利用虛擬現實 創新實驗室消防安全教育

張 婷， 楊 揚， 楊啟浩， 柴春雷

（浙江大學國際設計研究院，杭州310058）

0 引 言

校園消防安全教育是所有師生不可忽視的一門功課，安全事故時刻提醒安全教育的重要性。近年來，VR技術發展迅猛，在很多領域都得到了應用。如何將虛擬現實技術與消防安全教育相結合，提高消防培訓效果，增強學生的消防安全意識，成為國際設計研究院師生創新實踐的新方向。學院通過研究多模態交互機制，開發基于虛擬現實技術的消防安全教育在線平臺，即校園火災逃生虛擬教學系統軟件。該系統研發VR安全教育內容，主要針對火災逃生的演練，沉浸式體驗能讓體驗者感受更真切，更身臨其境，從而有助于體驗者學習到火災逃生的要領以及技巧。結合社會發展需要，虛擬現實技術可為增強消防安全意識提供多種應用?；谔摂M現實技術的消防安全教育平臺可以實現學校、商場、辦公樓等多種培訓場景，為該技術研究的創新提供了更多可能性。

1 實驗室消防安全教學實踐的現狀

1.1 消防安全教育中的問題

對于大眾來說，要提高公眾的消防安全素質，加強消防科普教育，幫助大眾有效獲取消防安全知識是重點。除了使用常規的消防演練以及各種宣傳手段讓公眾獲得了解和學習相關知識和技能以外，最主要還是在培訓中體驗實際操作，使相關知識和技能牢記在心，才能在危險來臨時，處變不驚［1］。

目前，縱觀國內高校的消防安全教育狀況，主要問題，①對于消防安全教育的重視程度不夠，大多數高校并未將安全教育納入日常課程體系中，學生甚至教職工認為火災和自己的日常生活距離很遙遠，消防安全意識淡薄，不能意識到潛在的危險；②高校相應訓練素材和場地得不到保障，沒有配套齊全的裝備器材，教育方法與方式局限于課本，學生的安全教育學習缺乏體驗感，沒有興趣深入學習，更談不上熟練掌握逃生技巧和正確使用滅火器材；③知識技能與實戰經驗脫節，教育實效性有待加強。學校安全教育的開展形式主要是來自講述、圖片、視頻等方面的警示教育，安全演習、消防疏散演習等形式的實踐訓練較少，難以保證消防安全教育的有效性［2］。④傳統消防演練無法再現火情臨場感，險情突發時，在烈火和濃煙中，受災者的精神會高度緊張、極度恐懼，失去判斷的能力，而大多數消防安全演習中相關人員敷衍走過場，演練的數量與質量遠遠達不到訓練的目標。

1.2 虛擬現實技術在消防安全教育現狀

虛擬現實技術基于多媒體、人機接口、感知傳感、人工智能、仿真等技術，創建綜合多種感官一體化的虛擬環境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環境中的對象進行交互，獲得身臨其境的感受與體驗［3］。3D虛擬現實技術應用在教學實踐，能夠突破時間與空間的限制，給學習者提供視覺、聽覺等多種體驗，創建真實感的學習環境、優化教學過程。虛擬現實技術在災難預防與搶救的仿真建模中的應用也在積極嘗試，國外已有不少研制成功的救災、防災模擬仿真系統。例如，1993年英國的Colt Virtual Reality公司就開發了一個被稱為“Vegas”的火災疏散演示模擬仿真系統，該系統是基于Dimension International的Superscape虛擬現實系統環境而開發的。它以三維動畫的形式演示火災發生時人員的疏散情況，使用戶更有參與感，提升了趣味性，讓用戶能夠親身體驗火災發生時的感覺。受限于當時的技術水平，該仿真系統的視覺觀感仍然不夠真實，建模粗劣，交互性與沉浸感不足。通過普通用戶的參與，大眾有效培養了良好的防災意識，在火災發生時能夠迅速離開火場或采取報警、營救等措施。

國內在這一研究領域尚處于初步階段，但已經得到有關部門重視。例如，長春大學組成聯合研發團隊，開發了校園安全演練教學和考核系統；2016年11月，網龍網絡公司在福建省“119”消防宣傳月中針對小學生開發了消防安全VR教育體驗系統。目前針對消防安全教育領域的研究存在些許不足，例如，研究方法缺乏有效的吸引力，大多數系統為桌面式，體驗感不強，教學內容形式單一等。營造真實的環境十分關鍵，虛擬三維空間建模好壞決定了用戶體驗是否能夠產生沉浸感和真實感，設計時應考慮技術水平與實現成本，將教育教學理論與VR技術深度融合，立足用戶綜合體驗，激發學習者的興趣和學習熱情，以期達到最終的教學目的［4-6］。

2 將虛擬現實技術應用于消防安全教育

2.1 虛擬現實技術在消防教育中的優勢

為了探索虛擬現實技術在消防安全教育領域應用的可能性，研究多模態交互機制，探索基于虛擬現實技術的面向消防安全教育的在線平臺，國際設計研究院師生團隊開發了校園火災逃生虛擬教學系統軟件，意在針對火災逃生的演練，沉浸式體驗能讓使用者感受更真切，更身臨其境，從而有助于使用者學習到火災逃生的要領以及技巧。之所以把虛擬現實作為消防安全教育的教學輔助工具，是由于虛擬消防體驗模式與傳統消防安全教育方法相比，具有仿真性、開放性、針對性、自主性、安全性和節約性的特點［7-8］。

