基于虚拟现实的机场消防救援虚拟演练平台

一种基于虚拟现实技术的机场消防应急救援虚拟演练平台。基于虚拟现实技术的特点,采用三维建模技术构建机场消防救 援场景中典型三维实体模型。利用粒子系统实现火灾虚拟场景及应急处置特效，并基于Unity3D引擎实现教员和学员人机 交互界面。借助于虚拟现实头盔和手柄支持学员进入虚拟演练场景展开交互。平台测试表明：平台具有良好的易用性、稳

定性和实时性，可以支持实现低成本、高沉浸感的机场消防救援虚拟演练。关键词：机场;消防救援;应急演练;虚拟现实中图分类号:TP391.9 文献标识码：BAirport Fire Emergency Rescue Virtual Drill PlatformBased on Virtual Reality techniqueZHU Xin - ping1 ,XU Hai - yao1 ,WAN Jian2(1. College of Air Traffic Management, Civil Aviation Flight University of China,

Guanghan Sichuan 618307, China；2. 2. China Academy of Civil Aviation Science and Technology, Beijing 100028 , China)ABSTRACT: A virtual reality technique 一 based airport fire emergency rescue virtual drill platform is proposed, ai­ming at resolving the defects of large manpower and material consumption, difficulty in rehearsing organization in the

field emergency rescue drill, and the insufficient situation awareness support in desk exercise for emergency rescue plan. Typical 3D object models in the airport fire emergency rescue scene are constructed using three — dimension modeling technologies based on virtual reality. The virtual scenes of fire and firefight special effects are realized by the particle system, and also the human — machine interaction interfaces for both teacher and student positions are de­veloped by Unity3D engine. The students are supported to enter the emergency virtual drill scene and interact with it by using virtual reality helmet and the handle. The evaluation results demonstrate that the platform meet the require­

ment of easy - using, stability and real 一 time, and it could support low - cost, high immersive airport fire emergency virtual drill.KEYWORDS:Airport； Fire rescue； Emergency drill； Virtual reality往机场应急事件处置过程揭示，如果处置得当，施救及时，可

1引言极大减少人员伤亡和财产损失。然而，这依赖于先进的应急 民航安全是全社会重点关注的领域。当前，我国民航应

技术和训练有素的救援人员。近年来，我国先后颁布了一系

急救援能力与发达国家相比仍有较大差距。机场作为航空 列法规标准以提升机场应急处置能力⑴。运输的起点和终点，其应急救援能力理应受到更多关注。以机场应急演练是为检验应急技术有效性和救援人员协 同性而进行的一种模拟应急响应，通常可分为桌面演练和实 地演练。调查发现，目前机场实地演练仍存在人力物资消耗

基金项目:国家重点研发计划(2018YFC0809500)，国家自然科学基金 委员会与中国民用航空局联合资助项目(U1733105)高、问题发现滞后、演练组织协调难等不足；桌面演练无法提 收稿日期:2019 -04-10 修回日期：2019 -04-11

供相对真实的灾害现场，难以提供直观的情景感知。为此,—102 —机场应急演练需要借助于更为高效和低成本技术的支持。 演练预案推演可实现应急救援过程快速模拟，可为参演人员 提供个性化的演练参考，支持人员快速熟悉预案。同时，通

本文将虚拟现实（Virtual Reality）技术应用于机场消防应急

救援演练平台构建。过虚拟场景中的提示信息，可引导受训人员正确施救，快速

在民航领域应急救援方面，国内学者多侧重于构建相应 的辅助决策支持系统，并主要采取两种思路:一种是完全从

建立第一认知，明确自身在不同事件中的应急处置工作流 程,锻炼其在复杂环境下的应变能力。底层开发民航应急救援信息化系统;另一种是基于GIS平台 4）虚拟演练效果评价。对比受训人员表现和演练目标 要求，针对演练过程和结果开展全方位评价。演练效果综合

