虚拟现实技术在消防工作中的应用研究

摘要：本文主要探讨虚拟现实和增强现实技术在消防工作中的应用。研究表明，其有效应用既有利于提高消防工作效率，又為消防工作提供了技术支撑，大大提高了消防员的生存技能和消防水平，从而使其能够更好应对突发状况。关键词：虚拟现实技术；消防工作；应用尽管消防科学经历了几十年发展获得了显著进步，但部分消防战训、演练仍然采取传统模式，导致无论是演练还是战训方法都存在一定的局限性，如成本和风险都处于一个较高的水平，且无法有效再现火灾场景。计算机技术的迅速发展，与其相关的图形学、人工智能技术以及人体工程学等出现了重大突破。虚拟现实（简称VR）和增强现实技术（简称AR）开始兴起，并应用到了诸多领域。这两项技术不仅可以模拟现场火灾场景，还能增强相关工作人员的火灾研判能力以及提供导航服务，为消防战训和演练创造更为真实的环境。此外，虚拟现实技术的应用还为消防救援人员创造了逼真的场景，加之交互式体验使模拟训练更为真实、专业，大大提高了消防人员的救援能力，为解决消防救援战训难题奠定了基础[1]。一、VR和AR技术简介VR技术属于综合性信息技术，该技术融合了多项信息技术中的最新成果，如多媒体、人工智能、网络等。VR技术则是借助身体感官，如眼睛、耳朵、鼻子等为用户带来新奇体验，即沉浸式体验[2]。AR技术和VR技术存在着千丝万缕的联系，其中前者是在后者的基础上逐渐发展而来，是借助计算机产生的信息来转变用户感知的一项技术。AR技术最突出的特点是增强现实，即将计算机提供的场景、虚拟物体等信息融入到真实场景中，通过信息叠加来增强现实。二、虚拟现实技术在消防工作中的应用途径（一）虚拟现实技术在消防战训工作中的应用1.虚拟现实技术在消防战训工作中应用的系统设计（1）构建三维立体模型。由虚拟现实技术构建出来的场景需要工作人员努力工作，如搜集火灾现场相关图片以及视频，并进行优化处理，最后将它们添加到三维立体模型中。由于消防机构本身承担着消防救援使命，其日常工作和火灾现场紧密相关，具有海量的现场资料，能够为该模型构建提供第一手素材。（2）构建外置场景。在应用虚拟现实技术时想要达到理想效果，不能只依靠虚拟场景，还应另辟蹊径，构建其他场景，如外置场景，以补充虚拟场景，让模拟场景真实性更高。在此基础上，应保障二者的吻合度。（3）构建互动算法。火灾救援是不断变化的，即使是开展模拟练习，不能仅让消防工作人员观看视频或者图片，应让他们融入进去，通过亲身体会和参与的方式提高消防战训质量。因此，构建互动算法极为重要，应将其作为该技术应用的关键和核心[3]。2.有效措施（1）构建建筑火灾场景。众所周知，建筑火灾是最为常见的火灾事故类型。建筑火灾不仅包括灭火，还包括疏散群众，帮助其脱离火灾现场。因此，在构建建筑火灾场景时不应忽略这一点，从而使构建出来的虚拟场景更贴近现实，更能展现当时的真实状况，从而为后续灭火救援工作的顺利开展奠定基础。（2）构建油罐火灾场景。油罐火灾事故对于消防指战员来说是一项较为艰巨的任务，极为考验其正确处理和随机应变的能力，否则不仅会延误消防救援工作，还有可能产生更为严重的后果，如火势不减反增，留下了较大安全隐患，且该隐患存在多变性。因此，在构建油罐火灾场景时，应明确重心，结合其行为给出反馈。为此，应结合其行为来加以改正，统计消防指战员的错误行为，并由此设计互动反馈机制。（3）构建城市综合体事故场景。城市综合体事故的发生概率相对来说较低，一旦发生往往会造成严重后果，如巨额经济损失、人员伤亡等。因此，该事故演练在消防战训工作中占据重要地位。在构建虚拟场景时，城市综合体事故由于范围大、影响因素多，在救援时除了考虑常规因素之外，还应考虑其他方面的因素，如空气、地质等。要达到较高的训练效果，应在构建该类型事故场景方面进行努力，充分考虑各项因素。与此同时，在完善该类型事故场景之后，也要对消防指战员的能力和素养进行全面考虑和检验。（二）虚拟现实和增强现实技术在消防演练中的应用1.系统总体架构系统采用的框架为多层结构，包括四个层次。第一层为平台层，第二层为人机交互层，第三层为应用层，第四层为对象层。平台层之间能进行实时通信；第二层在用户和虚拟环境之间，能够为用户提供人机交互方式；第三层是实现系统应用的核心；第四层是为模型提供来自系统数据方面支持的系统，并用于存取、维护等[4]。2.角色设计系统中包含的角色岗位不限于一种，如包括指挥、执行。其中，指挥岗结合态势发展、系统产生的工作参数，使控制的角色根据下达的操作指令进行行动。执行岗根据指挥岗发布的命令、自身所处系统参数，结合训练流程，为操作人员安排任务，并向指挥部汇报工作进度。实际上，这两个岗位在仿真系统中都发挥着重要作用。3.操作与智能交互在进行人机交互时，对操作人员的交互意图进行充分感知极其重要，一般可借助虚拟手段来实现。该方式属于接触式交互。除此之外，深度视频采集设备的兴起和大量应用，大大提升了行为识别的准确率。因此，也可采用视频方式来对操作人员的行为、语言等进行识别，该方式为非接触式。虚拟现实演练操作包含两个部分，一部分为虚拟手的移动控制、操作动作；另一部分为虚拟手、物体间的检测。