基于VR技术的紧急救援系统的应用-郑玉洁博士

2022-04-28

1. VR技术应用于救援的意义

VR应急救援系统将安全事故以及自然灾害类应急救援还原到虚拟世界中,搭配多人联机系统实现多人实时交互训练,提升应急救援能力。而现实生活中应急救援极具专业性,步骤繁多,从而使得学习应急救援变的困难,错误的应急救援操作更会加重伤员的病情,起不到救治的作用,严重情况下更会使人致死。VR技术根据现实进行虚拟可以很好的解决该问题。

而通过VR技术,我们可以高沉浸且无安全风险:通过VR虚拟现实技术3:3还原真实场景再现事故培训现场,身临其境,印象深刻,安全无风险;可以以低投入成本获得更大的扩展:3D建模,无损耗搭建材料,可重复利用,较小空间即可模拟复杂场景,占地面积小,培训容纳量大;并能培训高效率且进行量化:无需搭建场地,通过VR技术快速模拟培训流程,高效训练,实现培训效果可追踪,可量化。

2  基于VR技术的矿山救援虚拟现实培训系统

2.1 矿山救援虚拟现实培训系统概述

矿山常见灾害包括火灾、水灾、瓦斯泄漏和冒顶等,造成重大人员伤亡和经济损失。矿山救援虚拟现实培训系统主要模拟各类矿山灾害,按照救护队应急预案的流程,设置相应的三维场景、事件,并仿真救援的动态过程,模拟救援过程中的事故出处理与反馈结果。

当前矿山救援虚拟现实培训系统的学习视角,主要包括第一人称视角学习和第三人称视角学习两大类:在第一人称视角类矿山救援虚拟现实培训系统中,被培训者通常通过佩戴虚拟现实眼镜和手柄交互的方式来实现对场景的观看和控制,而第三人称视角类型的虚拟现实培训系统则可以通过多种方式呈现,包括桌面屏幕、CAVE系统、虚拟现实眼镜等,被培训者通过第三人称视角可以更加灵活地观察环境,因此这类培训系统更加广泛地用于多角色矿山救援虚拟现实培训系统中。基于不同的培训视角,矿山救援虚拟现实培训系统所采用的交互方法也有所不同,需要设计开发人员依据不同视角的特点设计适合的交互和培训方式。

2.2 基于认知理论的矿山救援虚拟现实培训系统

认知理论是针对结构不良的知识的学习和迁移开展有效教学所提出的一种教育学理论,其期望学习者在认知学习的过程中能够以多种方式同时对知识进行自动重构,从而获取对变化的情境做出适宜反应的灵活变通的能力。

现有矿山救援虚拟现实培训系统的设计方法由于缺少相关的设计方法研究,多是利用计算机图形学或产品设计方法等来开展系统架构设计,需求分析与设计转化不明确。因此基于认知弹性理论探讨矿山应急救援虚拟现实培训系统的设计可以拓展认知弹性理论在包含矿山虚拟现实培训在内的安全培训领域的应用,有效提高虚拟安全培训课堂的培训效果。同时,由于在矿山救援虚拟现实培训系统方面开展的设计与研究尚不充足,将认知弹性理论与矿山虚拟现实培训系统设计相结合,讨论矿山虚拟现实培训系统的设计方法,可以为矿山救援虚拟现实培训系统设计的实践提供新的设计思路。

在应用方面,矿山救援虚拟现实培训系统作为一种现代化虚拟课堂,其教学手段与培训方式与课堂教育、MOOC学习等传统课堂有所不同,其更加具有场景学习的真实感和主动学习的沉浸感。使用认知弹性理论对当前矿山救援虚拟现实培训系统进行设计指导,改善传统矿山救援虚拟现实培训系统的固化教学方法,能够提高矿山应急救援培训的效果。同时,基于认知弹性理论进行应急救援虚拟现实培训系统的新设计,能够为矿山应急救援培训提供新的、有效的培训工具,提高矿山救护队员开展矿山安全救援培训的学习效率及在复杂救援环境下的随机应变的能力,进而提高矿山救护队员开展应急救援时的生存率和成功率。

3 基于VR技术的机场应急救援虚拟训练平台

3.1 平台建设意义

民航事故因其较大的社会和政治影响而受到各界广泛关注。鉴于此,不断提高安全风险防控水平,提升应急综合保障能力成为民航工作的重点。

机场应急演练是为检验机场应急技术有效性和救援人员协同性而进行的模拟应急响应实践行为。机场事故虽为小概率事件,但若救援人员缺乏应急演练,在应急处置中很容易出现纰漏。机场应急救援虚拟演练是依托虚拟现实平台,仿真模拟各类机场事故现场,通过人机交互的操作,使相关人员得到全面培训和指导,可减少实际应急救援演练的资源消耗,提升整个机场应急救援水平和能力。

3.2 平台模块构成

机场应急救援虚拟演练平台基于Unity3D游戏引擎,面向多用户同场景协同救援培训而研发。根据虚拟应急演练的功能需求,分成服务器、管理端、组员端3个模块。

其中服务器用于实现对虚拟演练进程的管控、基础数据的维护管理、以及管理员端和组员端的数据交互,在运行过程中必须处于启动状态。管理端是管理员控制终端,包括计划设置,预案推演,演练学习3个模块。计划设置是指设置演练场景、演练计划和计划配置,用以实现平台使用人员的信息管理。预案推演是管理员对系统推演模式进行设置,推演模式分为正常推演和倍速推演,还可选择不同视角观摩演练人员的操作过程。在演练学习界面可对系统演练学习进行设置。组员端由模式选择、等待角色分配及演练学习3个环节构成。组员通过账号登录后,进入模式选择界面,选定模式后进入等待角色分配界面,管理员确定后开始演练学习。

3.3 平台操作过程及效果

首先,消防组员通过账号登录后,进入模式选择界面,可开展“预案推演模式”“学习模式”“正式演练”3种模式的选择。选择学习模式并点击确定,进入下一步等待界面,等待管理员分配角色,管理端为组员设置好角色与级别,点击开始演习。“消防员”进入虚拟场景后,跟随“消防车”到达指定事故现场附近,按照系统给出的指示完成消防准备工作,并在指定灭火点使用消防设备扑灭事故现场火灾。

借助虚拟演练平台,可将演练人员置身于各类机场应急事件复杂多变的环境中进行专项演练,并由管理员根据不同人员的不同情况进行合理角色分配与级别设置,提高其自身专业技能及应变能力。管理人员可通过平台观摩窗口实时发现并纠正演练过程中出现的小组协调问题或演练人员的专业操作问题。

通过设置虚拟演练场景、存储典型预案信息,演练人员可通过虚拟场景完成人机交互,实现机场消防灭火过程的应急虚拟处置。通过此技术平台,可使应急人员及时发现问题,快速提升应急处置能力,使机场应急演练效果得到显著提升。基于平台存储的应急演练数据,开展虚拟应急演练效果评价方法及应急预案的数字化方法等技术的挖掘将是下一步的研究重点。