来研发应急演练系统。比如，徐忠明⑴将机场应急联动系统 分成业务单元和设备单元，并详细论证了系统实现方案。罗 帆等人对以机场为主体的应急救援程序和机场应急救援演

评价可以改进不同参演人员（管理人员、督导人员以及应急 施救人员）在应急状态下的战术反应，提高协同应急能力。

练计划的制定进行研究［3'4Jo朱新平⑴等人提出了机场应 同时，机场消防应急救援虚拟演练平台能够实时收集多样化 的用户响应数据（人机交互数据、用户协同数据以及外界实

急救援软件系统架构模型。邵荃等人建立了民航应急物资 优化调度模型，并展开了仿真分析⑹。迟文学⑺、张青松⑻

时督导注入信息），这为客观、动态和精确地实施虚拟演练效 果评价提供了可能。等分别研究了基于GIS（地理信息系统）的民航突发事件应

急演练辅助决策支持系统构建方法。欧美在民航应急救援 方面，英国杜伦大学率先提出使用计算机游戏引擎来建立虚

3实施流程及平台架构机场消防应急救援虚拟演练平台采取以下实施流程：拟环境原型的思想，并建立了火灾撤离虚拟演练系统［，-'°］ O 美国达特茅斯大学的学者采用游戏引擎来实现飞机坠毁造

首先，提炼机场消防救援场景的主要环境特征信息，利 用3DMax创建应急救援虚拟演练所需的三维实体模型，包

成多人员伤亡的虚拟演练场景,并构建了基于web网的演练 系统,以及开展了地物模型、人物模型构建及行为仿真研

括飞行区场景、消防车、航空器等三维模型，并将其导入Uni-

究⑴〕。总体来看，将计算机技术与民航应急救援演练结合

ty3D引擎进行模型绑定；同时，对于消防车的行驶集结过程 进行动画制作；然后，利用Unity3D软件开发虚拟演练任务想定模块，并

有很好的前景。本文基于虚拟现实技术的特点，采用具有跨平台特性的 Unity3D引擎来实现机场消防应急救援虚拟演练平台。平台 内集成消防应急救援场景三维模型，为学员提供接近于真实

实现与典型消防救援场景关联、逻辑整合和系统优化；利用 Unity3D引擎为虚拟演练场景模型添加特效（如，航空器典型

应急事件现场的虚拟场景、最大限度地接近实战且节约人力 物力成本。部位着火特效、灭火泡沫喷溅特效等）；开发预案推演及虚拟 演练进程控制处置；最后，采用协同程序处理方式和多线程技术，实现虚拟

2虚拟演练平台功能设计机场突发事件具有较强社会和政治影响，这对实施机场 应急救援虚拟演练提出了更高要求。机场消防应急救援虚

演练系统人机交互界面，包括虚拟演练想定设置界面、演练

效果评价界面。机场消防应急救援虚拟演练平台架构如图1所示。拟演练平台功能如下：1） 虚拟演练想定设置。虚拟演练想定设置功能提供可

视化的方式,支持用户定制虚拟演练内容，包括虚拟演练场

景、航空器种类、火势大小、受难者数量、训练任务与目标等。 当需要根据新的形势，调整训练任务时，支持用户通过可视 化的方式修改演练想定。在虚拟场景方面，消防应急救援场

景含有地景、运动目标及多种特效；面向不同救援人员角色，

消防救援虚拟场景分为宏观灾害场景（面向救援管理人员或 教员）、督导场景（面向督导教员）和施救场景（面向应急施 救受训学员）。图1机场消防应急救援虚拟演练平台架构2） 虚拟演练进程控制。消防应急救援虚拟演练过程会

产生大量的人机交互数据、用户协同数据以及外界督导干预 数据,这都需要实施统一的虚拟演练进程控制。因此，虚拟

机场消防虚拟演练平台由VR仿真运行环境提供支持。 在每一次演练中，首先由演练督导教员设定虚拟演练督导目

演练进程控制功能依据演练实时数据,分析生成相关控制策 略.及时响应参演人员在场景中的交互.保证平台运行可控。标，该目标的确定一方面是指导训练过程的需要，同时也是 评定每个受训学员训练质量的基础。督导演练目标一方面用于指导教员开展虚拟演练想定

