CN111986533A - 一种虚拟消防演练系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种虚拟消防演练系统。该系统包括：实体灭火器、定位器、光塔、VR头盔和控制器；所述实体灭火器供用户操作控制开关状态和喷射方向，所述定位器被安装在所述实体灭火器上，所述光塔被布置在演练场所并用于发射红外信号；利用光塔、定位器和VR头盔采集实体灭火器的位置和喷射方向以及VR头盔的位置和视角方向，动态生成VR图像在VR头盔上显示。本发明能够给受训人员提供真实的灭火器材使用的训练，并且能够基于受训人员的动作动态生成VR图像，为受训人员提供较为全面和逼真的训练环境和设备。
Description
技术领域
本发明属于消防技术领域，更具体地，涉及一种虚拟消防演练系统。
背景技术
消防技能是专业消防人员所必须掌握的基本技能，而即便对于广大的普通市民，也需要对相关知识有所了解并有一些基本的体验。
为提高学习和训练的效果，逼真的场景营造必不可少。即便对于专业的消防人员，火场的营造也并非一项简单容易的事情。首先，真实的火场带有一定的危险性；其二，真实的火场需要一定的场地；其三，采用真实火场训练的费用比较高。因此，即便是专业人员的消防训练也只是在必要时采用真实的火场进行训练。而对于非专业人员，由于基础知识掌握不一定到位，进行实景演练危险性更大。
因此逼真、安全、场地要求低的消防训练有比较大的需求，而随着虚拟现实技术(VR)的进步，采用计算机虚拟消防训练正成为解决这一问题的重要途径。
现有的消防训练系统大多集中在解决场景构建、火场仿真、火灾逃生等几方面，综合运用场景模拟、仿真计算、消防知识运用，并结合实物半实物组建系统，以达到消防训练的目的。现有的消防训练系统由于各自采取的技术途径、训练情景、训练内容、训练重点等方面各不相同，最后产品呈现出来在技术上、训练重点、适用性等方面也是各有侧重。
专利CN201811491083.3矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练方法及系统，主要是针对矿井对象的特点，采用火灾事故数值模拟方法对火场进行动态模拟，采用虚拟现实构建场景，结合应急逃生的相关知识引导训练，能在较为逼真的场景中体验和训练。
专利CN201810763717.X基于Unity 3D技术的森林火灾消防虚拟仿真系统构建方法，是针对森林火灾的训练，采用森林火灾数值模拟方法对火势烟雾等进行动态模拟，采用虚拟现实构建森林场景，训练人员对于火势的判断和灭火的过程的正确性，能提供逼真的森林火灾的训练场景。
专利CN201710786256.3一种基于虚拟现实的建筑自动消防设施仿真实训系统，针对建筑消防设施的使用要求，通过构建虚拟环境和消防设施，训练人员在消防过程当中的准确判断和正确行动的能力。
专利201810401718.X一种消防仿真虚拟平台，通过模拟IM虚拟环境的场景和火灾现场的情况，运用半实物消防工具实现灭火训练，主要用于灭火救援模拟培训。
专利CN201810307701.8消防情景仿真系统和方法，在模拟火场的同时，重点在于采用加热衣的方法，模拟出火场的温度变化，以增强火场的逼真程度。
专利CN201810404463.2一种具有评价功能的消防教学训练系统，在模拟火灾事故场景的同时，重点放在解决消防多人多角色的协同操作的练习上。
专利CN201310180231.0全景式火灾紧急逃生的虚拟现实系统，在构建预定场所的三维虚拟火灾场景的前提下，重点解决在场景中漫游的设备，包括座椅、信号采集设备等，体验者只是沉浸式学习而无法进行相关操作的练习。
