本發(fā)明屬于消防設備技術領域，特別涉及一種虛擬消防訓練系統(tǒng)。

背景技術：

目前，國內(nèi)外災難性事故頻發(fā)，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，造成了災難現(xiàn)場的多樣性，專業(yè)性，由此而引發(fā)的消防部隊訓練難度增加，如果需要部隊適應各類不同的專業(yè)性很強的災害現(xiàn)場，傳統(tǒng)的做法就是需要投入大量的人力、物力實體建造和模擬各種災害環(huán)境。由于這樣的實體仿真環(huán)境的大量的成本投入使得訓練演習不能頻繁進行，虛擬現(xiàn)實技術的產(chǎn)生為應急演練提供了一種全新的開展模式，將事故現(xiàn)場模擬到虛擬場景中去，從而節(jié)省了大量的成本。在這里可以人為的制造各種事故環(huán)境，組織學員做出正確響應，同時由于硬件投入少，軟件的可復制性和可修改性，使得基于VR虛擬現(xiàn)實的應急救援訓練成為各個發(fā)達國家本世紀最為關注的訓練設備發(fā)展方向。

隨著虛擬技術的飛速發(fā)展，國內(nèi)外針對虛擬現(xiàn)實技術的產(chǎn)品日新月異，國際上較為著名的相關發(fā)明有個大硬件廠家在近年ECS上展示的背包式小型電腦裝置，更有微星和惠普等公司在2016年各大展會上展示的為VR設計的穿戴式PC。

這些裝置基本上是各個廠商針對VR游戲所設計的，如果直接用于部隊訓練方面，則存在著構架牢度差，環(huán)境適應性低，沒有防水防塵設計和沒有針對部隊訓練要求的虛擬環(huán)境的優(yōu)化電氣功能，不符合消防部隊實訓的需求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種虛擬消防訓練系統(tǒng)，以適應消防部隊的虛擬訓練要求。

一種虛擬消防訓練系統(tǒng)，包括背負式虛擬實戰(zhàn)訓練系統(tǒng)和背負式虛擬終端控制系統(tǒng)，背負式虛擬實戰(zhàn)訓練系統(tǒng)在云端服務器上運行，背負式虛擬終端控制系統(tǒng)在背負式終端上運行，

位于云端服務器上的背負式虛擬實戰(zhàn)訓練服務系統(tǒng)包括用戶管理模塊、訓練數(shù)據(jù)模塊、場景數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、虛擬火場環(huán)境生成模塊、火場流體AI控制模塊、設備交互效果控制模塊、多人協(xié)同AI控制模塊、虛擬訓練場景系統(tǒng)和場景管理系統(tǒng)，其中：

用戶管理模塊，是對訓練參與人員的信息化管理模塊，針對訓練者的大數(shù)據(jù)采集，以及身體狀況的時序性記錄，以供系統(tǒng)進行訓練強度控制參照，

訓練數(shù)據(jù)模塊，記錄訓練實時數(shù)據(jù)，并負責進行數(shù)據(jù)回放功能的實施，為部隊教導人員，對實訓人員的訓練過程、訓練動作以及在不同場景下的團隊配合實訓信息進行回放、展示、總結、匯報功能的實現(xiàn)，

場景數(shù)據(jù)模塊，是針對虛擬場景的模型數(shù)據(jù)進行管理整合的管理模塊，本模塊集合各種場景中的獨立精致近景模型體和綜合遠景場景模型，并在不同的訓練需求中按照管理設定進行自由組合形成適合于實訓的災害現(xiàn)場虛擬訓練場景，以供訓練使用，

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，針對用戶管理模塊、訓練數(shù)據(jù)模塊、場景數(shù)據(jù)模塊進行管理的系統(tǒng)模塊，針對這三個模塊的后臺匯總、數(shù)據(jù)的增刪改查，以及相應大數(shù)據(jù)收集計算功能的實現(xiàn)，同時根據(jù)訓練需求，匯總訓練場次中的任務、人員、場景等實時數(shù)據(jù)，與場景管理系統(tǒng)進行通訊，生成可供訓練使用的虛擬場景構建，

