淡 默 汪 彤

北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展,各類災(zāi)害事故頻發(fā),救援隊(duì)伍面臨的挑戰(zhàn)巨大。一方面化學(xué)品事故、高層建筑、地下空間、化學(xué)恐怖襲擊事件等復(fù)雜事故致災(zāi)因素復(fù)雜、易造成大量人員傷亡、環(huán)境損害和經(jīng)濟(jì)損失，社會(huì)政治影響大，對(duì)救援技術(shù)要求高，需要加強(qiáng)訓(xùn)練特別是實(shí)戰(zhàn)模擬訓(xùn)練以提高救援技術(shù)和水平；另一方面，這些事故實(shí)戰(zhàn)模擬難度大、事故發(fā)展控制難、不易或不宜經(jīng)常進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)模擬訓(xùn)練。訓(xùn)練要求高和難以訓(xùn)練的現(xiàn)實(shí)矛盾在一定程度上制約了城市應(yīng)急救援能力的提高。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展為該矛盾的解決提供了強(qiáng)有力的支持和工具，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開展城市應(yīng)急救援技術(shù)及適應(yīng)性訓(xùn)練已成為當(dāng)前城市應(yīng)急救援訓(xùn)練研究的熱點(diǎn)技術(shù)。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR），又譯為臨境, 靈境等,這個(gè)詞最早始創(chuàng)于20世紀(jì)80年代是1989年由美國(guó)的Jarn Lanier正式提出的[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)是一種基于可計(jì)算信息的沉浸式交互環(huán)境，即采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助頭盔顯示器和傳感手套等交互設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有三個(gè)特征：“沉浸(Immersion)“交互(Interaction)”和“構(gòu)想(Imagination)”(3I特征)

（1）沉浸感：計(jì)算機(jī)通過建立三維圖像的虛擬空間生成虛擬環(huán)境，使用戶完全沉浸于其中，有目的的進(jìn)行漫游、觀看、觸摸、聽取和聞嗅各種虛擬對(duì)象,感覺似乎離開了自身所處的外部環(huán)境,沉浸在所研究的虛擬世界之中,成為系統(tǒng)的組成部分。

（2）交互性：用戶在虛擬世界中所感受到的信息,經(jīng)過大腦的思考和分析,形成自己想要實(shí)施的動(dòng)作或策略,通過輸入界面反饋給系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的交互和獨(dú)立自主地控制系統(tǒng)運(yùn)行的功能。

（3）構(gòu)想：用戶在虛擬世界中根據(jù)所獲取的多種信息和自身在系統(tǒng)中的行為,通過聯(lián)想、推理和邏輯判斷等思維過程,隨著系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)變化對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的未來進(jìn)展進(jìn)行想象,以獲取更多的知識(shí),認(rèn)識(shí)復(fù)雜系統(tǒng)深層次的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和規(guī)律性。

分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，是基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，該技術(shù)將異地分散的各種仿真系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，提供一個(gè)可供多用戶交互操作的復(fù)雜的三維虛擬視景，處于不同地理位置的用戶通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入到同一個(gè)“真實(shí)環(huán)境”中，通過動(dòng)作、聲音或文字等“在一起”進(jìn)行交流、學(xué)習(xí)、訓(xùn)練，完成協(xié)同演練。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在城市應(yīng)急救援訓(xùn)練上的應(yīng)用

2.1 主要應(yīng)用領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實(shí)仿真模擬訓(xùn)練系統(tǒng)被廣泛運(yùn)用于軍事、航空航天和醫(yī)學(xué)手術(shù)訓(xùn)練中，近年來該技術(shù)也逐漸應(yīng)用到城市應(yīng)急救援訓(xùn)練，主要用于以下幾個(gè)方面的訓(xùn)練：

（1）心理適應(yīng)能力訓(xùn)練：系統(tǒng)構(gòu)建各類逼真的災(zāi)害事故場(chǎng)景，讓受訓(xùn)者在“真實(shí)環(huán)境”中感受體驗(yàn)，培養(yǎng)受訓(xùn)者對(duì)特定場(chǎng)景的認(rèn)識(shí)、適應(yīng)能力以及心理承受能力。

（2）裝備操作訓(xùn)練：通過建立裝備的虛擬模型和虛擬儀表，模擬裝備操作程序，使受訓(xùn)者熟悉裝備的原理、功能和操作程序，訓(xùn)練救援人員對(duì)裝備的操作、保養(yǎng)和維修技能。

