基于虚拟技术的船舶消防模拟训练系统的设计与实现

【摘要】远望号船长期征战大洋，安全问题不容忽视，而火灾又在船舶灾害事故中首当其冲。因此，做好火灾应急培训成了当务之急。基于虚拟技术研究了船舶消防训练系统，为培训提供了一条可行之路。

【关键词】船舶火灾 虚拟仿真 训练系统

众所周知，船舶火灾事故在船舶灾害中占很大比例，对船舶生存能力至关重要。当船舶发生火灾事故时，船员的安全技能水平是决定因素，灾害后所采取的紧急消除及修复措施、逃生技能的掌握及消防设备的使用等等都直接关系到每名船员的生命安全。灾害处置的成功取决于正确的指挥、熟练的技术以及严密的组织。但由于现实训练中却存在着诸多问题，对船舶火灾和消防的计算机模拟与仿真成为船舶消防训练研究的一个热点，虚拟现实技术为船舶火灾和消防的可视化搭建了一个有效平台，对船舶消防的模拟、训练、决策和评估具有极其深远的意义。

一、需求分析

目前船员的消防安全技能训练存在着诸多限制。一是消防安全技能训练内容过于庞大复杂，囊括了消防指挥、设备的使用、战术协同等一系列科目，需要多系统配合训练，涉及岗位广、人员多，实际训练中往往受到时间、经费等限制，很难保证训练到位；二是消防技能训练对场地要求较高，而船舶内空间有限，部分区域如机舱、小舱室等很难开展真实的火灾演练；三是船舶消防设备有着诸多限制要求，长期处于待发状态，日常情况下不容许人员随意操作；四是消防训练涉及到诸多危险因素，安全风险大，实际训练中极易造成人员伤亡。以上等诸多限制迫切的要求一种效果逼真、使用方便的模拟训练系统来代替实际训练。

二、虚拟现实技术在船舶消防训练中的具体应用

利用虚拟现实技术开发的船舶消防训练系统，可以实现多种训练目的，概括起来主要有灭火技能的训练，所有消防装备器材功能的熟悉，船舶不同地点火灾事故的应对处理和决策指挥等，具体包括：

（1）船员消防教育和逃生训练。系统以文字、图像、视频、动画等多种形式介绍国际船舶安全规范条款。以3D技术对全船进行实景仿真，通过三维显示，人员可以实现全船漫游，对船舶安全设施设置结构、逃生路线等有更直观了解，提高船员的消防意识和自救能力。

（2）消防装备操作技能训练。受训人员通过操作虚拟的消防装备器材，熟悉实装原理、功能和操作程序，训练消防人员对装备的操作、保养和维修技能。

（3）应急灭火救援和适应能力训练。构建舱室、甲板、机舱等各类火灾事故场景，消防人员通过视觉听觉感受近乎真实的灾害环境，操作虚拟的消防装备，与虚拟场景互动，扮演消防员、探火员等任一角色，完成探火、隔离、灭火等技能训练。

（4）消防决策、指挥、协同能力训练。多人在线进行角色扮演配合完成船舶灾害处置的所有流程，主要锻炼组织者的现场指挥、消防决策和应急处置能力以及操作人员的配合意识。

三、船舶虚拟消防训练系统的总体设计

（1）系统组成及工作原理。虚拟消防训练系统包括软、硬件两部分。硬件设备包括服务器、交换机、显示设备、普通微机等，软件则为借助3Dmax、Unity以及Photoshop等软件开发形成的一个可执行文件。系统采用基于分布式网络技术建立一个可供多成员同时参与的局域网虚拟船舶灾害环境，多个参与成员可以相互合作并通过语音或文字形式进行实时沟通，如在火灾过程中协同指挥、交互操作、对话等。这样的系统是一个面向多成员的沉浸式系统，既能响应局部的个体成员动作，还能反映不同成员间的互动，并把总体环境实体和全部成员的互动效果表现出来，由主服务器承担维护和处理具有全局效应的数据，分机从主服务器获取全局数据，负责和独立成员的交互，生成局部视景。

（2）试验场景的构建。我们选用3Dmax和Unity技术开发虚拟试验。先用3Dmax构建3D试验场景，再用Unity进行数据处理。3Dmax提供了强大的建模功能，提供了多边形建模、放样、表面建模工具，等方便有效的建模手段。Unity的模型输入简便而且接近完美，具有灵活、易操作的特点，设计程序更有效率、也更为有迹可寻。Unity不具有建模功能，用3Dmax制作三维模型或动画后以FBX格式保存文件，然后在Unity中导入所生成的FBX文件。

建成的虚拟漫游环境的图形渲染是“实时”的，而且具有很强的人机交互性，该漫游引擎提供给成员最大的控制权，成员可以任意设置视点对整个场景进行浏览，还可以在虚拟场景中随意前进、后退、旋转等。

（3）创建场景内角色的基本行为。系统中，参训者要通过指挥训练系统中的虚拟角色，来完成各项灭火、传递消息、关闭设备等行为来处置灾害，以此达到积累处置各种险情的经验和提高训练水平的目的。

本训练系统除了创建了角色的基本动作如原地等待、向前走、向后走、向左转、向右转、跑步等，还设置了指挥、交流以及针对不同消防装备的不同操作动作，每个动作都用对应的快捷键，十分方便。

（4）火灾模型的设置。目前，火焰的仿真方法可分为3种：纹理技术方法、粒子系统方法和物理模型方法。采用纹理技术方法模拟火焰，速度快，占用计算机资源较少，但人工痕迹较明显，难以表现动态情景。粒子系统方法能表现一定的燃烧场景和燃烧细节，且实现简便，适用于对模拟效果要求不太高的情况。物理模型方法是从物理性质出发，对火焰的运动变化进行合理的计算，可逼真地模拟火焰燃烧的过程，但该方法计算过于复杂，其连续性求解超出了现有计算机的能力。

因此，本系统采用粒子系统实现火灾的模拟，对现实中火的物理特性进行适当简化，通过控制火粒子的大小、形状、数目来实现火势的模拟。

火灾发生时，参训者根据经验判断火灾的情况，会出现先派一名消防队员灭火，没有控制住火灾，会及时补救再派消防队员去救火的情况发生，因此，灭火人数、体力系数以及灭火时间是函数以兵力为变量的函数，而装备系数为设定值，每种消防装备的设定值不同。当火灾超过阈值时，系统直接宣布训练失败。

四、结束语

将虚拟现实技术应用于船舶消防领域具有承训量大、贴近实际、灵活便利、互动性强和费用低等优点，对于指导船员消防训练具有极为重大的现实意义。随着计算机软硬件技术的不断发展，基于虚拟现实技术为基础的消防训练将成为主导方向。

参考文献：

[1]常壮，邱金水，张秀山.基于虚拟现实技术的舰船虚拟消防训练系统体系架构研究[J].中国舰船研究，2009.