3） 虚拟演练预案推演。传统应急演练预案推演主要以 桌面推演形式展开，单调枯燥，参与人员印象不深刻。虚拟

设置,另一方面用于虚拟演练评估模块的输入；教员借助虚—103 — —

拟演练想定模块开展演练设置,相关参数支撑开展虚拟演练 场景生成;同时演练想定的相关变量（比如救援力量集结地

点、出动力量等）也用于对机场消防VR仿真运行环境进行 设置，从而控制仿真运行与虚拟演练环境的表现。受训学员接受来自虚拟演练场景的反馈（包括视觉、听 觉等），并与虚拟环境进行实时交互，完成相应场景对应救援 预案的学习或训练。同时，演练过程中会将相关训练数据及

时保存，以备督导讲评;另一方面，相关数据也会传送至虚拟

演练评估模块对受训学员的演练效果展开量化评价。图3现场消防灭火虚拟演练场景4机场消防虚拟演练仿真平台实现4.1基本地物三维模型机场消防虚拟演练平台主要针对飞行区范围内的火灾

户登录、领受演练任务。采用分席位和层次化UI的界面设

计,保证整个平台软件有较好的交互性，同时考虑平台功能 性需求，采用多线程技术以优化整体性能。虚拟演练场景设

特情展开，故基本地物三维模型建模也仅针对该范围。主要

包括,静态环境模型（如飞行区场道环境、航站楼、塔台等）， 活动目标模型（如车辆、航空器、人员、气象环境（云量、光线

置界面如图4所示。等））。釆用3DMax制作三维模型，并以.fbx格式导入至U- nity3D软件引擎中。Unity3D引擎可完成三维场景的渲染、

静态模型和活动目标模型的加载，虚拟演练场景的呈现，并

支持受训学员在场景中完成救援动作。虚拟场景中典型的

三维模型如图2所示。 薩込07O燕

5ooWITTMKM»*• an*• **>° MM•• am® ■>*vmaji

• «M*A・图4虚拟演练场景设置界面4.4虚拟演练场景特效设计利用Unity3D粒子系统（Particle System）实现消防灭火 中的航空器火灾及泡沫特效。设置火焰粒子源来模拟飞机

火灾场景。视景中灭火泡沫的喷射方向、扬程可通过平台实

图2虚拟场景中三维模型时感知虚拟现实操纵手柄的姿态来实时解算。设置粒子的 大小、发射速度矢量以及喷射时间可确定灭火泡沫的喷射 量。同时，通过碰撞检测技术来检测泡沫是否喷射到着火

4.2演练场景的创建机场消防虚拟演练场景包括原地待命、出动集结、紧急 岀动、现场灭火、撤离现场等多个分场景。消防灭火虚拟演

点，并采用粒子来实现泡沫与飞机机体撞击溅射特效。此 外，依据泡沫喷射的时间长短估算喷射量，可进一步确定是 否熄灭火情W视景中，可在机身前部段、机翼、发动机等

练由多个场景组合构成，每个场景中涉及多个三维模型，并 通过Unity3D脚本来实现控制融合。每个分场景釆取分细节 度场景构建方法，包括宏观灾害场景、督导场景和施救场景, 各分场景调度融合采用Unity3D自带的物理引擎来实现，能

典型部位放置火灾特效发射源,根据演练需要支持不同部位 灭火虚拟演练。灭火场景特效如图5所示。4.5虚拟演练平台硬件实现演练平台运行于具备高性能图像处理能力的计算机，并

够更好地呈现碰撞、运动等物理特征。同时,考虑多学员同 场景协同演练需要，将场景声效、人机交互数据融合进场景

借助于虚拟现实头盔及手柄支持人机交互功能。受训学员 在场景中的人机交互主要体现在:一方面，受训学员可在场

中，驱动虚拟演练场景动态呈现。4.3基本界面设计基于系统功能需求，采用Unity3D自带的GUI模块设计

景中完成随车辆行驶移动或基于手柄动作设置来完成场景

内的漫游;另一方面，受训人员可在场景中完成对物品选择 与操作，如打开消防舱门、放置消防水带、对准灭火,等等。 机场消防虚拟演练平台的硬件操作场景如图6所示。基本界面，主要包括教员席、学员席。教员席主要涉及个人 账户登录、演练想定设置、学员演练角色设定、演练计划导

