CN108806357A - 一种具有评价功能的消防教学训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及消防设备技术领域，具体是一种具有评价功能的消防教学训练系统，包括火灾事故场景模拟子系统、训练调导子系统、指挥员战位子系统、消防员战位子系统、数据管理子系统、三维视景生成与显示子系统及HLA/RTI仿真软件，各个子系统之间通过HLA/RTI仿真软件支撑平台进行互联、互通，从而构成一个分布式交互消防救援模拟训练软硬件环境，本发明提供一种具有评价功能的消防教学训练系统，具有成本低、拓展性宽、虚拟真实感高的优点，而且能够多人、多角色协同演练操作。

Description

一种具有评价功能的消防教学训练系统

技术领域

本发明涉及消防设备技术领域，具体是一种具有评价功能的消防教学训练系统。

背景技术

灭火和应急救援是消防战训工作的重要内容之一。近年来，火灾和各类事故的多发性、突发性、复杂性和危害性，使得抢险救援任务的艰巨性日显凸出。针对重点目标，制定全面的应急预案，并以此开展灭火救援技战术训练，是提高消防部队临场实战能力的有效途径。

随着建模与仿真技术的快速发展，消防救援模拟训练以其特有的优点越来越受到消防部门的重视。计算机模拟不再仅仅是火灾科学基础研究的主要手段，也为模拟真实灾害环境下的抢险救援组织指挥，增强消防救援队伍对突发事故现场的临场处置能力，提供了重要技术手段。但是目前的计算机消防模拟成本高，如果实现逼真还原现场画面，所需的费用大大增加，不利于消防模拟的发展；建模与仿真的技术相当复杂，当系统出现故障时，维护困难而且成本高；由于传统的三维动画按照预先设定剧本制作，其内容一旦制作完成，就被固定了，不支持外部的交互操作，完全无法满足本项目的交互式训练要求；演练操作相对单一，只能由一人进入模拟画面，无法提高协同指挥的训练效果。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种具有评价功能的消防教学训练系统，具有成本低、拓展性宽、虚拟真实感高的优点，而且能够多人、多角色协同演练操作。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有评价功能的消防教学训练系统，包括火灾事故场景模拟子系统、训练调导子系统、指挥员战位子系统、消防员战位子系统、数据管理子系统、三维视景生成与显示子系统及HLA/RTI仿真软件，

所述火灾事故场景模拟子系统以声音、运动、行为、粒子系统物理、数学模型为基础，设有音效模拟模块、装备模拟模块、人员模拟模块、燃烧模拟模块、爆炸模拟模块、烟火模拟模块用于分别实现音效模拟、装备模拟、人员运动模拟、燃烧模拟、爆炸模拟及烟火模拟，并用于驱动三维视景生成与显示子系统更新并显示场景图像；

所述训练调导子系统设有场景设置模块、过程调导模块、记录回放模块分别为训练导调席位操作者提供场景设置、过程调导模块、记录回放功能；训练调导子系统还设有分析评估模块，所述分析评估模块用于对模拟训练的结果进行分析和评价，其包括评价指标系统模型单元和综合评估模型单元，所述评价指标系统模型单元设有各种消防效果评价体系数据，所述综合评估模型单元综合所述评价指标系统模型、火灾事故场景模拟子系统、场景设置模块、过程调导模块、指挥员战位子系统综合分析评价训练人员的训练效果；

所述指挥员战位子系统模拟真实消防指挥员的工作设备和界面，为指挥员席位操作者提供指挥调度、决策分析、态势监控及指挥视景控制功能；

所述消防员战位子系统模拟消防员视角观察火灾事故三维视景，为消防员席位操作者提供装备使用、技能训练、救援演习及消防视景控制功能；

所述数据管理子系统用于想定计划、业务规划、实体参数及环境参数的设置；

所述HLA/RTI仿真软件将与所述火灾事故场景模拟子系统、所述训练调导子系统、所述指挥员战位子系统、所述消防员战位子系统及所述数据管理子系统的各终端通讯连接，所述HLA/RTI仿真软件将获得的数据作用于所述三维视景生成与显示子系统。

进一步地，所述训练调导子系统、所述指挥员战位子系统及所述消防员战位子系统均设有操控装置，所述操控装置用于所述三维视景生成与显示子系统进行互交操作。

进一步地，所述指挥员战位子系统和所述消防员战位子系统设置有多个指挥战位和消防战位，不同的所述指挥战位之间可设置为上下级或平行通讯协同关系，所述消防员战位可以被设置为某一所述指挥员战位进行通讯协同。