前者可借助VR虚拟手柄来实施，利用其定位装置来检测手的坐标，此时的坐标属于实时坐标。参训者进行角色扮演，并配套虚拟现实设备，并借助该设备在虚拟的场景中完成任务。实际上，在该场景内，除了参训者之外，还有其他角色，当其需要和别的角色合作时，可借助手柄的交互点击、触碰交互对象，而被碰触的对象一旦接收交互指令，往往会自动执行相关操作，通过和参训者的配合来完成训练任务。VR空间互动利用的是光学动作捕捉原理，借助架构在空间上的高速相机，通过其对光学标记点的捕捉对物体运行轨迹进行識别跟踪，促进并实现三维大空间的人机交互。在此过程中，让训练者的移位距离、虚拟环境按照固定比例（一般为1∶1）来进行手势方面的交互，完成肢体动作，进行自由行走，通过对内容的观察来进行多种交互。4.演练考核设置一块分辨率较高的屏幕，并将其置于监控者面前，屏幕的中央为参与人员的实训过程以及场景画面。画面内容较为丰富，既包括实训中的操作流程，也包含数据信息、参训人员，以便为后续考核和评价创造条件。在此过程中，可使用Unity3D插件来进行视频回放，借助点击功能，观察参训人员列表，打开实训中的每个阶段操作步骤和流程，为其赋予分值，可由监控者进行手动评分，也可由系统来进行自动打分，打分依据为参训者的实操演练。此外，可观察参演工作人员如何部署消防力量、安排战略战术、发布指令、消防人员应急处理能力以及执行能力、灭火救援采取的措施是否科学、参与消防救援的班组配合默契度等，邀请专家对模拟的流程进行评价，定性+定量评价的方式能够更好对参与演练人员的演练效果进行科学、客观和合理评判。5.大数据云管理平台应用Unity3D内的“XCharts”插件，在运行系统时使用SQLSever语句，从而从数据库中进行数据调取并对这些数据进行预处理，之后将其存储到自身的缓存池中，等待“XCharts”执行，一旦系统接受了数据可视化这一命令，系统工作模式便发生了改变，即不需要再从本地数据库中读取数据，而是直接从缓存池中获得数据并将其传递到可视化插件当中，随即生成相应图片，一般为信息统计图。三、大型综合体灭火救援案例（一）灭火救援实战演练与尺度大型综合体人员较为密集，无论是建筑结构还是功能都较为复杂，面临的火灾荷载较大，人员疏散也存在较大困难，属于灭火救援的一大难点。在实战当中，作为一线的消防指挥员应充分了解火灾情况、着火部位的建筑构造、消防通道以及受困人员等相关信息，以便更好研判火灾演化与发展态势，部署救援力量。在部署时，应从外部灭火和内部灭火两方面入手，组织人员进行搜救和灭火。其中，指挥员对于火场态势的判断、人员的安排、力量的部署、战略战术的选择等都是这一类型火灾灭火救援的关键，在实战演练中居于重要地位，也是提升消防工作人员战斗力的难点。该类型的实景演练往往受场地、安全性等诸多方面制约，使得其组织开展难度较大。虚拟现实技术的出现和应用为该类型灭火救援的模拟演练以及预案推演创造了条件。（二）系统建模结合某地一大型综合体，观察其周边的地理信息以及消防资源来构建三维场景模型，并标注、设置其内部的消防设施，如消火栓、疏散通道、停车场、喷淋设备等。在综合体的外部，要结合其环境信息，如当地的温度、风速、湿度等，并根据演练要求来进行科学设置。（三）模拟演练1.火灾发生当某层的一个商铺意外发生火灾时，将灾情信息第一时间借助检测系统传递到指挥中心。2.调度指挥由指挥中心结合实际的火情信息，借助模拟计算和分析来观察综合体内部起火情况，构建火灾仿真场景，了解其发展情况。由系统借助可视化的方式将综合体周边的消防力量、资源等信息以及着火点楼层附近消防设备、疏散通道等位置信息进行直观显示。结合演练位置来进行任务布置，由演练导调组下达相关演练任务，由指挥员、指战员负责执行命令。演练人员包括指挥员、救援班组、消防指挥员等。其中，指挥员主要负责的任务是从系统平台所提供的相关信息出发，通过科学分析来下达任务，由救援班组执行，并调派消防队伍。组长在接到命令之后，发出灭火救援的相关指令，由佩戴好虚实融合装备的模拟演练消防员执行。在此过程中，无论是各层级的指挥员还是班组成员都应积极配合，以确保灭火救援任务的有效、顺利完成。在此过程中，消防员可借助外部观察以及询问相关知情人士来来了解火场情况，从而制定出科学的灭火救援方案。3.评测分析指挥员、观察员无需直接进入火灾现场，而是通过指挥中心平台来观看演练人员的实际操作信息。在演练结束之后，系统会自动保存各个层级人员的语言、操作等和灭火救援相关的过程信息、火场信息，方便反复回放和分析，并形成关于本次灭火救援的演习报告。指挥员、观察员可借助视频的回放功能+演习报告等方式来评判本轮的演习效果。（四）事故演化、推演计算在进行系统设计时，数据层应用的是本地数据文件。进行初始化时，应首先创建本体的管理、实例对象，在文件系统进行读取，读取的往往也是本地文件，并将各实例数据进行载入。接收客户端信息时，共包括以下两种请求，如对本体实例进行读取、对实例属性加以修改。修改属性数据一般应用于应急过程，用以标记形势、人物动作的变化。在完成后，需要评判本体的对象。图1事故推演流程图（五）灭火救援方案优化借助本系统来复盘整个模拟演练、预案推演。在此基础上，进行关键点查找，分析处置方案中的不足之