姬磊， 孫芝嬈

（西安翻譯學(xué)院，陜西西安，710000）

1 虛擬現(xiàn)實在消防領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展發(fā)達(dá)國家較早的將此技術(shù)用于虛擬的消防訓(xùn)練，并應(yīng)用于實際訓(xùn)練工作中，取得了較好的效果。

瑞典早期將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到森林火災(zāi)的預(yù)防與應(yīng)對訓(xùn)練中，RegoGranlund等人開發(fā)了一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于森林火災(zāi)，可以用來訓(xùn)練多種角色，包括消防員戰(zhàn)斗員、指戰(zhàn)員及指揮室的相關(guān)人員，當(dāng)森林發(fā)生火災(zāi)時這個系統(tǒng)可以以最快的速度獲取火災(zāi)的相關(guān)情況，后方的人員可以根據(jù)現(xiàn)場的情況與前方戰(zhàn)斗人員或其他人采取相應(yīng)對策，此外訓(xùn)練結(jié)束后系統(tǒng)還可以回放，能夠通過觀看回放對訓(xùn)練進(jìn)行評估[1]。PAK KK等基于信息和通信技術(shù)、虛擬現(xiàn)實和離散事件模擬技術(shù)，研究了能夠再現(xiàn)大規(guī)模、多機構(gòu)突發(fā)事件危險模擬系統(tǒng)。[2]

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)游戲方式可以使孩子對消防隱患形成認(rèn)知，從而提升消防知識降低火災(zāi)發(fā)生對孩子的傷害。國內(nèi)的易濤等人針對化工災(zāi)害應(yīng)急演練與控制進(jìn)行虛擬仿真研究，提出了化工三大類災(zāi)害的概念及災(zāi)害場的計算方法，建立了災(zāi)害仿真Agent系統(tǒng)。馮德眾設(shè)計了針對礦井安全事故的具有智能虛擬交互控制和近似實戰(zhàn)條件下的場景模擬培訓(xùn)功能的消防集成系統(tǒng)。羅月童等人實現(xiàn)了仿真度更高的火焰模擬并提供滅火交互功能，實現(xiàn)了模擬火災(zāi)現(xiàn)場并進(jìn)行消防訓(xùn)練的目的。北京舉辦奧運會期間為避免出現(xiàn)消防事故，北京消防總隊與清華大學(xué)一起開發(fā)了消防訓(xùn)練系統(tǒng)，模擬火災(zāi)發(fā)生時可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，并針對不同現(xiàn)象制定不同應(yīng)急方案及消防部署[3]。2016年，馮蕊等人詳細(xì)分析我國現(xiàn)有的艦船消防訓(xùn)練體系中存在的弊病，探討日后國內(nèi)艦船消防訓(xùn)練的主要發(fā)展方向。針對現(xiàn)在國內(nèi)在艦船消防領(lǐng)域的問題，提出了構(gòu)建新型科學(xué)高效的艦船消防訓(xùn)練模式的觀點，新型的訓(xùn)練模式包括利用虛擬技術(shù)模擬實戰(zhàn)場景進(jìn)行訓(xùn)練，劃分艦船消防訓(xùn)練等級以及落實三級培訓(xùn)體系等等。[4]

2 沉浸式消防演練系統(tǒng)需求分析

2.1 任務(wù)分析及描述

利用粒子系統(tǒng)技術(shù)模擬虛擬場景中煙霧和火焰的擴散，并根據(jù)煙霧和火焰各自的特點設(shè)計模擬煙霧和火焰擴散的算法。根據(jù)用戶的消防需求，開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實的沉浸式消防演習(xí)系統(tǒng)。主要功能包括模擬滅火、逃生、救援、引導(dǎo)繩索拉伸、多人合作救援、搜尋火災(zāi)隱患和漫游體驗場景。所實現(xiàn)的各項功能演練的操作流程需根據(jù)消防演練的實際操作流程和要求設(shè)計，尤其是粒子系統(tǒng)的實現(xiàn)首先要對粒子進(jìn)行初始化，分析需要模擬的粒子特性從而確定其關(guān)鍵屬性，定義相關(guān)屬性的計算方法，分析粒子的消亡條件后判斷粒子是否滿足消亡條件[5]。為了節(jié)省硬件開支，提高渲染速度，可以首先使用正方形或球體來模擬微粒子。直到對運動形態(tài)滿意后，可進(jìn)行粒子系統(tǒng)的正式渲染，包括加入粒子的透明度和紋理形狀等屬性的渲染。通過不斷的調(diào)整渲染參數(shù)，以使粒子達(dá)到視頻特效的預(yù)定要求。[6]其設(shè)計主要是為用戶提供操作培訓(xùn)，保證用戶在具備一定消防知識和操作規(guī)范的前提下，通過沉浸式交互設(shè)備完成各項功能演練，從而對用戶進(jìn)行有效的消防培訓(xùn)。

