孫秀明，安麗娜，彭碧波

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在災(zāi)害救援演練中的應(yīng)用價(jià)值

孫秀明，安麗娜，彭碧波

隨著計(jì)算機(jī)和電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟，加之近年來(lái)我國(guó)災(zāi)害事件頻發(fā)， VR技術(shù)在災(zāi)害救援方面的應(yīng)用也越來(lái)越多，如地震救援演練、消防訓(xùn)練、災(zāi)難教育等。本研究對(duì)VR在自然災(zāi)害及人為災(zāi)難等救援領(lǐng)域的需求性、可行性及已有應(yīng)用案例現(xiàn)狀作一總結(jié)，并對(duì)VR在該領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了討論，以期為今后災(zāi)害救援演練提供指導(dǎo)性建議。

虛擬現(xiàn)實(shí)；突發(fā)災(zāi)害；應(yīng)急救援演練

【Key words】 virtual reality; sudden disasters; emergency rescue drill

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）也稱(chēng)人工環(huán)境或靈境技術(shù)，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)手段。其借助于計(jì)算機(jī)或相關(guān)硬件設(shè)備模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，為使用者提供聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)等多種感官的實(shí)時(shí)模擬與實(shí)時(shí)交互，讓使用者擁有身臨其境般感受，可隨時(shí)且無(wú)限度地觀(guān)察三維空間事物[1]。VR系統(tǒng)是由多種技術(shù)所構(gòu)成的大型綜合集成環(huán)境，如計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像模式識(shí)別與處理、語(yǔ)音處理與音像、傳感器及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，是一門(mén)信息技術(shù)極強(qiáng)的綜合性學(xué)科[2]。自然災(zāi)害與人為災(zāi)難性事件無(wú)可避免，目前尚無(wú)任何一樣科技可有效阻止災(zāi)難的發(fā)生，但通過(guò)適當(dāng)?shù)膽?yīng)急救援演練可最大限度地減少傷害并挽救生命。目前，VR技術(shù)是與災(zāi)難救援演練相關(guān)且最具有前景的技術(shù)之一。本研究主要對(duì)VR技術(shù)在災(zāi)害應(yīng)急救援演練中的需求性、可行性及已有應(yīng)急救援演練的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，以期提高應(yīng)急救援人員的應(yīng)急處置能力與管理人員的現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)決策能力，提升各相關(guān)部門(mén)的應(yīng)變協(xié)同救援能力，為災(zāi)害救援演練提供借鑒。

1 突發(fā)災(zāi)害救援演練對(duì)VR的需求

1.1 突發(fā)災(zāi)害事件頻發(fā) 近十余年來(lái)，各種重大的自然災(zāi)害與人為性災(zāi)難事件也在不斷上演，且呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，具有爆發(fā)性、突發(fā)性、傳染性、流行性、群體性、復(fù)雜性、破壞性、危害性及不可預(yù)測(cè)性等特點(diǎn)，這就要求醫(yī)學(xué)救助任務(wù)復(fù)雜多變、救援力量構(gòu)成多元性，以及醫(yī)學(xué)救助快速性，并亟需更多專(zhuān)業(yè)的應(yīng)急救援隊(duì)伍[3,4]。面對(duì)各種突發(fā)災(zāi)害事件，我國(guó)政府自2003年以來(lái)對(duì)應(yīng)急救援演練的重視程度上升至新的層次，不僅相繼出臺(tái)了一系列應(yīng)對(duì)突發(fā)災(zāi)害事件的法律法規(guī)和預(yù)案，還加強(qiáng)了對(duì)各地應(yīng)急救援隊(duì)伍的演練監(jiān)督。為響應(yīng)國(guó)家在突發(fā)災(zāi)害事件應(yīng)急救援方面的號(hào)召，衛(wèi)生部在國(guó)家層面積極建設(shè)應(yīng)急醫(yī)療救援體系，抽取精干力量組成國(guó)家突發(fā)事件應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援隊(duì)伍，敦促各地區(qū)重視對(duì)應(yīng)急救援人員的訓(xùn)練。

