CN110975215B - 一种变电站消防虚拟培训系统建立方法、系统和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站消防虚拟培训系统的建立方法、系统和装置，该消防虚拟培训系统建立方法包括如下步骤:获取消防设备的三维数据,建立三维模型；通过可视化方式编辑三维模型得到一级模型,以使一级模型展示消防环境；构建一级模型的自动模拟功能得到二级模型,以使二级模型自动启动消防操作；生成仿真型三级模型,以使三级模型具备仿真操作手段；优化三级模型得到深度体验型模型,利用深度体验型模型通过人机交互方式模拟消防演练。本发明提供的消防虚拟培训系统建立方法、系统和装置，将VR技术运用到消防演练中，对消防演练的真实运行环境、安全规程、应急演练等进行模拟和仿真训练，大大提高了消防演练的效果和安全性。

Description

一种变电站消防虚拟培训系统建立方法、系统和装置

技术领域

本发明涉及虚拟现实和消防安全技术领域，具体为一种变电站消防虚拟培训系统建立方法、系统和装置。

背景技术

当今社会，随着火灾数量逐年上升，火灾导致的死亡人数也不断攀升，进而造成了巨大的直接财产损失。消防人员的专业素质也需要不断提升，因此需要对消防人员进行消防演练培训。

目前消防演练培训有如下两种方式：

（1）传统的消防演练方式是采用真实火灾进行培训。这种方式存在安全隐患，同时限于场地，火势控制等限制，不能满足多数人群体多次的使用方法的需求。

（2）采用纯粹的VR（Virtual Reality，虚拟现实）方案，模拟火灾现场场景，用VR操控手柄替代灭火器或者水枪进行虚拟灭火。这种方式虽然没有安全隐患，但是因为没有真实的灭火器或水枪，导致培训者无法真实把握灭火器和水枪的使用方法和有效灭火方法。一旦火灾来临，面临真实灭火器或者水枪，消防员还是业务不熟练，无法及时灭火。

发明内容

鉴于上述状况，有必要提供一种能够真实模拟消防演练环境，普及性和适用性较高的变电站消防虚拟培训系统建立方法、系统和装置。

本发明提供的一种变电站消防虚拟培训系统建立方法，消防虚拟培训系统用于模拟消防演练，消防演练使用有消防设备，变电站消防虚拟培训系统建立方法包括如下步骤:

获取消防设备的三维数据,建立三维模型，步骤获取消防设备的三维数据，建立三维模型包括：获得消防设备的二维图像，消防设备包括水源设备、供水设备、供水管道、雨淋阀组、过滤器、喷头、感测器和控制器；通过基于图像的建模和绘制技术建立三维模型；

