李克建

摘 要：消防工作是公安消防部隊在新時期的主要任務。近年來，伴隨迅猛發(fā)展的城市現(xiàn)代化建設，火災事故的多發(fā)性和滅火救援任務的艱巨性日顯凸出。開展消防仿真虛擬訓練是新形勢下提高公安院校學生訓練質量、消防知識認知水平及滅火實戰(zhàn)能力的必由之路。因此，通過虛擬現(xiàn)實技術建立消防知識認知的體驗環(huán)境和相關模擬訓練軟件，以有效提高學生的專業(yè)素質和水平，滿足公安院校為公安基層民警隊伍培養(yǎng)合格人才的需求。

關鍵詞：公安院校 消防 虛擬仿真教學系統(tǒng) 設計

中圖分類號：TU998.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（b）-0128-03

公安院校學生未來就業(yè)方向主要是公安基層民警，而消防監(jiān)督工作是公安基層工作的重要組成部分，因此，學生對消防監(jiān)督檢查流程及重點應有一定了解，對通用消防器材裝備應熟練使用及對火災初期應靈活處置，而這些方面的教學工作在實際教學中存在教學與實際脫節(jié)的矛盾。隨著建模與虛擬仿真技術的快速發(fā)展，計算機模擬訓練以其特有的優(yōu)點越來越受到高校的重視[1]。消防虛擬仿真教學系統(tǒng)的研發(fā)可以很好地解決教學與實際脫節(jié)的矛盾[2]。該教學系統(tǒng)由訓練（軟件）系統(tǒng)和3D交互沉浸環(huán)境（硬件）系統(tǒng)兩大部分構成，系統(tǒng)軟件部分通過三維虛擬仿真技術進行設計和研發(fā)，系統(tǒng)硬件部分為配套虛擬交互訓練內容實現(xiàn)3D沉浸交互功能應用的硬件平臺支撐，上述兩部分共同構成整個教學系統(tǒng)，以實現(xiàn)在虛擬環(huán)境下達到真實環(huán)境條件進行實驗認知、訓練的效果。

1 消防虛擬仿真教學系統(tǒng)軟件平臺的設計

根據(jù)目前公安基層工作的需要，教學系統(tǒng)軟件平臺由消防監(jiān)督檢查、消防裝備與滅火技術和滅火救援指揮3部分組成。

1.1 消防監(jiān)督檢查

消防監(jiān)督檢查虛擬訓練系統(tǒng)以三維仿真的某大型商業(yè)綜合體為背景，利用虛擬仿真技術模擬商場中各消防設施、消防器材和相關消防設備與消防區(qū)域的設置情況。該系統(tǒng)主要包括消防監(jiān)督檢查教學展示（3D效果）、消防監(jiān)督檢查的組織、實施消防監(jiān)督檢查訓練、對舉報、投訴的消防違法行為的查處訓練、重大火災隱患的判定、立案、督辦和消案的訓練、恢復施工（使用、生產、營業(yè)或者舉辦）的檢查訓練等部分。（如圖1所示）

該系統(tǒng)可以生動立體地講述消防知識，同時培訓學生在任意一個普通場景中，能夠完成消防監(jiān)督檢查的各項工作措施，掌握消防監(jiān)督檢查的技能，實現(xiàn)教學目標。系統(tǒng)設計使用虛擬環(huán)境、立體成像設備、模擬軟件的方式，一方面使學生全方位多角度的形式進入立體虛擬環(huán)境中去，身臨其境地到現(xiàn)場去發(fā)現(xiàn)問題、聽取解決辦法、學習相關知識；另一方面則利用安裝了“消防監(jiān)督檢查虛擬實訓系統(tǒng)”的PC機，通過可視化交互，讓學生能自我做出判斷，發(fā)現(xiàn)并記錄虛擬場景中存在的安全隱患，以達到實訓要求，完成目標。

1.2 消防裝備與滅火技術模擬演練系統(tǒng)

鑒于學生對消防滅火實際操作知識的匱乏，以及經(jīng)驗的欠缺，因此，需要通過實際動手訓練來提高學生實踐能力，以便日后能從容應對各種危機情況。由于火災本身是一個很難控制的事件，其危害性巨大，擴張速度迅猛，稍有不慎即可對人們的生命財產造成嚴重損失，因此，通過實際引發(fā)一場火災來進行撲救，達到訓練的目標自然是非常不可取的。但學生終究必須是要掌握消防滅火技術，如何連接理論知識和實際撲救之間的紐帶，達到訓練的目標，就成為了必須解決的問題。為解決理想與現(xiàn)實之間的矛盾，虛擬現(xiàn)實技術顯得尤為合適。消防裝備與滅火技術虛擬演練系統(tǒng)可全真模擬出火災現(xiàn)場環(huán)境、風力風向、火情蔓延面積等；細節(jié)來講，包括樓層通道、燃燒物質、火光火焰、煙霧層層等；撲救操作方面來講，包括各類滅火器使用的方式方法（如，除掉鉛封、拉下保險銷、對準火源、按壓手柄），以及室內、外消火栓的連接和使用模擬。因此，這套虛擬火災撲救系統(tǒng)可從宏觀到微觀層層遞進展開撲救技術訓練，兼具安全性和交互性，加之輕量化的演練環(huán)境，是火災撲救訓練最科學完善的解決方案。（如圖2所示）