上述几种专利公开的消防训练系统存在以下不足之处：(1)大多是采用VR环境中的虚拟灭火模型进行仿真或者以讲解培训的形式展开，应用这些系统进行演练，受训人员缺乏对于真实的灭火器材使用的训练；(2)对于受训人员操作动作的捕捉和反馈不足，受训人员在场景的活动表现不足。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种虚拟消防演练系统，能够给受训人员提供真实的灭火器材使用的训练，并且能够基于受训人员的动作动态生成VR图像，为受训人员提供较为全面和逼真的训练环境和设备。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种虚拟消防演练系统，包括：实体灭火器、定位器、光塔、VR头盔和控制器；
所述实体灭火器供用户操作控制开关状态和喷射方向，所述定位器被安装在所述实体灭火器上，所述光塔被布置在演练场所并用于发射红外信号；
所述定位器用于接收所述光塔发射的红外信号，根据接收的红外信号确定所述实体灭火器的位置和喷射方向，并将所述实体灭火器的位置、喷射方向信号和开关信号发送给所述控制系统；
所述VR头盔用于接收所述光塔发射的红外信号，根据接收的红外信号确定自身的位置和视角方向，并将自身的位置和视角方向信号发送给所述控制系统；
所述控制系统用于根据所述实体灭火器的位置和喷射方向和所述VR头盔的位置和视角方向动态生成VR图像并发送给所述VR头盔进行显示。
优选地，所述控制系统包括：
VR环境构建模块，用于构建初始状态下的VR环境，VR环境中设置有着火点；
灭火剂计算模块，用于根据所述实体灭火器的位置、喷射方向和喷射时长，计算VR环境中着火点位置上累积灭火剂的厚度；
火焰蔓延速度计算模块，用于根据着火点位置和该着火点位置上灭火剂的累积量计算得到，计算获得火焰蔓延速度；
VR动态生成模块，用于根据火焰蔓延速度以及头盔的位置和视角方向动态生成VR图像。
优选地，所述控制系统还包括评估模块，用于预先定义消防演练效果评估参数的计算方法，生成消防演练效果评估参数发送给所述VR头盔。
优选地，所述定位器具有安装接口，使得所述定位器可以安装在所述实体灭火器上或从所述实体灭火器上拆卸。
优选地，所述光塔与所述实体灭火器间无物体遮挡，使得所述定位器可以接收所述光塔发射的红外信号。
优选地，所述控制系统为背包计算机，所述背包计算机与所述VR头盔有线连接。
优选地，所述控制系统包括管理平台，所述管理平台提供虚拟点火、重制VR场景、去除VR环境的建筑物外壳、视角跟随功能中的一种或多种。
优选地，所述消防演练效果评估参数包括过火范围比例、剩余可燃物比例、灭火剂泡沫覆盖有效率中的一种或多种。
总体而言，本发明与现有技术相比，具有有益效果：
(1)本发明采用可供用户操作控制的实体灭火器，结合空间定位系统，能够给受训人员提供真实的灭火器材使用的训练，可将用户的动作尤其是交互操作实时反馈至虚拟交互系统；支持虚实结合，能够基于受训人员的动作动态生成VR图像反馈给受训人员，可以为受训人员提供较为全面和逼真的训练环境和设备，实现所见即所得，所见即所感的训练体验；可以在提供逼真训练环境的同时，受训人员还可以直观观察灭火效果而决定下一步的灭火动作。实体灭火器与软件系统中虚拟灭火器模型不同，实体灭火器可为与真实灭火器外形相似的仿真灭火器，也可以为实际消防中实际使用的真实灭火器，且受训人员对实体灭火器的操作能在VR系统中反应出来。
(2)本发明考虑多种灭火装备上不同的安装要求，采用了安装接口件的形式，使得系统可以在进行简单的改造工作后即可用于各种类型的灭火装备，保证了具有较好的可移植性。
(3)本发明的空间定位系统采用红外定位方式，将红外定位方式应用在本场景中，具有信号更稳定、定位更准确、环境适应强易于扩展面积的优点。
(4)本发明比较轻便和独立，要求的消防演练条件容易满足，有较好的适用性。
(5)本发明可对训练结果进行定量化的评估，可以反馈给消防指挥者及消防人员以提升训练效果。
附图说明
图1是本发明实施例的一种虚拟消防演练系统的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例的一种虚拟消防演练系统，如图1所示，包括：实体灭火器、定位器、光塔、VR头盔和控制器。实体灭火器供用户操作控制开关状态和喷射方向，定位器被安装在实体灭火器上，光塔被布置在演练场所用于发射红外信号。