虛擬火場環(huán)境生成模塊，根據(jù)場景數(shù)據(jù)和訓練需求進行篩選整合，生成符合訓練邏輯的虛擬訓練場景，其中包括近景交互性模型、中遠景環(huán)境模型和遠景天空模型，以達到在實訓中能夠有高度沉浸感的目的，

火場流體AI控制模塊，根據(jù)場景數(shù)據(jù)和訓練需求，對場景中各種不同的流體按照場景需求實施前期預判，利用AI智能算法，描繪流體運行路徑上各種發(fā)生可能性，并根據(jù)運算結果進行云端計算和云端粒子預渲染功能，以減小終端計算量，降低終端對場景流體實時渲染的計算壓力，

設備交互效果控制模塊，為虛擬場景實體化外聯(lián)模塊，根據(jù)實訓需要，本模塊實時對外進行通訊，控制外部設備，配合虛擬場景，對訓練人員的體感、嗅覺、溫度、重力、氣候環(huán)境，進行實景仿真效果的控制，本模塊基于串口通訊和TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡通訊控制，

多人協(xié)同AI控制模塊，是針對團隊訓練進行控制的功能模塊，本模塊在虛擬場景中團隊人員交互通訊、交互視覺、交互后果幾個方面進行智能計算，根據(jù)團隊訓練中各個組員對虛擬場景的交互，進行事件發(fā)展預判，從而反作用于其他組員的體驗場景，以達到團隊協(xié)作的訓練真實感，

虛擬訓練場景系統(tǒng)，是針對虛擬火場環(huán)境生成模塊、火場流體AI控制模塊、場景管理系統(tǒng)、多人協(xié)同AI控制模塊，各個模塊的匯總管理，將以上四個模塊所產(chǎn)生的運算結果作用于虛擬場景體系，并將實時收到的反饋按照各個模塊的功能分配給這四個模塊進行運算，同時，本模塊負責與終端系統(tǒng)的通訊連接，發(fā)送經(jīng)過預計算和預渲染的虛擬場景數(shù)據(jù)，接收終端交互反饋數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要，向場景管理系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)請求，以獲得場景中需要的各類模型體數(shù)據(jù)，

場景管理系統(tǒng)，是連接數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和虛擬訓練場景系統(tǒng)的中間緩沖數(shù)據(jù)紐帶，本模塊根據(jù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)生成的實訓需求數(shù)據(jù)，配置相應的模型場景需求，并從數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中獲得所需的備用模型數(shù)據(jù)，根據(jù)虛擬訓練場景系統(tǒng)的實時需求進行模型的針對性優(yōu)化數(shù)據(jù)供給，針對模型在虛擬訓練場景系統(tǒng)中的位置需求，分近、中、遠三個層次進行優(yōu)化模型，以減低場景中多邊形總量，減輕設備終端運行時的計算壓力，

位于背負式終端設備上的背負式虛擬終端控制系統(tǒng)，包括云渲染數(shù)據(jù)流控制模塊、場景顯示模塊、互動控制模塊、雙目立體影像視網(wǎng)膜投射系統(tǒng)、位置采集模塊和動作采集模塊，其中：

云渲染數(shù)據(jù)流控制模塊，通過無線網(wǎng)絡與服務器主機進行數(shù)據(jù)交換，從云空間下載構建實訓場景需要的經(jīng)過云端預渲染的模型構件和組成實訓場景的規(guī)則等數(shù)據(jù)，并分配至場景顯示和互動控制模塊，并從互動控制模塊采集經(jīng)過處理的交互數(shù)據(jù)發(fā)送給服務器上的虛擬訓練場景系統(tǒng)進行交互處理，

場景顯示模塊，由云渲染數(shù)據(jù)流控制模塊獲得虛擬實訓場景的顯示位置數(shù)據(jù)，并根據(jù)受訓人員在虛擬空間的相對位置坐標，以受訓人的視覺范圍進行實時渲染，并將不同角度的渲染結果發(fā)送給雙目立體影像視網(wǎng)膜投射系統(tǒng)，進行視覺投放，

