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| 編輯推薦： |
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应急仿真利用虚拟现实技术，逼真、完整地还原各种事故灾害现场，反演其发生的征兆、发展的过程，演示事故灾害发生时正确的应急措施以及逃生方法，是新兴技术与应急管理业务相结合的产物。本书致力于系统地介绍应急管理虚拟现实的基本概念、思想和方法，以期具备应急管理基本知识和计算机操作基础的读者能够看懂，并培养其开发应急管理虚拟现实应用的能力。
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| 內容簡介： |
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本书以虚拟现实技术在应急管理中的应用为主线，首先介绍如何通过对立体显示信息、多通道交互信息、多核并行计算信息进行融合处理，实现沉浸式头盔显示硬件系统、集群计算与图形生成硬件系统、虚拟现实交互硬件设备及虚拟现实软件的集成，从而搭建出一个能全方面沉浸式再现应急灾害事故发生、发展、救援过程的软硬件平台；然后介绍如何通过结合机械设计技术、物联网技术和3D打印技术，研制出一系列适合事故体验的交互体验设备，全方位地模拟灾害事故现场，包括使用动感设备配合情节让用户在爆炸、坍塌等事故中感受到地动山摇的感觉，使用落石模拟设备配合情节让用户感受到头顶被轻微撞击的感觉，使用可穿戴式力反馈设备配合情节让用户感受到身体被飞溅的碎石打击到的感觉；接着介绍如何针对应急管理行业的特殊需求，对真实工具、设备进行物联网化改造，通过加装传感器和进行嵌入式开发将行业真实工具、设备转换为应急仿真专用人机交互硬件；*后，通过对煤矿瓦斯爆炸事故虚拟现实再现系统、自行车交通事故虚拟现实警示系统和虚实结合的消防培训系统进行详细讲解，使读者循序渐进地学习应急仿真应用的开发流程、注意事项，以及学会应用适合事故体验的交互体验设备和应急仿真专用人机交互硬件开发高级应急仿真的方法。
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| 關於作者： |
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陈超，华北科技学院，副教授，硕士学位，1977年5月出生，主要从事应急仿真、数字孪生矿山系统方向的研究。2015年主持完成河北省科技计划项目1项，2019年主持完成河北省虚拟仿真实验教学项目1项，2019年主持完成华北科技学院创新团队1项，作为主要参与人参加国家自然科学基金项目1项、国家自然科学基金青年基金项目2项；2015年获得河北煤炭工业行业协会科技成果二等奖1项；发表论文13篇，其中SCI检索2篇，EI检索3篇；申请发明专利11项（已授权1项）；获得软件著作权6项。
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| 目錄：
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第1章绪论/1
1.1应急管理虚拟现实的研究意义/1
1.2应急管理虚拟现实的研究现状/2
1.3应急管理虚拟现实的主要研究内容/3
第2章应急管理仿真的平台架构和关键技术/5
2.1应急管理仿真平台架构/5
2.2应急管理仿真关键技术/8
第3章应急管理仿真专用装备/11
3.1体验式装备/11
3.2虚实结合人机交互装备/19
第4章应急管理仿真典型案例——掘进机作业VR实训系统/22
4.1硬件系统/22
4.2软件系统/23
第5章应急管理仿真典型案例——液压支架作业VR实训系统/30
5.1系统架构/30
5.2液压支架作业VR实训流程/31
第6章应急管理仿真典型案例——井巷掘进及局部通风设计虚拟仿真实验/36
6.1实验方法与步骤要求/37
6.2实验结果与结论要求/51
第7章应急管理仿真开发实例——自行车交通事故VR警示系统/54
7.1项目建立与配置/54
7.2设置场景光/56
7.3资源包/58
7.4预制体/60
7.5搭建场景/60
7.6搭建自行车/66
7.7双向位红绿灯介绍/76
7.8单个双向位红绿灯功能实现/76
7.9双向位红绿灯整体功能实现/81
7.10判定闯红灯逻辑的分析/90
第8章应急管理仿真开发实例——虚实结合的公共火灾事故应急培训系统/93
8.1初始环境配置/93
8.2建立登录场景/98
8.3建立培训场景/104
8.4火焰蔓延功能的实现/106
8.5实现虚拟灭火器灭火功能/114
8.6接收实体灭火器的实时数据/123
8.7实现实体灭火器的位置追踪/133
8.8搭建消防培训VR用户界面——创建UI面板/142
8.9建立消防培训逻辑/147
参考文献/153
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| 內容試閱：