（3）救援技能訓(xùn)練：構(gòu)建各類災(zāi)害事故場(chǎng)景，應(yīng)急救援人員通過頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備，在“真實(shí)場(chǎng)景”中操作虛擬的裝備，與虛擬場(chǎng)景互動(dòng)，進(jìn)行滅火、破拆、堵漏、洗消、偵檢等應(yīng)急救援技能訓(xùn)練。

（4）決策、指揮訓(xùn)練：對(duì)高層建筑火災(zāi)、地鐵事故、化學(xué)品事故、化學(xué)恐怖襲擊等各類事故救援工作進(jìn)行模擬仿真，輔助于化學(xué)品數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS系統(tǒng)、事故后果預(yù)測(cè)模擬分析，結(jié)合地理?xiàng)l件、交通狀況、應(yīng)急救援力量配置狀況、救援物資分布等情況，選擇救援戰(zhàn)術(shù)和救援方案，通過指令的下達(dá)等功能設(shè)計(jì)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)指揮、調(diào)度、決策分析能力和突發(fā)事件處理能力等內(nèi)容進(jìn)行交互式輔助訓(xùn)練，并提供綜合評(píng)判。采用分布式訓(xùn)練系統(tǒng)，各級(jí)指揮員可同時(shí)進(jìn)行訓(xùn)練，以提高城市應(yīng)急各部門、各救援隊(duì)伍聯(lián)合作戰(zhàn)的指揮、協(xié)同能力。

2.2 國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用研究情況

英國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家較早的將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于城市訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)，并已將訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際訓(xùn)練，取得了良好的訓(xùn)練效果。

美國(guó)環(huán)境建筑公司（ETC）開發(fā)了重大事故災(zāi)難管理模擬系統(tǒng)（Advanced Disaster Management Simulator,ADMS），該系統(tǒng)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)的交互式團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練系統(tǒng)，主要用于事故應(yīng)急響應(yīng)過程中不同部門間的4C（Command,Control,Coordination and Communication）能力和部門間協(xié)調(diào)工作的訓(xùn)練。

2004年，美國(guó)卡耐基麥龍大學(xué)和紐約消防局啟動(dòng)危險(xiǎn)化學(xué)品事故第一響應(yīng)者應(yīng)急救援訓(xùn)練系統(tǒng)（Hazmat:Hotzone）合作開發(fā)項(xiàng)目[2]。該系統(tǒng)通過構(gòu)建不同危險(xiǎn)化學(xué)品、不同場(chǎng)景下的各類事故的三維虛擬場(chǎng)景，供多個(gè)用戶在這虛擬仿真環(huán)境中通過語音、視覺傳感器等各種交互方式協(xié)同進(jìn)行危險(xiǎn)化學(xué)品事故應(yīng)急處置和救援訓(xùn)練。

英國(guó)ColvVirtual Reality公司開發(fā)了被稱為Vegas的火災(zāi)疏散演示模擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于Dimension international的Supers cape虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)環(huán)境開發(fā)，以三維動(dòng)畫的形式演示火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員的疏散情況，使用戶具有沉浸感，讓用戶能夠親身體驗(yàn)火災(zāi)發(fā)生時(shí)的感覺，并可以進(jìn)行消防人員滅火救援以及人員疏散的模擬訓(xùn)練。

我國(guó)在上世紀(jì)90年代末提出了將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于城市應(yīng)急救援訓(xùn)練的構(gòu)想，在火災(zāi)可視化、系統(tǒng)交互等方面開展許多卓有成效的研究，研究成果開始應(yīng)用于實(shí)際訓(xùn)練。

后勤工程學(xué)院開發(fā)了基于單機(jī)運(yùn)行的虛擬油庫(kù)火災(zāi)消防模擬訓(xùn)練系統(tǒng)[3]，建立了主要基于經(jīng)驗(yàn)公式的油罐火災(zāi)模型和油罐火災(zāi)消防工程模型，實(shí)現(xiàn)了油罐火災(zāi)消防模擬訓(xùn)練的實(shí)時(shí)可視化，主要用于油罐火災(zāi)體驗(yàn)和消防戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練，具有較好的實(shí)時(shí)性和交互性。