1.2 傳統(tǒng)災(zāi)害救援演練的缺陷 在突發(fā)災(zāi)害事件日益頻發(fā)及國(guó)家相關(guān)政策不斷出臺(tái)的背景下，各應(yīng)急救援機(jī)構(gòu)也提高了對(duì)災(zāi)難性事件應(yīng)急救援演練的重視度，加大人力、物力投入來(lái)研究如何在應(yīng)急救援演練中提高救援人員的應(yīng)急技術(shù)和決策能力。但傳統(tǒng)基地化實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練存在諸多局限：（1）需要消耗大量人力和物力，需大型場(chǎng)地保障，訓(xùn)練準(zhǔn)備周期長(zhǎng)；（2）復(fù)雜突發(fā)災(zāi)害場(chǎng)景的真實(shí)性難以實(shí)現(xiàn)，訓(xùn)練過(guò)程中費(fèi)用昂貴且難以多次重復(fù)訓(xùn)練，逼真危險(xiǎn)場(chǎng)景中訓(xùn)練或操作存在的危險(xiǎn)性控制問(wèn)題均難以解決；（3）傳統(tǒng)訓(xùn)練模式對(duì)突發(fā)事故的回放多為二維視頻模式，無(wú)法給救援演練人員帶來(lái)真實(shí)情境感受，而突發(fā)災(zāi)害事件的傷害往往超出人們的預(yù)期，因此救援演練范圍及層次需高于人們對(duì)災(zāi)害的預(yù)估，加之常規(guī)演練多屬于照本宣科式的表演性演習(xí)，成效不明顯，不能充分調(diào)動(dòng)救援人員的積極性，且訓(xùn)練模式不夠人性化，對(duì)受訓(xùn)隊(duì)伍的整體救援水平及個(gè)人情況缺少了解[5]。

1.3 VR救援演練系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì) VR救援演練系統(tǒng)協(xié)同實(shí)訓(xùn)演練系統(tǒng)進(jìn)行突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急處理和訓(xùn)練、指揮，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)災(zāi)害救援演練的訓(xùn)練場(chǎng)地緊缺、方式不合理、設(shè)施落后等多種問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急救援模擬演練，彌補(bǔ)實(shí)際場(chǎng)地演練中資源緊缺的客觀(guān)局限，總體投入成本少，綠色無(wú)環(huán)境污染和無(wú)危害，且演練任務(wù)可多重設(shè)計(jì)模擬，可使應(yīng)急救援管理人員掌握在災(zāi)害救援現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置中如何快速啟動(dòng)預(yù)案、作出應(yīng)變決策、處置突發(fā)情況、協(xié)調(diào)各部門(mén)人員的救援工作能力，同時(shí)綜合提高救援人員應(yīng)急處理能力[6,7]。

2 突發(fā)災(zāi)害救援演練應(yīng)用VR的可行性

為了滿(mǎn)足應(yīng)急救援演練和各種預(yù)案落實(shí)及考核的需要，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)和災(zāi)害過(guò)程的模擬仿真，為參訓(xùn)者提供執(zhí)行各項(xiàng)應(yīng)急救援任務(wù)的虛擬環(huán)境[8]。參訓(xùn)者在此環(huán)境中按職能和任務(wù)的不同，模擬不同的角色，各角色相互合作，協(xié)同訓(xùn)練，完成所設(shè)定的任務(wù)[9]。VR通過(guò)對(duì)各類(lèi)災(zāi)害數(shù)值模擬和人員行為數(shù)值模擬的仿真，在虛擬空間中仿真災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展的過(guò)程，以及人們?cè)跒?zāi)害環(huán)境中可能做出的各種反應(yīng)，救援人員可通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多感官與之進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，大大提高了救援演練的真實(shí)性[10]。在VR演練平臺(tái)上，并在最大限度仿真實(shí)際災(zāi)害的條件下，使災(zāi)害場(chǎng)景再現(xiàn)，讓救援人員在仿真訓(xùn)練中獲得與真實(shí)救援相同的感受，充分調(diào)動(dòng)應(yīng)急救援人員的演練積極性，使其更好地被帶入到三維虛擬空間中，充分表現(xiàn)出其在真實(shí)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的生理和心理變化，繼而通過(guò)數(shù)據(jù)采集分析探索出適合救援人員的演練方式及強(qiáng)度[11]。在此基礎(chǔ)上，制訂各類(lèi)企事業(yè)單位的數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案，應(yīng)急仿真演練系統(tǒng)可用來(lái)訓(xùn)練各級(jí)決策與指揮人員、事故處置人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)作出對(duì)策，對(duì)以往救援經(jīng)歷進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)急處置過(guò)程中存在的問(wèn)題，還可檢驗(yàn)和評(píng)估應(yīng)急預(yù)案的可操作性和實(shí)用性，加強(qiáng)企事業(yè)單位的協(xié)調(diào)能力和應(yīng)急能力，使應(yīng)急演練科學(xué)化、智能化、虛擬化[12]。