进一步地，所述数据管理子系统为系统提供基于数据和模型的开放性和扩展性能力，并采用数据库进行统一的存储管理，支持通过数据和模型的配置，而不用修改软件，即可对三维视景进行修改。

进一步地，所述三维视景生成与显示子系统包括图形工作站及环幕投影显示模块，所述图形工作站用于部署所述HLA/RTI仿真软件生成三维视景和建立三维模型库；所述环幕投影显示模块用于实现大规模消防场景、火势态势发展、实体动态效果、燃烧、爆炸、烟火特效的实时三维可视化显示。

进一步地，所述环幕投影显示模块包括显示屏幕、投影模块及安全检测模块，所述显示屏幕为210度的环形显示屏幕；所述投影模块具有自动校正算法功能，所述投影模块采用多通道投影融合技术，并通过物理拼接方式投放到所述显示屏幕；所述安全检测模块用于对所述三维视景生成与显示子系统进行自检，对出现异常的设备采取断电保护。

本发明的有益效果是，三维视景生成与显示子系统采用并行绘制技术实时生成高分辨率、高真实感的火灾事故动态三维视景，并采用沉浸式的虚拟现实显示环境进行显示，营造一个近乎真实的火灾事故现场场景，极具视觉效果和心理震撼力；训练导调子系统提供对训练场景的设置功能，并在训练过程中提供干预导调交互，对训练过程进行记录与回放，提供对训练结果的分析和评价功能；指挥员战位子系统及消防员战位子系统实现多人及多角色协同演练操作，不同培训角色之间可通过语音和文字等进行交流，共同操作虚拟场景中的任务角色进行各种动作，最大层度的提高培训人员的参与度和临场感，使其体验真实火场的消防救援调度和执行；安全检测模块能够对于可能发生的故障部位进行自动探测和定位，并提供智能化、综合化的管理维护工具，支持对系统数据、投影系统等进行简易、快速的管理维护；HLA/RTI是当前IEEE建模与仿真的标准，为复杂系统的建模与仿真提供了通用的、公共的运行支撑框架，将使系统的虚拟仿真具有更大的灵活性、容错性与可拓展性，各子系统是采用基于HLA/RTI仿真软件的总线逻辑结构，以满足子系统间的数据分发、拥塞控制、时间管理等业务需求。

附图说明

图1是本发明一较佳实施方式的具有评价功能的消防教学训练系统的结构框图。

图中，1-火灾事故场景模拟子系统，11-音效模拟模块，12-装备模拟模块，13-消防人员模拟，14-燃烧模拟模块，15-爆炸模拟模块，16-烟火模拟模块，2-训练调度子系统，21-场景设置模块，22-过程调导模块，23-记录回放模块，24-分析评估，3-指挥员战位子系统，31-指挥调度，32-决策分析，33-态势监控，34-指挥视景控制，4-消防员战位子系统，41-装备使用，42-技能训练，43-救援演戏，44-消防视景控制，5-数据管理子系统，51-想定计划，52-业务计划，53-实体参数，54-环境参数，6-三维视景生成与显示子系统，61-图形工作站，62-环幕投影显示模块，7-HLA/RTI仿真软件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

一种具有评价功能的消防教学训练系统，包括火灾事故场景模拟子系统1、训练调导子系统2、指挥员战位子系统3、消防员战位子系统4、数据管理子系统5、三维视景生成与显示子系统6及HLA/RTI仿真软件7。

所述训练调导子系统2设有场景设置模块21、过程调导模块22、记录回放模块23分别为训练导调席位操作者提供场景设置、过程调导模块、记录回放功能；训练调导子系统2还设有分析评估模块24，所述分析评估模块24用于对模拟训练的结果进行分析和评价，其包括评价指标系统模型单元和综合评估模型单元，所述评价指标系统模型单元设有各种消防效果评价体系数据，所述综合评估模型单元综合所述评价指标系统模型、火灾事故场景模拟子系统1、场景设置模块21、过程调导模块22、指挥员战位子系统3综合分析评价训练人员的训练效果。场景设置模块21，可根据实际情况，可根据需求搭建商场、医院、学校、化工厂等各种不同的虚拟场景，帮助培训人员熟悉各种常规性火宅应急处理环境，积累实用的操作经验和适应能力。在训练过程中提供干预导调交互；同时支持对训练过程进行记录与回放，提供对训练结果的分析和评价功能。分析评估24功能能够以评价指标系统模型、综合评估模型为基础，可实现对各类消防训练效果的综合评估；对不同消防救援指挥调度方案的事前对比分析，事后综合评估；对火灾态势发展预测、自动化救援方案生成等高级的辅助决策支持。