通过可视化方式编辑三维模型得到一级模型,以使一级模型展示消防环境；

构建一级模型的自动模拟功能得到二级模型,以使二级模型自动启动消防操作；

生成仿真型三级模型,以使三级模型具备仿真操作手段；

优化三级模型得到深度体验型模型,利用深度体验型模型通过人机交互方式模拟消防演练。

优选地，基于图像的建模和绘制技术采用离线标定技术和在线标定技术得到三维模型，离线标定技术使用标准的相机基准点进行标定，在线标定技术使用场景约束和几何约束标定。

优选地，步骤获取消防设备的三维数据，建立三维模型还包括：

对消防设备进行数字化处理，并利用反向辅助设计对三维模型进行优化加工。

优选地，仿真操作手段包括特定手柄操控、二维手型识别、二维手势识别、三维手势识别和身体动作识别。

优选地，步骤通过可视化方式编辑三维模型得到一级模型包括修补、贴图、材质仿真和拖拽式布局。

优选地，自动模拟功能为根据监测环境变化自动判断消防设备的当前状态，并根据当前状态启动对应预设的消防操作。

优选地，步骤优化三级模型得到深度体验型模型包括如下过程：高清内容显示、环境效果仿真、运动实时反馈、自然交互和自然反馈。

优选地，步骤优化三级模型得到深度体验型模型之后还包括步骤：对深度体验型模型进行格式标准化，以使深度体验型模型与消防虚拟培训系统格式匹配。

优选地， 步骤利用深度体验型模型通过人机交互方式模拟消防演练之后还包括：

获取消防演练的反馈信息，并根据反馈信息对消防培训系统进行优化，其中，反馈信息包括操作信息、关注点信息和动作信息。

本发明还提供了一种变电站消防虚拟培训系统建立系统，消防虚拟培训系统用于模拟消防演练，消防演练使用有消防设备，使用如上所述的方法，包括：

三维模型建立模块，被配置为对获取的消防设备的三维数据进行三维模型建立并获得三维模型；

一级模型建立模块，被配置为通过可视化方式编辑三维模型得到一级模型，以使一级模型展示消防环境；

二级模型建立模块，被配置为构建一级模型的自动模拟功能得到二级模型，以使二级模型自动启动消防操作；

三级模型建立模块，被配置为生成仿真型三级模型，以使三级模型具备仿真操作手段；及

深度体验型模型建立模块，被配置为优化三级模型得到深度体验型模型,利用深度体验型模型通过人机交互方式模拟消防演练。

本发明还提供了一种变电站消防虚拟培训系统建立装置，包括：

处理器；

存储器，用于存储处理器可执行指令；其中

处理器被配置成执行上述消防虚拟培训系统建立方法。

本发明的有益效果：

本发明提供的变电站消防虚拟培训系统建立方法、系统和装置，将VR技术运用到消防演练中，对消防演练的真实运行环境、安全规程、应急演练等进行模拟和仿真训练，大大提高了消防演练的效果和安全性。

进一步地，利用本发明提供的消防虚拟培训系统，培训人员可以大胆尝试各种实际操作，还能切实感受到这些情景的危险性所在，了解到发生安全事故的隐患因素。在虚拟的环境中进行危险模拟演练，让培训人员切身体验到视觉、心理冲击，帮助他们提高现实中解决危机的能力。培训与受训人员可以大胆的在虚拟环境中尝试各种演练方案，分析各种可能的事故，实现作业引导分析，作为最后演练考核的参考。

最后，利用消防虚拟培训系统进行培训，将现实场景1:1还原，所有的培训者都可以根据流程来操作，这样有助于减少场地花费，大大降低培训成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明一实施例的消防虚拟培训系统建立装置的示意图；

图2是本发明一实施例的消防虚拟培训系统建立系统的模块示意图；

图3是本发明另一实施例的消防虚拟培训系统建立系统的模块示意图；

图4是本发明一实施例的消防虚拟培训系统建立方法的流程示意图。

图5是本发明另一实施例的消防虚拟培训系统建立方法的流程示意图。

图中：100、消防虚拟培训系统建立装置，110、处理器，120、存储器，200、消防虚拟培训系统建立系统，210、三维模型建立模块，220、一级模型建立模块，230、二级模型建立模块，240、三级模型建立模块，250、深度体验型模型建立模块，260、标准化模块，270、优化模块。

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，当一个元件或组件被认为是“连接”另一个元件或组件，它可以是直接连接到另一个元件或组件可能同时存在居中设置的元件或组件。当一个元件或组件被认为是“设置在”另一个元件或组件，它可以是直接设置在另一个元件或组件上或者可能同时存在居中设置的元件或组件。

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地实施例的目的，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。

请参考图1，本发明提供了一种变电站消防虚拟培训系统建立装置100，该消防虚拟培训系统建立装置100用于建立消防虚拟培训系统，该消防虚拟培训系统建立装置100包括处理器110和存储器120，该处理器110和存储器120通信连接。

处理器110可以是中央处理器、数字信号处理器或者单片机等。处理器110用于处理相关数据及发送多条指令。

存储器120能够存储相关数据及多条指令，且该指令适于由处理器110加载并执行相关动作。具体地，该存储器120内主要存储与消防虚拟培训系统建立的相关指令，详细过程见下文分析。存储器120可以为硬盘、U盘、随机存取存储器等。

在至少一个实施方式中，存储器120可以是内部存储系统，例如闪存、随机读取存储器RAM及可读取的存储器ROM等。

在至少一个实施方式中，存储器120包括两个或多个存储设备，例如，其中一个存储设备为记忆体，其中另一个存储设备为驱动器。此外，存储设备还可以全部或者部分独立于消防虚拟培训系统建立装置100外。

请参见图2，图2为本发明一实施例中消防虚拟培训系统建立系统200的模块示意图。消防虚拟培训系统建立系统200应用于消防虚拟培训系统建立装置100上。消防演练使用有消防设备，消防虚拟培训系统建立系统200包括三维模型建立模块210、一级模型建立模块220、二级模型建立模块230、三级模型建立模块240和深度体验型模型建立模块250。

三维模型建立模块210被配置为对获取的消防设备的三维数据进行三维模型建立并获得三维模型。该三维模型建立模块210获取消防设备的二维图像，该消防设备包括水源设备、供水设备、供水管道、雨淋阀组、过滤器、喷头、感测器和控制器。水源设备、供水设备、供水管道、雨淋阀组、过滤器、喷头、感测器和控制器组成一个变电站消防水喷雾系统，针对该变电站消防水喷雾系统的常规操作和日常维护，进行消防虚拟培训。

