鐘文 程向東 何立

（1.消防救援局南京訓(xùn)練總隊(duì)，江蘇南京 210000；2.內(nèi)蒙古消防救援總隊(duì)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010；3.福建消防救援總隊(duì)，福建漳州 363000）

為適應(yīng)新時(shí)期消防隊(duì)伍實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練的要求，“緊盯一線”“對(duì)標(biāo)實(shí)戰(zhàn)”，創(chuàng)新訓(xùn)練體系，實(shí)現(xiàn)原理“動(dòng)漫化”、裝備“模擬化”、操作“實(shí)戰(zhàn)化”，解決化學(xué)事故處置訓(xùn)練手段單一、效果不明顯等情況。擬利用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)重現(xiàn)各類(lèi)化學(xué)事故發(fā)生、發(fā)展等一系列變化過(guò)程，有效提高模擬訓(xùn)練場(chǎng)景的真實(shí)性，利用人機(jī)交互手段實(shí)現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)中的技戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用和裝備選擇，通過(guò)系統(tǒng)的使用，既可以有效降低訓(xùn)練成本，又能夠?qū)τ?xùn)練效果進(jìn)行科學(xué)考核和評(píng)判。

1.化學(xué)事故處置虛擬實(shí)訓(xùn)優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真技術(shù)改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，早已被國(guó)外各大高校所應(yīng)用[1-3]。虛擬仿真技術(shù)是近幾年我國(guó)教育改革的熱點(diǎn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源作為信息化技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)模式的必要補(bǔ)充，對(duì)實(shí)踐教學(xué)起著重要的輔助作用，在實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)中發(fā)揮著極大的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)分為教學(xué)、訓(xùn)練、考核3個(gè)模塊，在教學(xué)模塊中，能夠快速學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，目前消防隊(duì)伍的裝備庫(kù)、涉及的常見(jiàn)的危化品典型物質(zhì)及理化性質(zhì)；在訓(xùn)練模塊中，可以在虛擬的災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組織指揮和處置訓(xùn)練；考核模塊，分為日?？己撕吐殬I(yè)技能鑒定。

1.1 拓展實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的廣度和深度

虛擬仿真通過(guò)創(chuàng)建與人類(lèi)感官系統(tǒng)交互的虛擬空間，克服現(xiàn)實(shí)世界的空間和物理約束，為人們提供一種間接的，如同真實(shí)世界的真切、直觀的體驗(yàn)。虛擬仿真系統(tǒng)地解決了部分傳統(tǒng)技能操作在課堂中難以示教、難以重復(fù)等問(wèn)題，擴(kuò)展了教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度。通過(guò)這種虛擬環(huán)境模擬訓(xùn)練的方式有效解決了消防救援隊(duì)伍的幾大難題：（1）沒(méi)有毒害環(huán)境。（2）無(wú)法復(fù)制各類(lèi)災(zāi)情。（3）偵檢器材需要標(biāo)定，器材損耗大訓(xùn)練成本高。（4）通過(guò)這種協(xié)同作戰(zhàn)、班組操作，讓我們的消防員懂“戰(zhàn)術(shù)”，指揮員懂“技術(shù)”，解決在實(shí)戰(zhàn)中“指戰(zhàn)一體化”的難題。

1.2 拓展實(shí)訓(xùn)的時(shí)間和空間

當(dāng)受訓(xùn)人員通過(guò)虛擬模擬器進(jìn)行技能訓(xùn)練時(shí)，他們學(xué)得更快，每小時(shí)練習(xí)的程序更多，達(dá)到傳統(tǒng)教學(xué)的技能訓(xùn)練水平，并且可從系統(tǒng)里獲得更多的評(píng)價(jià)，因?yàn)樘摂M模擬器的使用可以縮短教學(xué)評(píng)價(jià)的時(shí)間?；瘜W(xué)事故處置虛擬仿真系統(tǒng)模擬毒害環(huán)境，能快速流程化、可視化學(xué)習(xí)，里面含教學(xué)、訓(xùn)練、考核模式，能夠?qū)崿F(xiàn)“自學(xué)自訓(xùn)”，為“網(wǎng)考網(wǎng)訓(xùn)”提供平臺(tái)。