指挥员战位子系统3模拟真实消防指挥员的工作设备和界面，为指挥员席位操作者提供指挥调度31、决策分析32、态势监控33及指挥视景控制34功能。

消防员战位子系统4模拟消防员视角观察火灾事故三维视景，为消防员席位操作者提供装备使用41、技能训练42、救援演习43及消防视景控制44功能。

训练调导子系统2、指挥员战位子系统3及消防员战位子系统4均设有操控装置，操控装置用于三维视景生成与显示子系统6进行互交操作。

指挥员战位子系统3和消防员战位子系统4设置有多个指挥战位和消防战位，不同的指挥战位之间可设置为上下级或平行通讯协同关系，消防员战位可以被设置为某一指挥员战位进行通讯协同。

多个培训员可同时进入仿真培训环境，对同一场景进行协同指挥演练。不同培训角色之间可通过语音和文字等进行交流，共同操作虚拟场景中的任务角色进行各种动作，最大层度的提高培训人员的参与度和临场感，使其体验真实火场的消防救援调度和执行。

火灾事故场景模拟子系统1以声音、运动、行为、粒子系统物理、数学模型为基础，包括音效模拟模块11、装备模拟模块12、人员模拟模块13、燃烧模拟模块14、爆炸模拟模块15、烟火模拟模块16用于分别实现音效模拟、装备模拟、人员运动模拟、燃烧模拟、爆炸模拟及烟火模拟并用于驱动三维视景生成与显示子系统6更新并显示场景图像。。火灾事故场景模拟子系统不仅可为高逼真度、高沉浸感训练环境的渲染，提供模拟仿真的数据支撑；还可为指挥决策，调动和部署抢险救援力量等消防演练，提供辅助决策或分析评估的数据支撑，是交互式消防救援模拟训练系统的技术核心。

火灾事故场景模拟子系统1能够根据训练调导子系统2、指挥员战位子系统3及消防员战位子系统4对虚拟现场数据信号，利用多种物理和数学模型，实时计算火灾事故场景的动态变化，实时生成的场景状态数据，并将驱动三维视景生成与显示子系统6更新并显示场景图像。

数据管理子系统5用于想定计划51、业务规划52、实体参数53及环境参数54的设置。数据管理子系统5为系统提供基于数据和模型的开放性和扩展性能力，并采用数据库进行统一的存储管理，支持通过数据和模型的配置，而不用修改软件，即可对三维视景进行修改，实现支持多样化的训练科目内容，实现不同的训练目的。在HLA/RTI仿真软件7的支撑下，用户在数据管理子系统5中，根据自身需求设计和添加新的火场环境，增加新的互动性联动响应功能，为后期的改进和更新预留开发接口。

HLA/RTI仿真软件7将与火灾事故场景模拟子系统1、训练调导子系统2、指挥员战位子系统3、消防员战位子系统4及数据管理子系统5的各终端通讯连接，HLA/RTI仿真软件7将获得的数据作用于三维视景生成与显示子系统6。

三维视景生成与显示子系统6包括图形工作站61及环幕投影显示模块62，图形工作站61用于部署HLA/RTI仿真软件7生成三维视景和建立三维模型库；环幕投影显示模块62用于实现大规模消防场景、火势态势发展、实体动态效果、燃烧、爆炸、烟火特效的实时三维可视化显示。

三维视景生成与显示子系统6以高性能图形绘制引擎为支撑，以LOD、信息融合现象、交互式仿真、粒子渲染等三维可视化技术为基础，实现大规模消防场景、火势态势发展、实体动态效果、燃烧、爆炸、烟火特效的实时三维可视化显示。它采用并行绘制技术，可根据指挥员、消防员等操作者的视角实时生成高分辨率、高真实感的火灾事故动态三维视景；采用沉浸式的虚拟现实显示环境进行显示，营造一个近乎真实的火灾事故现场场景，极具视觉效果和心理震撼力。

