一种虚拟消防训练系统的制作方法

本发明属于消防设备技术领域，特别涉及一种虚拟消防训练系统。

背景技术：

目前，国内外灾难性事故频发，随着社会经济的发展，造成了灾难现场的多样性，专业性，由此而引发的消防部队训练难度增加，如果需要部队适应各类不同的专业性很强的灾害现场，传统的做法就是需要投入大量的人力、物力实体建造和模拟各种灾害环境。由于这样的实体仿真环境的大量的成本投入使得训练演习不能频繁进行，虚拟现实技术的产生为应急演练提供了一种全新的开展模式，将事故现场模拟到虚拟场景中去，从而节省了大量的成本。在这里可以人为的制造各种事故环境，组织学员做出正确响应，同时由于硬件投入少，软件的可复制性和可修改性，使得基于VR虚拟现实的应急救援训练成为各个发达国家本世纪最为关注的训练设备发展方向。

随着虚拟技术的飞速发展，国内外针对虚拟现实技术的产品日新月异，国际上较为著名的相关发明有个大硬件厂家在近年ECS上展示的背包式小型电脑装置，更有微星和惠普等公司在2016年各大展会上展示的为VR设计的穿戴式PC。

这些装置基本上是各个厂商针对VR游戏所设计的，如果直接用于部队训练方面，则存在着构架牢度差，环境适应性低，没有防水防尘设计和没有针对部队训练要求的虚拟环境的优化电气功能，不符合消防部队实训的需求。

技术实现要素：

本发明提供一种虚拟消防训练系统，以适应消防部队的虚拟训练要求。

一种虚拟消防训练系统，包括背负式虚拟实战训练系统和背负式虚拟终端控制系统，背负式虚拟实战训练系统在云端服务器上运行，背负式虚拟终端控制系统在背负式终端上运行，

位于云端服务器上的背负式虚拟实战训练服务系统包括用户管理模块、训练数据模块、场景数据模块、数据管理系统、虚拟火场环境生成模块、火场流体AI控制模块、设备交互效果控制模块、多人协同AI控制模块、虚拟训练场景系统和场景管理系统，其中：

用户管理模块，是对训练参与人员的信息化管理模块，针对训练者的大数据采集，以及身体状况的时序性记录，以供系统进行训练强度控制参照，

训练数据模块，记录训练实时数据，并负责进行数据回放功能的实施，为部队教导人员，对实训人员的训练过程、训练动作以及在不同场景下的团队配合实训信息进行回放、展示、总结、汇报功能的实现，

场景数据模块，是针对虚拟场景的模型数据进行管理整合的管理模块，本模块集合各种场景中的独立精致近景模型体和综合远景场景模型，并在不同的训练需求中按照管理设定进行自由组合形成适合于实训的灾害现场虚拟训练场景，以供训练使用，

数据管理系统，针对用户管理模块、训练数据模块、场景数据模块进行管理的系统模块，针对这三个模块的后台汇总、数据的增删改查，以及相应大数据收集计算功能的实现，同时根据训练需求，汇总训练场次中的任务、人员、场景等实时数据，与场景管理系统进行通讯，生成可供训练使用的虚拟场景构建，

虚拟火场环境生成模块，根据场景数据和训练需求进行筛选整合，生成符合训练逻辑的虚拟训练场景，其中包括近景交互性模型、中远景环境模型和远景天空模型，以达到在实训中能够有高度沉浸感的目的，

火场流体AI控制模块，根据场景数据和训练需求，对场景中各种不同的流体按照场景需求实施前期预判，利用AI智能算法，描绘流体运行路径上各种发生可能性，并根据运算结果进行云端计算和云端粒子预渲染功能，以减小终端计算量，降低终端对场景流体实时渲染的计算压力，

设备交互效果控制模块，为虚拟场景实体化外联模块，根据实训需要，本模块实时对外进行通讯，控制外部设备，配合虚拟场景，对训练人员的体感、嗅觉、温度、重力、气候环境，进行实景仿真效果的控制，本模块基于串口通讯和TCP/IP协议的网络通讯控制，

多人协同AI控制模块，是针对团队训练进行控制的功能模块，本模块在虚拟场景中团队人员交互通讯、交互视觉、交互后果几个方面进行智能计算，根据团队训练中各个组员对虚拟场景的交互，进行事件发展预判，从而反作用于其他组员的体验场景，以达到团队协作的训练真实感，

虚拟训练场景系统，是针对虚拟火场环境生成模块、火场流体AI控制模块、场景管理系统、多人协同AI控制模块，各个模块的汇总管理，将以上四个模块所产生的运算结果作用于虚拟场景体系，并将实时收到的反馈按照各个模块的功能分配给这四个模块进行运算，同时，本模块负责与终端系统的通讯连接，发送经过预计算和预渲染的虚拟场景数据，接收终端交互反馈数据，并根据需要，向场景管理系统发送数据请求，以获得场景中需要的各类模型体数据，