虛擬演練環境是以現實培養演練環境為基礎搭建的，操作規則同樣立足于現實中實際的操作規范，旨在營造真實感與沉浸感。與現實中的真實安全演練相比，虛擬仿真訓練可隨時進行多次重復演練，體驗者始終處于安全教育的主導地位，掌握安全教育主動權。虛擬演練的另一大優勢就是可以方便地模擬任何培訓科目，借助虛擬現實技術，受訓者可以將自身置于各種復雜、突發環境中去，從而進行針對性訓練，提高自身的應變能力與相關處理技能。作為培訓中重中之重的安全性，虛擬的演練環境遠比現實中安全，培訓與受訓人員可以大膽地在虛擬環境中嘗試各種演練方案，即使闖下大禍，也不會造成惡果，而是將這一切放入演練評定中，作為最后演練考核的參考［9-10］。

2.2 設計方案的內容和重點

當前基于基地化的實戰訓練存在多種局限，如：對于實際燃燒物質的多樣性和事故現場的復雜性，基地化訓練難以模擬實現，虛擬現實技術為這些問題的解決提供了強有力的支持。國際設計研究院師生團隊的消防演練軟件探索了VR場景中深度壓縮問題優化、多模態混合的VR交互技術研究、可控溫度反饋模塊的設計開發、動態場景仿真與建模等問題，開展了大量研究，取得一定的成效［11］。

（1）結合多個前沿的研究成果改善了用戶在虛擬環境中廣泛存在的深度壓縮問題，讓用戶能夠更準確地感知、理解虛擬場景的布局。

（2）融合了視覺、聽覺、觸覺、溫度的多模態交互方法，讓用戶可以更深入地參與教學中，充分挖掘了虛擬現實技術在教育領域的潛力。

（3）針對消防教育的特點創造性地設計了可控溫度反饋模塊，為用戶營造了更加出色的沉浸感。

（4）動態場景的仿真與建模即提高了場景的渲染效率，也為用戶提供了更多交互的可能性，顯著提高了教學質量。

2.3 項目研究成果及形式

（1）通過對虛擬現實場景中的溫度壓縮優化。①保證虛擬場景的真實感。在不顯著降低渲染效率的前提下盡可能提高場景模型和渲染效果的真實感。②預先讓用戶完成一些行走任務，以此增強用戶的存在感，從而提高其對虛擬場景的感知準確性。③引入多模態、多通道的交互方法。提供視覺、聽覺、觸覺、溫度信息可以顯著改善深度壓縮問題。

（2）使用多模態融合的虛擬現實交互技術。多模態融合的虛擬現實交互技術圖解見圖1。

圖1 多模態融合的虛擬現實交互技術圖解

視覺、聽覺、觸覺信息的獲取是用戶對虛擬場景進行感知、交互的基礎。為了營造更好的沉浸感，增強用戶的學習效果，為用戶提供了視覺、聽覺、觸覺、溫度多模態混合的交互方法。利用HTC Vive提供的Lighting House定位技術，實時檢測用戶頭部和手部的運動，根據用戶當前行為實時地提供多模態的信息反饋。HTC Vive提供的控制器符合人體工程學原理，可以模擬用戶在現實生活中的觸摸、抓取、指點等行為，讓用戶以最自然的方式與虛擬物體進行交互［12-13］。用戶可以用抓取動作拾取虛擬桌面上的水杯，可以按下扳機鍵來啟動虛擬的滅火器（見圖2）。

圖2 抓取水杯和按下扳機啟動滅火器

2.4 在消防安全教育教學中的實踐效果

該系統已在國內應用于大中小學的安全常識和技能教育；消防部隊以及其他應急救援力量的日常訓練；安全生產重點行業和企業的安全技能培訓等。國際設計研究院師生團隊已與消防、安監等部門合作，開展安全推廣，也在商場、學校、工廠搭建了體驗環境，實現了低成本、高效率、深沉浸的VR安全消防逃生演習。并在全國建立了5個典型應用示范基地。授權國家發明專利1項。授權軟件著作權2件。培養碩士研究生4名。

國際設計研究院師生團隊研發的校園火災逃生虛擬教學系統軟件已安裝在學校安全保衛處的“安全培訓教室”，免費對全校師生開放。2020年8月，研發團隊與浙大安保處、浙大紅會急救培訓與推廣中心三方聯辦的“VR+消防”公益消防安全培訓教育活動在學校紫金港校區安保處文化長廊舉行?；顒悠陂g，全校師生使用該團隊的校園火災逃生虛擬教學系統軟件，收獲了獨特的沉浸式消防教育體驗。該系統通過語音和視覺的沖擊，打造出一個逼真的VR世界，讓參與的師生們雀躍不已，通過短短5 min身臨其境的體驗，不僅知道了火場的恐怖，更是收獲了逃生常識與技巧。圖3為軟件使用過程中效果圖，圖4所示為產品展示圖。［14-15］

圖3 效果圖

圖4 產品展示圖

3 結 語

虛擬現實作為當下新興的技術手段，給安全教育培訓提供了新的方式，對未發生未接觸過的事情的理解很有啟發意義。虛擬演練環境操作方便，體驗者始終處于安全教育的主導地位，掌握安全教育的主動權。校園火災逃生虛擬教學系統發軟件及硬件設備適用于消防安全教育的普及課堂，整個配可套裝置能模擬真實的操作，在仿真消防事故中進行學習。安全事故演練是仿真模擬中的重要模塊，針對安全事故的演練，可以有效提高消防安全意識與臨危不亂的心理素質和應急處理能力。

今后，關于消防安全的虛擬現實創新實踐應用，國際設計研究院實驗室將進行二次適應性開發，繼續秉承教育創新實踐的宗旨，可應用在應急救援、突發環境事件應急處置、疫情疫病檢疫處理、反恐防爆處置等領域，為高校創新實踐的探索提供借鑒。