增强现实AR技术在应急救援中应用的探讨
赵家浩+刘凯+马名开+田玉华
摘 要：通过事实证明，针对各类事故进行应急救援预案演练，可以在事故发生时提高各级应急救援人员的救援熟练度和应急反应力、强化各部门之间的配合，传统的应急救援演练花费大、效率低，不能进行多次重复性演练、不能对多种应急救援后果进行对比。近几年兴起的应急救援仿真演练克服了传统应急演练的缺点，但其是根据应急预案提前进行演练剧情编辑与设计，演练剧情是人为主导进行设计，不具备实战化。随着科技的发展，具备远程操控、及时成像定位、无线通讯及设备轻便的增强现实AR技术，开始应用于现代应急演练及救援工作中，使更加高效安全地实现应急救援工作成为可能。本文重点介绍增强现实技术的定义及其特点，阐述增强现实技术在应急救援中的应用，从远程应急指挥、掌握精准信息、科技安全救援、实战性应急演练四个方面进行探讨分析，认为增强现实技术必定会在应急救援工作产生更多应用场景，进一步提升应急救援工作实力。
关键词：增强现实；应急救援；应用
中图分类号：U698 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）2-0028-03
1引言
近些年，随着中国经济的高速增长，灾害事故的多发性和应急救援任务的艰巨性日益凸显，处置难度也越来越大，各种灾害事故呈现出突发性、多发性、连锁性、扩展性、复杂性和不可预见性的特点。根据国家安全生产应急救援指揮中心官方网站信息公布，自其成立以来，共指导协调全国矿山、危险化学品应急救援队伍参与11.2万起事故应急救援。
通过事实证明，针对各类事故进行应急救援预案演练，可以在事故发生时提高各级应急救援人员的救援熟练度和应急反应力、强化各部门之间的配合，有效减少事故造成的人员伤亡和财产损失 。但传统的应急演练花费大、效率低，不能进行多次重复性演练、不能对多种应急救援后果进行对比，照本宣科，演练效果并不明显。
随着建模与仿真技术的快速发展，计算机应急救援模拟训练克服了传统应急演练的缺点，具有训练成本低、效率高、安全性好、可重复演练、不受时空环境限制等优点，受到各部门、企业的重视。计算机可以对真实灾害环境下的抢险救援组织指挥，事故现场处置措施进行模拟，目前，通过建立应及救援指挥模拟训练模型，开展计算机模拟训练，已成为增强应急救援指挥能力和现场处置能力的重要手段和有效措施。2014年5月11日，北京市安监局组织北京市第一届矿山救援技术竞赛。竞赛中，专门增加了事故模拟仿真救援比赛项目，第一次将模拟仿真应用于应急救援比武。2014年11月12日，北京市交通委员会和北京市安监局联合主办道路危险货物运输从业人员应急处突技能竞赛，这次竞赛中，也专门设置3D模拟仿真竞赛项目，模拟运输甲醇的常压罐车在公路隧道中被大货车追尾导致泄漏、起火的事故场景，进行事故处置和救援考核。2017年4月21日，中国石化安全工程研究院组织的应急处置仿真演练在齐鲁石化安全仿真培训基地上演，首次采用网络直播的方式对应急演练全程直播。
目前，上述应急救援仿真演练需要依托3D-GIS、3D虚拟现实（VR）软件等平台，根据应急预案提前进行演练剧情编辑与设计。归根结底，演练的剧情是人为主导进行设计。但由于人类的有限理性、环境的动荡性以及科学技术迅猛发展所注入的更多不确定性因素，现代社会环境中所爆发的各种事故远远超出人类的预见能力和应对能力，人为并不能设计出所有演练剧情。通过应急演练，在不断强化应急救援能力的基础上，根据具体的应急救援情景，以变应变，临机应景地做出正确的决策才是最有效的应急救援方式。从应急救援的角度讲，专业指挥命令下达、事故现场信息精准传达以及应急装备应用，对应急救援都具有决定性作用。但由于现有应急机制及设备限制，救援现场很难及时得到专业指挥，应急救援人员仍需要用肉眼直观判断现场环境，决定救援方案。随着科技的发展，具备远程操控、即时成像定位、无线通讯及设备轻便的增强现实AR技术，开始应用于现代应急救援工作中，使更加高效安全地实现应急救援工作成为可能。
2增强现实技术概述
2.1增强现实技术定义
增强现实技术（Augmented Reality Technique，简称AR），又名“增强虚拟现实技术”、“增强现实”、“混合现实”。它是在虚拟现实基础上发展起来的新技术，是通过计算机系统提供的信息增加用户对现实世界感知的技术，并将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中，从而实现对现实的“增强”。它将计算机生成的虚拟物体或关于真实物体的非几何信息叠加到真实世界的场景之上，实现了对真实世界的增强。