场景管理系统，是连接数据管理系统和虚拟训练场景系统的中间缓冲数据纽带，本模块根据数据管理系统生成的实训需求数据，配置相应的模型场景需求，并从数据管理系统中获得所需的备用模型数据，根据虚拟训练场景系统的实时需求进行模型的针对性优化数据供给，针对模型在虚拟训练场景系统中的位置需求，分近、中、远三个层次进行优化模型，以减低场景中多边形总量，减轻设备终端运行时的计算压力，

位于背负式终端设备上的背负式虚拟终端控制系统，包括云渲染数据流控制模块、场景显示模块、互动控制模块、双目立体影像视网膜投射系统、位置采集模块和动作采集模块，其中：

云渲染数据流控制模块，通过无线网络与服务器主机进行数据交换，从云空间下载构建实训场景需要的经过云端预渲染的模型构件和组成实训场景的规则等数据，并分配至场景显示和互动控制模块，并从互动控制模块采集经过处理的交互数据发送给服务器上的虚拟训练场景系统进行交互处理，

场景显示模块，由云渲染数据流控制模块获得虚拟实训场景的显示位置数据，并根据受训人员在虚拟空间的相对位置坐标，以受训人的视觉范围进行实时渲染，并将不同角度的渲染结果发送给双目立体影像视网膜投射系统，进行视觉投放，

互动控制模块，收集位置采集模块和动作采集模块传输来的相对位置坐标数据和交互触发数据，并根据这些数据和场景进行的相互碰撞，而计算出实训人员在虚拟场景中的绝对位置数据，传输给云渲染数据流控制模块，以计算实训人员交互动作对场景及显示产生的被动型变化，

双目立体影像视网膜投射系统，由场景显示模块获得虚拟实训场景的渲染结果，并根据受训人员的瞳距差生成两幅具有视差的投射图像，通过目镜在人眼中生成虚像，从而使受训人员能够感受到真实的空间立体场景，同时，通过接近人体视觉的画面扫描频率，减弱人体对虚拟场景中运动同步产生的晕眩感，

位置采集模块，通过陀螺仪、激光定位等外部设备，采集受训人员在真实环境中的位置数据，并传输给互动控制模块，以获得受训人在虚拟场景中的位置变化数据，实现受训人在虚拟场景中的坐标移动数据，

动作采集模块，接收无线连接的外部实体设备在真实空间中位置的变化数据，从而根据这些数据与标准点之间的角度和距离的变化关系，计算出外部交互设备与受训人体之间的相对位置变化数据，从而传输给互动控制模块，以便在虚拟场景中控制与外部实体设备相应的虚拟设备的运动，从而实现虚拟设备在虚拟场景中的交互。

虚拟消防训练系统包括的背负式终端设备，其硬件组成包括以下模块：

无线通讯模块，该模块通过TCP/IP协议和IEEE 802.11无线网络进行数据传输；

中央处理器，采用基于INTELL公司的节能型I7多核处理器构架，保证虚拟场景交互数据的实时处理能力；

渲染模块，采用节能型NVIDIA(英伟达)GTX1070渲染机制，保证了虚拟场景实时显示的渲染需求；

保护功能头盔，该头盔包括三个功能模块，双目视差显示器、场景音响模块和头部交互模块：

双目视差显示器，利用双目视差原理，通过具有视差效应的两幅动态影像，在受训人员的视觉感官中形成立体的三维空间感，从而让受训人员具有更好的虚拟现实沉浸感，同时该显示器是虚拟场景的最主要表现窗口，也是受训人员与虚拟场景的关键接口；

场景音响模块，保证阻断受训人员的外部听觉，以保障受训人员在虚拟场景中的沉浸感；

头部交互模块，在头盔的内部，通过六轴陀螺仪获取受训人员的头部运动角度和加速度数据，根据运算获得的受训人员视角变化，通过渲染模块对上位机发送来的预渲染模型场景进行视角改变的二次实时渲染，改变显示图像，达到保证受训人员与虚拟场景同步交互的作用。

背负式终端设备具有能源保障系统，通过双数组合式薄板锂电组和变压模块，对整个背负式设备进行供电，同时采用高压电池组的方式提升充电效率，延长电池的单组使用时长。

背负式终端设备具有封闭式三防散热系统，在最小的能源消耗的情况下，保证系统的正常运行温度，同时具有防水、防尘、防撞击的三防功能，尤其是利用纵横双向的矢量散热函道构架，同时使壳体在减轻总质量的前提下达到坚固防撞击的功能，