互動控制模塊，收集位置采集模塊和動作采集模塊傳輸來的相對位置坐標數(shù)據(jù)和交互觸發(fā)數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)和場景進行的相互碰撞，而計算出實訓人員在虛擬場景中的絕對位置數(shù)據(jù)，傳輸給云渲染數(shù)據(jù)流控制模塊，以計算實訓人員交互動作對場景及顯示產(chǎn)生的被動型變化，

雙目立體影像視網(wǎng)膜投射系統(tǒng)，由場景顯示模塊獲得虛擬實訓場景的渲染結果，并根據(jù)受訓人員的瞳距差生成兩幅具有視差的投射圖像，通過目鏡在人眼中生成虛像，從而使受訓人員能夠感受到真實的空間立體場景，同時，通過接近人體視覺的畫面掃描頻率，減弱人體對虛擬場景中運動同步產(chǎn)生的暈眩感，

位置采集模塊，通過陀螺儀、激光定位等外部設備，采集受訓人員在真實環(huán)境中的位置數(shù)據(jù)，并傳輸給互動控制模塊，以獲得受訓人在虛擬場景中的位置變化數(shù)據(jù)，實現(xiàn)受訓人在虛擬場景中的坐標移動數(shù)據(jù)，

動作采集模塊，接收無線連接的外部實體設備在真實空間中位置的變化數(shù)據(jù)，從而根據(jù)這些數(shù)據(jù)與標準點之間的角度和距離的變化關系，計算出外部交互設備與受訓人體之間的相對位置變化數(shù)據(jù)，從而傳輸給互動控制模塊，以便在虛擬場景中控制與外部實體設備相應的虛擬設備的運動，從而實現(xiàn)虛擬設備在虛擬場景中的交互。

虛擬消防訓練系統(tǒng)包括的背負式終端設備，其硬件組成包括以下模塊：

無線通訊模塊，該模塊通過TCP/IP協(xié)議和IEEE 802.11無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸；

中央處理器，采用基于INTELL公司的節(jié)能型I7多核處理器構架，保證虛擬場景交互數(shù)據(jù)的實時處理能力；

渲染模塊，采用節(jié)能型NVIDIA(英偉達)GTX1070渲染機制，保證了虛擬場景實時顯示的渲染需求；

保護功能頭盔，該頭盔包括三個功能模塊，雙目視差顯示器、場景音響模塊和頭部交互模塊：

雙目視差顯示器，利用雙目視差原理，通過具有視差效應的兩幅動態(tài)影像，在受訓人員的視覺感官中形成立體的三維空間感，從而讓受訓人員具有更好的虛擬現(xiàn)實沉浸感，同時該顯示器是虛擬場景的最主要表現(xiàn)窗口，也是受訓人員與虛擬場景的關鍵接口；

場景音響模塊，保證阻斷受訓人員的外部聽覺，以保障受訓人員在虛擬場景中的沉浸感；

頭部交互模塊，在頭盔的內(nèi)部，通過六軸陀螺儀獲取受訓人員的頭部運動角度和加速度數(shù)據(jù)，根據(jù)運算獲得的受訓人員視角變化，通過渲染模塊對上位機發(fā)送來的預渲染模型場景進行視角改變的二次實時渲染，改變顯示圖像，達到保證受訓人員與虛擬場景同步交互的作用。

背負式終端設備具有能源保障系統(tǒng)，通過雙數(shù)組合式薄板鋰電組和變壓模塊，對整個背負式設備進行供電，同時采用高壓電池組的方式提升充電效率，延長電池的單組使用時長。

背負式終端設備具有封閉式三防散熱系統(tǒng)，在最小的能源消耗的情況下，保證系統(tǒng)的正常運行溫度，同時具有防水、防塵、防撞擊的三防功能，尤其是利用縱橫雙向的矢量散熱函道構架，同時使殼體在減輕總質量的前提下達到堅固防撞擊的功能，