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据中华人民共和国应急管理部统计，2019年我国自然灾害以洪涝、台风、干旱、地震及其他地质灾害为主，森林草原火灾和风雹、低温冷冻、雪灾等灾害也有不同程度发生，全年各种自然灾害共造成：1.3亿人次受灾，909人死亡失踪，528.6万人次紧急转移安置；12.6万间房屋倒塌，28.4万间严重损坏，98.4万间一般损坏；农作物受灾面积1.925 69×107公顷，其中绝收2.802×106公顷；直接经济损失3 270.9亿元。同时，2019年全国十大生产安全事故共造成223人死亡，多人重伤，直接经济损失逾21亿元。这些数据表明，自然灾害与生产安全事故是非常恶劣的威胁人们安全的重要因素，而从现有的灾害事故案例中查找原因、吸取经验教训已成为应对未来的自然灾害和避免生产安全事故的重要手段。然而，现有的灾害事故通报都以大篇幅的文字描述为主、现场图片为辅，未接受过专业培训、不具备专业知识的人员很难从通报中获知灾害事故发生原因、发展过程，很难学习到对应的应急措施及逃生技能，在此背景下，虚拟现实等新兴技术不断发展，令任何人身临其境体验灾害事故现场、离线分析学习事故经验教训成为可能。应急仿真利用虚拟现实技术，逼真、完整地还原各种事故灾害现场，反演其发生的征兆、发展的过程，演示事故灾害发生时正确的应急措施以及逃生方法，是新兴技术与应急管理业务相结合的产物。本书致力于系统地介绍应急管理虚拟现实的基本概念、思想和方法，以期具备应急管理基本知识和计算机操作基础的读者能够看懂，并培养其开发应急管理虚拟现实应用的能力。本书在撰写过程中得到许多领导、老师和同学以及出版社的支持与帮助，在此表示感谢。同时，对本书所参考资料的作者表示衷心的感谢。由于时间仓促、水平有限，不足之处在所难免，恳请读者批评指正。
1.1应急管理虚拟现实的研究意义
虚拟现实技术借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以使人产生亲临对应真实环境的感受和体验，不但能对复杂的现场环境进行实时展现和动态交互，还可以逼真再现难以获得的水、火相关灾害的发生、发展过程，可广泛应用于生产技能培训、避险逃生演练以及灾后心理重建等应急管理相关领域，具有安全性高、成本低、效率高等优点。
随着计算机处理能力的提高，对应急管理培训仿真应用的要求已经从实现几何真实性向实现物理真实性以及行为真实性发展：几何真实性要求仿真对象具有与实际环境及设备相同的几何结构、尺寸、颜色与纹理，可以通过研制高精度虚拟模型、搭建支持真实感图形渲染的应急管理仿真虚拟现实平台实现这一要求；物理真实性需要仿真对象具有与实际情况相符的运动学属性、动力学属性、应力属性、空气动力学属性等，而实现这一目标，必然要应用来自FLAC3D、Fluent等专业设计分析软件的应力场、流场、热场、设备运动和动力学等多物理场、多性能分析数据，但是，不同软件对于分析对象的几何网格划分是不一致的，分析数据的表示方法也是不一致的，因此必须开发出相应软件与应急管理仿真虚拟现实平台之间的数字化接口，实现具有可扩展性、一致性和关联性的数字化异构模型的表达、转换与集成方法，为在生产工艺仿真及水、火灾害的仿真过程中实现物理真实性提供数据支撑，同时还要研究虚拟现实环境中基于粒子系统的高真实感安全生产过程与FLAC3D地质变化模拟结果的映射技术以及火势蔓延趋势与流场、热场分布情况相匹配的算法，在实现视觉仿真的基础上实现物理仿真；行为真实性要求仿真环境中的仿真对象和虚拟角色能在外部激励下做出与实际情况相同或相近的行为响应，由于应急管理虚拟现实研究对象是典型的复杂时变系统，其中人、机、环境等诸多因素相互交错，各种信息表现出多源、异构、非结构化等特点，因此必须使用简练、有效的知识表达方法来描述环境中的包括有大量语义知识的非图形信息，如动态、复杂的行为规划信息，以及反映环境中实体交互关系的语义知识，以达到行为真实性的仿真要求。
虚拟现实环境中理想的人机交互方式为，使用者利用自身真实姿态与虚拟环境进行交互，并通过触觉反馈对虚拟物体的形状、材质进行感知。由于全身穿戴式力反馈设备尚处于研究阶段，对沉浸体验要求较高的仿真系统一般会将实体操作台与虚拟操作台相结合作为其人机交互方案，使用者通过自身姿态操纵物理实体与虚拟环境进行交互的同时可自然获得触觉反馈，但是由于位置追踪系统存在累积误差，仿真应用运行一段时间后实体操作台与虚拟操作台间将无法保持严格的1∶1映射，视觉反馈与触觉反馈间的偏差将使整个虚拟环境的可信度降低，引发使用者的“出境”感（明确感知到真实环境），因此，研究稳健性好、收敛速度快的算法对映射偏差进行实时纠正具有重大的学术研究价值。
2006年国务院印发《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》，将虚拟现实技术作为具有前瞻性、先导性和探索性的重大技术之一。在应急管理中开展虚拟仿真技术的研究，通过虚拟仿真技术再现安全生产工艺流程和事故灾害的发生、发展及后果，具有重要的研究意义。然而，现阶段国内应急管理仿真平台大多还将关注点集中于实现几何真实性上面，忽略了仿真过程中的物理真实性和行为真实性，同时还未出现通过使用者自身真实姿态进行沉浸式操作的应急管理仿真案例，因此，必须加快对现有的应急管理仿真虚拟现实平台的改进，从实现几何真实性向实现物理真实性以及行为真实性发展，同时分阶段完成应急管理中语义知识的建模，研究先进的人机交互技术，为应急管理相关研究及培训奠定更好的基础。
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