1.3 滅火救援指揮模擬訓練系統(tǒng)

滅火救援指揮模擬訓練系統(tǒng)以某大型商業(yè)綜合體為實戰(zhàn)訓練背景，利用虛擬仿真技術模擬生成特定環(huán)境條件下的虛擬火災事故場景；受訓學員依據(jù)應急救援戰(zhàn)術原則進行指揮決策，調動和部署搶險救援力量，形成戰(zhàn)斗方案，控制事故的發(fā)展和蔓延；并依據(jù)戰(zhàn)術知識庫，以模擬訓練系統(tǒng)提供的訓練監(jiān)控、記錄回放等工具為輔助，記錄、分析受訓學員的戰(zhàn)斗方案，對受訓學員的戰(zhàn)斗方案進行邏輯推理，最終進行評判結果和結果解釋；虛擬火災事故場景也隨著戰(zhàn)斗方案的執(zhí)行實時產生動態(tài)的仿真效果，為受訓學員創(chuàng)建一個具有高度沉浸感以及符合實際情況的訓練環(huán)境。該系統(tǒng)主要包括滅火救援指揮教學展示（3D效果）、接處警訓練需求、滅火救援指揮訓練需求、模擬訓練臺需求和場景、模型及處置效果需求等部分。（如圖3所示）

2 消防虛擬仿真教學系統(tǒng)硬件平臺的設計

消防虛擬仿真教學系統(tǒng)硬件平臺以三通道沉浸式環(huán)境G-Discover為主，同時配以學生機房，滿足教學認知以及課程考核的需要。（如圖4所示）

2.1 立體顯示系統(tǒng)

作為整個虛擬現(xiàn)實仿真平臺的顯示部分，顯示系統(tǒng)效果的好壞對整個系統(tǒng)表現(xiàn)的影響非常大。系統(tǒng)一般由投影機、投影屏幕、機械結構實現(xiàn)。其核心是根據(jù)使用要求和現(xiàn)場情況（環(huán)境光情況、場地情況、觀眾等），選擇恰當?shù)耐队胺绞?，在投影方式確定的前提下，選擇適當?shù)耐队皺C、投影屏幕和結構形式以形成最佳的視場。由于顯示屏面積較大，圖像均勻性及一致性要求突出。

2.2 圖形圖像處理系統(tǒng)

由于虛擬系統(tǒng)所采用的軟件占用較大空間資源，因此，對計算機硬件的要求隨之提高，當前虛擬系統(tǒng)中的計算機硬件以高性能圖形工作站為主流，具體配置因所采用的建模和分析軟件不同而不同。

2.3 交互系統(tǒng)

虛擬設計平臺中的人機交互設備包括動作捕捉系統(tǒng)、半實物仿真滅火器、半實物仿真水槍等，可以使設計者和觀察者實時地對多通道顯示屏幕上的內容進行綜合操控，實現(xiàn)用戶與三維模型的交互瀏覽和相關訓練操作。

2.4 教學考核機房

包含學生機和教師機若干臺，“消防監(jiān)督檢查”的學生考核部分、“消防裝備與滅火技術模擬演練”的認知教學部分、“滅火救援指揮”的協(xié)同操作演練部分均在該機房中完成。

2.5 火災現(xiàn)場信號轉播系統(tǒng)

可將當?shù)毓蚕啦块T消防指揮大廳通過衛(wèi)星信號車采集到的火災現(xiàn)場視頻信號，通過網(wǎng)絡傳輸?shù)男问浇尤氲綄嶒炇业耐队碍h(huán)境中，供學生進行火災實戰(zhàn)的觀摩教學[3]。

消防虛擬仿真教學系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實、三維仿真建模與再現(xiàn)技術、三維場景渲染技術等先進手段真實的再現(xiàn)各類場所火災現(xiàn)場的環(huán)境，以消防日常設備設施安全監(jiān)督檢查，災害事故救援的應急指揮、處置和救護為主線，通過三維人機交互式教學實訓模式為學生針對以上不同場地條件和狀況下的消防安全檢查、面臨火災的自救、維持火災現(xiàn)場秩序、組織疏散及指揮群眾逃生等采取正確的指揮調度措施、應急處置辦法和消防設備器材的工作原理及使用等進行設計與研發(fā)，從而增強受訓者的臨場感覺，提升應急學員的快速反應和處置能力。

參考文獻

[1] 蔡丁友.優(yōu)課虛擬仿真實驗室在化學實驗教學中的應用[J].教育信息技術，2013（6）：13-15.

[2] 劉昆，王廣生.基于三維實時渲染技術的虛擬火災訓練系統(tǒng)設計[J].計算機應用，2005，25（8）：1962-1964.

[3] 王乘，周均清，李利軍.Creator可視化仿真建模技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2005.