实体灭火器与软件系统中虚拟灭火器模型不同，是真实存在的，可供用户操作控制开关和喷射方向，能够给受训人员提供真实的灭火器材使用的训练。实体灭火器可为与真实灭火器形相似的仿真灭火器，也可以为实际消防中实际使用的真实灭火器。
光塔不断发射红外信号。可在活动场地的两边或者对角上安装2个光塔。为了实现信号的精确采集，在布置时让光塔与实体灭火器间无物体遮挡，使得定位器可以稳定接收光塔发射的红外信号，让光塔与VR头盔间无物体遮挡，使得VR头盔可以接收光塔发射的红外信号。将红外定位方式应用在本场景中，具有定位更准确、信号更稳定、环境适应强易于扩展面积的优点。光塔提供横向和纵向的光束来方便进行准确定位，并且光扫频率高，可以保证信号的连续性。同时这种定位方式对环境要求较低，易于扩展，对于大面积的消防演习场所同样适用。
定位器用于接收光塔发射的红外信号，根据接收的红外信号确定实体灭火器的位置和喷射方向，并将实体灭火器的位置、喷射方向信号和开关信号发送给控制系统。通过安装在实体灭火器的定位器，可对受训人员的操作实体灭火器的动作进行采集，使得受训人员对实体灭火器的操作能在VR系统中反应出来。
定位器可以直接将实体灭火器的位置和喷射方向信号发送给控制系统，也可以间接通过VR头盔发送给控制系统，例如将实体灭火器的位置和喷射方向发送到VR头盔上，VR头盔发送给控制系统。
优选地，定位器具有安装接口，使得定位器可以安装在实体灭火器上或从实体灭火器上拆卸。采用安装接口安装到实体灭火器上的方式，有利于系统的移植，当需要进行其它装备的训练时，只需制作一个安装接口即可。
VR头盔采用同样的定位方式，接收光塔发射的红外信号，根据接收的红外信号确定自身的位置和视角方向，并将自身的位置和视角方向信号发送给控制系统。
控制系统用于根据实体灭火器的位置和喷射方向和VR头盔的位置和视角方向动态生成VR图像并发送给VR头盔，在VR头盔的显示界面上进行显示。
优选地，控制系统为背包计算机，背包计算机与VR头盔有线连接。动态生成的VR图像也可以在计算机上显示。
下面具体说明系统的工作原理，包括数据的采集和动态生成VR场景两部分。
数据的采集：光塔持续发送红外定位信号。VR头盔和固定在实体灭火器上的定位器，通过接收定位信号，可实时计算出灭火器和VR头盔的空间位置和方向。定位器的位置和方向信号可以通过无线传送到VR头盔，VR头盔通过数据线传送到控制系统。另外，灭火器道具上的开关阀，打开/关闭时，向外发送相应的信号，信号同样也可以通过无线传送到头盔再通过头盔传到背包电脑。
控制系统实现动态生成VR图像，控制系统中集成了环境模拟、火灾模拟和灭火模拟等软件。控制系统包括：VR环境构建模块，用于构建初始状态下的VR环境，VR环境中设置有着火点；灭火剂计算模块，用于根据实体灭火器的位置、喷射方向和喷射时长，计算VR环境中着火点位置上累积灭火剂的厚度；火焰蔓延速度计算模块，用于根据着火点位置和该着火点位置上灭火剂的累积量计算得到，计算获得火焰蔓延速度；VR动态生成模块，用于根据火焰蔓延速度以及VR头盔的位置和视角方向动态生成VR图像。
动态生成VR图像的过程如下。提供给控制系统的采集信号包括：灭火器开关信号、头盔的位置和视角方向信号、以及定位器的位置和喷射方向信号。当系统运行时，灭火器开关信号处于开的状态，系统即会处于喷射灭火剂状态；同时跟进采集到的定位器的位置和喷射方向信号，计算出灭火剂喷射落下和堆积的位置，再根据累计喷射的时间计算物体表面/地面累积灭火剂的厚度；火势蔓延速度则根据着火的位置和该位置上灭火剂的累积量计算得到，如果火点累积的灭火剂量不足，灭火点的火势将逐渐扩大，反之则逐渐熄灭。控制系统在接收到头盔的位置和方向信号后，系统根据场景的VR模型和当前火情，动态生成视角图像信号并传输到头盔中。
优选地，控制系统还包括评估模块，用于预先定义消防演练效果评估参数的计算方法，生成消防演练效果评估参数发送给VR头盔。演练过程中或演练完成后，系统可以给出整个演练的评估结果，可以包括：过火范围比例、剩余可燃物比例、泡沫覆盖有效率等参数，通过多次演练并对这些参数进行比较，演练人员可以对动作和流程进行调整完善，以达到最优的演练效果。系统也可以实时计算过火范围比例、剩余可燃物比例、泡沫覆盖有效率等参数，在VR头盔界面上更新显示。