对于上述获得的二维图像，通过基于图像的建模和绘制技术建立三维模型。具体地，基于图像的建模和绘制技术采用离线标定技术和在线标定技术得到三维模型，离线标定技术使用标准的相机基准点进行标定，在线标定技术使用场景约束和几何约束标定。

相机所生成的图像是不连续的静态图像，图像上每一点的亮度反映了空间物体表面某点反射光的强度，而该点在图像上的位置则与空间物体表面相应点的几何位置有关。相机成像模型就是根据照相机在现场的方位，利用几何学原理对照相机的成像过程进行近似描述。

因此，对图像建模过程中，首先要进行多角度图像采集，比如垂直面、倾斜面、特殊结构面和特殊纹理面等，理论上图像采集面数越多，后期处理模型越精细，精度越高。然后需要对获得的高精度影像数据做序列化、无效信息处理、特征点检测与匹配、重合点图层剥离、点云稠密重建等计算流程。

当标定设备或相机的内参数和外参数相对比较准确时，比如相机焦距和相机距离实物的距离，此时可以采用离线标定技术得到三维模型，该离线标定技术使用标准的相机基准点进行标定。在具体实施例中，一个精度较高的相机，会提供一个准确地基准点，比如焦距。相机拍摄的原理是：相机的镜头是一个凸透镜，来自物体的光经过凸透镜后，在投影面上形成一个缩小、倒立的实像。在本发明中，利用在投影面上的实像，确定一个逻辑关系反推得到原物在空间位置的一个坐标。比如，实物是一个水源设备，在一定距离间隔下经标准相机进行拍照后得到二维图像，二维图像在相机内存在一个相机坐标。以该相机坐标为起点，经过反推（与成像原理相反）得到该实物的空间坐标。类似的，利用该离线标定技术可以得到各种形状不规则的实物的空间坐标（三维数据）。整合各个空间坐标得到三维模型。

利用离线标定技术建立三维模型中，既可以考虑稀疏特征匹配，也可以考虑稠密特征匹配，一般需要根据应用背景和场景的特征密度作具体选择。特征检测是准确重构框架中的一个关键步骤。传统意义上的特征定义为在至少一个特定方向上存在较大亮度或色度变化的图像区域或位置，使用一阶导数来估计局部互相关数值，使用梯度和曲率的乘积来刻画角点特征并检测角点，使用特征区域的尺寸、中心矩信息来检测角点，尺度不变的特征检测算子，透视不变特征等方法。

在本发明中，特征密度匹配采用特征密集匹配优化算法，首先使用筛选方案，降低影像特征匹配计算代价，然后再采用匹配算法进行特征点处理。当前特征点检查和匹配有Harris 角点检测、FAST 特征检测、SURF检测、SIFT 检测、MSER 检测等。

但是在很多场合下，标定设备或相机缺失内参数情况下，或者其内参数在持续变化中，没有足够数据来支持离线相机标定，对这类场景的三维构建就可以用到在线标定技术。在线标定技术和离线标定技术的主要在于标定的相机侧内部参数上，也被称为自标定。自标定方法可以大致分为两类：基于场景约束的自标定和基于几何约束的自标定。

基于场景约束的自标定，是求解消视点和消视线信息，来获得标定矩阵。其中，消视线和消失点是一个实物中的任何两条线在空间内无限延伸后消失的线的轨迹和点。

基于几何约束的自标定，不需要外在场景约束，仅仅依靠多维视图自身彼此间的内在几何限制来完成标定任务。

综上所述，基于二维图像的建模方法可以根据立体视觉或运动图像自动或半自动的提取出消防设备的几何信息，能够快速构建消防设备部件或零件，部分解决了纯靠人力进行三维建模的问题。本发明提供的三维模型建立模块210能够快速并全面的建立已有消防设备模型，还能及时跟进新装备的模型建立。采取基于图像的建模，可以避免复杂的建模操作，提高建模速度，而且能够贴合实际颜色或纹理，减少后期加工工作。

在一些优选实施例中，三维模型建立模块210还可以对消防设备进行数字化优化，并利用反向辅助设计对三维模型优化加工。具体地，“反向辅助设计”是与常规的“正向辅助设计“工作顺序相反的设计方法。由于电力系统的情况特殊，某些设备结构比较复杂，设计过程或设计单位保密，传统的正向辅助设计方法无法满足仿真训练的需要。另外，即使对于正向辅助设计单位来讲，由于设计过程难度系数大、周期较长、成本高，难以掌握设备的实际使用情况，难以获得一手的使用反馈意见，影响了各种设备的改进升级工作。