北京消防局和清華大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了北京奧運(yùn)場(chǎng)所數(shù)字化滅火救援動(dòng)態(tài)預(yù)案與虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對(duì)北京奧運(yùn)會(huì)使用的比賽場(chǎng)館和訓(xùn)練場(chǎng)館，開發(fā)基于火災(zāi)煙氣蔓延擴(kuò)散分析、人群疏散模擬技術(shù)、GIS系統(tǒng)、交互式3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字化滅火救援動(dòng)態(tài)預(yù)案和仿真模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，用于消防戰(zhàn)術(shù)和消防指戰(zhàn)員心理素質(zhì)訓(xùn)練。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于城市應(yīng)急救援訓(xùn)練的優(yōu)勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的“3I”特征使其能彌補(bǔ)桌面演練和實(shí)戰(zhàn)模擬演練不足，在訓(xùn)練上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

（1）真實(shí)感強(qiáng)：虛擬現(xiàn)實(shí)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)通過構(gòu)建三維場(chǎng)景、人、煙、火、液體泄露等場(chǎng)景特效，為受訓(xùn)者提供逼真的事故現(xiàn)場(chǎng)，使受訓(xùn)者“身臨其境”，真實(shí)感強(qiáng)，同時(shí)也能鍛煉受訓(xùn)者在事故現(xiàn)場(chǎng)的心理承受能力。

（2）擴(kuò)展性大：由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)采用數(shù)字技術(shù),可以產(chǎn)生多種訓(xùn)練場(chǎng)景，呈現(xiàn)各種事故類型，用于多種場(chǎng)景、多種事故類型、多種處置技能的應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練，系統(tǒng)具有很大的可塑性；分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展使得能夠通過網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程各系統(tǒng)的互聯(lián)，能夠隨時(shí)開展單兵和協(xié)同訓(xùn)練、本地訓(xùn)練和遠(yuǎn)程訓(xùn)練，訓(xùn)練形式靈活多變。

（3）訓(xùn)練針對(duì)性和可控性強(qiáng)：利用虛擬現(xiàn)實(shí)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，可以在計(jì)算機(jī)上對(duì)某一技能、戰(zhàn)術(shù)進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練、及時(shí)回放評(píng)估總結(jié)，在較短時(shí)間內(nèi)，積累豐富的救援經(jīng)驗(yàn)，訓(xùn)練針對(duì)性強(qiáng)，效率高；另外，虛擬現(xiàn)實(shí)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的天氣、災(zāi)害種類、人員、裝備都是可設(shè)定的，訓(xùn)練過程中可以隨時(shí)停止、開始，可控性強(qiáng)。

（4）安全經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好：雖然虛擬現(xiàn)實(shí)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的前期開發(fā)費(fèi)用較高，但虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)作為訓(xùn)練設(shè)備，一旦系統(tǒng)建立起來，不同地區(qū)、不同部門的救援隊(duì)伍可以使用，而且可以長(zhǎng)期反復(fù)使用，省去了實(shí)際模擬演練場(chǎng)景布置、訓(xùn)練損耗等成本，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看經(jīng)濟(jì)效益突出訓(xùn)練中可以不用真實(shí)的裝備、發(fā)煙劑、燃料、滅火劑、有毒有害物質(zhì)等，降低了裝備的損耗和實(shí)際模擬演練場(chǎng)景布置及材料設(shè)施消耗，系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低；大型綜合演練的網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程多方合作演練，這些都有助于降低訓(xùn)練成本。另一方面，災(zāi)害事故是數(shù)字模擬的，不用擔(dān)心演練過程中有毒物質(zhì)擴(kuò)散或火勢(shì)失控造成演練參與者傷亡和環(huán)境污染，更安全更環(huán)保。

4 幾點(diǎn)思考

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國(guó)各應(yīng)急部門、應(yīng)急救援隊(duì)伍的決策和訓(xùn)練中的應(yīng)用，為提高城市事故災(zāi)害應(yīng)急救援水平和能力提供了先進(jìn)的手段，取得了一定成果。但該應(yīng)用剛剛起步，還有問題有待不斷研究、完善。

4.1 事故場(chǎng)景模擬的真實(shí)度和可視化技術(shù)研究

事故場(chǎng)景模擬是應(yīng)急救援訓(xùn)練的基礎(chǔ)，模擬場(chǎng)景特別是事故后果場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景的接近程度直接影響到?jīng)Q策、指揮和現(xiàn)場(chǎng)處置行為。目前的虛擬現(xiàn)實(shí)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的事故后果場(chǎng)景模擬主要在于視覺聽覺等感知效果模擬，在事故后果預(yù)測(cè)的真實(shí)相似度上研究較少。如何將比較成熟的基于事故后果預(yù)測(cè)分析的計(jì)算機(jī)仿真軟件和三維視景開發(fā)軟件對(duì)接起來，直接將準(zhǔn)確地事故后果預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)三維可視化，使得虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)中的事故場(chǎng)景不僅在視覺感官上真實(shí)，在實(shí)際數(shù)據(jù)上也真實(shí)，從而提高戰(zhàn)訓(xùn)水平，該項(xiàng)技術(shù)還有待進(jìn)一步研究。