2.2增强现实技术特点
2.2.1真实世界和虚拟世界的信息集成
增强现实技术是在真实世界的基础上建立虚拟世界，但并不完全取代现实环境，而是为现实服务，让虚拟化的三维物理在立体化的全景视野中根据用户需求交互转换，将虚拟世界与用户所处真实世界融合在一起，通过对现实环境的增强来强化用户的感受与体验。
2.2.2实时交互性
实时交互是指用户可以依靠对现实世界的信息的获取，从而实时得到反馈信息。通过对现实事物的迅速识别，然后在设备中合成，将混合信息准确传达给用户，实现虚拟与真实信息的同步传播，提供用户一个能实时交互虚实结合的增强环境，使用户可以在真实世界中真实地感受来自虚拟世界的事物。
2.2.3在三维尺度空间中增添定位虚拟物体
要实现真实世界和虚拟世界的完美融合，需要将计算机产生的虚拟物体显示在现实环境中的正确位置，即使用户在现实环境中进行运动，这个定位过程也可以保持虚拟场景在现实环境中的存在性和一体性。
3增强现实技术在应急救援中的应用
3.1远程应急指挥
事故发生时，专业指挥对现场救援至关重要。但往往事发突然，专家无法在第一时间赶到现场，容易错过救援的黄金时间。增强现实技术可将现场情况远程传输到应急指挥中心，以3D成像技术还原现场，救援专家可根据立体场景，布局现场工作，并对现场传回的图像进行跟踪，实时下达救援命令。同时可以允许各级指挥员同时观看、讨论，实现应急救援现场信息的高度共享，有利于及时做出正确的救援决策。对于复杂事故现场，增强现实技术的远程指挥优势更为突出。天津港“8.12”事故起因是危险化学品爆炸，且临近住宅区，救援工作不仅依靠应急救援队员，还需要公安民警、化学专家、防化专家等多方配合。若建立增强现实技术指挥平台，进行远程指挥，可实现多地实时对接，及时汇聚各行业、各地方专家，在救援黄金时间内，最大发挥救援力量，将损失降至最低。以色列军方AR实验室已经开展上述工作，Rotem Bashi少校在TED演讲上展示了AR在紧急救援中的应用，分享了将Hololens（微软公司开发的一种增强现实头戴式显示器）用于应急救援、救援教学以及远程协助现场处置等构想。
3.2掌握精准信息
指挥中心对现场情况的了解至关重要，应急救援人员对事故现场及周边环境的判断，也直接影响救援效果。现场指挥依靠图纸了解现场环境，但应急救援人员进入火场后，无法实现信息获取，且现有无线通讯设备只能实现声音沟通，不利于现场救援人员交流。若为救援部队配备增强现实技术眼镜和头盔，可将现场构造图、周边电网与消防管网平面布置图及其它救援工作信息传输给救援队员，救援人员借助增强现实设备生成的图像，与现场真实环境匹配，精准定位最佳救援路线，选择最优救援手段，寻找最近消防栓位置，方便人员间位置确认及交流，提高救援效率，防止因救援手段使用失误造成二次事故的情况发生。
3.3科技安全救援
对于身着沉重防护服的应急救援队员而言，轻便的增强现实技术眼镜与头盔设备便于携带，相对于手持通信、成像设备，现实技术眼镜与头盔设备可大大解放消防队员双手，使其注意力集中在事故处理。以手指触碰作为操作动作的增强现实技术，对于带着厚重防护手套的火灾事故应急救援队员，更便于操作。当应急救援队员佩戴增强现实技术眼镜与头盔进入事故现场后，指挥中心将现场平面图投射于救援人员手套上，队员通过点触动作操作图像呈现，并激活无线电通讯设备与指挥中心、队友建立联系，实现科技安全救援。瑞士洛桑联邦理工学院的研究员们基于热感摄像机原理发明了一个增强现实头戴式设备，帮助消防人员在烟雾和黑暗中获得清晰视野。事实上，很多应急救援人员已经开始使用热感摄像机，但如上文所述，目前应用的摄像机体积庞大，并且需要手持，工作效率低，不能满足现场应急救援要求。
3.4实战性应急演练
以美国海军陆战队一支名为“增强沉浸式训练（Augmented Immersive Team trainer，简称AITT）”的小组为例，该小组运用增强现实技术全面拓展士兵视听功能，增强士兵实战能力，大量节省训练物资投入。借鉴国外军事经验，国内应急救援演练可以借助增强现实技术，增加更多实景演练，与传统应急演练以及应急仿真演练相比，运用增强现实技术的应急救援演练，可以将虚拟世界信息与真实世界信息重叠，模拟应急救援场景， 演练人员不仅可以看到现实的场景，而且可以看到场景中各种增加的虚拟物体，增强“临场感”，从而使应急救援人员具备更多救援经验，增强临场应变能力，使应急救援演练更加实战化。
