公安院校消防虚拟仿真教学系统的设计与研发

　　中图分类号：TU998.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）03（b）-0128-03

　　公安院校学生未来就业方向主要是公安基层民警，而消防监督工作是公安基层工作的重要组成部分，因此，学生对消防监督检查流程及重点应有一定了解，对通用消防器材装备应熟练使用及对火灾初期应灵活处置，而这些方面的教学工作在实际教学中存在教学与实际脱节的矛盾。随着建模与虚拟仿真技术的快速发展，计算机模拟训练以其特有的优点越来越受到高校的重视[1]。消防虚拟仿真教学系统的研发可以很好地解决教学与实际脱节的矛盾[2]。该教学系统由训练（软件）系统和3D交互沉浸环境（硬件）系统两大部分构成，系统软件部分通过三维虚拟仿真技术进行设计和研发，系统硬件部分为配套虚拟交互训练内容实现3D沉浸交互功能应用的硬件平台支撑，上述两部分共同构成整个教学系统，以实现在虚拟环境下达到真实环境条件进行实验认知、训练的效果。

　　1 消防虚拟仿真教学系统软件平台的设计

　　根据目前公安基层工作的需要，教学系统软件平台由消防监督检查、消防装备与灭火技术和灭火救援指挥3部分组成。

　　1.1 消防监督检查

　　消防监督检查虚拟训练系统以三维仿真的某大型商业综合体为背景，利用虚拟仿真技术模拟商场中各消防设施、消防器材和相关消防设备与消防区域的设置情况。该系统主要包括消防监督检查教学展示（3D效果）、消防监督检查的组织、实施消防监督检查训练、对举报、投诉的消防违法行为的查处训练、重大火灾隐患的判定、立案、督办和消案的训练、恢复施工（使用、生产、营业或者举办）的检查训练等部分。（如图1所示）

　　该系统可以生动立体地讲述消防知识，同时培训学生在任意一个普通场景中，能够完成消防监督检查的各项工作措施，掌握消防监督检查的技能，实现教学目标。系统设计使用虚拟环境、立体成像设备、模拟软件的方式，一方面使学生全方位多角度的形式进入立体虚拟环境中去，身临其境地到现场去发现问题、听取解决办法、学习相关知识；另一方面则利用安装了“消防监督检查虚拟实训系统”的PC机，通过可视化交互，让学生能自我做出判断，发现并记录虚拟场景中存在的安全隐患，以达到实训要求，完成目标。

　　1.2 消防装备与灭火技术模拟演练系统

　　鉴于学生对消防灭火实际操作知识的匮乏，以及经验的欠缺，因此，需要通过实际动手训练来提高学生实践能力，以便日后能从容应对各种危机情况。由于火灾本身是一个很难控制的事件，其危害性巨大，扩张速度迅猛，稍有不慎即可对人们的生命财产造成严重损失，因此，通过实际引发一场火灾来进行扑救，达到训练的目标自然是非常不可取的。但学生终究必须是要掌握消防灭火技术，如何连接理论知识和实际扑救之间的纽带，达到训练的目标，就成为了必须解决的问题。为解决理想与现实之间的矛盾，虚拟现实技术显得尤为合适。消防装备与灭火技术虚拟演练系统可全真模拟出火灾现场环境、风力风向、火情蔓延面积等；细节来讲，包括楼层通道、燃烧物质、火光火焰、烟雾层层等；扑救操作方面来讲，包括各类灭火器使用的方式方法（如，除掉铅封、拉下保险销、对准火源、按压手柄），以及室内、外消火栓的连接和使用模拟。因此，这套虚拟火灾扑救系统可从宏观到微观层层递进展开扑救技术训练，兼具安全性和交互性，加之轻量化的演练环境，是火灾扑救训练最科学完善的解决方案。（如图2所示）

　　1.3 灭火救援指挥模拟训练系统

　　灭火救援指挥模拟训练系统以某大型商业综合体为实战训练背景，利用虚拟仿真技术模拟生成特定环境条件下的虚拟火灾事故场景；受训学员依据应急救援战术原则进行指挥决策，调动和部署抢险救援力量，形成战斗方案，控制事故的发展和蔓延；并依据战术知识库，以模拟训练系统提供的训练监控、记录回放等工具为辅助，记录、分析受训学员的战斗方案，对受训学员的战斗方案进行逻辑推理，最终进行评判结果和结果解释；虚拟火灾事故场景也随着战斗方案的执行实时产生动态的仿真效果，为受训学员创建一个具有高度沉浸感以及符合实际情况的训练环境。该系统主要包括灭火救援指挥教学展示（3D效果）、接处警训练需求、灭火救援指挥训练需求、模拟训练台需求和场景、模型及处置效果需求等部分。（如图3所示）

　　2 消防虚拟仿真教学系统硬件平台的设计

　　消防虚拟仿真教学系统硬件平台以三通道沉浸式环境G-Discover为主，同时配以学生机房，满足教学认知以及课程考核的需要。（如图4所示）

　　2.1 立体显示系统

　　作为整个虚拟现实仿真平台的显示部分，显示系统效果的好坏对整个系统表现的影响非常大。系统一般由投影机、投影屏幕、机械结构实现。其核心是根据使用要求和现场情况（环境光情况、场地情况、观众等），选择恰当的投影方式，在投影方式确定的前提下，选择适当的投影机、投影屏幕和结构形式以形成最佳的视场。由于显示屏面积较大，图像均匀性及一致性要求突出。

　　2.2 图形图像处理系统

　　由于虚拟系统所采用的软件占用较大空间资源，因此，对计算机硬件的要求随之提高，当前虚拟系统中的计算机硬件以高性能图形工作站为主流，具体配置因所采用的建模和分析软件不同而不同。

　　2.3 交互系统

　　虚拟设计平台中的人机交互设备包括动作捕捉系统、半实物仿真灭火器、半实物仿真水枪等，可以使设计者和观察者实时地对多通道显示屏幕上的内容进行综合操控，实现用户与三维模型的交互浏览和相关训练操作。

　　2.4 教学考核机房

　　包含学生机和教师机若干台，“消防监督检查”的学生考核部分、“消防装备与灭火技术模拟演练”的认知教学部分、“灭火救援指挥”的协同操作演练部分均在该机房中完成。

　　2.5 火灾现场信号转播系统

　　可将当地公安消防部门消防指挥大厅通过卫星信号车采集到的火灾现场视频信号，通过网络传输的形式接入到实验室的投影环境中，供学生进行火灾实战的观摩教学[3]。

　　消防虚拟仿真教学系统利用虚拟现实、三维仿真建模与再现技术、三维场景渲染技术等先进手段真实的再现各类场所火灾现场的环境，以消防日常设备设施安全监督检查，灾害事故救援的应急指挥、处置和救护为主线，通过三维人机交互式教学实训模式为学生针对以上不同场地条件和状况下的消防安全检查、面临火灾的自救、维持火灾现场秩序、组织疏散及指挥群众逃生等采取正确的指挥调度措施、应急处置办法和消防设备器材的工作原理及使用等进行设计与研发，从而增强受训者的临场感觉，提升应急学员的快速反应和处置能力。

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