朱 蘇， 周衛(wèi)平， 李 酬， 陳 極

(1.上海船舶工藝研究所， 上海200032； 2.九江職業(yè)技術學院 船舶工程學院， 江西 九江332007)

0 引 言

與普通建筑不同，船舶是在海上移動的建筑，一旦發(fā)生火災等事故，災害危險性和救援難度將非常大。加強船舶高級消防技能專業(yè)化訓練是減小災難危害、增強滅火救援效果的重要途徑。當前，船舶高級消防培訓仍以實操為主，存在消耗量大、危險性高、準備周期長、真實性低、可重復性差等問題，特別是對航海專業(yè)類學校，培訓場地和條件有限，實現難度更大。隨著VR軟件和硬件技術快速發(fā)展，基于VR技術的消防模擬訓練模式應運而生，通過在虛擬場景中模仿船舶火災真實場景，采用人機交互方式，訓練受訓人員在船舶火災發(fā)生時的處置和決策應對能力。這種訓練模式與傳統(tǒng)實戰(zhàn)訓練相比，參與性更強，可重復性更高，也更安全可控，為船舶高級消防培訓提供了一種嶄新的思路。

1 VR技術簡述

虛擬現實，簡稱VR技術，也稱靈境技術。其主要原理是利用電腦模擬產生一個三維空間虛擬世界，讓使用者能夠從視覺、聽覺、觸覺等各方面產生與真實環(huán)境相似的感受，如同親臨其境，并可利用計算機、頭盔、手柄等交互設備與虛擬場景進行交互，完成對虛擬場景中對象的操作，并能接受各類反饋信號。目前，隨著計算機、傳感、人機交互等技術的發(fā)展，VR技術已廣泛應用于軍事、商業(yè)、科技、工程、教育、醫(yī)學、娛樂等各個領域[1]。

美國科學家BURDEA等認為VR技術具有3個顯著特性:沉浸性、交互性和想象性,并提出 “VR技術的三角形”[2], 如圖1所示。

圖1 VR技術的3個基本特征

2 船舶消防培訓現狀

船舶作為海上移動的大型建筑物，一旦發(fā)生火災，往往不能得到陸上消防部隊的及時救援，同時由于其自身結構復雜、內部通道狹窄、設備集中，消防救援人員若沒有進行專業(yè)的結構知識的培訓，容易產生二次傷害并造成非常大的損失。加強船舶消防、特別是高級消防技能專業(yè)化訓練，是減小災難危害、增強滅火救援效果的重要途徑。船舶高級消防是以船舶組織戰(zhàn)術及指揮方面為重點的高級消防專業(yè)技能訓練，而不是簡單地重復消防基礎知識、船舶基本滅火設備和器材的性能及使用方法等。高級消防的培訓課時為42學時，其中理論培訓時間為31學時，實操為11學時[3]。

目前船舶消防實操培訓大多在模擬艙中進行，不僅耗資大、污染大、危險性高，且能重復開展的并不多。某海事培訓學校在進行高級消防培訓時曾發(fā)生火勢無法控制，將整個模擬機艙全部燒毀的安全事故。因船舶特殊的功能和結構，其產生的火災具有特殊性，需要經常組織船員進行消防演練，因此就需要一個可以重復利用和考核評估的培訓平臺。推廣VR技術在船舶消防演練中的應用，基于VR技術搭建一個沉浸感強、交互性高的船舶消防培訓平臺，采用視、聽、體驗相結合的綜合互動模式，進行船舶消防基礎、消防模擬、消防訓練和評估的技能培訓顯得非常重要。

3 VR技術在船舶消防培訓中的應用

上海船舶工藝研究所憑借多年來在VR技術研發(fā)方面的優(yōu)勢和積累，結合當前船舶消防培訓的需求，利用VR技術開發(fā)了船舶消防培訓平臺。該平臺可實現多種訓練目的，如船舶消防知識培訓、船舶結構認知以及多場景滅火、協(xié)同綜合演習等分布式場景訓練，并可進行操作考核與評定。平臺具體功能如圖2[4]所示。

圖2 船舶消防培訓平臺具體功能

3.1 基于VR技術的消防基礎知識實訓

船舶消防基礎知識實訓系統(tǒng)通過界面交互和體感操作方式對受訓者進行消防基礎知識培訓，其中基礎知識教學模塊負責受訓者基礎知識的培訓，船舶典型消防設備交互操作教學模塊則是通過頭盔顯示器和動作捕捉手柄模擬真實消防設備的使用，提升受訓者的實際操作能力。系統(tǒng)技術設計方案如圖3所示。

圖3 船舶消防基礎知識實訓系統(tǒng)設計架構

3.2 基于VR技術的船舶結構認知

船舶結構認知系統(tǒng)采用VR、計算機圖形學、圖像處理、多媒體等技術，主要對機艙、駕駛室、甲板左右舷、集控室、會議室、居住室等主要環(huán)境進行三維漫游交互展示。通過添加熱點、箭頭、雷達、圖片、文本、視頻等素材資料，在漫游場景中交互查看，受訓者能通過此系統(tǒng)認識船舶布局、了解船體結構[5]。

