班组协同的化学事故处置实训平台建设及应用

时间：2024-05-19

钟文程向东何立

（1.消防救援局南京训练总队，江苏南京 210000；2.内蒙古消防救援总队，内蒙古呼和浩特 010010；3.福建消防救援总队，福建漳州 363000）

为适应新时期消防队伍实战化训练的要求，“紧盯一线”“对标实战”，创新训练体系，实现原理“动漫化”、装备“模拟化”、操作“实战化”，解决化学事故处置训练手段单一、效果不明显等情况。拟利用计算机虚拟现实技术重现各类化学事故发生、发展等一系列变化过程，有效提高模拟训练场景的真实性，利用人机交互手段实现在虚拟现实中的技战术应用和装备选择，通过系统的使用，既可以有效降低训练成本，又能够对训练效果进行科学考核和评判。

1.化学事故处置虚拟实训优势

虚拟仿真技术改变了传统的教学模式，早已被国外各大高校所应用[1-3]。虚拟仿真技术是近几年我国教育改革的热点，虚拟仿真实验教学资源作为信息化技术发展的产物和传统实验实训模式的必要补充，对实践教学起着重要的辅助作用，在实训课程教学中发挥着极大的优势。系统分为教学、训练、考核3个模块，在教学模块中，能够快速学习基础知识，目前消防队伍的装备库、涉及的常见的危化品典型物质及理化性质；在训练模块中，可以在虚拟的灾情现场进行组织指挥和处置训练；考核模块，分为日常考核和职业技能鉴定。

1.1 拓展实训内容的广度和深度

虚拟仿真通过创建与人类感官系统交互的虚拟空间，克服现实世界的空间和物理约束，为人们提供一种间接的，如同真实世界的真切、直观的体验。虚拟仿真系统地解决了部分传统技能操作在课堂中难以示教、难以重复等问题，扩展了教学内容的广度和深度。通过这种虚拟环境模拟训练的方式有效解决了消防救援队伍的几大难题：（1）没有毒害环境。（2）无法复制各类灾情。（3）侦检器材需要标定，器材损耗大训练成本高。（4）通过这种协同作战、班组操作，让我们的消防员懂“战术”，指挥员懂“技术”，解决在实战中“指战一体化”的难题。

1.2 拓展实训的时间和空间

当受训人员通过虚拟模拟器进行技能训练时，他们学得更快，每小时练习的程序更多，达到传统教学的技能训练水平，并且可从系统里获得更多的评价，因为虚拟模拟器的使用可以缩短教学评价的时间。化学事故处置虚拟仿真系统模拟毒害环境，能快速流程化、可视化学习，里面含教学、训练、考核模式，能够实现“自学自训”，为“网考网训”提供平台。

1.3 提高兴趣，强化班组协同能力

虚拟仿真实验教学通过动画、图片、视频、音频等方式呈现给受训者，让抽象的理论更容易被理解[4]；虚拟化情境的创设让通过人机交互，犹如“玩游戏”一般，可以极大地激发学习兴趣和求知欲[5-7]；利用力学反馈虚拟仿真设备开展虚拟仿真实验教学，受训者在手持手柄操作时，可以获得和现实中手持工具操作时相同的力学感受，达到模拟现场实战效果。通过这种协同作战、班组操作，让我们的消防员懂“战术”，指挥员懂“技术”，解决在实战中“指战一体化”的难题。

1.4 创新虚拟实训评价体系

虚拟仿真技术与实验教学的整合，可以让受训者通过交互学习模式与测试体系及时检查自己的学习效果，同时将自己的学习情况及时反馈给教员；教员可以对学生做实验的过程进行全程监控、记录、分析，并给出结论和合理化的建议；此外，虚拟化考试系统可以使考核过程更全面、客观、科学和标准，极大地减少传统实物考试模式中繁琐的材料准备、人员组织、考核结果统计等问题。

2.化学事故处置实训平台建设思路

按照标准化、模块化、分步滚动发展的建设思路，充分利用成熟软件架构技术，采用先进的MDA模型驱动的体系结构方法和SOA面向服务架方法构建系统。通过3D建模，以实时显示灾害事故现场发展动态，高低精度模型切换流转顺畅，最大程度使虚拟操纵接近真实情况。以典型化学灾害事故处置基本程序和要求为依据，就不同情形下装备选用、技术要求等方面建立正确地逻辑关系。在系统中对人员、装备和事故发展变化等对象赋予模拟动画，操作人员在触发系统设置事件时，能够及时正确地产生响应。

建立灾害事态发展变化的数学模型，模拟实现泄漏物质随地形、气象条件、时间等发生内在变化，并能根据系统的操作对灾情变化（泄漏扩大或减小）做出相应反应。能方便快捷地设置危险化学品种类、现场情况以及考核评判关键点，所有相关数据同步传输到前台。系统设置中可供选择的危险化学品可能为气态、液态、固态，具有毒害、易燃易爆、腐蚀等危险性。

