手提式灭火器VR实训系统的设计与开发
摘要：手提式灭火器使用是中等职业教育安全保卫服务、物业服务等专业学生必备的基本技能之一。为推进专业教学数字化升级改造，梳理灭火器使用的教学要求，发挥虚拟现实技术器材消耗少、沉浸体验深、安全风险低、实训效率高的优势，明确场景搭建需求、系统开发流程、硬件配置要求，校企合作完成VR实训系统建设，满足技能教学需要。
手提式灭火器使用是中等职业教育安全保卫服务、物业服务等专业学生必备的基本技能之一。传统的实训方式需要配置特殊的场地和环境，多采取教师讲解、模拟演示和示范操作的方式，加之灭火器价格较贵，维护保养费用不菲，一般只组织少数学生进行灭火器的实操训练，其余人员只能观摩学习，大多数学生没有实际操作经历，教学效果很难得到保证[1]。
为此可以运用计算机仿真技术开发一套VR实训系统，模拟各种火灾环境，让学生在虚拟环境中开展仿真灭火练习，并在考核模式下由系统依据器材选择和操作完成情况自动生成评判，提高学生训练的参与度和实效性，促进其技能水平的提升。
1手提式灭火器使用的教学要求
根据中职相关专业技能教学标准和消防设施操作员国家职业技能标准有关要求，手提式灭火器使用的教学要求主要包括以下4项内容：
1.1 识记火灾的分类
根据国家标准GB/T4968—2008《火灾分类》的规定，按燃烧对象的性质火灾可分为6类：
A类火灾：固体物质火灾。该类物质通常具有有机物性质，一般在燃烧时能产生灼热的余烬。例如，棉、毛、麻、木材、纸张等火灾。
B类火灾：液体或可熔化固体物质火灾。例如，汽油、煤油、原油、甲醇、乙醇、沥青、石蜡等火灾。
C类火灾：气体火灾。例如，天然气、甲烷、乙烷、乙炔等火灾。
D类火灾：金属火灾。例如，钾、钠、镁、钛、锂等火灾。
E类火灾：带电火灾。物体带电燃烧的火灾。例如，变压器等设备的电气火灾等。
F类火灾：烹饪器具内的烹饪物（如动物油脂或植物油脂）火灾[2]。
1.2 熟记手提式灭火器的类型和灭火适用范围
按充装灭火剂的不同，手提式灭火器可分为干粉型灭火器、水基型灭火器、二氧化碳灭火器和洁净气体灭火器等4类，通常使用最多的是前2类。其中，水基型灭火器又主要可分为泡沫灭火器和水型灭火器[3]，干粉型灭火器又可分为BC干粉灭火器、ABC干粉灭火器和D类专用干粉灭火器。各类灭火器灭火的适用范围见表1。
1.3 能熟练使用手提式灭火器进行灭火
根据可燃物的类型、火源的大小等情况，选择适合的灭火器进行灭火。手提式灭火器使用步骤可以简单用提、拔、瞄、压4个字概括。提是指提起灭火器，快速跑到人可靠近的燃烧物之处；拔是指拔下铅封、保险销；瞄是将喷嘴瞄准火焰根部；压是按下手柄左右扫射，在规定时间内完成灭火[4]。整个使用过程要求动作冷静、稳定、娴熟、果断。
1.4 知道手提式灭火器使用的常见注意事项
不同类型的灭火器在使用时有不同的注意事项，主要有：
①灭火时应站立在起火点上风或侧上风方向。
②干粉的粉雾对人的呼吸道和眼睛有刺激作用，甚至有很强的窒息作用，在密闭空间使用时，请佩戴呼吸防护设备和护目镜。
③使用二氧化碳灭火器时，要佩戴防护手套以防手部冻伤，在密封空间使用后，要快速离开空间，以防缺氧窒息。在成功扑灭火源后，应确保火灾环境通风良好，待二氧化碳完全散去，再做进一步清理。
④大多数气体灭火剂的蒸气及热分解气体都有一定的毒性，在室内使用后要迅速撤离，避免长时间暴露于高浓度的气体环境中[5]。
2VR技术在灭火器使用实训中的优势
随着VR设备的大量普及，VR技术在各级教育中受到了广泛关注，应用实践日渐成熟，在电力实操、灾害应急等行业的演练训练中都有不俗的性能表现。VR技术在灭火器使用仿真实训中同样具有明显的优势，可以大幅度提高教育培训的质量和效率。
2.1 降低实训成本，减少器材消耗