4结论
随着移动通讯和搜索引擎技术的快速发展，将会促使增强现实技术获得迅猛发展，成为最具影响力的技术之一。应急救援远程实时指挥、现场信息精准掌握、装备科学安全配备、演练不断趋近实战，增强现实技术必定会在应急救援工作产生更多应用场景，进一步提高应急救援工作实力。
参考文献
[1] 我国安全生产应急救援队伍体系建设取得明显成效—国家安全生产应急救援指挥中心党委副书记、副主任王海军答新华网记者问[EB/OL]
http：//news.xinhuanet.com/politics/2017-05/22/c_129612467.htm
[2] 重大事故应急救援系统及预案导论[M]. 冶金工业出版社， 吴宗之，刘茂编著， 2003
[3] 齐鲁石化应急处置仿真演练成功举办[EB/OL]http：//www.sohu.com/a/136370673_656055
[4] 非常規突发事件的性质和特征探析[J]. 刘霞，严晓，刘世宏.？？北京航空航天大学学报（社会科学版）.？2011（03）
[5] 增强现实技术导论[M]. 国防工业出版社， （美国）基珀（Kipper G.），（美国）兰博拉（Rampolla J.）编著， 郑毅翻译，2014
[6] 浅谈增强现实技术及其军事应用[J]. 郭丽莉，张婷婷，刘敏.？？电脑知识与技术.？2016（07）
[7] AR用于紧急救援Rotem Bashi [EB/OL]https：//v.qq.com/x/page/q03902231lm.html
[8] Augmented Reality Visor Lets Firefighters See through the Smoke [EB/OL]
http：//www.popsci.com/augmented-reality-visor-lets-firefighters-see-through-smoke
摘 要：通过事实证明，针对各类事故进行应急救援预案演练，可以在事故发生时提高各级应急救援人员的救援熟练度和应急反应力、强化各部门之间的配合，传统的应急救援演练花费大、效率低，不能进行多次重复性演练、不能对多种应急救援后果进行对比。近几年兴起的应急救援仿真演练克服了传统应急演练的缺点，但其是根据应急预案提前进行演练剧情编辑与设计，演练剧情是人为主导进行设计，不具备实战化。随着科技的发展，具备远程操控、及时成像定位、无线通讯及设备轻便的增强现实AR技术，开始应用于现代应急演练及救援工作中，使更加高效安全地实现应急救援工作成为可能。本文重点介绍增强现实技术的定义及其特点，阐述增强现实技术在应急救援中的应用，从远程应急指挥、掌握精准信息、科技安全救援、实战性应急演练四个方面进行探讨分析，认为增强现实技术必定会在应急救援工作产生更多应用场景，进一步提升应急救援工作实力。
关键词：增强现实；应急救援；应用
中图分类号：U698 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）2-0028-03
1引言
近些年，随着中国经济的高速增长，灾害事故的多发性和应急救援任务的艰巨性日益凸显，处置难度也越来越大，各种灾害事故呈现出突发性、多发性、连锁性、扩展性、复杂性和不可预见性的特点。根据国家安全生产应急救援指揮中心官方网站信息公布，自其成立以来，共指导协调全国矿山、危险化学品应急救援队伍参与11.2万起事故应急救援。
通过事实证明，针对各类事故进行应急救援预案演练，可以在事故发生时提高各级应急救援人员的救援熟练度和应急反应力、强化各部门之间的配合，有效减少事故造成的人员伤亡和财产损失 。但传统的应急演练花费大、效率低，不能进行多次重复性演练、不能对多种应急救援后果进行对比，照本宣科，演练效果并不明显。