背負式終端設備具有盒體和盒蓋，主板被內(nèi)置于封閉的盒體中，盒體表面具有多個并排的散熱片，在散熱片上設有具有風扇的導流板，形成縱橫雙向的矢量散熱函道，其中，風扇具有嵌裝風扇網(wǎng)的風扇罩。

背負式終端設備具有交互式外設，通過基于wifi無線通信方式的實現(xiàn)實體仿真訓練。

本發(fā)明可應用于消防、武警、公安等部門的日常性虛擬現(xiàn)實訓練系統(tǒng)中所需要的便攜式背負虛擬現(xiàn)實配套設施。其主要功能特點是支持無線傳輸環(huán)境中，對雙目視差立體顯示裝置、交互性手持設備以及虛擬場景進行適合于訓練活動的實時控制和顯像構建虛擬場景的現(xiàn)場渲染功能。

同時，本發(fā)明針對部隊訓練的實際訓練需求，在防水防塵方面進行了針對性設計，滿足部隊戶外現(xiàn)場訓練的需求。針對部隊訓練強度，虛擬雙目視差顯示器又遮蔽了受訓者的正常視覺，為了對訓練者進行身體保護，本系統(tǒng)具有防護特性的新型的防護頭盔式雙目視差立體顯示裝置，以避免部隊官兵在進行虛擬訓練時的頭部傷害。

附圖說明

圖1是本發(fā)明系統(tǒng)組成示意圖。

圖2是本系統(tǒng)中背負式終端設備的硬件組成原理圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明的虛擬訓練交互軟件包括，位于云端服務器上的背負式虛擬實戰(zhàn)訓練服務系統(tǒng)：其中，

A模塊(用戶管理)：本模塊主要是對訓練參與人員的信息化管理模塊，主要針對訓練者的大數(shù)據(jù)采集，以及身體狀況的時序性記錄，以供系統(tǒng)進行訓練強度控制參照。

B模塊(訓練管理)：本模塊主要記錄訓練實時數(shù)據(jù)，并負責進行數(shù)據(jù)回放功能的實施，主要為部隊教導人員，對實訓人員的訓練過程、訓練動作以及在不同場景下的團隊配合實訓信息進行回放、展示、總結、匯報等功能的實現(xiàn)。

C模塊(場景數(shù)據(jù))：本模塊是針對虛擬場景的模型數(shù)據(jù)進行管理整合的管理模塊，本模塊集合各種場景中的獨立精致近景模型體和綜合遠景場景模型，并在不同的訓練需求中按照管理設定進行自由組合形成適合于實訓的災害現(xiàn)場虛擬訓練場景，以供訓練使用。

D模塊(數(shù)據(jù)管理系統(tǒng))：本模塊是針對A、B、C三個模塊進行管理的系統(tǒng)模塊，針對A、B、C三大數(shù)據(jù)模塊的后臺匯總、數(shù)據(jù)的增刪改查，以及相應大數(shù)據(jù)收集計算等功能的實現(xiàn)。同時根據(jù)訓練需求，匯總訓練場次中的任務、人員、場景等實時數(shù)據(jù)，與J模塊進行通訊，生成可供訓練使用的虛擬場景構建。

E模塊(虛擬火場環(huán)境生成)：本模塊根據(jù)場景數(shù)據(jù)和訓練需求進行篩選整合，生成符合訓練邏輯的虛擬訓練場景，其中包括近景交互性模型、中遠景環(huán)境模型和遠景天空模型。以達到在實訓中能夠有高度沉浸感的目的。

F模塊(火場流體AI控制)：本模塊根據(jù)場景數(shù)據(jù)和訓練需求，對場景中各種不同的流體按照場景需求實施前期預判，利用AI智能算法，描繪流體運行路徑上各種發(fā)生的可能性，并根據(jù)運算結果進行云端計算和云端粒子預渲染功能，以減小終端計算量，降低終端對場景流體實時渲染的計算壓力。

J模塊(設備交互效果控制)：本模塊為虛擬場景實體化外聯(lián)模塊，根據(jù)實訓需要，本模塊實時對外進行通訊，控制外部設備，配合虛擬場景，對訓練人員的體感、嗅覺、溫度、重力、氣候環(huán)境，進行實景仿真效果的控制。本模塊基于串口通訊和TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡通訊控制。