优选地，控制系统还包括管理平台，管理平台作为消防演练系统的基础平台，可以提供连接网络、虚拟点火、重制VR场景、去除VR环境的建筑物外壳(隐藏建筑顶棚)、视角跟随(跟随VR用户角色视角)等功能中的一种或多种。
连接网络：建立与Photon服务的连接。
虚拟点火：点击此按钮后，可以在VR场景中的消防演习场地上生成火焰。
重置VR场景：移除场景中的火焰，以便于重新点火。
去除VR环境的建筑物外壳：将建筑模型的外壳去掉，仅显示内部模型，以方便提供俯视视角，从高处俯视整个场景，便于消防演习的指挥者。
视角跟随：根据VR头盔的视角方向，来生成VR图像。
本发明的虚拟消防演练系统的运行不需要外界的建筑物，建筑物/舱室是虚拟的VR模型，系统只需要一片空地供操作人员在其中虚拟操作，操作人员通过头盔看到的场景都是系统根据VR模型虚拟产生的。系统通过布置在场地的光塔，持续发送定位信号，VR头盔和安装在灭火器上的定位器接收定位信号，并计算得到各种当前的位置和方向。这些信号传送到控制系统，控制系统动态生成VR图像传送到VR头盔中展现出来。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种虚拟消防演练系统，其特征在于，包括：实体灭火器、定位器、光塔、VR头盔和控制器；
所述实体灭火器供用户操作控制开关状态和喷射方向，所述定位器被安装在所述实体灭火器上，所述光塔被布置在演练场所并用于发射红外信号；
所述定位器用于接收所述光塔发射的红外信号，根据接收的红外信号确定所述实体灭火器位置和喷射方向，并将所述实体灭火器位置、喷射方向和开关信号发送给所述控制系统；
所述VR头盔用于接收所述光塔发射的红外信号，根据接收的红外信号确定自身位置和视角方向，并将自身的位置和视角方向信号发送给所述控制系统；
所述控制系统用于根据所述实体灭火器的位置、喷射方向和开关方向与所述VR头盔的位置和视角方向动态生成VR图像并发送给所述VR头盔进行显示。
2.如权利要求1所述的一种虚拟消防演练系统，其特征在于，所述控制系统包括：
VR环境构建模块，用于构建初始状态下的VR环境，VR环境中设置有着火点；
灭火剂计算模块，用于根据所述实体灭火器的位置、喷射方向和开关信号，计算VR环境中着火点位置上累积灭火剂的厚度；
火焰蔓延速度计算模块，用于根据着火点位置和该着火点位置上灭火剂的累积量计算得到，计算获得火焰蔓延速度；
VR动态生成模块，用于根据火焰蔓延速度以及头盔的位置和视角方向动态生成VR图像。
3.如权利要求1或2所述的一种虚拟消防演练系统，其特征在于，所述控制系统还包括评估模块，用于预先定义消防演练效果评估参数的计算方法，生成消防演练效果评估参数发送给所述VR头盔。
4.如权利要求1或2所述的一种虚拟消防演练系统，其特征在于，所述定位器具有安装接口，使得所述定位器可以安装在所述实体灭火器上或从所述实体灭火器上拆卸。
5.如权利要求1或2所述的一种虚拟消防演练系统，其特征在于，所述光塔与所述实体灭火器间无物体遮挡，使得所述定位器可以接收所述光塔发射的红外信号，所述光塔与所述VR头盔间无物体遮挡，使得所述VR头盔可以接收所述光塔发射的红外信号。
6.如权利要求1或2所述的一种虚拟消防演练系统，其特征在于，所述控制系统为背包计算机，所述背包计算机与所述VR头盔有线连接。
7.如权利要求1或2所述的一种虚拟消防演练系统，其特征在于，所述控制系统包括管理平台，所述管理平台提供虚拟点火、重制VR场景、去除VR环境的建筑物外壳、视角跟随功能中的一种或多种。
8.如权利要求3所述的一种虚拟消防演练系统，其特征在于，所述消防演练效果评估参数包括过火范围比例、剩余可燃物比例、灭火剂泡沫覆盖有效率中的一种或多种。
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