反向辅助设计过程中，首先对实物样件表面进行数字化处理，从最终的运作环节和消防设备的工作状态出发，分析其可能出现的状态，并利用上述提供的相关技术重新构造实物的三维模型，并进一步调整、优化，实现分析、再设计、虚拟使用、再加工等。

一级模型建立模块220被配置为通过可视化方式编辑三维模型得到一级模型，以使一级模型展示消防环境。具体地，可视化技术将物理运动、操作条件、属性变化等作为程序模块，以图形方式显示，只要通过拖拽和简单的参数设置，就可以形成完整的操作业务流，包括交互逻辑在内。通过可视化业务流程设计和操作限定设计，比如，一级模型建立模块220预设有供水设备和变压器模型，若需实现供水设备向变压器喷水，可直接拖拽，可视化的显示供水设备向变压器喷水的过程。类似的，一级模块可以可视化实现模型拖拽式布局、数字化调整接口、运行逻辑拖拽式设计、操作逻辑直接拖拽式绑定、训练逻辑直接产生、工具动作设定等。

上述可视化过程包括细节修补、贴图、材质仿真和拖拽式布局。细节修补是对三维模型尺寸轮廓的修改；贴图是对三维模型外形的美化；材质仿真是对三维模型显示的材质的高度仿真设计；拖拽式布局是对一级模型操作过程的显示。

一级模型建立模块220是针对消防演习训练的多样性、环境复杂性的一种自适应式编程化技术，主要为了避免训练单一、业务非现场化程度过高，依托于丰富的模型库，以及操作绑定的设计，进行自主组合，附加可行性与合理性自主判断能力。

二级模型建立模块230被配置为构建上述一级模型的自动模拟功能得到二级模型，以使二级模型自动启动消防操作。自动启动操作具体为：水源设备、供水设备、供水管道、雨淋阀组、过滤器、喷头、感测器和控制器的自然伤损、使用伤损、匹配失误、操作失误等引起的设备非正常情况都预设有一个阈值，当非正常情况引起消防系统的数值达到阈值，则自动启动消防操作。比如，系统中出现火源，导致温度上升或者出现电火苗，则火灾感应器会出现非正常情况，说明系统的温度超过的预设的温度阈值，则自动启动消防操作，扑灭火源。

在一些优选实施例中，二级模型建立模块230还可以实现手动启动或者应急启动消防操作。二级模型配置成具有提醒消防员手动操作的功能和出现紧急意外情况下的应急启动消防操作。

三级模型建立模块240被配置为生成仿真型三级模型，以使三级模型具备仿真操作手段。

具体地，三级模型建立模块240主要是对消防设备的外部轮廓效果进行优化，不同的消防设备，使用的材质不同，导致消防设备在自然光下的视觉效果不同，三级模型建立模块240是优化不同的消防设备，对其外包装的视觉效果进行优化，使消防设备更接近现实。其中，消防设备视觉效果的优化包括使用漫反射、高光、透明、自发光等手段，还包括使用贴图，贴图将支持常规的法线、凹凸等。光照模型将会对不同的材质进行不同的选择，包括但不限于使用lambert、phong、Blinn-phong光照模型。

进一步地，三级模型建立模块240被配置为使三级模型具有破坏性功能。破坏性功能是指一个模型具有多种表达状态。比如一个变电器，在正常状态下是一个表达状态，水淹时是一个表达状态（即只出现上部），烧毁后又是一个表达状态。破坏性功能赋予一个消防设备具备不同的表达状态。

再进一步地，操作的多样性，也使操作更贴近真实，并且为后期的操作反馈留下了相应接口。关于具体几种操作的说明：

手柄操控。是使用者手中握有特定手柄，通过手指的动作来进行操作。手柄一般提供按键和扳机，可以进行精确的手部位置识别操控。扳机可以适应一些具有发动时机或需长期保持的动作，按键的存在可以模仿一些实物上的按钮板，也比较贴合从平面键盘操作到虚拟现实的一种使用习惯。

二维手型识别。也可称为静态二维手势识别，是获取二维信息输入之后，识别几个静态的手势。“静态”是这种二维手势识别技术的重要特征，这种技术只能识别手势的“状态”，而不能感知手势的“持续变化”。这是一种模式匹配技术，通过计算机视觉算法分析图像，和预设的图像模式进行比对，从而理解这种手势的含义。

二维手势识别。不含深度信息，停留在二维的层面上。这种技术不仅可以识别手型，还可以识别一些简单的二维手势动作。即会跟踪手部运动，甚至每个关节的角度。拥有了动态的特征，可以追踪手势的运动，进而识别将手势和手部运动结合在一起的复杂动作。