3 VR技術(shù)在突發(fā)災(zāi)害救援演練中的應(yīng)用

3.1 VR應(yīng)急救援演練系統(tǒng)的核心裝備 在突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急救援演練中，受訓(xùn)人員的訓(xùn)練強(qiáng)度較大，如何使VR產(chǎn)品在演練中得到推廣應(yīng)用是目前研發(fā)的重點(diǎn)。在VR技術(shù)的災(zāi)害應(yīng)急救援演練中，VR頭盔除具有通訊、紅外夜視、防護(hù)功能外，還可使受訓(xùn)人員在同一事物中看到眼前虛擬物體和真實(shí)環(huán)境的實(shí)時(shí)交互，如受訓(xùn)人員可通過(guò)頭盔了解眼前的真實(shí)環(huán)境，還可看到視野另一側(cè)的災(zāi)害環(huán)境模擬地圖，在地圖中可精確標(biāo)示出被救人和施救人員的位置，并通過(guò)VR系統(tǒng)分析出救援的最佳路線(xiàn)和方案等。救援人員還可配帶對(duì)救援現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有關(guān)數(shù)據(jù)的分析表，及時(shí)了解救援現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、二氧化碳及相關(guān)毒性污染物等參數(shù)變化，還可掌握自身生命體征參數(shù)變化[13]。

3.2 VR技術(shù)的災(zāi)害應(yīng)急訓(xùn)練模式 預(yù)案訓(xùn)練模式是指受訓(xùn)者按照預(yù)案規(guī)定的內(nèi)容，各司其職，完整地按照預(yù)案執(zhí)行救援的全過(guò)程。預(yù)案訓(xùn)練將預(yù)案變得可以執(zhí)行，并形成了一個(gè)考核手段。突發(fā)災(zāi)害事件訓(xùn)練模式就是在訓(xùn)練的過(guò)程中，由系統(tǒng)操作人員進(jìn)行干預(yù)操作，比如設(shè)置一次突然“爆炸”，突然改變“風(fēng)向”等。突發(fā)事件的訓(xùn)練主要是訓(xùn)練救援人員對(duì)突發(fā)災(zāi)害事件的反應(yīng)和指揮能力[12]。

3.3 已有VR技術(shù)災(zāi)害應(yīng)急演練案例 虛擬訓(xùn)練環(huán)境具有更為逼真、使受訓(xùn)者有“身臨其境”之感、立體畫(huà)面情境多變、訓(xùn)練突出點(diǎn)強(qiáng)、可控制性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，近年來(lái)VR技術(shù)在災(zāi)害應(yīng)急演練中的應(yīng)用越來(lái)越多，主要有地震應(yīng)急救援演練、消防訓(xùn)練、礦難救援等，均取得了顯著成效。

3.3.1 地震應(yīng)急救援演練 VR技術(shù)早在2006年就已被引入到國(guó)家地震應(yīng)急救援演練中，賈群林與周柏賈[12]團(tuán)隊(duì)先后研發(fā)了面向地震應(yīng)急救援管理人員現(xiàn)場(chǎng)做決策的應(yīng)急救援虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，面向救援人員救援應(yīng)急訓(xùn)練的地震現(xiàn)場(chǎng)救援演練系統(tǒng)及面向公眾地震應(yīng)急避險(xiǎn)的逃生游戲等。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)VR相關(guān)技術(shù)將獲取的三維實(shí)際情境數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像合成和背景生成，模擬出與真實(shí)地震環(huán)境相似的虛擬受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，主要包括：地震發(fā)生背景（時(shí)間、等級(jí)）、現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景、各種救援人員及救援設(shè)備等。參訓(xùn)人員攜帶VR產(chǎn)品裝備進(jìn)入情境逼真的虛擬災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)虛擬系統(tǒng)來(lái)設(shè)置不同的災(zāi)害場(chǎng)景和各種突發(fā)情況，通過(guò)穿的VR產(chǎn)品裝備上的傳感裝置做出相應(yīng)技術(shù)動(dòng)作，選擇不同應(yīng)急方案。