3.化学事故处置虚拟实训平台架构

化学事故处置实训平台最大的特点是能够模拟毒害环境、重现灾情现场、规范处置流程、弥补传统训练的短板。借助虚拟现实技术、仿真建模技术和数据分析评估技术，实现对化学事故处置多角度、全方位的演练和评估。为应急演练提供了通用可扩展的平台架构，通过配置仿真模型、用户操作界面和部署仿真场景，可快速构建多人协同模拟演练。

3.1 化学事故处置实训平台实体结构

化学事故救援虚拟仿真训练系统分为管理端和训练端两部分。系统采用多层架构，实现数据与程序完全分离，管理端和训练端的分离，界面与程序分离，以保证数据的安全性。能保证数据的完整性、一致性和有效性，采用操作员身份认证机制，防止伪造身份数据，防止不合法的操作。

管理端主要包含装备数据编辑、想定编辑、考核管理、数据回放、实时监控、预案规划和智能评判等功能，装备数据编辑实现对装备信息的编辑；想定编辑功能实现事故地点、气象条件以及泄漏介质种类设置；考核管理功能实现多人同时考核；数据回放功能实现考核过程数据记录以及操作过程的回放展现；实时监控功能实现对考核终端的实时监控；预案规划功能实现对危险化学品及化工装置灾害事故训练前期预案的设计与规划，利用模板与数据结合的方式进行设置；智能评判功能根据考核人员操作情况，进行科学评判，并生成考核分析报告（包含扣分点、扣分原因和分值等）。

训练端包括教学、训练和考核3个模式，采用AR、VR、MR等设备模拟实现各种化学事故实践操作，以分组模式进行协同模拟训练。教学模式下，可对理化性质、结构认知、防控理念、注意事项等基础知识进行学习；训练模式下，可根据不同类型的槽车事故进行技战术和具体的处置操作训练；考核模式，参考人员需要在指定时间内，按照要求依次完成处置任务，操作结束后系统自动记录操作过程并给出分析评判结果。

3.2 化学事故处置实训平台虚拟模块

系统主要分为教学训练模式和考核模式，其中在教学训练模式中，操作者可以任意选择化学事故处置节点，利于有针对性地练习，点击触发相应的事件或装备时，屏幕有相应知识点的出现；在考核模式中，考核人员需要在指定时间内，按照化学事故处置基本程序和系统依次完成化学事故处置任务，操作结束，系统自动对考核人员操作进行评分，并指出错误操作。

（1）场景中设置相应的教学任务点，界面设有消防装备库，设置虚拟消防员，根据系统提示逐步操作完成化学事故应急救援工作。

（2）系统中的事故模拟场景包括地形、道路、车辆、设备、人员、建筑物等，运用虚拟仿真视觉技术使整体效果能够充分展现。模型制作范围为每个模块所需表现场景范围，根据实际需求和系统开发时间的实际情况来确定。

（3）化学事故应急救援三维虚拟仿真实训系统包含可交互操作的模拟化学事故现场环境，结合相关硬件设备进行模拟操作，实现操作者具有身临其境的临场感，从而科学直观地展示安全事故对整个环境及人员的影响。此套系统当中，虚拟仿真技术的应用可将真实环境中无法很好展示的要素如人员位置、车辆位置、风向、风速、危险化学品扩散蔓延方向速度等以直观可视化、可操控的方式实现交互功能，提供最直观的表现方式以帮助操作者观察及操作，从而达到系统模拟训练的实际目标。

（4）系统分为多个功能模块，每个模块都可进行相应功能的设置,当用户点击相关模块时，就进入可操控的内容。通过电脑操作及投影大屏幕的显示，操作者可以在模拟的虚拟场景内进行自由步行、鸟瞰，也可以点选重点位置查看，可以多视角、全方位地了解虚拟现实的三维事故现场的各区域情况。在有毒有害物质侦检环节，系统设置模拟器操作进行侦检仪器模拟器（与真实侦检仪器1：1仿真模拟）操作，让操作者身临其境的使用。逼真的三维图像，完善的人机交互特性，使该系统成为对消防人员处置化学事故应急救援训练、考核的实用工具。系统开发完成后，可根据实际需求，逐步升级进行完善，如增设不同的灾害事故场景、训练科目等，开发多人多角色在不同的电脑上、共同的虚拟灾害场景内完成协同消防任务，实现更完善的虚拟仿真实训。

（5）为达到接近实际情况的三维可视化模拟效果，主要场景纹理保持和模拟现场情况基本一致。对需要传达的信息及发生动作的重要环节进行可视化虚拟仿真，并结合文字、图片、音效等多媒体信息进行综合有效的传达，表现出化学事故应急救援的主要状态。运行的系统拥有完整的二维图形用户界面，同时显示三维场景，以完成所有的交互操作功能。