1.3 提高興趣，強(qiáng)化班組協(xié)同能力

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過(guò)動(dòng)畫(huà)、圖片、視頻、音頻等方式呈現(xiàn)給受訓(xùn)者，讓抽象的理論更容易被理解[4]；虛擬化情境的創(chuàng)設(shè)讓通過(guò)人機(jī)交互，猶如“玩游戲”一般，可以極大地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和求知欲[5-7]；利用力學(xué)反饋虛擬仿真設(shè)備開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，受訓(xùn)者在手持手柄操作時(shí)，可以獲得和現(xiàn)實(shí)中手持工具操作時(shí)相同的力學(xué)感受，達(dá)到模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)戰(zhàn)效果。通過(guò)這種協(xié)同作戰(zhàn)、班組操作，讓我們的消防員懂“戰(zhàn)術(shù)”，指揮員懂“技術(shù)”，解決在實(shí)戰(zhàn)中“指戰(zhàn)一體化”的難題。

1.4 創(chuàng)新虛擬實(shí)訓(xùn)評(píng)價(jià)體系

虛擬仿真技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合，可以讓受訓(xùn)者通過(guò)交互學(xué)習(xí)模式與測(cè)試體系及時(shí)檢查自己的學(xué)習(xí)效果，同時(shí)將自己的學(xué)習(xí)情況及時(shí)反饋給教員；教員可以對(duì)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)控、記錄、分析，并給出結(jié)論和合理化的建議；此外，虛擬化考試系統(tǒng)可以使考核過(guò)程更全面、客觀、科學(xué)和標(biāo)準(zhǔn)，極大地減少傳統(tǒng)實(shí)物考試模式中繁瑣的材料準(zhǔn)備、人員組織、考核結(jié)果統(tǒng)計(jì)等問(wèn)題。

2.化學(xué)事故處置實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)思路

按照標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、分步滾動(dòng)發(fā)展的建設(shè)思路，充分利用成熟軟件架構(gòu)技術(shù)，采用先進(jìn)的MDA模型驅(qū)動(dòng)的體系結(jié)構(gòu)方法和SOA面向服務(wù)架方法構(gòu)建系統(tǒng)。通過(guò)3D建模，以實(shí)時(shí)顯示災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)，高低精度模型切換流轉(zhuǎn)順暢，最大程度使虛擬操縱接近真實(shí)情況。以典型化學(xué)災(zāi)害事故處置基本程序和要求為依據(jù)，就不同情形下裝備選用、技術(shù)要求等方面建立正確地邏輯關(guān)系。在系統(tǒng)中對(duì)人員、裝備和事故發(fā)展變化等對(duì)象賦予模擬動(dòng)畫(huà)，操作人員在觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)置事件時(shí)，能夠及時(shí)正確地產(chǎn)生響應(yīng)。

建立災(zāi)害事態(tài)發(fā)展變化的數(shù)學(xué)模型，模擬實(shí)現(xiàn)泄漏物質(zhì)隨地形、氣象條件、時(shí)間等發(fā)生內(nèi)在變化，并能根據(jù)系統(tǒng)的操作對(duì)災(zāi)情變化（泄漏擴(kuò)大或減?。┳龀鱿鄳?yīng)反應(yīng)。能方便快捷地設(shè)置危險(xiǎn)化學(xué)品種類(lèi)、現(xiàn)場(chǎng)情況以及考核評(píng)判關(guān)鍵點(diǎn)，所有相關(guān)數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)角芭_(tái)。系統(tǒng)設(shè)置中可供選擇的危險(xiǎn)化學(xué)品可能為氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)，具有毒害、易燃易爆、腐蝕等危險(xiǎn)性。

3.化學(xué)事故處置虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)架構(gòu)

化學(xué)事故處置實(shí)訓(xùn)平臺(tái)最大的特點(diǎn)是能夠模擬毒害環(huán)境、重現(xiàn)災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)、規(guī)范處置流程、彌補(bǔ)傳統(tǒng)訓(xùn)練的短板。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、仿真建模技術(shù)和數(shù)據(jù)分析評(píng)估技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)事故處置多角度、全方位的演練和評(píng)估。為應(yīng)急演練提供了通用可擴(kuò)展的平臺(tái)架構(gòu)，通過(guò)配置仿真模型、用戶(hù)操作界面和部署仿真場(chǎng)景，可快速構(gòu)建多人協(xié)同模擬演練。

3.1 化學(xué)事故處置實(shí)訓(xùn)平臺(tái)實(shí)體結(jié)構(gòu)

化學(xué)事故救援虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)分為管理端和訓(xùn)練端兩部分。系統(tǒng)采用多層架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與程序完全分離，管理端和訓(xùn)練端的分離，界面與程序分離，以保證數(shù)據(jù)的安全性。能保證數(shù)據(jù)的完整性、一致性和有效性，采用操作員身份認(rèn)證機(jī)制，防止偽造身份數(shù)據(jù)，防止不合法的操作。