随着建模与仿真技术的快速发展，计算机应急救援模拟训练克服了传统应急演练的缺点，具有训练成本低、效率高、安全性好、可重复演练、不受时空环境限制等优点，受到各部门、企业的重视。计算机可以对真实灾害环境下的抢险救援组织指挥，事故现场处置措施进行模拟，目前，通过建立应及救援指挥模拟训练模型，开展计算机模拟训练，已成为增强应急救援指挥能力和现场处置能力的重要手段和有效措施。2014年5月11日，北京市安监局组织北京市第一届矿山救援技术竞赛。竞赛中，专门增加了事故模拟仿真救援比赛项目，第一次将模拟仿真应用于应急救援比武。2014年11月12日，北京市交通委员会和北京市安监局联合主办道路危险货物运输从业人员应急处突技能竞赛，这次竞赛中，也专门设置3D模拟仿真竞赛项目，模拟运输甲醇的常压罐车在公路隧道中被大货车追尾导致泄漏、起火的事故场景，进行事故处置和救援考核。2017年4月21日，中国石化安全工程研究院组织的应急处置仿真演练在齐鲁石化安全仿真培训基地上演，首次采用网络直播的方式对应急演练全程直播。
目前，上述应急救援仿真演练需要依托3D-GIS、3D虚拟现实（VR）软件等平台，根据应急预案提前进行演练剧情编辑与设计。归根结底，演练的剧情是人为主导进行设计。但由于人类的有限理性、环境的动荡性以及科学技术迅猛发展所注入的更多不确定性因素，现代社会环境中所爆发的各种事故远远超出人类的预见能力和应对能力，人为并不能设计出所有演练剧情。通过应急演练，在不断强化应急救援能力的基础上，根据具体的应急救援情景，以变应变，临机应景地做出正确的决策才是最有效的应急救援方式。从应急救援的角度讲，专业指挥命令下达、事故现场信息精准传达以及应急装备应用，对应急救援都具有决定性作用。但由于现有应急机制及设备限制，救援现场很难及时得到专业指挥，应急救援人员仍需要用肉眼直观判断现场环境，决定救援方案。随着科技的发展，具备远程操控、即时成像定位、无线通讯及设备轻便的增强现实AR技术，开始应用于现代应急救援工作中，使更加高效安全地实现应急救援工作成为可能。
2增强现实技术概述
2.1增强现实技术定义
增强现实技术（Augmented Reality Technique，简称AR），又名“增强虚拟现实技术”、“增强现实”、“混合现实”。它是在虚拟现实基础上发展起来的新技术，是通过计算机系统提供的信息增加用户对现实世界感知的技术，并将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中，从而实现对现实的“增强”。它将计算机生成的虚拟物体或关于真实物体的非几何信息叠加到真实世界的场景之上，实现了对真实世界的增强。
2.2增强现实技术特点
2.2.1真实世界和虚拟世界的信息集成
增强现实技术是在真实世界的基础上建立虚拟世界，但并不完全取代现实环境，而是为现实服务，让虚拟化的三维物理在立体化的全景视野中根据用户需求交互转换，将虚拟世界与用户所处真实世界融合在一起，通过对现实环境的增强来强化用户的感受与体验。
2.2.2实时交互性
实时交互是指用户可以依靠对现实世界的信息的获取，从而实时得到反馈信息。通过对现实事物的迅速识别，然后在设备中合成，将混合信息准确传达给用户，实现虚拟与真实信息的同步传播，提供用户一个能实时交互虚实结合的增强环境，使用户可以在真实世界中真实地感受来自虚拟世界的事物。
2.2.3在三维尺度空间中增添定位虚拟物体
要实现真实世界和虚拟世界的完美融合，需要将计算机产生的虚拟物体显示在现实环境中的正确位置，即使用户在现实环境中进行运动，这个定位过程也可以保持虚拟场景在现实环境中的存在性和一体性。
3增强现实技术在应急救援中的应用
3.1远程应急指挥
事故发生时，专业指挥对现场救援至关重要。但往往事发突然，专家无法在第一时间赶到现场，容易错过救援的黄金时间。增强现实技术可将现场情况远程传输到应急指挥中心，以3D成像技术还原现场，救援专家可根据立体场景，布局现场工作，并对现场传回的图像进行跟踪，实时下达救援命令。同时可以允许各级指挥员同时观看、讨论，实现应急救援现场信息的高度共享，有利于及时做出正确的救援决策。对于复杂事故现场，增强现实技术的远程指挥优势更为突出。天津港“8.12”事故起因是危险化学品爆炸，且临近住宅区，救援工作不仅依靠应急救援队员，还需要公安民警、化学专家、防化专家等多方配合。若建立增强现实技术指挥平台，进行远程指挥，可实现多地实时对接，及时汇聚各行业、各地方专家，在救援黄金时间内，最大发挥救援力量，将损失降至最低。以色列军方AR实验室已经开展上述工作，Rotem Bashi少校在TED演讲上展示了AR在紧急救援中的应用，分享了将Hololens（微软公司开发的一种增强现实头戴式显示器）用于应急救援、救援教学以及远程协助现场处置等构想。
