VR沉浸式消防虚拟仿真体验训练系统分析与设计

VR沉浸式消防虚拟仿真体验训练系统分析与设计

宫爱科 徐冲 于洪达

赛搏盾（天津）科技有限公司 天津市 300453

摘要：VR沉浸式消防虚拟仿真体验训练系统主要面向消防战士，使其能在虚拟火灾场景中进行体验训练。本文针对火灾具体情况，在功能分析的基础上，进行了总体功能设计，以模拟各类火灾场景中的战术要点和工具使用方式，达到训练基层消防人员的目的。

1. 引言

VR沉浸式消防虚拟仿真体验训练系统主要面向消防战士，使其能在虚拟火灾场景中进行体验训练。系统以三维立体显示为展示手段，人机交互为操作模式，模拟各类火灾场景中的战术要点和工具使用方式，达到训练基层消防人员的目的。

随着虚拟仿真技术的发展，在推动消防虚拟仿真训练改革上发挥了很大作用[1][2]。消防安全系统开发中采用虚拟现实技术，可以让火灾研究数据更加直观、场景更加逼真，无需依靠真实世界即可直观感受[3]。

本论文在VR沉浸式消防虚拟仿真体验训练系统需求分析的基础上，设计了该系统的模块和功能，实现各类火灾场景中的战术要点和工具使用方式的模拟仿真目的。

2. VR沉浸式体验训练系统功能分析

（1）人物移动

VR沉浸式体验训练系统通过VR设备的手柄来控制人物的行走。

行走的转向通过穿戴人员的转向或者转头改变视野方向改变行走方向，即人物的视角方向始终为人物的行走方向。

系统中操作人员可以通过按下手柄的菜单按键唤出移动速度调节窗口来调整速度大小。

（2）设施信息

VR沉浸式体验训练系统通过设施信息查看分为固定设施查看以及油罐部件设施的查看。查看方式为在一定距离范围内，按下手柄的触摸圆盘发射一条射线，当射线打在有信息的固定设施上时弹出该设施的信息面板。油罐部件设施的信息只有在罐区拆解的过程中可以查看。

（3）设施交互

VR沉浸式体验训练系统中可以交互的设备有两种，分别为固定消防水炮、油罐下面的阀门。交互方式均为靠近时按住手柄的抓取键，成功抓取后视野中的手柄消失。此时可以通过触摸圆盘控制水炮/阀门旋转。水炮的出水/关闭出水通过手柄的扳机键控制。

（4）罐体拆解

VR沉浸式体验训练系统中的特定油罐可以进行拆解。训练人员可能对罐区以及罐区的结构构成不了解，罐区拆解可以只管详细的展示油罐的内部结构以及各部件的功能。操作人员到达特定位置后可以触发罐体拆解事件，此时会弹出控制面板，操作人员通过控制面板控制操作。

罐体拆解：选中罐体拆解后罐体各部件分散在空中，操作人员可以通过手柄触摸圆盘控制面板控制观察位置，通过按下触摸圆盘发射射线查看部件信息，方式与查看设施信息类似。

拆解暂停：选中罐体拆解后，拆解移动中的罐体停在空中，此时操作人员也可以移动位置查看信息。

拆解重置：选中拆解重置，悬浮在空中的罐体部件将恢复到初始状态。

结束拆解：选中结束拆解后。罐体重置，操作人员回到漫游状态，可以继续漫游。

3. 总体功能设计

总体设计理念：VR沉浸式体验训练系统主要面向消防战士，使其能在虚拟火灾场景中进行体验训练。系统以三维立体显示为展示手段，人机交互为操作模式，模拟各类火灾场景中的战术要点和工具使用方式，达到训练基层消防人员的目的。

采用VR浸入式硬件系统（VR眼镜）、动作捕捉系统以及视频图像采集系统在三维仿真场景内模拟消防员实操环境，进行仿真模拟训练和学习。该系统主要实现以下功能：

（1）火场环境模拟功能

室内侦查，应该沿着承重墙去行进，避免被坠落物砸伤。长期燃烧很可能导致部分物体碳化脱落，尤其是装饰性吊顶构件等，很容易砸伤战士，危害其安全。所以我们一定要培养这个基本习惯。如果选择错误，会有一个模拟的直接死亡的严重惩罚。

（2）安全防护训练功能

进入模拟环境前先对消防员的设备穿戴进行考核，考核消防员的穿衣速度，规范是否达到要求。消防员整套穿戴动作在摄像头下完成，完成后将通过创意动作捕捉软件进行视频分析，判断消防员的操作过程是否符合规范。

（3）破拆训练功能

系统支持破拆动作的训练，考核消防员如何去开启封闭的门。开门前应该先用手背试探温度，温度合适时在进行破拆操作，避免因温度过高导致损害。

（4）出枪灭火功能

开门后注意射水方式（开花+直流；先仰射后扫射等）。

（5）障碍物规避功能

训练学员火场行进过程中的技巧。提高学员对复杂火场的观察能力。通过异常的颜色、声音等及时发现潜在危险，提前规避，避免伤害。如场景中的玻璃因为燃烧等容易破碎，在行进中路过玻璃破碎时应该背对趴下，避免因玻璃破碎造成损害。

（6）侦察路线判选功能

进入室内选择侦察路线，要时刻注意周边环境，选择正确合适的路线行进，如果选择错误则可能会被砸伤摔伤等。

（7）异物清理功能

在视线受阻的情况下，训练学员是否懂得使用水枪冲蚀探路并提前扫清危险障碍。比如发现前方货架有异常，因为长期燃烧，导致货架有垮塌的危险，如果及时发现，并选择用水枪去冲蚀探路，那么就可以提前扫清潜在危险，避免被砸伤。

（8）行进动作训练功能

训练学员在火场中上楼梯或者在一楼以上楼层侦察时，尤其是视线严重受阻的情况下，一定要仔细侦察前方路况，避免有坑洞，物体掉落等。

（9）场景融合功能

选择建筑场所，实现场景与以上功能融合，进行周边环境、建筑结构、消防设施的1：1等比例建模，还原真实训练场景。受训人员可以通过VR设备在场景中进行场景熟悉、体验、训练并可以对消防设施进行操作。

4. 结论

VR沉浸式消防虚拟仿真体验训练系统需要针对不同的场景，进行功能分析和设计。在此功能设计的基础上，需要与虚拟现实外接接口，集成系统，形成训练系统用于训练。

参考文献

[1] 席竞. 虚拟现实技术在消防战训工作中的运用策略. 今日消防，2020(8)：12-13.

[2] 陈池浩、张余晨. 虚拟现实技术在消防战训工作中的应用. 消防界(电子版)，2019(14)：32+34.

[3] 朱萍. 基于虚拟现实技术的消防安全系统开发分析. 科技创新与应用，2020(21)：93-94.