嚴龍

【摘 要】綜述了虛擬現(xiàn)實技術的定義、重要特征和典型虛擬現(xiàn)實技術系統(tǒng)的組成；闡述了國內(nèi)外對虛擬現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀以及消防模擬訓練中存在的問題；最后，結合自身經(jīng)驗，探討了基于虛擬現(xiàn)實技術在消防滅火救援模擬訓練的應用。

【關鍵詞】虛擬現(xiàn)實技術；消防模擬訓練；應用

1.前言

虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality）簡稱VR技術，是20世紀末逐漸興起的一門綜合性信息技術，融合了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學、人工智能、多媒體、傳感器、網(wǎng)絡以及并行處理等多個信息技術分支的最新發(fā)展成果[1]。它能利用計算機生成一種模擬環(huán)境，并通過多種專用設備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進行自然交互的技術。

目前，虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)廣泛應用于教育與訓練、設計與規(guī)劃、科學計算可視化、商業(yè)領域、藝術與娛樂等方面。尤其對于模擬訓練方面，它能使學習者能直接、自然地與虛擬對象進行交互，以各種形式參與事件的發(fā)展變化過程，并獲得最大的控制和操作整個環(huán)境的自由度。

2.虛擬現(xiàn)實技術的特征和系統(tǒng)組成

2.1 虛擬現(xiàn)實的重要特征

虛擬現(xiàn)實技術是指利用計算機生成一種模擬環(huán)境，并通過多種專用設備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進行自然交互的技術。其關鍵技術包括有：動態(tài)環(huán)境建模技術、立體顯示和傳感器技術、系統(tǒng)開發(fā)工具應用技術、實時三維圖形生成技術、系統(tǒng)集成技術。它具有以下的重要特征：

（1）沉浸感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計算機創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，該環(huán)境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動起來是真的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現(xiàn)實世界中的感覺一樣。

（2）交互性，指用戶與虛擬環(huán)境的對象發(fā)生互動、相互作用，并且虛擬對象能作出相應的反應的效果。

（3）構想性，是指通過用戶沉浸在“真實的”虛擬環(huán)境中，與虛擬環(huán)境進行了各種交互作用，從定性和定量綜合集成的環(huán)境中得到感性和理性的認識[2]。虛擬現(xiàn)實技術不只是用戶與虛擬對象的接觸，而且可以讓用戶沉浸于虛擬技術創(chuàng)造的環(huán)境，并汲取更多的知識，從而有利于創(chuàng)造性思維的產(chǎn)生和發(fā)揮更大的潛能。

（4）多感知性，指的是虛擬現(xiàn)實模擬環(huán)境創(chuàng)造的虛擬環(huán)境，并對用戶產(chǎn)生視覺、聽覺、感覺上的沖擊。同時給用戶一種身臨其境的感覺。

2.2典型虛擬現(xiàn)實模擬技術系統(tǒng)的組成模塊

典型的虛擬現(xiàn)實模擬技術系統(tǒng)主要由計算機軟、硬件系統(tǒng)（包括VR軟件和VR環(huán)境數(shù)據(jù)庫）和VR輸入、輸出設備等組成，如下圖1所示。

3.虛擬現(xiàn)實技術研究現(xiàn)狀以及消防模擬訓練中存在的問題

3.1研究現(xiàn)狀

美國是虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)源地[3]，有美國宇航局（NASA）、麻省理工學院（MIT）媒體實驗室、華盛頓大學人機界面技術實驗室（HIT Lab）等許多知名的研究機構，其在虛擬現(xiàn)實領域的基礎研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。

從20世紀80年代起，我國開始研究虛擬現(xiàn)實模擬技術。雖然起步較晚，但近年來政府有關部門非常重視，制定了開展VR技術的研究計劃，而且國家重點科研計劃，都把虛擬現(xiàn)實技術列入了重點研究項目，例如國家自然科學基金、國家重點科學研究發(fā)展計劃等，而且國內(nèi)的一些科學家和重點院校也已積極投入了對這一領域的研究。例如，最早開展虛擬現(xiàn)實工程技術研究的西北工業(yè)大學電子工程系積極開發(fā)虛擬現(xiàn)實和虛擬仿真等方面的研究，并取得了良好的科研成果。同時，促進了其他院校和研究所VR技術研究的發(fā)展。北京航空航天大學在2000年8月成立了虛擬現(xiàn)實新技術教育部重點實驗室。

3.2消防模擬訓練存在的問題

3.2.1消防隊員心理素質

在火災救援時消防救援人員缺乏自信，比較緊張；例如消防泵啟動時略顯緊張，消防工具不配套，地下消防栓扳子長度太短等。

3.2.2消防專業(yè)素質

在實際操作中，消防救援人員的操作經(jīng)驗的不足；例如，水龍帶未完全展開就將消防栓蝶閥完全打開，使得水流高速沖擊未展開的水龍帶可能發(fā)生水龍帶劇烈擺動，或因為水流太大造成后坐力過大使人員把持不住水槍而發(fā)生水槍傷人事故。或水槍的噴射點只集中在一個位點，沒有達到整個油罐降溫和將相鄰油罐降溫的目的，人員的站位也沒有選擇在上風口，在實際發(fā)生火災的情況下很有可能對人身造成傷害。