管理端主要包含裝備數(shù)據(jù)編輯、想定編輯、考核管理、數(shù)據(jù)回放、實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)案規(guī)劃和智能評(píng)判等功能，裝備數(shù)據(jù)編輯實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備信息的編輯；想定編輯功能實(shí)現(xiàn)事故地點(diǎn)、氣象條件以及泄漏介質(zhì)種類(lèi)設(shè)置；考核管理功能實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)考核；數(shù)據(jù)回放功能實(shí)現(xiàn)考核過(guò)程數(shù)據(jù)記錄以及操作過(guò)程的回放展現(xiàn)；實(shí)時(shí)監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)對(duì)考核終端的實(shí)時(shí)監(jiān)控；預(yù)案規(guī)劃功能實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品及化工裝置災(zāi)害事故訓(xùn)練前期預(yù)案的設(shè)計(jì)與規(guī)劃，利用模板與數(shù)據(jù)結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)置；智能評(píng)判功能根據(jù)考核人員操作情況，進(jìn)行科學(xué)評(píng)判，并生成考核分析報(bào)告（包含扣分點(diǎn)、扣分原因和分值等）。

訓(xùn)練端包括教學(xué)、訓(xùn)練和考核3個(gè)模式，采用AR、VR、MR等設(shè)備模擬實(shí)現(xiàn)各種化學(xué)事故實(shí)踐操作，以分組模式進(jìn)行協(xié)同模擬訓(xùn)練。教學(xué)模式下，可對(duì)理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)認(rèn)知、防控理念、注意事項(xiàng)等基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)；訓(xùn)練模式下，可根據(jù)不同類(lèi)型的槽車(chē)事故進(jìn)行技戰(zhàn)術(shù)和具體的處置操作訓(xùn)練；考核模式，參考人員需要在指定時(shí)間內(nèi)，按照要求依次完成處置任務(wù)，操作結(jié)束后系統(tǒng)自動(dòng)記錄操作過(guò)程并給出分析評(píng)判結(jié)果。

3.2 化學(xué)事故處置實(shí)訓(xùn)平臺(tái)虛擬模塊

系統(tǒng)主要分為教學(xué)訓(xùn)練模式和考核模式，其中在教學(xué)訓(xùn)練模式中，操作者可以任意選擇化學(xué)事故處置節(jié)點(diǎn)，利于有針對(duì)性地練習(xí)，點(diǎn)擊觸發(fā)相應(yīng)的事件或裝備時(shí)，屏幕有相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的出現(xiàn)；在考核模式中，考核人員需要在指定時(shí)間內(nèi)，按照化學(xué)事故處置基本程序和系統(tǒng)依次完成化學(xué)事故處置任務(wù)，操作結(jié)束，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)考核人員操作進(jìn)行評(píng)分，并指出錯(cuò)誤操作。

（1）場(chǎng)景中設(shè)置相應(yīng)的教學(xué)任務(wù)點(diǎn)，界面設(shè)有消防裝備庫(kù)，設(shè)置虛擬消防員，根據(jù)系統(tǒng)提示逐步操作完成化學(xué)事故應(yīng)急救援工作。

（2）系統(tǒng)中的事故模擬場(chǎng)景包括地形、道路、車(chē)輛、設(shè)備、人員、建筑物等，運(yùn)用虛擬仿真視覺(jué)技術(shù)使整體效果能夠充分展現(xiàn)。模型制作范圍為每個(gè)模塊所需表現(xiàn)場(chǎng)景范圍，根據(jù)實(shí)際需求和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間的實(shí)際情況來(lái)確定。

（3）化學(xué)事故應(yīng)急救援三維虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)包含可交互操作的模擬化學(xué)事故現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，結(jié)合相關(guān)硬件設(shè)備進(jìn)行模擬操作，實(shí)現(xiàn)操作者具有身臨其境的臨場(chǎng)感，從而科學(xué)直觀地展示安全事故對(duì)整個(gè)環(huán)境及人員的影響。此套系統(tǒng)當(dāng)中，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可將真實(shí)環(huán)境中無(wú)法很好展示的要素如人員位置、車(chē)輛位置、風(fēng)向、風(fēng)速、危險(xiǎn)化學(xué)品擴(kuò)散蔓延方向速度等以直觀可視化、可操控的方式實(shí)現(xiàn)交互功能，提供最直觀的表現(xiàn)方式以幫助操作者觀察及操作，從而達(dá)到系統(tǒng)模擬訓(xùn)練的實(shí)際目標(biāo)。

