【摘 要】 论述了虚拟现实技术（Virtual Reality）的基本原理、应用范围。结合大空间公用建筑火灾虚拟现实系统，提出了安全工程中应用虚拟现实技术的基本结构及程序设计关键技术，给出了大空间公用建筑火灾虚拟现实系统编制实例。
【关键词】 安全工程 虚拟现实 火灾救灾Application of Virtual Reality in Safety Engineering
Qi Yixin Xia ZhengyiWang Jian Fan Weicheng
(China University of Mining&Technology)(University of Science and Technology of China)Abstract The basic principle of uirtual reality and its extent of application are discussed.In combining with the virtual reality of the fire of big space public building the basic structure of the technology of the virtual reality and the key technique of program design are put forward.An example of the virtual reality system of big space public building is provided.
Key words： Safety engineering Virtual reality Fire saving1 引 言
安全是保障人类生存和生活质量的重要方面。随着人类社会的进步和生活水平的提高，人们对自身安全的要求越来越高。社会活动中，存在着大量不安全因素，要保证人的安全，离不开对社会环境的真实了解——安全管理人员需要了解管理区域内存在的事故隐患；科研人员需要向人们真实反映其安全研究的的成果；而普通人则需要有一定的安全知识和防范意识。这些都需要人们能处于真实的环境中，如安全管理人员能根据发生灾害而对其现场的真实环境进行正确的决策；而科技人员需要将研究的方法、设备、仪器等应用于真实的环境进行检验；普通人也需要在现实的环境中接受安全教育、救生训练等；设计人员需要在真实的环境中验证设计的安全性。上述情况都离不开人类生存的现实社会。但由于受到各种环境因素的限制，人类不可能采用实际模拟的方式，使每个人均能置身于真实的环境中，有时真实感受安全的状况是不安全的，甚至是根本无法提供这种现实的环境（如建筑物仅仅在设计中）的，因而需要有一个能够模拟真实环境的系统来辅助人员感受这种环境。当前，国内外普遍采用的虚拟现实技术便能满足这种要求。
2 虚拟现实(Virtual Reality—VR)简介
虚拟现实技术是指利用人工智能、计算机图形学、人机接口、多媒体、计算机网络及电子、机械、视听等高新技术，模拟人在特定环境中的视、听、动等行为的高级人机交互技术。交互性是指“参与者”利用视觉、听觉、 触觉、嗅觉和味觉等感官功能及对话、头部运动、眼睛移动、转身、拾取和放置等人类自然技能，对虚拟实体进行交互考察与操作的过程。
虚拟环境技术的体系结构可以用图1所示的3个I的 “三角形”来表示，所谓的3-I即Immersion-Interaction-Imagination，指沉浸-交互-构想。这三个I，是VR系统的三个基本特征。它表示VR系统使人由过去只能从计算机系统的外部去观测计算处理的结果，发展到能够沉浸到计算机系统所创建的系统中；从过去人们只能通过键盘、鼠标与计算环境中的数字化信息发生交互作用，到能够利用多种传感器与多 维化信息的环境发生交互作用；由过去人们只能从定量计算为主的结果中得到启发从而加深对事物的认识，到有可能从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，从而深化概念和萌发新意。图1 3—I“三角形”
也就是说，在VR系统中，人们的目的是使计算机及其他传感器组成的信息处理系统去尽量“满足”人的需要，而不是强迫人去“凑合”那些不很亲切的计算机系统。
3 虚拟现实技术在安全工程中应用的领域
综合虚拟现实技术的特点，笔者认为安全工程在以下方面可充分应用虚拟现实技术：
1) 科学研究、实验及计算机模拟结果的真实化再现
安全科学的研究成果需要用直观的形式表示出来，使用VR技术与多媒体及可视化技术相结合，可以创造一种虚拟的真实环境，可以将孤单的研究公式、计算数值用完全真实的立体效果表示出来，并且人们可以交互式地控制这种表示结果，可以通过动态改变参数（这种改变不一定要由人输入数据，而可以由人操纵某种VR设备，如数据手套等进行近乎自然的交互方式）来观察计算结果。
2) 安全性能设计
任何社会产品（也包括安全产品）都应该有其自身的安全性。而人们在产品未生产出前，是无法真实感受其安全性的，而VR技术可以预先为其提供一种虚拟的真实产品模型，让设计者和使用者在产品付诸生产之前就能亲身感受到该产品的安全性能，从而为设计者提供改进的依据。
3) 救灾指挥决策
发生事故时，救灾指挥者一方面需要准确掌握事故现场的情况，另一方面要了解事故可能的发展趋势，甚至有时需要进行远程指挥（如主要事故处理专家一时无法到达事故现场），这时可以应用VR技术与其它模拟技术相结合的方式来完成。此外，还可以利用VR技术来模拟未发生的事故，进行对人员的训练工作。
4） 日常安全教育与避灾训练
可以针对某些事故及一定区域建造事故模拟和训练的VR系统，让人们在真实的环境中接受事故预防的教育及事故抢险人员的操作训练，从而提高人们对事故的感知度及抢险人员的技术操作水平和战斗力。
3 安全工程虚拟现实系统结构
由于安全工程涉及范围广泛，所以对不同领域的安全工程VR系统的侧重面就可能有所不同。本文以大空间建筑火灾VR系统为例进行介绍。
中国科学技术大学和中国矿业大学合作，针对大空间建筑火灾的特点，建立了大空间建筑火灾VR系统。这是国内目前安全领域所建立的唯一VR系统。建筑火灾的VR系统主要有两个方面，一是要考虑建筑物本身的结构模型的真实性；二是火灾模拟的真实性。本文论述的大空间建筑火灾VR系统结构主要包括两个模型、两个接口及一套外围设备，即：
1) 建筑物真实感三维立体模型系统；
2) 火灾烟气及火焰模型系统；
3) 三维模型运动及控制接口；
4) 外围设备与两个模型的接口；
5) 虚拟现实外围设备系统； [page]