3.3.2 消防救援訓(xùn)練 基于實(shí)戰(zhàn)模擬的訓(xùn)練對(duì)提高消防部隊(duì)?wèi)?zhàn)訓(xùn)水平發(fā)揮著極其重要的作用，消防訓(xùn)練改革的方向也必將以模擬實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練為主，參訓(xùn)消防指戰(zhàn)員以虛擬火災(zāi)環(huán)境為依托，感受火災(zāi)進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的滅火救援訓(xùn)練。張?jiān)泼髋c陳蕾[13]利用VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了滅火救援訓(xùn)練操作與火災(zāi)場(chǎng)景的交互，三維虛擬火災(zāi)場(chǎng)景的合成需要首先建立三維建筑模型，并以此為基礎(chǔ)設(shè)定特定地點(diǎn)或部位的火災(zāi)，模擬火災(zāi)在建筑內(nèi)的發(fā)生、發(fā)展、蔓延等過(guò)程。通過(guò)建立好的虛擬火災(zāi)場(chǎng)景，參與訓(xùn)練的人員能夠身臨其境地體驗(yàn)到特定的建筑火災(zāi)環(huán)境。虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)通過(guò)一系列的人機(jī)交互術(shù)，體現(xiàn)出訓(xùn)練人員對(duì)火災(zāi)施加的影響，如模擬參訓(xùn)人員操作消火栓滅火并使火勢(shì)逐漸減小甚至熄滅的過(guò)程。滅火訓(xùn)練的人機(jī)交互功能還可利用各種傳感器技術(shù)，將火場(chǎng)的熱量和煙氣作用在參訓(xùn)人員身上，實(shí)現(xiàn)逼近真實(shí)情況下的滅火救援操作。

3.3.3 災(zāi)難救援教育 利用VR技術(shù)還原災(zāi)害發(fā)生情景，還可喚醒公眾對(duì)受災(zāi)地區(qū)的關(guān)注，如2015-06，美國(guó)RYOT News發(fā)布了一部關(guān)于尼泊爾7.8級(jí)地震中房屋倒塌的場(chǎng)景，畫(huà)面呈現(xiàn)的主要是兩個(gè)地震重災(zāi)區(qū)巴克塔普爾和新圖巴爾恰克，令觀(guān)看者仿佛真的置身于堆積如山的廢墟和碎石之中。RYOT公司稱(chēng)這部短片是首部VR版自然災(zāi)害紀(jì)錄片，也是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于“新聞和行動(dòng)”的范例，回應(yīng)VR技術(shù)將影響媒體發(fā)展的諾言，短片為公眾呈現(xiàn)了地震發(fā)生及災(zāi)后場(chǎng)景[14]。

4 展 望

突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急救援管理水平的提升主要依靠先進(jìn)的應(yīng)急救援技術(shù)和救援裝備來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也是提高應(yīng)急救援人員在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)戰(zhàn)能力、降低其他事故發(fā)生概率、減少救援人員自身傷害的保障。災(zāi)害救援現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、條件艱苦，長(zhǎng)期的應(yīng)急救援工作往往使救援人員體力不支、意志力下降，而現(xiàn)代救援依靠科技水平和技術(shù)[15]，在突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急救援演練中引進(jìn)VR技術(shù)，可提高救援隊(duì)伍的實(shí)戰(zhàn)能力和技術(shù)水平，還可提高災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)急管理水平。利用VR技術(shù)采集分析受訓(xùn)人員在演練過(guò)程中的心理和生理水平數(shù)據(jù)，以探索適應(yīng)個(gè)體受訓(xùn)人員鍛煉的時(shí)間和強(qiáng)度，進(jìn)而開(kāi)發(fā)救援人員心理承受力的VR心理訓(xùn)練系統(tǒng)[15]。目前，對(duì)于在受訓(xùn)人員心理訓(xùn)練中VR系統(tǒng)技術(shù)尚不夠成熟，今后研究方便、經(jīng)濟(jì)的VR心理訓(xùn)練產(chǎn)品有重要意義。

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（2017-07-20 收稿 2017-09-30 修回）

（本文編輯 付 輝）

The application value of virtual reality technology in disaster rescue drills

SUN Xiuming, AN Li'na, and PENG Bibo. Institute of Disaster Medicine, General Hospital of Chinese People's Armed Police Force, Beijing 100039, China

PENG Bibo, E-mail: pengbibo0610@126.com

With the rapid development of computer and electronic information technology, virtual reality (VR) technology has been steadily developing in recent years. Owing to the high frequency of disasters, and the ongoing need for training such as earthquake rescue drills, fire training and disaster education etc, there is a high demand for VR training tools. This study summarizes the necessity, the feasibility and potential application status of VR in the field of natural and man-made disasters rescue and discusses its potential, with the view to providing guidance for future emergency rescue drill training.

TP391.9

10.13919/j.issn.2095-6274.2017.10.012

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目任務(wù)書(shū)（2017YFC0806700）

100039 北京，武警總醫(yī)院災(zāi)害救援醫(yī)學(xué)研究所

彭碧波，E-mail：pengbibo0610@126.com