环幕投影显示模块62包括显示屏幕、投影模块及安全检测模块，显示屏幕为210度的环形显示屏幕；投影模块具有自动校正算法功能，投影模块采用多通道投影融合技术，并通过物理拼接方式投放到显示屏幕；安全检测模块用于对三维视景生成与显示子系统6进行自检，对出现异常的设备采取断电保护。

传统的CAVE屏幕采用六块屏幕组成BOX房间，模拟救援人员处于房间中心，在观看两个屏幕之间的夹角处存在严重的图像畸变，导致几何空间位置关系错误，严重影响消防救援仿真训练的视景效果。

而在本实施例中，投影模块采用3台投影机投射到显示屏幕的方式，采用投影仪物理拼接方式，优化投影仪布放，最大程度的降低投影画面的拼缝，实现高清3D画面，可容纳主视角、鸟瞰视角等多种视角的画面呈现。

在采用多通道投影融合中中，投影区域存在交叠部分，均需要对投影仪画面进行拼接融合，其中涉及到不规则屏幕的几何校正和亮度校正。在本系统中，我们采用国内独创的基于摄像头的一键自动校正算法，校正过程大为缩短，使得环幕投影显示模块62的维护使用更加便捷。

投影模块的自动校正算法功能相对于手工调校具有调校周期短和调校精度高的优点，避免了眼视觉误差导致调校精度出现误差的情况发。

在本实施例中，本系统可支持消防救援指挥决策训练模式、消防救援技能训练模式及消防救援协同训练模式：

消防救援指挥决策训练模式：专门针对消防救援指挥员训练指挥决策能力，由系统生成逼真的火灾事故现场场景，消防救援指挥员对场景进行分析和判断，作出指挥决策，由系统生成虚拟“消防员”进行自动响应，并实时反馈处置结果，供消防指挥员进行后续的分析、判断和决策。

消防救援技能训练模式：专门针对消防员训练技能，由系统生成逼真的火灾事故现场场景，设定消防员特定的任务角色，训练其对装备的选择、使用以及对指挥调度的响应能力。

消防救援协同训练模式：综合训练消防救援指挥员和消防员之家的协同能力，由系统生成逼真的火灾事故现场场景，设定消防救援指挥员和消防员的任务角色，由其分别扮演各自角色在事故场景中同时开展指挥员和消防员之间的指挥决策协同和技能训练。

系统的处理流程为：通过HLA/RTI仿真软件7在训练调导子系统2选取数据管理子系统5的场景数据，当HLA/RTI仿真软件7接收到训练调导子系统2、指挥员战位子系统3和消防员战位子系统4对训练场景的交互操作后；会利用多种物理和数学模型，实时计算火灾事故场景的动态变化并实时生成的场景状态数据，HLA/RTI仿真软件7将驱动三维视景生成与显示子系统6更新并显示场景图像。

本实施例中三维视景生成与显示子系统6所采用的硬件：

单片DLP投影机，支持双曲率校正，支持网络参数调整，亮度8000流明，2代DLP投影技术，支持HDMI1.4，支持动态光圈，分辨率1920x1200，对比度5000:1，投射比0.6-0.75:1。

仿真图形生成电脑，用于驱动投影机。

仿真融合机，具有三维几何校正功能，准确还原三维视景软件。

投影调节架及连接套件，用于将投影机吊装在屋顶上方的连接件和结构件。

显示屏幕：具有高对比金属模，支持主动立体，同时增益不超过4.0，避免产生屏幕光线串扰，导致图像发白。

中控计算机：用于对HLA/RTI仿真软件7的控制。

中控PAD：用于使用者远程对HLA/RTI仿真软件7的控制。

投影系统自动调教套件：精密调校云台、调校计算机、高清调校摄像头、调校三角架及连接线。

多功能工作台电脑：用于分布仿真时各个席位,模拟行为操作。

动作捕获设备：用于捕捉培训学员的动作，同时进行反馈，采用无源红外动作捕获系统，其中，摄像头数目12个,捕捉范围6米*3米,跟踪摄像头分辨率130万像素，同时跟踪标记数量96个，同时跟踪钢体数量32个，最大跟踪刷新率100FPS。

音响系统：输出功率60kw以上,5.1声道,配专业5.1声道声卡,木质音箱。

Claims (6)