圖1 消防演練系統(tǒng)需求分析

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用流程

整個系統(tǒng)的主要交互過程包括模擬滅火逃生演習(xí)和模擬救援演習(xí)。其中消防和逃生演練主要由現(xiàn)場的使用者和虛擬機器人完成。該系統(tǒng)為使用者提供消防和逃生訓(xùn)練功能。模擬消防和逃生的交互過程可分為以下步驟：

（1）使用者在校園中循環(huán)行走，發(fā)現(xiàn)一處著火點，此時火焰類型屬于初級階段；（2）使用者找到火源附近的消火栓，拿取對應(yīng)的滅火器對火源進(jìn)行撲滅操作；（3）拿取滅火器的步驟為取出滅火器、拔掉保護(hù)銷、拿起滅火把頭，系統(tǒng)根據(jù)動作步驟判定滅火器是否正確使用；（4）使用者在正確拿取滅火器的前提下，開始對火源進(jìn)行滅火操作；（5）如果滅火器噴射的物質(zhì)能夠熄滅現(xiàn)有火焰，則系統(tǒng)確定滅火成功，用戶可以繼續(xù)在場景中繼續(xù)行走；（6）如果滅火失敗，會在現(xiàn)場播放逃生廣播，提醒用戶和師生逃生，要求用戶彎腰向指示方向逃生，系統(tǒng)會判斷用戶狀態(tài)并給出提示；（7）逃生過程中如果有卷簾門，則需要使用者關(guān)閉；（8）逃至電梯，此時系統(tǒng)會顯示不能使用此設(shè)備，則要求使用者經(jīng)消防門處逃生；（9）逃至第一個消防門，此時系統(tǒng)會顯示門無法被開啟，使用者需要找到其他消防門并經(jīng)過樓梯下樓；（10）直到逃出場景，系統(tǒng)會判定逃生演練的結(jié)果，如果成功，滅火和逃生演習(xí)會提示結(jié)束，否則，使用者需要再次進(jìn)行相關(guān)演習(xí)，除非手動停止。

3 動態(tài)模型的制作和兼容

感知操作人員的交互意圖是人機交互過程中極其重要的一環(huán)，通常使用虛擬手套等接觸式交互工具來實現(xiàn)。[7]取滅火器與拿取其他物體功能相同，此功能需要進(jìn)行碰撞檢測及獲取位置信息。設(shè)定用于交互操作的手柄與消火栓發(fā)生碰撞的距離，左手按側(cè)鍵為拿起滅火器觸發(fā)鍵，右手食指按扳機鍵為拔掉插銷觸發(fā)鍵，左手按扳機鍵為拿起鞘管觸發(fā)鍵。需要為場景的模型都構(gòu)造軸對齊包圍盒進(jìn)行粗略碰撞檢測，如果發(fā)生碰撞的為滅火器這種不規(guī)則模型就構(gòu)造網(wǎng)格碰撞體進(jìn)行細(xì)致檢測。為模型添加剛體，由于不需要與物體產(chǎn)生碰撞效果，只與其檢測是否接觸，因此如果找到要拿起的滅火器標(biāo)簽且發(fā)生接觸時就執(zhí)行觸發(fā)開始的函數(shù)，獲取用于交互操作的手柄按鍵判斷是否為設(shè)定拿起按鍵，如果檢測到用于交互操作的手柄與物體發(fā)生接觸，那么物體被設(shè)為用于交互操作的手柄的子物體，定義布爾型變量標(biāo)記拿起為true，操作結(jié)束后執(zhí)行觸發(fā)結(jié)束的函數(shù)，標(biāo)記放下滅火器為false。此外該交互環(huán)節(jié)還可進(jìn)行動態(tài)手勢識別，但動態(tài)手勢識別不僅要進(jìn)行手的檢測和手的分割，而且還需要對手進(jìn)行跟蹤，識別其動態(tài)特征，[8]功能實現(xiàn)較為復(fù)雜。

