丁哲勇

摘要：消防應(yīng)急救援演練工作在火災(zāi)救援實(shí)戰(zhàn)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用?，F(xiàn)階段，消防火災(zāi)救援演練工作，通常僅依據(jù)相關(guān)理論模型以及數(shù)據(jù)開展理論模擬，而這與消防應(yīng)急實(shí)戰(zhàn)救援相去甚遠(yuǎn)。通?；馂?zāi)戰(zhàn)備演練的方式、設(shè)備和設(shè)計(jì)會(huì)受限于多方面，特別是在石油化工場(chǎng)所的火災(zāi)救援模擬演練。針對(duì)目前消防應(yīng)急救援預(yù)案與演練模擬的現(xiàn)狀，開發(fā)了基于微軟Hololens全息虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的交互式火災(zāi)演練系統(tǒng)，利用實(shí)物器件和混合現(xiàn)實(shí)（mixed reality，MR）技術(shù)，可較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)事故現(xiàn)場(chǎng)的虛擬仿真模擬。同時(shí)，在可視化的虛擬場(chǎng)景中可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的模擬，從而可驗(yàn)證火災(zāi)救援處置措施的科學(xué)性及實(shí)施性，進(jìn)而提高消防指揮人員的應(yīng)急救援決策和協(xié)作能力，上述措施可在一定程度上提高演練效率及實(shí)戰(zhàn)處置能力。關(guān)鍵詞：全息影像 ?虛擬現(xiàn)實(shí)? 混合現(xiàn)實(shí)? 火災(zāi)演練系統(tǒng)

Design of Interactive Fire Drill System Based on HoloLens

DING Zheyong

（Shanghai Zhongying Fire Engineering Co.， Ltd.， Shanghai， 200040 China）Abstract：Emergency rescue plan and drill play an important role in the training and practice of fire fighting. At present， most of the fire prevention plans and drills are established in the stage of theoretical model and data inference. Usually， the method， equipment and design of fire readiness drills are limited in many ways， especially for the petrochemical site fire rescue drill， the actual organization and implementation requires the cooperation of multiple vehicles and multiple people， resulting in large resource consumption. Aiming at the present situation of fire emergency rescue plan and drill simulation， an interactive fire drill system based on Microsoft Hololens holographic virtual reality device was developed. Through physical device and Mixed Reality （Mixed Reality， MR） technology， simulate the construction accident， under the environment of the visual simulation exercises， to verify that the process of disposal measures adopted by the operability and scientific， thereby promote the commander of the command decision-making and collaboration with ability， emergency rescue， scientific Effectively improve the drill efficiency and actual combat disposal ability.

Hololen作為Microsoft公司設(shè)計(jì)開發(fā)的混合現(xiàn)實(shí)全息設(shè)備，采用HoloLens設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的掃描，并結(jié)合SLAM技術(shù)完成對(duì)真實(shí)環(huán)境的三維場(chǎng)景重建，使得真實(shí)環(huán)境得以在虛擬模型中顯現(xiàn)^[6-7]。

基于視覺傳感器的SLAM技術(shù)通過攝像機(jī)獲取現(xiàn)場(chǎng)圖片信息及預(yù)處理;利用機(jī)器視覺標(biāo)定出現(xiàn)場(chǎng)景的方向和位置;利用算法處理的后端，優(yōu)化并有效消除數(shù)據(jù)處理的累積誤差，依據(jù)獲取的周圍環(huán)境數(shù)據(jù)建立環(huán)境地圖（見圖1）。

HoloLens設(shè)備將環(huán)境感知和深度攝像頭作為硬件載體。其中，深度攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的掃描，并計(jì)算出圖像的深度值，環(huán)境感知攝像頭的作用主要是感知HoloLens在周圍環(huán)境中的偏移量。綜合利用環(huán)境感知和深度攝像頭的功能，實(shí)現(xiàn)HoloLens獲知周圍環(huán)境中的確切位置，最后基于Kinect Fusion 算法完成三維現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的重建。

2? 交互式火災(zāi)演練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

交互式火災(zāi)演練系統(tǒng)主要由球罐、浮頂罐等典型石油化工裝置組成，按照實(shí)物進(jìn)行比例縮放后，制作實(shí)物模型。在構(gòu)建出石油化工裝置實(shí)物模型的基礎(chǔ)上，并結(jié)合MR混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，制作電子沙盤，將不同事故災(zāi)害后果以三維粒子動(dòng)畫效果疊加到實(shí)物模型上，觀測(cè)災(zāi)害后果及事故演化過程，為石油化工災(zāi)害事故戰(zhàn)例研討、指揮訓(xùn)練和復(fù)盤推演提供強(qiáng)有力保障。交互式火災(zāi)演練系統(tǒng)包含場(chǎng)景化數(shù)據(jù)信息查詢、災(zāi)害場(chǎng)景快速搭建、輔助決策分析、可視化模擬排兵布陣、作戰(zhàn)指揮等功能。