三维手势识别。需要的输入是包含有深度的信息，可以识别各种手型、手势和动作。即不但能判断出上下左右的动作，还能判断出前后的动作差别，增加了景深属性。

身体动作识别。首先根据人体特征点查找到躯体主干和四肢，然后根据比例分布骨骼后进行身体动作识别。身体动作识别也包括静态的姿态识别，动态的运动识别。

多操作性的使用，为深度体验提供了很好的辅助，也有利于非触碰式操作或是智能防护的开发。更为各种自然反馈提供了相应的接口。

深度体验型模型建立模块250被配置为优化三级模型得到深度体验型模型,利用深度体验型模型通过人机交互方式模拟消防演练。深度体验即包括人的感官体验和人的认知体验。深度体验虚拟训练交互是能够除物理在场感之外，还能通过自然交互方式消除真实环境与计算机系统之间的界限。首先使用深度体验的虚拟现实技术，附加实时位移响应、操控器操作、手部自然操作、特定手势识别等功能，在感官体验上营造出高仿真的可操作环境。然后根据内部逻辑判断，进行环境变化、火灾应时变化、操作效果变化等进行认知体验仿真，使得消防水灭火交互训练可信、可靠、可优化。

具体地，深度体验型模型具备高清内容显示、环境效果仿真、运动实时反馈、自然交互、自然反馈等效果。涉及到计算机图像处理、硬件性能构架、环绕动态声场、物理运动运算、物理运动感应、手持类操作、手部自然操作、手势响应、碰撞检测、物理响应运算、特定反馈等方面。

进一步地，影响到深度体验型模型的效果主要有以下几大要素：(1)稳定的图像质量：图像需要足够逼真，画面流畅；

(2)头部追踪：显示内容随头部运动而改变，如果没能高度还原头部运动，会导致用户迷失和晕动症；

(3)自身动作：需要感觉自身就存在于虚拟环境中。因此需要有适当的视高、动作响应以及远近场景正常视觉变化；

(4)环境反应的连续性：虚拟环境应该是稳定且连续性的；

(5)交互：包括人机交互和人人交互，即事物关联性体现和协同操作。

(6)环境真实性：展示内容与使用者心理认知之间达到相应的仍同程度。涉及到模型真实性和知觉真实性。

为了能够使参加培训的人员在特定设备下，体验到真实的环境、及真实的设备使用、维护和维修体验，需要做以下方面的技术实现：

(1)视觉舒适度。由于人从外界获得的信息有70%以上来自视觉，所以首先需要选择能够逼真显示的设备。为了视觉舒适度，根据人眼特性，水平视角≤80度，垂直可视角度≤60度。

(2)长期使用适度感。为了舒适度和防止外部干扰，头戴显示设备重量，不包含连接线及其他分离式部件，应当不大于0.8kg。

(3)真实环境模拟。真实环境模拟包括真色彩显示与适度光影效果展示。以及特殊地形物理效果和气候效果。针对变电站场景或是设备使用场景，需要添加沉浸式环绕声场来增强临场感。

(4)自身运动实时响应。自身运动包括头部运动、身体运动、身体位移的响应。人眼的可识别变化是0.04秒，因此对运动的显示变化和物理响应需要≥0.04秒。

(5)设备仿真处理。根据模型要求精度，与人体成相同认可比例，并且体现仿真贴图效果，对特定操作有响应。能够在自然交互下有正常物理反应。如果带有动力、火控和仪电等系统，则需要体现动力、推进、爆炸、运损等效果。

(6)环境反应处理：本处环境反应，包括设备伤损状态影响的环境物理变化、设定环境变量引起的环境反应等。比如，设备碰撞后，被碰撞物体的破损状况；设定火灾情况下，水喷雾喷头引起的环境变化等。

(7)自然交互。通过多种操作交互方式，模拟自然交互，即脱离键盘、鼠标等传统输入设备后的交互方式。比如模拟推动动作、维修动作、安装动作、切断动作等。

请参见图3，在一些优选实施例中，本发明提供的消防虚拟培训系统建立系统200还包括标准化模块260，该标准化模块260对深度体验型模型进行格式化标准化，以使深度体验型模型与消防培训系统格式匹配。消防虚拟培训系统需要的模型具有全面丰富的信息，很多主流格式无法满足，比如obj文件只有网格和法线信息。大多数格式不包含贴图等多媒体信息。基本所有格式都不支持shader等显示方式信息。这些原因来源于泛用型的类型无法针对消防虚拟培训系统进行匹配。

请继续参见图3，在另一些优选实施例中，本发明提供的消防虚拟培训系统建立系统200还包括优化模块270。消防演练后，优化模块270获取消防演练的反馈信息，并根据反馈信息对消防培训系统进行优化，其中，反馈信息包括操作信息、关注点信息和动作信息。