背负式终端设备具有盒体和盒盖，主板被内置于封闭的盒体中，盒体表面具有多个并排的散热片，在散热片上设有具有风扇的导流板，形成纵横双向的矢量散热函道，其中，风扇具有嵌装风扇网的风扇罩。

背负式终端设备具有交互式外设，通过基于wifi无线通信方式的实现实体仿真训练。

本发明可应用于消防、武警、公安等部门的日常性虚拟现实训练系统中所需要的便携式背负虚拟现实配套设施。其主要功能特点是支持无线传输环境中，对双目视差立体显示装置、交互性手持设备以及虚拟场景进行适合于训练活动的实时控制和显像构建虚拟场景的现场渲染功能。

同时，本发明针对部队训练的实际训练需求，在防水防尘方面进行了针对性设计，满足部队户外现场训练的需求。针对部队训练强度，虚拟双目视差显示器又遮蔽了受训者的正常视觉，为了对训练者进行身体保护，本系统具有防护特性的新型的防护头盔式双目视差立体显示装置，以避免部队官兵在进行虚拟训练时的头部伤害。

附图说明

图1是本发明系统组成示意图。

图2是本系统中背负式终端设备的硬件组成原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的虚拟训练交互软件包括，位于云端服务器上的背负式虚拟实战训练服务系统：其中，

A模块(用户管理)：本模块主要是对训练参与人员的信息化管理模块，主要针对训练者的大数据采集，以及身体状况的时序性记录，以供系统进行训练强度控制参照。

B模块(训练管理)：本模块主要记录训练实时数据，并负责进行数据回放功能的实施，主要为部队教导人员，对实训人员的训练过程、训练动作以及在不同场景下的团队配合实训信息进行回放、展示、总结、汇报等功能的实现。

C模块(场景数据)：本模块是针对虚拟场景的模型数据进行管理整合的管理模块，本模块集合各种场景中的独立精致近景模型体和综合远景场景模型，并在不同的训练需求中按照管理设定进行自由组合形成适合于实训的灾害现场虚拟训练场景，以供训练使用。

D模块(数据管理系统)：本模块是针对A、B、C三个模块进行管理的系统模块，针对A、B、C三大数据模块的后台汇总、数据的增删改查，以及相应大数据收集计算等功能的实现。同时根据训练需求，汇总训练场次中的任务、人员、场景等实时数据，与J模块进行通讯，生成可供训练使用的虚拟场景构建。

E模块(虚拟火场环境生成)：本模块根据场景数据和训练需求进行筛选整合，生成符合训练逻辑的虚拟训练场景，其中包括近景交互性模型、中远景环境模型和远景天空模型。以达到在实训中能够有高度沉浸感的目的。

F模块(火场流体AI控制)：本模块根据场景数据和训练需求，对场景中各种不同的流体按照场景需求实施前期预判，利用AI智能算法，描绘流体运行路径上各种发生的可能性，并根据运算结果进行云端计算和云端粒子预渲染功能，以减小终端计算量，降低终端对场景流体实时渲染的计算压力。

J模块(设备交互效果控制)：本模块为虚拟场景实体化外联模块，根据实训需要，本模块实时对外进行通讯，控制外部设备，配合虚拟场景，对训练人员的体感、嗅觉、温度、重力、气候环境，进行实景仿真效果的控制。本模块基于串口通讯和TCP/IP协议的网络通讯控制。

H模块(多人协同AI控制)：本模块是针对团队训练进行控制的功能模块，本模块主要在虚拟场景中团队人员交互通讯、交互视觉、交互后果几个方面进行智能计算，根据团队训练中各个组员对虚拟场景的交互，进行事件发展预判，从而反作用于其他组员的体验场景，以达到团队协作的训练真实感。

I模块(虚拟训练场景系统)：本模块是针对E、F、J、H各个模块的汇总管理，将以上四个模块所产生的运算结果作用于虚拟场景体系，并将实时收到的反馈按照各个模块的功能分配给E、F、J、H模块进行运算。同时，本模块负责与终端系统的通讯连接，发送经过预计算和预渲染的虚拟场景数据，接收终端交互反馈数据。并根据需要，向J模块发送数据请求，以获得场景中需要的各类模型体数据。

J模块(场景管理系统)：本模块是连接D模块和I模块的中间缓冲数据纽带，本模块根据D模块生成的实训需求数据，配置相应的模型场景需求，并从D模块中获得所需的备用模型数据，根据I模块的实时需求进行模型的针对性优化数据供给，针对模型在I模块中的位置需求，分近、中、远三个层次进行优化模型，以减低场景中多边形总量，减轻设备终端运行时的计算压力。

位于背负式终端设备上的背负式虚拟终端控制系统，其中，

K模块(云渲染数据流控制)：本模块通过WIFI无线网络与服务器主机进行数据交换，从云空间下载构建实训场景需要的经过云端预渲染的模型构件和组成实训场景的规则等数据，并分配至L、M模块，并从M模块采集经过处理的交互数据发送给服务器上的I模块进行交互处理。