（4）系統(tǒng)分為多個(gè)功能模塊，每個(gè)模塊都可進(jìn)行相應(yīng)功能的設(shè)置,當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)擊相關(guān)模塊時(shí)，就進(jìn)入可操控的內(nèi)容。通過(guò)電腦操作及投影大屏幕的顯示，操作者可以在模擬的虛擬場(chǎng)景內(nèi)進(jìn)行自由步行、鳥(niǎo)瞰，也可以點(diǎn)選重點(diǎn)位置查看，可以多視角、全方位地了解虛擬現(xiàn)實(shí)的三維事故現(xiàn)場(chǎng)的各區(qū)域情況。在有毒有害物質(zhì)偵檢環(huán)節(jié)，系統(tǒng)設(shè)置模擬器操作進(jìn)行偵檢儀器模擬器（與真實(shí)偵檢儀器1：1仿真模擬）操作，讓操作者身臨其境的使用。逼真的三維圖像，完善的人機(jī)交互特性，使該系統(tǒng)成為對(duì)消防人員處置化學(xué)事故應(yīng)急救援訓(xùn)練、考核的實(shí)用工具。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，可根據(jù)實(shí)際需求，逐步升級(jí)進(jìn)行完善，如增設(shè)不同的災(zāi)害事故場(chǎng)景、訓(xùn)練科目等，開(kāi)發(fā)多人多角色在不同的電腦上、共同的虛擬災(zāi)害場(chǎng)景內(nèi)完成協(xié)同消防任務(wù)，實(shí)現(xiàn)更完善的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)。

（5）為達(dá)到接近實(shí)際情況的三維可視化模擬效果，主要場(chǎng)景紋理保持和模擬現(xiàn)場(chǎng)情況基本一致。對(duì)需要傳達(dá)的信息及發(fā)生動(dòng)作的重要環(huán)節(jié)進(jìn)行可視化虛擬仿真，并結(jié)合文字、圖片、音效等多媒體信息進(jìn)行綜合有效的傳達(dá)，表現(xiàn)出化學(xué)事故應(yīng)急救援的主要狀態(tài)。運(yùn)行的系統(tǒng)擁有完整的二維圖形用戶(hù)界面，同時(shí)顯示三維場(chǎng)景，以完成所有的交互操作功能。

4.虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)成效

為了解學(xué)員對(duì)化學(xué)事故處置虛擬實(shí)訓(xùn)的滿(mǎn)意程度，以全國(guó)站長(zhǎng)助理為調(diào)查對(duì)象，在該平臺(tái)的基礎(chǔ)上添加以氯氣泄漏、LPG槽罐車(chē)事故模塊，并以此為內(nèi)容展開(kāi)調(diào)查。主要從虛擬仿真資源評(píng)價(jià)、虛實(shí)結(jié)合教學(xué)效果評(píng)價(jià)和虛擬仿真教學(xué)優(yōu)勢(shì)3個(gè)方面進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)如下：

（1）在虛擬仿真資源評(píng)價(jià)的調(diào)查中，學(xué)員認(rèn)為所提供的槽罐車(chē)模型精細(xì)，結(jié)構(gòu)正確，能夠真實(shí)反映槽罐車(chē)事故處置中的狀態(tài); 學(xué)員認(rèn)為事故處置流程合理，能夠真實(shí)模擬實(shí)戰(zhàn)過(guò)程; 對(duì)本虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)感到滿(mǎn)意。

（2）在虛實(shí)結(jié)合教學(xué)效果評(píng)價(jià)的調(diào)查中，學(xué)員認(rèn)為這種虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式有助于理解處置中裝備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，同時(shí)可以更好地指導(dǎo)事故處置。尤其是班組協(xié)同操作的方式，更貼近實(shí)戰(zhàn)，能夠準(zhǔn)確地協(xié)同作戰(zhàn)。

（3）在虛擬仿真優(yōu)勢(shì)的調(diào)查中，學(xué)員認(rèn)為虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)將傳統(tǒng)實(shí)物教學(xué)三維數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，能夠不限時(shí)間、不限空間，在安全、便捷的條件下開(kāi)展訓(xùn)練，并將知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通，有助于切實(shí)掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

此外，也對(duì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)提出建議：（1）客戶(hù)端軟件對(duì)電腦配置要求較高，希望在更新版本時(shí)能夠合理優(yōu)化資源，使低配置的電腦也能流暢運(yùn)行虛擬客戶(hù)端。（2）希望在虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)能夠上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)考網(wǎng)訓(xùn)”。（3）希望豐富虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)文字說(shuō)明，以便更好地理解實(shí)訓(xùn)和工作原理?？傊?，學(xué)員對(duì)新的訓(xùn)練模式較為滿(mǎn)意。