3.2掌握精准信息
指挥中心对现场情况的了解至关重要，应急救援人员对事故现场及周边环境的判断，也直接影响救援效果。现场指挥依靠图纸了解现场环境，但应急救援人员进入火场后，无法实现信息获取，且现有无线通讯设备只能实现声音沟通，不利于现场救援人员交流。若为救援部队配备增强现实技术眼镜和头盔，可将现场构造图、周边电网与消防管网平面布置图及其它救援工作信息传输给救援队员，救援人员借助增强现实设备生成的图像，与现场真实环境匹配，精准定位最佳救援路线，选择最优救援手段，寻找最近消防栓位置，方便人员间位置确认及交流，提高救援效率，防止因救援手段使用失误造成二次事故的情况发生。
3.3科技安全救援
对于身着沉重防护服的应急救援队员而言，轻便的增强现实技术眼镜与头盔设备便于携带，相对于手持通信、成像设备，现实技术眼镜与头盔设备可大大解放消防队员双手，使其注意力集中在事故处理。以手指触碰作为操作动作的增强现实技术，对于带着厚重防护手套的火灾事故应急救援队员，更便于操作。当应急救援队员佩戴增强现实技术眼镜与头盔进入事故现场后，指挥中心将现场平面图投射于救援人员手套上，队员通过点触动作操作图像呈现，并激活无线电通讯设备与指挥中心、队友建立联系，实现科技安全救援。瑞士洛桑联邦理工学院的研究员们基于热感摄像机原理发明了一个增强现实头戴式设备，帮助消防人员在烟雾和黑暗中获得清晰视野。事实上，很多应急救援人员已经开始使用热感摄像机，但如上文所述，目前应用的摄像机体积庞大，并且需要手持，工作效率低，不能满足现场应急救援要求。
3.4实战性应急演练
以美国海军陆战队一支名为“增强沉浸式训练（Augmented Immersive Team trainer，简称AITT）”的小组为例，该小组运用增强现实技术全面拓展士兵视听功能，增强士兵实战能力，大量节省训练物资投入。借鉴国外军事经验，国内应急救援演练可以借助增强现实技术，增加更多实景演练，与传统应急演练以及应急仿真演练相比，运用增强现实技术的应急救援演练，可以将虚拟世界信息与真实世界信息重叠，模拟应急救援场景， 演练人员不仅可以看到现实的场景，而且可以看到场景中各种增加的虚拟物体，增强“临场感”，从而使应急救援人员具备更多救援经验，增强临场应变能力，使应急救援演练更加实战化。
4结论
随着移动通讯和搜索引擎技术的快速发展，将会促使增强现实技术获得迅猛发展，成为最具影响力的技术之一。应急救援远程实时指挥、现场信息精准掌握、装备科学安全配备、演练不断趋近实战，增强现实技术必定会在应急救援工作产生更多应用场景，进一步提高应急救援工作实力。
参考文献
[1] 我国安全生产应急救援队伍体系建设取得明显成效—国家安全生产应急救援指挥中心党委副书记、副主任王海军答新华网记者问[EB/OL]
http：//news.xinhuanet.com/politics/2017-05/22/c_129612467.htm
[2] 重大事故应急救援系统及预案导论[M]. 冶金工业出版社， 吴宗之，刘茂编著， 2003
[3] 齐鲁石化应急处置仿真演练成功举办[EB/OL]http：//www.sohu.com/a/136370673_656055
[4] 非常規突发事件的性质和特征探析[J]. 刘霞，严晓，刘世宏.？？北京航空航天大学学报（社会科学版）.？2011（03）
[5] 增强现实技术导论[M]. 国防工业出版社， （美国）基珀（Kipper G.），（美国）兰博拉（Rampolla J.）编著， 郑毅翻译，2014
[6] 浅谈增强现实技术及其军事应用[J]. 郭丽莉，张婷婷，刘敏.？？电脑知识与技术.？2016（07）
[7] AR用于紧急救援Rotem Bashi [EB/OL]https：//v.qq.com/x/page/q03902231lm.html
[8] Augmented Reality Visor Lets Firefighters See through the Smoke [EB/OL]
http：//www.popsci.com/augmented-reality-visor-lets-firefighters-see-through-smoke