4.2 針對(duì)技能訓(xùn)練和裝備訓(xùn)練的系統(tǒng)研究和開發(fā)

目前模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要針對(duì)公眾體驗(yàn)培訓(xùn)和指揮決策能力訓(xùn)練，而當(dāng)前城市應(yīng)急救援隊(duì)伍中人員更新頻繁、高新儀器裝備訓(xùn)練、裝備訓(xùn)練損耗和現(xiàn)場(chǎng)救援矛盾等問題嚴(yán)重，急需開發(fā)針對(duì)技能（滅火、破拆、堵漏、洗消、偵檢等）和裝備訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實(shí)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，提高應(yīng)急救援處置速度和水平。針對(duì)裝備訓(xùn)練問題，北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所和中國(guó)航天員訓(xùn)練中心、北京市消防局就聯(lián)合開發(fā)了“典型化學(xué)品事故偵檢裝備虛擬現(xiàn)實(shí)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)”，如圖1、2。該系統(tǒng)包括兩種模式：?jiǎn)伪?xùn)練模式和協(xié)同訓(xùn)練模式。單兵訓(xùn)練模式通過三維動(dòng)態(tài)模擬危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏、火災(zāi)、爆炸等事故場(chǎng)景、偵檢裝備儀器部件、操作過程和數(shù)據(jù)信息反饋，通過不同訓(xùn)練方式（學(xué)習(xí)、練習(xí)和考核），使受訓(xùn)者在真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中身臨其境的進(jìn)行偵檢操作訓(xùn)練，了解儀器的基本原理和基礎(chǔ)知識(shí)，熟悉儀器操作程序，提高儀器操作技能。協(xié)同訓(xùn)練模式則利用網(wǎng)絡(luò)分布交互技術(shù)，使消防特勤隊(duì)伍中不同角色的受訓(xùn)者在同一時(shí)間、同一空間對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)入到仿真系統(tǒng)中，在“真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)”進(jìn)行單兵偵檢訓(xùn)練和協(xié)同偵檢訓(xùn)練，鍛煉一線救援人員的事故現(xiàn)場(chǎng)處置技能、協(xié)同作戰(zhàn)和應(yīng)急救援能力。目前該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于消防特勤日常戰(zhàn)訓(xùn)中。消防官兵通過在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行反復(fù)模擬訓(xùn)練，提高裝備操作規(guī)范性和熟練程度，大大降低了裝備訓(xùn)練損耗和訓(xùn)練成本，受到消防官兵的一致好評(píng)。

圖1 典型化學(xué)品事故偵檢仿真模擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

圖2 某偵檢裝備三維虛擬組裝示意圖

4.3 虛擬現(xiàn)實(shí)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)普適性和開放性技術(shù)研究

虛擬現(xiàn)實(shí)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的前期開發(fā)技術(shù)難度大、費(fèi)用高，如果只是針對(duì)某部門或某類事故，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用將受到限制，經(jīng)濟(jì)性也不能充分體現(xiàn)。事實(shí)上，在事故應(yīng)救援訓(xùn)練的基本要素是共通的，如多部門針對(duì)同一事故場(chǎng)景、防護(hù)裝備一樣、救援裝備相似等等。如果在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中建立場(chǎng)景庫(kù)、救援裝備庫(kù)、救援行為庫(kù)，并將其模塊化、開放化，受訓(xùn)者可以根據(jù)自身需要，設(shè)置場(chǎng)景、事故類型、氣象條件、發(fā)生事故的物質(zhì)、選擇救援裝備，實(shí)施救援訓(xùn)練，將大大提高虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的普適性，同時(shí)兼顧特殊性，降低開發(fā)成本，提高訓(xùn)練針對(duì)性和有效性。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)普適性和開放性技術(shù)研究有極大意義。

[1]李劍鋒,張學(xué)魁.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防訓(xùn)練中的應(yīng)用[J].武警學(xué)院學(xué)報(bào),2008,24（2）:80-82

[2]Hazmat Hotzone:First Responder Team Training Simulator,http://www.etc.cmu.edu/projects/hazmat_2005/

[3]王東,杜揚(yáng),李康寧.軍用油庫(kù)油罐火災(zāi)消防虛擬現(xiàn)實(shí)仿真模型研究[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào),2002,(2):19-23