这些信息会被存储并上传至存储器120内进行学习能力、训练效果、训练设计程度等分析。可以进行的分析反馈信息具体如下：

（1）动作偏差惯性分析。主要针对操作失误中的特性分析。针对单人训练，分析其操作与动作失误的特性。

（2）行为模式分析。分析个人的操作顺序、运动习惯，获得单人的行为模式，可对个人能力素质做客观数值化评价。

（3）维修技术难点分析。通过训练整体成绩分析，以及失误点分布来判断维修难点处或是设备可修正处。

（4）作业设计合理性分析。通过训练操作时长、熟练操作占比度等判断作业设计的合理性。

（5）指标体系修正。通过数据收集，研究已有指标与训练相关性，及时对指标体系进行扩充和修正。

（6）个人技能成长曲线记录。根据训练难度、操作权重、职务等，收集多次训练结果，可以记录个人成长曲线，有益于训练效果判断及个人能力判断。

（7）协同效果判断。根据协同操作频率、成功率、完成率等判读协同效果。

请参见图,4，图4为本发明一实施例中消防虚拟培训系统建立方法的流程示意图。该消防虚拟培训系统用于模拟消防演练。具体地，该消防虚拟培训系统建立方法包括如下步骤：

步骤S401，获取消防设备的三维数据,建立三维模型。

具体地，三维模型建立模块210被配置为对获取的消防设备进行三维模型建立并获得三维模型。该三维模型建立模块210获取消防设备的二维图像，该消防设备包括水源设备、供水设备、供水管道、雨淋阀组、过滤器、喷头、感测器和控制器。水源设备、供水设备、供水管道、雨淋阀组、过滤器、喷头、感测器和控制器组成一个变电站消防水喷雾系统，针对该变电站消防水喷雾系统的常规操作和日常维护，进行消防虚拟培训。

获得消防设备的二维图像，消防设备包括水源设备、供水设备、供水管道、雨淋阀组、过滤器、喷头、感测器和控制器；基于图像的建模和绘制技术采用离线标定技术和在线标定技术得到三维模型，离线标定技术使用标准的相机基准点进行标定，在线标定技术使用场景约束和几何约定标定。通过基于图像的建模和绘制技术建立三维模型。具体建模方法详见上文，在此不赘述。

步骤S402，通过可视化方式编辑三维模型得到一级模型,以使一级模型展示消防环境。

具体地，一级模型建立模块220被配置为通过可视化方式编辑三维模型得到一级模型，以使一级模型展示消防环境。具体地，可视化技术将物理运动、操作条件、属性变化等作为程序模块，以图形方式显示，只要通过拖拽和简单的参数设置，就可以形成完整的操作业务流，包括交互逻辑在内。通过可视化业务流程设计和操作限定设计，比如，一级模型建立模块220预设有供水设备和变压器模型，若需实现供水设备向变压器喷水，可直接拖拽，可视化的显示供水设备向变压器喷水的过程。类似的，一级模块可以可视化实现模型拖拽式布局、数字化调整接口、运行逻辑拖拽式设计、操作逻辑直接拖拽式绑定、训练逻辑直接产生、工具动作设定等。

一级模型建立模块220是针对消防演习训练的多样性、环境复杂性的一种自适应式编程化技术，主要为了避免训练单一、业务非现场化程度过高，依托于丰富的模型库，以及操作绑定的设计，进行自主组合，附加可行性与合理性自主判断能力。

步骤S403，构建一级模型的自动模拟功能得到二级模型,以使二级模型自动启动消防操作。

具体地，二级模型建立模块230被配置为构建上述一级模型的自动模拟功能得到二级模型，以使二级模型自动启动消防操作。自动启动操作具体为：水源设备、供水设备、供水管道、雨淋阀组、过滤器、喷头、感测器和控制器的自然伤损、使用伤损、匹配失误、操作失误等引起的设备非正常情况都预设有一个阈值，当非正常情况引起消防系统的数值达到阈值，则自动启动消防操作。比如，系统中出现火源，导致温度上升或者出现电火苗，则火灾感应器会出现非正常情况，说明系统的温度超过的预设的温度阈值，则自动启动消防操作，扑灭火源。