H模塊(多人協(xié)同AI控制)：本模塊是針對團隊訓練進行控制的功能模塊，本模塊主要在虛擬場景中團隊人員交互通訊、交互視覺、交互后果幾個方面進行智能計算，根據(jù)團隊訓練中各個組員對虛擬場景的交互，進行事件發(fā)展預判，從而反作用于其他組員的體驗場景，以達到團隊協(xié)作的訓練真實感。

I模塊(虛擬訓練場景系統(tǒng))：本模塊是針對E、F、J、H各個模塊的匯總管理，將以上四個模塊所產(chǎn)生的運算結果作用于虛擬場景體系，并將實時收到的反饋按照各個模塊的功能分配給E、F、J、H模塊進行運算。同時，本模塊負責與終端系統(tǒng)的通訊連接，發(fā)送經(jīng)過預計算和預渲染的虛擬場景數(shù)據(jù)，接收終端交互反饋數(shù)據(jù)。并根據(jù)需要，向J模塊發(fā)送數(shù)據(jù)請求，以獲得場景中需要的各類模型體數(shù)據(jù)。

J模塊(場景管理系統(tǒng))：本模塊是連接D模塊和I模塊的中間緩沖數(shù)據(jù)紐帶，本模塊根據(jù)D模塊生成的實訓需求數(shù)據(jù)，配置相應的模型場景需求，并從D模塊中獲得所需的備用模型數(shù)據(jù)，根據(jù)I模塊的實時需求進行模型的針對性優(yōu)化數(shù)據(jù)供給，針對模型在I模塊中的位置需求，分近、中、遠三個層次進行優(yōu)化模型，以減低場景中多邊形總量，減輕設備終端運行時的計算壓力。

位于背負式終端設備上的背負式虛擬終端控制系統(tǒng)，其中，

K模塊(云渲染數(shù)據(jù)流控制)：本模塊通過WIFI無線網(wǎng)絡與服務器主機進行數(shù)據(jù)交換，從云空間下載構建實訓場景需要的經(jīng)過云端預渲染的模型構件和組成實訓場景的規(guī)則等數(shù)據(jù)，并分配至L、M模塊，并從M模塊采集經(jīng)過處理的交互數(shù)據(jù)發(fā)送給服務器上的I模塊進行交互處理。

L模塊(場景顯示)：本模塊由K模塊獲得虛擬實訓場景的顯示位置數(shù)據(jù)，并根據(jù)受訓人員在虛擬空間的相對位置坐標，以受訓人的視覺范圍進行實時渲染，并將不同角度的渲染結果發(fā)送給N模塊，進行視覺投放。

M模塊(互動控制)：本模塊采集O、P模塊傳輸來的相對位置坐標數(shù)據(jù)和交互觸發(fā)數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)和場景進行的相互碰撞，而計算出實訓人員在虛擬場景中的絕對位置數(shù)據(jù)，傳輸給K模塊，以計算實訓人員交互動作對場景及顯示產(chǎn)生的被動型變化。

N模塊(雙目立體影像視網(wǎng)膜投射系統(tǒng))：本模塊由L模塊獲得虛擬實訓場景的渲染結果，并根據(jù)受訓人員的瞳距差生成兩幅具有視差的投射圖像，通過目鏡在人眼中生成虛像，從而使受訓人員能夠感受到真實的空間立體場景。同時，通過接近人體視覺的畫面掃描頻率，減弱人體對虛擬場景中運動同步產(chǎn)生的暈眩感。

O模塊(位置采集)：本模塊通過陀螺儀、激光定位等外部設備，采集受訓人員在真實環(huán)境中的位置數(shù)據(jù)，并傳輸給M模塊，以獲得受訓人在虛擬場景中的位置變化數(shù)據(jù)，實現(xiàn)受訓人在虛擬場景中的坐標移動數(shù)據(jù)。