4 功能設(shè)計

4.1 報警功能

隨著國家義務(wù)教育的普及，學(xué)生數(shù)量逐年增加。學(xué)生團(tuán)體的逐漸龐大，自然也就帶來了許多消防安全方面的問題。教室是學(xué)校最常見的場景，教師和學(xué)生也會將一天的大部分時間，消耗在這里，滅火演練也從這里開始設(shè)計。教室滅火場景的功能主要從以下三個方向設(shè)計：滅火、報警和逃生。報警系統(tǒng)分為兩塊：自動報警、和人工報警。報警功能的設(shè)計如下圖3所示。

圖3 報警功能設(shè)計圖

自動報警系統(tǒng)采用常規(guī)報警裝置（如煙感、溫度感應(yīng)器），本系統(tǒng)中主要使用煙霧感應(yīng)器進(jìn)行報警，將信號傳到消防主機，通過消防可視化系統(tǒng)呈現(xiàn)在值班人員面前，再由值班人員去判斷并安排救援。這里的自動報警系統(tǒng)，主要是通過一些感應(yīng)器，本場景使用煙霧感應(yīng)器。當(dāng)煙霧感應(yīng)器接觸到煙霧的時候，將著火信號傳回學(xué)校的消防監(jiān)控主機，監(jiān)控主機中內(nèi)置的可視化軟件將著火信息（著火地點和時間）展現(xiàn)到值班人員眼前。此處的值班人員將信息傳達(dá)給擁有專業(yè)知識并且深入掌握不同情況的校園師生，由相應(yīng)人員根據(jù)火種、火情安排滅火方法。同時消防報警器響起，選擇播放消防廣播。教室滅火場景的功能主要從以下三個方向設(shè)計：滅火、報警和逃生，如下圖4所示。

圖4 教室滅火場景的功能圖

人工報警要求現(xiàn)場人員（這里主要是學(xué)生和老師）對消防常識有一定了解，撥打119火警電話，準(zhǔn)確指出著火地點、著火時間和火情等信息，然后根據(jù)火情滅火或者疏散逃生。滅火時，學(xué)生和教師應(yīng)該具備基本的消防滅火意識，能夠基本判斷火情，有一定的滅火能力。首先，從著火的物體來判斷著火的類型，然后選擇使用泡沫滅火器，或者是消火栓進(jìn)行滅火。當(dāng)火情達(dá)到一定程度時，由老師或消防人員組織疏散逃生。滅火功能是本場景中和使用者交互最多，也是使使用者最能親身感受到的功能，此功能的設(shè)計更加具體化，可視化。當(dāng)處在VIVE場景中的演示者觀察到火源時，根據(jù)常識選擇是否斷開電源；按下消火栓箱的按鈕打開消火栓箱后，要求使用者根據(jù)火源選擇使用泡沫滅火器或者消火栓滅火。

4.2 疏散逃生功能

火情過大或者滅火失敗的情況下可以選擇逃生，或者由遠(yuǎn)程的專業(yè)人員安排逃生。逃生時，場景中會出現(xiàn)逃生指示標(biāo)志，并且消防報警器長鳴，廣播會同時播送逃生指示?，F(xiàn)實場景中應(yīng)該由消防知識較為豐富的老師、同學(xué)或者專業(yè)人員引導(dǎo)大家滅火。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)的應(yīng)用可以節(jié)省資源，在有效的消防應(yīng)對訓(xùn)練的前提下，減少人為因素造成火災(zāi)的概率，具有身臨其境的特點，功能豐富，在當(dāng)今社會有著不可或缺的應(yīng)用。通過簡單輕松的游戲，內(nèi)置自動打分和評判系統(tǒng)，讓使用者掌握基本的逃生滅火技能；使用真實場景模擬，讓使用者可以判斷不同程度的火情，提升滅火能力；通過專業(yè)知識的插入，讓校園師生可以深入掌握不同程度的滅火能力，以及滅火的禁忌，減少錯誤滅火發(fā)生危險的概率。