步骤S404，生成仿真型三级模型,以使三级模型具备仿真操作手段。

具体地，三级模型建立模块240被配置为生成仿真型三级模型，以使三级模型具备仿真操作手段。三级模型建立模块240主要是对消防设备的外部轮廓效果进行优化，不同的消防设备，使用的材质不同，导致消防设备在自然光下的视觉效果不同，三级模型建立模块240是优化不同的消防设备，对其外包装的视觉效果进行优化，使消防设备更接近现实。其中，消防设备视觉效果的优化包括使用漫反射、高光、透明、自发光等手段，还包括使用贴图，贴图将支持常规的法线、凹凸等。光照模型将会对不同的材质进行不同的选择，包括但不限于使用lambert、phong、Blinn-phong光照模型。

进一步地，三级模型建立模块240被配置为使三级模型具有破坏性功能。破坏性功能是指一个模型具有多种表达状态。比如一个变电器，在正常状态下是一个表达状态，水淹时是一个表达状态（即只出现上部），烧毁后又是一个表达状态。破坏性功能赋予一个消防设备具备不同的表达状态。

步骤S405，优化三级模型得到深度体验型模型。

具体地，深度体验型模型建立模块250被配置为优化三级模型得到深度体验型模型,利用深度体验型模型通过人机交互方式模拟消防演练。深度体验即包括人的感官体验和人的认知体验。深度体验虚拟训练交互是能够除物理在场感之外，还能通过自然交互方式消除真实环境与计算机系统之间的界限。首先使用深度体验的虚拟现实技术，附加实时位移响应、操控器操作、手部自然操作、特定手势识别等功能，在感官体验上营造出高仿真的可操作环境。然后根据内部逻辑判断，进行环境变化、火灾应时变化、操作效果变化等进行认知体验仿真，使得消防水灭火交互训练可信、可靠、可优化。深度体验型模型在上文已做详细描述，在此不赘述。

步骤S406，利用深度体验型模型通过人机交互方式模拟消防演练。

请参见图5，在一些优选实施例中，步骤S401之后，还包括步骤S4011，对消防设备进行数字化处理，并利用反向辅助设计对三维模型进行优化加工。

具体地，三维模型建立模块210还可以对消防设备进行数字化优化，并利用反向辅助设计对三维模型优化加工。具体地，“反向辅助设计”是与常规的“正向辅助设计“工作顺序相反的设计方法。由于电力系统的情况特殊，某些设备结构比较复杂，设计过程或设计单位保密，传统的正向辅助设计方法无法满足仿真训练的需要。另外，即使对于正向辅助设计单位来讲，由于设计过程难度系数大、周期较长、成本高，难以掌握设备的实际使用情况，难以获得一手的使用反馈意见，影响了各种设备的改进升级工作。

反向辅助设计过程中，首先对实物样件表面进行数字化处理，从最终的运作环节和消防设备的工作状态出发，分析其可能出现的状态，并利用上述提供的相关技术重新构造实物的三维模型，并进一步调整、优化，实现分析、再设计、虚拟使用、再加工等。

步骤S405之后还包括步骤S4051, 对深度体验型模型进行格式标准化，以使深度体验型模型与消防虚拟培训系统格式匹配。

具体地，标准化模块260对深度体验型进行格式化标准化，以使深度体验型模型与消防培训系统格式匹配。消防虚拟培训系统需要的模型具有全面丰富的信息，很多主流格式无法满足，比如obj文件只有网格和法线信息。大多数格式不包含贴图等多媒体信息。基本所有格式都不支持shader等显示方式信息。这些原因来源于泛用型的类型无法针对消防虚拟培训系统进行匹配。

步骤S406之后还包括步骤S4061，获取消防演练的反馈信息，并根据反馈信息对消防培训系统进行优化。

具体地，消防演练后，优化模块270获取消防演练的反馈信息，并根据反馈信息对消防培训系统进行优化，其中，反馈信息包括操作信息、关注点信息和动作信息。这些信息会被存储并上传至存储器120内进行学习能力、训练效果、训练设计程度等分析。

本发明提供的消防虚拟培训系统建立方法、系统和装置，将VR技术运用到消防演练中，对消防演练的真实运行环境、安全规程、应急演练等进行模拟和仿真训练，大大提高了消防演练的效果和安全性。

进一步地，利用本发明提供的消防虚拟培训系统，培训人员可以大胆尝试各种实际操作，还能切实感受到这些情景的危险性所在，了解到发生安全事故的隐患因素。在虚拟的环境中进行危险模拟演练，让培训人员切身体验到视觉、心理冲击，帮助他们提高现实中解决危机的能力。培训与受训人员可以大胆的在虚拟环境中尝试各种演练方案，分析各种可能的事故，实现作业引导分析，作为最后演练考核的参考。