P模塊(動作采集)：本模塊接收無線連接的外部實體設備在真實空間中位置的變化數(shù)據(jù)，從而根據(jù)這些數(shù)據(jù)與標準點之間的角度和距離的變化關系，計算出外部交互設備與受訓人體之間的相對位置變化數(shù)據(jù)，從而傳輸給M模塊，以便在虛擬場景中控制與外部實體設備相應的虛擬設備的運動。從而實現(xiàn)虛擬設備在虛擬場景中的交互。

本發(fā)明的背負式終端設備的硬件包括如圖2中各個模塊：

Q模塊(無線通訊)：本模塊通過TCP/IP協(xié)議和IEEE 802.11無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，本發(fā)明為了滿足戶外場地中的部隊訓練，通過加強型天線，將訓練場地與主網(wǎng)絡AP節(jié)點的位置擴展到100m距離，并能保證100M/s的大數(shù)據(jù)量的虛擬場景數(shù)據(jù)傳輸。

R模塊(中央處理器)：本模塊采用了基于INTELL公司的節(jié)能型I7多核處理器構架，配合1366MHz的8G內(nèi)存和256GSSD固態(tài)硬盤，保證虛擬場景交互數(shù)據(jù)的實時處理能力。

S模塊(渲染模塊)：本模塊采用了節(jié)能型NVIDIA(英偉達)GTX1070渲染機制，保證了虛擬場景實時顯示的渲染需求。

T模塊(封閉式三防散熱系統(tǒng))：Q、R、S模塊都是耗能高，發(fā)熱量大的電氣模塊，為了保證其正常運行，并符合部隊實訓的三方要求，本發(fā)明專門設計了具有封閉式功能的內(nèi)外雙主動循環(huán)散熱體系，在最小的能源消耗的情況下，保證系統(tǒng)的正常運行溫度。同時本模塊具利用有防水、防塵、防撞擊的三防功能，尤其是利用縱橫雙向的矢量散熱函道構架，同時使殼體在減輕總質量(總重量9.5KG，接近消防員背負氣瓶重量)的前提下達到堅固防撞擊的功能，目前國內(nèi)外尚未見到此類設計。

U模塊(保護功能頭盔)：本模塊是為了適應部隊實訓的激烈運動，防止訓練中視差立體顯示裝置由于劇烈運動脫落，同時防止在虛擬場景中運動的受訓人員受到現(xiàn)實世界中的撞擊傷害而設計的。本模塊中包含了V、W、X三個功能模塊。

V模塊：(雙目視差顯示器)：本模塊是利用雙目視差原理，通過具有視差效應的兩幅動態(tài)影像，在受訓人員的視覺感官中形成立體的三維空間感。從而讓受訓人員具有更好的虛擬現(xiàn)實沉浸感。本顯象機構是虛擬場景的最主要表現(xiàn)窗口，也是受訓人員與虛擬場景的關鍵接口。

W模塊(場景音響)：U模塊的兩側靠近人耳位置，本發(fā)明設計了4mm直徑的一對永磁喇叭，能夠很好的保證阻斷受訓人員的外部聽覺，以保障受訓人員在虛擬場景中的沉浸感。

X模塊(頭部交互)：本模塊在頭盔U模塊的內(nèi)部，通過六軸陀螺儀獲取受訓人員的頭部運動角度和加速度數(shù)據(jù)，發(fā)送給R模塊，根據(jù)運算獲得的受訓人員視角變化，通過S模塊對上位機發(fā)送來的預渲染模型場景進行視角改變的二次實時渲染，改變V模塊中的顯示圖像，達到保證受訓人員與虛擬場景同步交互的作用。

Y模塊(能源保障系統(tǒng))：本模塊是通過雙數(shù)組合式薄板鋰電組和變壓模塊，對整個背負式設備進行供電，本發(fā)明利用雙電池無縫替換的方式，實現(xiàn)長時間不停機連續(xù)工作。同時本模塊采用高壓電池組的方式提升充電效率，延長電池的單組使用時長。

Z模塊(交互式外設)：本模塊涉及多種基于wifi無線通信方式的實體仿真訓練器材。