灭火器使用传统实训对场地面积和实际环境建设有较高要求，往往需要室内室外相结合，固定设施建成后，对后续扩展性的限制较大。在使用VR技术后，仅需要提供训练者能小范围活动的区域即可满足实训的要求，一口普通实训室可以布置大约10个工位，能有效节省实训场地。同时传统实训过程中还要消耗各类灭火剂和燃烧物，实验成本很高，采用虚拟实训系统可以重复使用现代化教学设备，避免灭火器的反复添置和维护保养[6]，提高使用效率，降低实训成本。
2.2 设置交互操作，提升沉浸体验
借助计算机图形学、传感器技术、人机交互等技术研发的虚拟训练系统，能将火灾现场在虚拟环境中再现出来，并提供一种安全而有效的实训环境，让参训学生在场景中进行沉浸式的交互操作，这种训练方式在灭火综合演练能起到不可替代的作用[7]。VR实训系统可以通过建模、声音、视觉等多种手段打造一个真实的工作环境，使学生身临其境地感受着火、烟雾、高温等实际场景，增强了灭火器使用的真实性，促使学生依靠自身的感知和认知能力自主地获取知识，发挥主观能动性，激发学习热情。
2.3 虚拟仿真环境，降低安全风险
现实生活中的火灾往往是很难控制的，有些火灾现场会产生有毒气体、高温浓烟等情况，蔓延速度迅猛，其危害性极大，稍有不慎即可能造成生命财产的严重损失，因此，教学中通过真实地引发一场火灾进行扑救来达成训练目标是不可取的。为解决达成教学目标与实现安全操作之间的矛盾，运用虚拟现实技术开发仿真平台就显得尤为合适[8]。在使用VR仿真系统进行实训时，学生是在虚拟场景中开展正确使用灭火器进行灭火的学习，从而大幅度降低因错误操作而带来的人员伤害和财产损失。
2.4 自动评判成绩，提高实训效率
传统技能实训项目的考核多采用主观评价方式，这就要求考评员熟知评价标准，并在考核进行过程中全神贯注、研判迅速，多名考评员同时进行打分时还需要对评价标准的尺度把握一致，这种方式费时费力且效率不高。而在VR 虚拟系统中，学生可以不断地模拟操作并及时获得反馈信息，这显然比传统的实训方式能更快地完成教学任务。系统中的考核模式可以通过后台设置对各个操作步骤的完成情况进行评判，考核结束时能自动认定成绩并完成成绩汇总，大大提高了实训效率。
3手提式灭火器VR实训系统的设计
根据教学需要，将手提式灭火器VR实训系统设计分为学习训练和考核2个部分。在学习模块中，训练内容包括在各种火灾场景中识别A、B、C、D、E、F这6种火灾类型，根据火灾类型在干粉灭火器（包含D类专用灭火器）、水基型灭火器、二氧化碳灭火器和洁净气体灭火器中正确选择灭火器，按操作步骤进行灭火操作以及完成时间四部分。学习训练时，系统在整个过程中有文字或语音提示，辅导学生按步骤开展训练。
在考核模块中，系统后台自动从涵盖6类初起火灾的不同虚拟场景中随机生成考题，场景不重复且消去名称、文字、语音提示，考题数量可在后台提前设定，每个场景考核完成后系统根据评分标准自动得出分数，然后自动进入到下一场景。所有考题全部完成后，系统提示考生考核结束并生成该考生总成绩。
3.1 场景内容与设计
学习和考核2个模块的结构和内容相同，每个场景的学习和考核内容均由“识别火灾类型”“选择手提式灭火器”“灭火操作”“完成时间”4个部分组成，如表2所示。火灾场景包含6种火灾类型，根据实训需要，每种火灾类型适当匹配多种事故场景，以增加学生实训的体验深度。考核时考题由系统在不同火灾类型不同场景中随机生成，场景不重复。
3.2 系统开发与调试
VR实训系统的开发过程涉及多个技术领域，需要具有虚拟现实技术、建模、美工等多方面知识与技能的支持以及对于实际灭火现场的理解和把握，才能较好地达成真实性、可操作性、可追溯性、安全性的开发目标，系统开发时可以按照图1所示步骤进行：