1.一种具有评价功能的消防教学训练系统，其特征在于，包括火灾事故场景模拟子系统(1)、训练调导子系统(2)、指挥员战位子系统(3)、消防员战位子系统(4)、数据管理子系统(5)、三维视景生成与显示子系统(6)及HLA/RTI仿真软件(7)，

所述火灾事故场景模拟子系统(1)以声音、运动、行为、粒子系统物理、数学模型为基础，设有音效模拟模块(11)、装备模拟模块(12)、人员模拟模块(13)、燃烧模拟模块(14)、爆炸模拟模块(15)、烟火模拟模块(16)用于分别实现音效模拟、装备模拟、人员运动模拟、燃烧模拟、爆炸模拟及烟火模拟，并用于驱动三维视景生成与显示子系统(6)更新并显示场景图像；

所述训练调导子系统(2)设有场景设置模块(21)、过程调导模块(22)、记录回放模块(23)分别为训练导调席位操作者提供场景设置、过程调导模块、记录回放功能；训练调导子系统(2)还设有分析评估模块(24)，所述分析评估模块(24)用于对模拟训练的结果进行分析和评价，其包括评价指标系统模型单元和综合评估模型单元，所述评价指标系统模型单元设有各种消防效果评价体系数据，所述综合评估模型单元综合所述评价指标系统模型、火灾事故场景模拟子系统(1)、场景设置模块(21)、过程调导模块(22)、指挥员战位子系统(3)综合分析评价训练人员的训练效果；

所述指挥员战位子系统(3)模拟真实消防指挥员的工作设备和界面，为指挥员席位操作者提供指挥调度(31)、决策分析(32)、态势监控(33)及指挥视景控制(34)功能；

所述消防员战位子系统(4)模拟消防员视角观察火灾事故三维视景，为消防员席位操作者提供装备使用(41)、技能训练(42)、救援演习(43)及消防视景控制(44)功能；

所述数据管理子系统(5)用于想定计划(51)、业务规划(52)、实体参数(53)及环境参数(54)的设置；

所述HLA/RTI仿真软件(7)将与所述火灾事故场景模拟子系统(1)、所述训练调导子系统(2)、所述指挥员战位子系统(3)、所述消防员战位子系统(4)及所述数据管理子系统(5)的各终端通讯连接，所述HLA/RTI仿真软件(7)将获得的数据作用于所述三维视景生成与显示子系统(6)。

2.根据权利要求1所述的一种具有评价功能的消防教学训练系统，其特征在于：所述训练调导子系统(2)、所述指挥员战位子系统(3)及所述消防员战位子系统(4)均设有操控装置，所述操控装置用于所述三维视景生成与显示子系统(6)进行互交操作。

3.根据权利要求1所述的一种具有评价功能的消防教学训练系统，其特征在于：所述指挥员战位子系统(3)和所述消防员战位子系统(4)设置有多个指挥战位和消防战位，不同的所述指挥战位之间可设置为上下级或平行通讯协同关系，所述消防员战位可以被设置为某一所述指挥员战位进行通讯协同。

4.根据权利要求1所述的一种具有评价功能的消防教学训练系统，其特征在于：所述数据管理子系统(5)为系统提供基于数据和模型的开放性和扩展性能力，并采用数据库进行统一的存储管理，支持通过数据和模型的配置，而不用修改软件，即可对三维视景进行修改。

5.根据权利要求1所述的一种具有评价功能的消防教学训练系统，其特征在于：所述三维视景生成与显示子系统(6)包括图形工作站(61)及环幕投影显示模块(62)，所述图形工作站(61)用于部署所述HLA/RTI仿真软件(7)生成三维视景和建立三维模型库；所述环幕投影显示模块(62)用于实现大规模消防场景、火势态势发展、实体动态效果、燃烧、爆炸、烟火特效的实时三维可视化显示。

6.根据权利要求5所述的一种具有评价功能的消防教学训练系统，其特征在于：所述环幕投影显示模块(62)包括显示屏幕、投影模块及安全检测模块，所述显示屏幕为210度的环形显示屏幕；所述投影模块具有自动校正算法功能，所述投影模块采用多通道投影融合技术，并通过物理拼接方式投放到所述显示屏幕；所述安全检测模块用于对所述三维视景生成与显示子系统(6)进行自检，对出现异常的设备采取断电保护。