最后，利用消防虚拟培训系统进行培训，将现实场景1:1还原，所有的培训者都可以根据流程来操作，这样有助于减少场地花费，大大降低培训成本。本领域普遍技术人员可以理解实现上述实施方式中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可存储于一计算机可读存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在相同处理器中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在相同单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能模块的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台电子设备（可以是手持式电子设备，如智能手机、笔记本电脑、个人数字助理（Personal DigitalAssistant，PDA）、智能式穿戴式设备等，也可以是桌面式电子设备，如台式机、智能电视等）或处理器（Processor）执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（Read-Only Memory，ROM）、随机存取存储器（Random AccessMemory，RAM）或者光盘等各种存储程序代码的介质。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或系统也可以由同一个单元或系统通过软件或者硬件来实现。第一、第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种变电站消防虚拟培训系统建立方法，所述消防虚拟培训系统用于模拟消防演练，所述消防演练使用有消防设备，其特征在于：所述消防虚拟培训系统建立方法包括如下步骤:

获取所述消防设备的三维数据,建立三维模型，建立三维模型包括：获得所述消防设备的二维图像，所述消防设备包括水源设备、供水设备、供水管道、雨淋阀组、过滤器、喷头、感测器和控制器；水源设备、供水设备、供水管道、雨淋阀组、过滤器、喷头、感测器和控制器组成一个变电站消防水喷雾系统，针对该变电站消防水喷雾系统的常规操作和日常维护，进行消防虚拟培训；通过基于图像的建模和绘制技术建立所述三维模型；

通过可视化方式编辑所述三维模型得到一级模型,以使所述一级模型展示消防环境；

构建所述一级模型的自动模拟功能得到二级模型,以使所述二级模型自动启动消防操作；

生成仿真型三级模型,以使所述三级模型具备仿真操作手段；

优化所述三级模型得到深度体验型模型,利用所述深度体验型模型通过人机交互方式模拟所述消防演练，获取所述消防演练的反馈信息，并根据所述反馈信息对所述消防培训系统进行优化，其中，所述反馈信息包括操作信息、关注点信息和动作信息；

所述自动模拟功能为根据监测环境变化自动判断所述消防设备的当前状态，并根据所述当前状态启动对应预设的所述消防操作。

2.如权利要求1所述的变电站消防虚拟培训系统建立方法，其特征在于：所述基于图像的建模和绘制技术采用离线标定技术和在线标定技术得到所述三维模型，所述离线标定技术使用标准的相机基准点进行标定，所述在线标定技术使用场景约束和几何约束标定。

3.如权利要求2所述的变电站消防虚拟培训系统建立方法，其特征在于：步骤所述获取所述消防设备的三维数据，建立三维模型还包括：

对所述消防设备进行数字化处理，并利用反向辅助设计对所述三维模型进行优化加工。

4.如权利要求1所述的变电站消防虚拟培训系统建立方法，其特征在于：所述仿真操作手段包括特定手柄操控、二维手型识别、二维手势识别、三维手势识别和身体动作识别。

5.如权利要求1所述的变电站消防虚拟培训系统建立方法，其特征在于：步骤所述通过可视化方式编辑三维模型得到一级模型包括修补、贴图、材质仿真和拖拽式布局。

6.如权利要求1所述的变电站消防虚拟培训系统建立方法，其特征在于：步骤所述优化所述三级模型得到深度体验型模型包括如下过程：高清内容显示、环境效果仿真、运动实时反馈、自然交互和自然反馈。

7.如权利要求1所述的变电站消防虚拟培训系统建立方法，其特征在于：步骤所述优化所述三级模型得到深度体验型模型之后还包括步骤：对所述深度体验型模型进行格式标准化，以使所述深度体验型模型与所述消防虚拟培训系统格式匹配。

8.一种变电站消防虚拟培训系统建立系统，所述消防虚拟培训系统用于模拟消防演练，所述消防演练使用有消防设备，其特征在于，使用权利要求1-7中任一项权利要求所述的方法，包括：

三维模型建立模块，被配置为对获取的所述消防设备的三维数据进行三维模型建立并获得三维模型；

一级模型建立模块，被配置为通过可视化方式编辑所述三维模型得到一级模型，以使所述一级模型展示消防环境；

二级模型建立模块，被配置为构建所述一级模型的自动模拟功能得到二级模型，以使所述二级模型自动启动消防操作；

三级模型建立模块，被配置为生成仿真型三级模型，以使所述三级模型具备仿真操作手段；及深度体验型模型建立模块，被配置为优化所述三级模型得到深度体验型模型,利用所述深度体验型模型通过人机交互方式模拟所述消防演练。

9.一种变电站消防虚拟培训系统建立装置，其特征在于，包括：

处理器；

存储器，用于存储所述处理器可执行指令；其中

所述处理器被配置成执行权利要求1至7中任一项所述的方法。

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