①收集场景素材。素材收集是指汇集和整理与仿真系统相关的各种资源、数据、文档、图像、音频、视频等内容的过程。开发灭火器VR仿真系统需要收集各种火灾场景、灭火器类型和规格、灭火效果和风险提示、灭火操作流程等素材信息。全面、准确地收集并整理素材，可以大大提高模拟仿真系统的真实性、交互性和易用性。常用的软件有Photoshop、3ds Max、FileZilla等。
②建立3D模型。由3D工程师使用3Dmax、multi Creator、MotionBuild等软件对人物、行为、装备和场景进行建模，以生成符合实际应用场景的交互性场景，为用户提供真实、全面的体验感受。具体建模内容应该与实际灭火训练相符合，并配有逼真的声音效果。
③进行交互设计。交互设计强调用户与产品之间的互动细节，通过合理的交互设计，产品或系统才能提供界面友好、易于操作的用户体验。常用的开发平台有Adobe XD、Axure RP、Figma等。除此之外还可以利用Unreal Engine（UE）开发引擎中强大的蓝图系统设置角色与物体之间的碰撞检测、点击事件等交互机制，提供键鼠、触控、VR、手柄等多种不同的输入方式，增强交互性。
④编写程序代码。开发人员通过编写程序代码将各种数据和算法有机地结合在一起，使整个系统具有仿真、模拟和分析的能力，实现虚拟现实场景和功能的创建与
交互，提高系统运行速度、响应时间、资源占用及并发性等方面的性能，更好地满足用户需求，提升应用的扩展性与适应性，降低后期维护延迟风险。常见的语言有C++、Python、MATLAB等，在系统开发中需要根据具体的需求、项目的规模、时间和人力成本等因素来做出不同的选择。
⑤设计用户界面。用户界面（UI）是用户与软件、应用程序或系统之间进行信息传递和操作的桥梁。用户对于产品的直接感觉大部分都来源于用户界面的视觉感受，重视UI的设计能够使用户轻松愉悦地使用软件或系统，提升用户的满意度和愉悦性[9]。常见的开发工具有Axure RP、Sketch、Adobe XD等，开发者可以根据自己的需求自由选择，最好进行试用以确保能够满足所需功能，提高工作效率。
⑥开展测试优化。测试和优化是一种持续不断的过程，测试时应按程序进行单元测试、对各子系统集成测试、在负载下对程序的性能测试以及用户验收测试，在模拟仿真系统测试过程中，应该记录所有的错误并进行紧急修复。尽量避免因为场景复杂混乱造成的眩晕感，解决触发事故无关模型所造成的画面缺失、场景异常跳转和系统崩溃等问题，力求做到交互无延迟，画面清晰、流畅，动作与音效相统一等。除此之外，开发者还需要及时更新、改进、完善系统，提高系统的性能、稳定性和可用性，帮助用户获得更好的使用体验。
3.3 硬件配置与要求
头戴式VR设备：高端VR头显，2160×120分辨率；90Hz刷新率；110°视场角；支持高阻抗耳机音频输出；内置麦克风音频输入；配套遥控手柄；六自由度陀螺仪。
电脑配置：Intel酷睿i5-7400处理器；8G内存；INVIDA GeForce GTX1070独立显卡；win10操作系统；USB3.0端口；500G SSD硬盘。
系统安装调试时，应根据实训工位的场地大小做好规划，对匹配使用的电脑、工作站、网络等设备条件进行分析，确保系统能够正常运行。在场地、硬件设备均满足条件的基础上进行系统安装、调试工作。调试期间，应仔细调整定位器（陀螺仪）的高度、角度，确保达到VR体验的最佳效果。最后由学校实习指导教师进行操作体验，对照系统开发需求逐一核对相关功能，信息公司技术人员积极完善系统，保证系统调试工作的顺利完成。
4结语
通过虚拟现实技术开发手提式灭火器实训系统可以为学生提供更好的学习体验和实践效果，使其更快地掌握灭火的核心技能和方法，提高学习者的灭火能力和应急处理水平，并能有效促进虚拟现实技术在安全教育领域的应用和发展。