2.1 火災(zāi)救援場(chǎng)景化演練數(shù)據(jù)信息查詢

以三維罐區(qū)模型為識(shí)別入口，通過HoloLens識(shí)別三維罐區(qū)并進(jìn)入場(chǎng)景?？蓪?shí)現(xiàn)快速有效識(shí)別、實(shí)時(shí)查看場(chǎng)景圖像信息、消防設(shè)備設(shè)施運(yùn)行信息等。交互式火災(zāi)演練系統(tǒng)將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息與三維場(chǎng)景相融合，可實(shí)現(xiàn)在火災(zāi)模擬演練場(chǎng)景中精準(zhǔn)、便捷地查看定位設(shè)備位置、屬性等信息（見圖2）。

2.2 火災(zāi)場(chǎng)景構(gòu)建功能交互式火災(zāi)演練系統(tǒng)中為用戶提供了個(gè)性化的數(shù)據(jù)模型，具體包括天氣模型，并可依據(jù)消防演練的實(shí)戰(zhàn)化作戰(zhàn)實(shí)際情況，通過設(shè)置環(huán)境風(fēng)向、風(fēng)力等具體天氣動(dòng)態(tài)信息因素，進(jìn)行消防火災(zāi)救援實(shí)戰(zhàn)化模擬訓(xùn)練。依據(jù)不同的著火設(shè)備和位置信息，交互式火災(zāi)演練系統(tǒng)，為用戶提供了模擬現(xiàn)實(shí)狀態(tài)的火焰數(shù)據(jù)模型、化工原料泄漏形態(tài)，上述數(shù)據(jù)信息可在三維場(chǎng)景中自定義設(shè)置，并能夠在短時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)科學(xué)合理的事故虛擬環(huán)境的搭建（見圖3）。

2.3 輔助決策分析功能

在交互式火災(zāi)演練系統(tǒng)中，根據(jù)消防應(yīng)急救援的實(shí)戰(zhàn)化作戰(zhàn)實(shí)際需求，在系統(tǒng)中個(gè)性化的設(shè)計(jì)了火災(zāi)熱輻射數(shù)據(jù)精準(zhǔn)分析模型、物料爆炸分析模型、儲(chǔ)罐沸溢時(shí)間估算等模型。同時(shí)，交互式火災(zāi)演練系統(tǒng)依據(jù)具體的災(zāi)害分析功能，可以實(shí)現(xiàn)在模擬場(chǎng)景中，實(shí)時(shí)可視化呈現(xiàn)具體分析結(jié)果（見圖4）。

2.4 可視化戰(zhàn)略部署功能

交互式火災(zāi)演練系統(tǒng)內(nèi)部，按照消防火災(zāi)救援實(shí)戰(zhàn)演練的需求，事先在系統(tǒng)內(nèi)部預(yù)置了多種類型的消防處置、救援裝備，主要包括消防救援車輛、消防機(jī)器人、化工園區(qū)場(chǎng)景以及其他消防裝備資源。通過該系統(tǒng)進(jìn)行火災(zāi)救援場(chǎng)景的模擬訓(xùn)練時(shí)，消防應(yīng)急救援人員到達(dá)火災(zāi)處置現(xiàn)場(chǎng)之前，可開啟火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)消防系統(tǒng)，包括罐體噴淋系統(tǒng)、固定消防炮等，消防力量到場(chǎng)之后，消防應(yīng)急作戰(zhàn)指揮人員，可依據(jù)作戰(zhàn)方案完成車輛及裝備的可視化戰(zhàn)略部署操作（見圖5）。

3? 結(jié)語

本文闡述分析的交互式火災(zāi)演練系統(tǒng)充分融合了傳統(tǒng)沙盤及桌面演練模擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并有效利用三維仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在整個(gè)火災(zāi)應(yīng)急救援的模擬演練過程中，消防應(yīng)急救援演練參與人員，僅需要通過“人-機(jī)”交互控制的方式，便可完成對(duì)消防火災(zāi)應(yīng)急救援現(xiàn)場(chǎng)三維虛擬場(chǎng)景的操作。同時(shí)，交互式火災(zāi)演練系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息查詢、災(zāi)害情景構(gòu)建、輔助決策分析、車輛及人員部署及作戰(zhàn)指揮，滿足消防隊(duì)日常集培訓(xùn)、考核、演練推演一體化的綜合應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

1. 黃麟雅.VR技術(shù)在高校地鐵火災(zāi)應(yīng)急演練實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用[J].科技風(fēng)， 2019（16）：235.
2. 杜夢(mèng)文.油池火災(zāi)的虛擬撲救演練研究[D].沈陽：沈陽航空航天大學(xué)，2018.
3. 周文龍.基于VR的沉浸式消防演練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2021（19）：88-89.
4. 萬晶宇，趙毅鋒，楊麗君，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的配電盤火災(zāi)應(yīng)急處置模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2020，28（17）：169-173.
5. 郭建龍，熊山，李曉瑩，等.基于主變起火應(yīng)急演練的虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2020（5）：75-79.
6. 呂秀琴，張生海.基于HoloLens2的DEM空間分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2021，38（10）：124-129.
7. 李云騰.基于HoloLens空間映射的三維場(chǎng)景分割與識(shí)別[D].西安：西安理工大學(xué)，2021.