L模块(场景显示)：本模块由K模块获得虚拟实训场景的显示位置数据，并根据受训人员在虚拟空间的相对位置坐标，以受训人的视觉范围进行实时渲染，并将不同角度的渲染结果发送给N模块，进行视觉投放。

M模块(互动控制)：本模块采集O、P模块传输来的相对位置坐标数据和交互触发数据，并根据这些数据和场景进行的相互碰撞，而计算出实训人员在虚拟场景中的绝对位置数据，传输给K模块，以计算实训人员交互动作对场景及显示产生的被动型变化。

N模块(双目立体影像视网膜投射系统)：本模块由L模块获得虚拟实训场景的渲染结果，并根据受训人员的瞳距差生成两幅具有视差的投射图像，通过目镜在人眼中生成虚像，从而使受训人员能够感受到真实的空间立体场景。同时，通过接近人体视觉的画面扫描频率，减弱人体对虚拟场景中运动同步产生的晕眩感。

O模块(位置采集)：本模块通过陀螺仪、激光定位等外部设备，采集受训人员在真实环境中的位置数据，并传输给M模块，以获得受训人在虚拟场景中的位置变化数据，实现受训人在虚拟场景中的坐标移动数据。

P模块(动作采集)：本模块接收无线连接的外部实体设备在真实空间中位置的变化数据，从而根据这些数据与标准点之间的角度和距离的变化关系，计算出外部交互设备与受训人体之间的相对位置变化数据，从而传输给M模块，以便在虚拟场景中控制与外部实体设备相应的虚拟设备的运动。从而实现虚拟设备在虚拟场景中的交互。

本发明的背负式终端设备的硬件包括如图2中各个模块：

Q模块(无线通讯)：本模块通过TCP/IP协议和IEEE 802.11无线网络进行数据传输，本发明为了满足户外场地中的部队训练，通过加强型天线，将训练场地与主网络AP节点的位置扩展到100m距离，并能保证100M/s的大数据量的虚拟场景数据传输。

R模块(中央处理器)：本模块采用了基于INTELL公司的节能型I7多核处理器构架，配合1366MHz的8G内存和256GSSD固态硬盘，保证虚拟场景交互数据的实时处理能力。

S模块(渲染模块)：本模块采用了节能型NVIDIA(英伟达)GTX1070渲染机制，保证了虚拟场景实时显示的渲染需求。

T模块(封闭式三防散热系统)：Q、R、S模块都是耗能高，发热量大的电气模块，为了保证其正常运行，并符合部队实训的三方要求，本发明专门设计了具有封闭式功能的内外双主动循环散热体系，在最小的能源消耗的情况下，保证系统的正常运行温度。同时本模块具利用有防水、防尘、防撞击的三防功能，尤其是利用纵横双向的矢量散热函道构架，同时使壳体在减轻总质量(总重量9.5KG，接近消防员背负气瓶重量)的前提下达到坚固防撞击的功能，目前国内外尚未见到此类设计。

U模块(保护功能头盔)：本模块是为了适应部队实训的激烈运动，防止训练中视差立体显示装置由于剧烈运动脱落，同时防止在虚拟场景中运动的受训人员受到现实世界中的撞击伤害而设计的。本模块中包含了V、W、X三个功能模块。

V模块：(双目视差显示器)：本模块是利用双目视差原理，通过具有视差效应的两幅动态影像，在受训人员的视觉感官中形成立体的三维空间感。从而让受训人员具有更好的虚拟现实沉浸感。本显象机构是虚拟场景的最主要表现窗口，也是受训人员与虚拟场景的关键接口。

W模块(场景音响)：U模块的两侧靠近人耳位置，本发明设计了4mm直径的一对永磁喇叭，能够很好的保证阻断受训人员的外部听觉，以保障受训人员在虚拟场景中的沉浸感。

X模块(头部交互)：本模块在头盔U模块的内部，通过六轴陀螺仪获取受训人员的头部运动角度和加速度数据，发送给R模块，根据运算获得的受训人员视角变化，通过S模块对上位机发送来的预渲染模型场景进行视角改变的二次实时渲染，改变V模块中的显示图像，达到保证受训人员与虚拟场景同步交互的作用。

Y模块(能源保障系统)：本模块是通过双数组合式薄板锂电组和变压模块，对整个背负式设备进行供电，本发明利用双电池无缝替换的方式，实现长时间不停机连续工作。同时本模块采用高压电池组的方式提升充电效率，延长电池的单组使用时长。

Z模块(交互式外设)：本模块涉及多种基于wifi无线通信方式的实体仿真训练器材。