本系統(tǒng)的目的是讓受訓者了解船艙各個部位的設備布局，提高船舶消防安全意識。系統(tǒng)功能如下：

(1) 提供船舶機艙、駕駛臺、居住室等場景展示。采集的圖像能最大限度展現周圍設備。

(2) 提供場景目錄。用戶可根據教學實訓需要，通過目錄選擇相應場景進行體驗。

(3) 進行場景間切換。通過在場景中添加熱點即可切換到指定場景，其中熱點可采用箭頭圖片、Flash動畫等方式。場景熱點切換如圖4所示。

圖4 場景熱點切換

(4) 可將船舶地圖添加至系統(tǒng)中供用戶交互。設計兩個按鈕，可進行地圖的放大和縮小,同時雙擊地圖可全屏顯示地圖。

(5) 通過點擊可彈出相關的圖片和說明書。說明書包括機艙或駕駛臺相關消防設備等，在場景中通過熱點鏈接到設備的圖片和說明書進行展示。

(6) 進行視頻展示。通過熱點鏈接設備展示視頻，視頻含有機艙或駕駛臺相關消防設備等內容介紹，可控制視頻播放和暫停。

3.3 基于VR技術的船舶高級消防分布式仿真實訓

船舶高級消防分布式仿真實訓系統(tǒng)通過 VR 技術，使受訓者在視覺和聽覺上真實體驗火災環(huán)境，熟悉火災區(qū)域的環(huán)境特征。受訓者通過顯示設備、立體觀察裝置、人機操縱裝置等與虛擬環(huán)境中的對象進行交互且相互影響，產生沉浸于真實火災現場的感受和體驗。根據不同角色和任務完成VR交互體驗。同時，通過搭建局域網服務器，實現多臺客戶端設備之間的通信，多個客戶端之間能進行交互，實現 VR 消防的多人協(xié)同功能，可對受訓者的消防組織戰(zhàn)術和指揮方面的能力進行訓練[6]。通過實訓使受訓者能夠快速組織決策、正確果斷指揮、積極配合協(xié)調，不斷提高整體滅火能力。船舶高級消防分布式仿真實訓系統(tǒng)架構如圖5所示。實訓場景如圖6所示。

圖5 船舶高級消防分布式仿真實訓系統(tǒng)架構

圖6 船舶高級消防分布式仿真實訓場景

3.3.1 系統(tǒng)主要功能

(1) 提供用戶登錄功能，對受訓者進行權限管理；

(2) 具有模型管理、場景管理功能，可實現模型或場景的顯示、隱藏、查詢等；

(3) 可支持立體模式，與硬件設備良好地結合運行；

(4) 提供場景視角切換、交互漫游等功能，受訓者可在場景中以多種方式進行交互操作；

(5) 支持采用手柄等交互設備進行船舶場景漫游；

(6) 場景提供逃生路線、消防器材布置等；

(7) 提供不同的火源位置、火勢場景，提供豐富的火災環(huán)境效果，包括聲、光、電、煙霧等，受訓者可置身于近乎實戰(zhàn)的消防救援環(huán)境中，感受火災事故現場的動態(tài)場景，包括爆炸煙火、污染擴散等；

(8) 提供多人協(xié)同消防救援實訓功能，在系統(tǒng)中多個學員可進行協(xié)同滅火實訓；

(9) 提供火災事故動態(tài)發(fā)展功能，并可根據場景設定不同人員的任務分工，實現火災滅火和救援等任務的協(xié)同實訓。

3.3.2 系統(tǒng)應用效果

以載重量82 000 t散貨船為例，在系統(tǒng)中構建機艙、廚房等重點防火區(qū)域的虛擬著火場景。

(1) 提高受訓人員的應急滅火救援和適應能力。在單人訓練模式下，單個受訓人員通過頭盔、顯示器等顯示設備，感受真實的火災環(huán)境，克服恐懼心理，進行心理適應性和承受力訓練。通過動作捕捉手柄、光學跟蹤器等外在硬件設備，根據系統(tǒng)預設的各類著火模式，操作虛擬消防栓、虛擬斧頭、虛擬擔架等虛擬消防和救援裝備，與虛擬場景進行互動，完成滅火、救援、逃生等各種技能訓練。

(2) 提高受訓團隊的消防決策、指揮、協(xié)同能力。在團隊訓練模式下，系統(tǒng)針對船舶火情中甲板火災、船內艙室火災、油氣火災、爆炸燃燒以及各類事故的滅火救援工作要求，進行虛擬場景的設定、滅火戰(zhàn)術和救援方案的選擇、指令的下達等功能設計，受訓人員可根據權限設定，扮演指揮者、救助者、滅火者等不同角色，從而達到訓練指揮、決策、救援、協(xié)同能力的目的。

4 結 語

在船舶消防培訓中引入VR技術，具有直觀、互動性強、成本低、安全等優(yōu)點[7]，在船舶消防培訓課程設置中，虛實結合將大幅增強消防培訓的效果。船舶消防培訓平臺目前已在某航海職業(yè)院校航海專業(yè)類的教學培訓中得到初步應用。當然，VR技術在船舶消防中的應用還只是初步探索，在場景效果、人物模型、多人協(xié)同、火災模型等方面需要進一步研究[8]。