3.2.3指揮決策素質

在目前的火災救援系統(tǒng)，主要采用的是二維平面系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)的可辨別性和可視性較差。因此，針對立體空間的特性，訓練中的指揮員難以制定相應的應對方案。

4.虛擬現(xiàn)實技術在消防模擬訓練的應用及意義

20 世紀90 年代末，我國提出了將虛擬現(xiàn)實技術應用于消防模擬訓練的構想，并在火災的可視化、系統(tǒng)交互性等方面進行了大量的研究。

4.1建筑火災方面

清華大學防災減災研究所率先研究了虛擬現(xiàn)實技術在建筑火災方面的模擬訓練[4]。該系統(tǒng)的研究方面主要包括了電子消防應急預案的制作、火災發(fā)生時群眾的疏散行為以及人員疏散演練等。

VR系統(tǒng)模擬了真實世界的火災環(huán)境，借助立體眼鏡來感受周圍建筑環(huán)境、火災的發(fā)展狀況，這讓群眾和消防人員能親身體驗火災發(fā)生時和救援群眾的真實感受。同時，還可以根據(jù)人們的描述來研究火災發(fā)生時人們的心理表現(xiàn)，這樣既可增強大眾在火災發(fā)生時的良好防災意識，又能教育群眾離開火場或采取報警、參與營救等措施。

4.2油罐火災方面

中國人民武警察部隊學院提出并研究了油罐火災滅火指揮計算機的模擬訓練系統(tǒng)，模擬訓練系統(tǒng)由總指揮部、冷卻滅火和供水保障分指揮部等部分組成，并以地理信息系統(tǒng)和火災三維場景為計算機交互界面。該系統(tǒng)具有一定的智能推理和訓練評估功能，可以提高指揮員對油罐火災發(fā)生時的指揮能力和戰(zhàn)略潛能。

在油罐火災模擬訓練中，采用VR技術可以認識設計參數(shù)與設計結果之間的關系。同時，發(fā)現(xiàn)設計中潛在的缺陷和問題，立即提出更嚴格的解決方案，進而使得整個模擬訓練方案趨于完善。

4.3煤礦事故救援訓練方面

太原理工大學以VRML和Java 的接口為基礎，研究了對煤礦事故救援訓練過程的仿真。利用該技術來模擬一個真正的礦井災害，通過計算機軟件演示使人們更具體直觀的認識到礦井災害發(fā)生的各方面因素，從而能有效及時的采取防災和救災準備。

礦井VR模擬技術可以不受時間、地點、天氣的影響來設置災害發(fā)生時可能出現(xiàn)的一些特俗情況，使得救援人員能更形象生動的記住救援場面，從而提高礦井救援人員處理災害的決策應變水平，并把礦井災害的傷亡和損失降到最低。

4.4森林火災模擬系統(tǒng)

瑞典林雪平大學計算機信息科學系首次提出了一種基于計算機網(wǎng)絡的“指揮、控制和通信”系統(tǒng)。該系統(tǒng)中消防模擬訓練的環(huán)境為森林火災，用戶能夠沉浸到計算機系統(tǒng)所創(chuàng)建的環(huán)境中，從而逼真的模擬消防救援人員、救援指揮員、等任何角色進行訓練。

該VR模擬技術系統(tǒng)具有較好的沉浸性和交互性。它創(chuàng)造的環(huán)境與真實森林環(huán)境的結合，再加之與地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)等的結合，可使救援設施的配置達到最優(yōu)化。

5.結束語

隨著虛擬現(xiàn)實技術的研究不斷深入和計算機技術的發(fā)展，逐漸應用到消防模擬訓練的科學計算和試驗結果的真實表現(xiàn)、火災安全工程設計、規(guī)劃及驗證、消防隊培訓及公民消防意識教育、安全管理和消防決策支持等方面，使人們無需完全依靠真實世界的直接試驗可以感受虛擬世界中的試驗。

參考文獻

[1]劉浩，戴居豐，楊磊，杜忠友，劉秀婷，孫翠娟.虛擬現(xiàn)實技術及其應用研究[J].微計算機信息.2005

[2]張占龍，羅辭勇，何為.虛擬現(xiàn)實技術概述[J].計算機仿真.2005

[3]馬利民.虛擬現(xiàn)實技術及其應用展望[J].計算機時代.2005

[4]劉艷，邢志祥，劉偉.虛擬現(xiàn)實技術在消防模擬訓練中的應用研究進展[J].滅火指揮與救援.2009