位置信息進(jìn)行直觀顯示。結(jié)合演練位置來進(jìn)行任務(wù)布置，由演練導(dǎo)調(diào)組下達(dá)相關(guān)演練任務(wù)，由指揮員、指戰(zhàn)員負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)的任務(wù)是從系統(tǒng)平臺所提供的相關(guān)信息出發(fā)，通過科學(xué)分析來下達(dá)任務(wù)，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(guān)指令，由佩戴好虛實(shí)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(yīng)積極配合，以確保滅火救援任務(wù)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(guān)知情人士來來了解火場情況，從而制定出科學(xué)的滅火救援方案。3.評測分析指揮員、觀察員無需直接進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場，而是通過指揮中心平臺來觀看演練人員的實(shí)際操作信息。在演練結(jié)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(guān)的過程信息、火場信息，方便反復(fù)回放和分析，并形成關(guān)于本次滅火救援的演習(xí)報告。指揮員、觀察員可借助視頻的回放功能+演習(xí)報告等方式來評判本輪的演習(xí)效果。（四）事故演化、推演計算在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，數(shù)據(jù)層應(yīng)用的是本地數(shù)據(jù)文件。進(jìn)行初始化時，應(yīng)首先創(chuàng)建本體的管理、實(shí)例對象，在文件系統(tǒng)進(jìn)行讀取，讀取的往往也是本地文件，并將各實(shí)例數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)例進(jìn)行讀取、對實(shí)例屬性加以修改。修改屬性數(shù)據(jù)一般應(yīng)用于應(yīng)急過程，用以標(biāo)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(fù)盤整個模擬演練、預(yù)案推演。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)查找，分析處置方案中的不足之