入、演练进度控制等;学员席界面相对简单，主要涉及个人账 —104 ——图5虚拟演练中灭火场景特效图6机场消防虚拟演练硬件操作场景5平台测试情况为了验证机场消防虚拟演练平台的实用性，邀请了机场 应急管理部门人员对平台各功能模块开展测试，主要测试指 标涵盖：1)易用性:受训学员不是计算机专家,平台应能支持

普通学员能够很快上手使用，不需要记住任何指令，直接使

用自然的专业救援知识就能操作系统，完成训练;2)稳定性： 平台稳定可靠才能保证应急演练按照事先制定的计划顺利 展开,不至于打乱训练计划;3)实时性:平台应能保证虚拟训

练中产生的各种行为能够得到实时响应,包括视觉响应、听 觉响应等。经过近3个月的测试，结果表明，系统功能设计 科学合理，简单易用，各功能模块稳定，消防灭火过程中现场 音效和灭火特效逼真，可提供较好的临场感;同时，在虚拟演

练场景的灭火操作中，手柄操纵灵活，画面流畅，具有较强的 实时性，可用于机场消防救援培训。6结论基于虚拟现实技术的特点，采用具有跨平台特性的Uni-

ty3D引擎来实现机场消防应急救援虚拟演练平台，具有以下

特点：1)集成了机场消防应急救援过程中的典型三维模型，

可为学员提供接近于真实应急事件现场的虚拟演练场景;2)

平台软件功能齐全，支持灵活开展虚拟演练想定设置和演练 效果评价展示;3)平台基于虚拟现实头盔和手柄展开人机交

互，灵活机动，同时又可以进行扩展，可支持在局域网内开展 组网式协同虚拟演练。接下来将开展该平台中应急救援虚

拟演练效果评价算法设计与实现。参考文献：[1]

孙佳，等.民航安全管理与应急处置[M].北京中国民航出版

社，2012：21 - 31.[2] 徐忠明.民航机场应急联动系统技术实现方案[J].计算机工 程,2005,31(5) ：70 -73.[3] 罗帆，余廉.平芸.民航机场灾害预警管理系统探讨[J].武汉 理工大学学报，2002,24(6)=41 -44[4]

罗帆，平芸，甘相田.民航灾害应急救援组织体系与联动程序 探讨[J].中国管理科学，2006-10.[5] 朱新平，韩松臣，汪东生.机场应急救援系统软件架构的设计[J].武汉理工大学学报,2007,29(12):85 -91.[6] 邵荃,梁斌斌.朱燕，等.民航应急救灾物资调度优化仿真研究 [J].武汉理工大学学报,2015,37(4):503 - 508.[7] 迟文学，孙刚，武峥.基于GIS民航应急救援与辅助决策支持 系统研究[J].交通与计算机工程，2005,23(6)=46-48.[8]

张青松，董艺云.基于GIS的民航突发事件应急演练方法[J].

武汉理工大学学报(信息与管理工程版)，2015,37(4)：499

-502.[9]

Trenholme D, Smith SP. Computer game engines for developing

first - person virtual environments [ J ]. Virtual Reality, 2008,12:

181 -187.[10] Trenholme D, Smith S P. Rapid prototyping a virtual fire drill en­

vironment using computer game technology [ J ]. Safety Journal,

2009,5： 559 -569.[11 ] Dennis M , Doug H. UnrealTriage： A Game 一 Based Simulation

for Emergency Response[ R J. 2012.[12 ] Dennis M, Amy H, Marioin B. A Simple Distributed Simulation

Architecture for Emergency Response Exercise [ R ]. 2013.[13]贾立山，王立文.机场消防车消防泵系统实时仿真模型的构

建[J]•系统仿真学报,2015,27(6):1209 -1213.£[作者简介]朱新平(1983-)，男(汉族)，湖南常德人，博士，

副教授，主要研究领域为民航应急管理、新一代空

中交通管理系统。徐海瑶(1993 -),女(汉族)，山东省淄博市人，硕

士研究生，主要研究领域为民航应急管理。万 健(1982 -)，男(汉族)，江苏扬州人，副研究员，主要研究领域

为民航安全管理。105 —