李潤(rùn)法，董守放，王子甲，王愛麗

（1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.中鐵信（北京）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院有限公司 軌道交通運(yùn)營(yíng)安全研究室，北京 100044；3.中國(guó)鐵路信息科技集團(tuán)有限公司 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100038；4.青島市工程咨詢?cè)?基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部，青島 266500）

地鐵線路以地下隧道為主的敷設(shè)方式，減少城市公共空間占用的同時(shí)也給突發(fā)事件的應(yīng)急處置帶來了挑戰(zhàn)。相關(guān)學(xué)者[1-5]使用仿真軟件在減少研究成本和降低實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)的情況下，對(duì)地鐵車站火災(zāi)模擬與乘客疏散進(jìn)行了研究，但因難以獲得火災(zāi)場(chǎng)景下乘客的行為特征而不能保證仿真結(jié)果的可靠性。

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)具有高度“還原”真實(shí)場(chǎng)景的特點(diǎn)，近年來其在各行業(yè)的應(yīng)急管理領(lǐng)域均取得了一定的研究成果[6-9]。在應(yīng)急疏散方面，張磊[10]利用火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬器（FDS）和Pathfinder 仿真得到的疏散路徑，使用X3D 開發(fā)了VR 建筑火災(zāi)人員逃生訓(xùn)練系統(tǒng)。Enrico Ronchi[11]搭建了公路隧道VR 場(chǎng)景，通過真人實(shí)驗(yàn)探究隧道指示燈顏色和閃光頻率等因素對(duì)疏散的影響。周博為[12]利用Unity3D 開發(fā)了VR 場(chǎng)景，通過真人疏散實(shí)驗(yàn)分析地鐵站內(nèi)?？褪枭⑦^程中疏散流線的瓶頸點(diǎn)以及安全隱患。

目前，基于VR 技術(shù)的應(yīng)急疏散研究尚有幾點(diǎn)不足：（1）自開發(fā)VR 場(chǎng)景，模型效果較差，降低了參與者的沉浸感；（2）利用商業(yè)行人仿真軟件將仿真結(jié)果導(dǎo)入至VR 場(chǎng)景中，虛擬人只是視覺上的移動(dòng)，參與者無法與場(chǎng)景內(nèi)的虛擬人互動(dòng)；（3）將火災(zāi)等突發(fā)事件模擬的結(jié)果導(dǎo)入至VR 場(chǎng)景中時(shí)，模擬結(jié)果簡(jiǎn)化較多，并且尚未提及火災(zāi)產(chǎn)物如何影響場(chǎng)景內(nèi)的虛擬乘客。

基于上述背景，本研究設(shè)計(jì)和開發(fā)基于VR 的地鐵應(yīng)急疏散仿真系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)邏輯架構(gòu)和功能架構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，選用Unity 開發(fā)平臺(tái)，借助Smart-Fire 和3DS Max 軟件，搭建車站模型場(chǎng)景，通過行人仿真模塊、路徑規(guī)劃模塊和火災(zāi)模擬模塊集成可交互式物理場(chǎng)景與動(dòng)態(tài)疏散行為模型，以UI 界面實(shí)現(xiàn)可視化配置與仿真模擬，最后以青年路站為例實(shí)現(xiàn)并示范應(yīng)用系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合地鐵應(yīng)急疏散仿真技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用研究需要，對(duì)系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)和功能架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)邏輯架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)基礎(chǔ)環(huán)境和應(yīng)急疏散場(chǎng)景搭建的基礎(chǔ)。

（2）模型層是實(shí)現(xiàn)疏散行為仿真的核心，系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)層所提供的數(shù)據(jù)，調(diào)用多種行為模型，實(shí)現(xiàn)“人—機(jī)—環(huán)”之間的交互與映射。

（3）應(yīng)用層是仿真系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，系統(tǒng)基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與多種行為模型，構(gòu)建地鐵車站常態(tài)運(yùn)營(yíng)與應(yīng)急疏散仿真場(chǎng)景，通過VR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)沉浸式觀察與體驗(yàn)。

（4）展示層是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)仿真過程與結(jié)果多維展示的平臺(tái)，包括PC 端和VR 設(shè)備端展示。系統(tǒng)基于PC 平臺(tái)或VR 設(shè)備，為用戶提供疏散空間場(chǎng)景、疏散過程、疏散結(jié)果的多維可視化展示。

1.2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

系統(tǒng)功能主要包括突發(fā)事件仿真、應(yīng)急疏散與演練、仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與系統(tǒng)可視化展示，具體功能劃分，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

1.2.1 突發(fā)事件仿真

突發(fā)事件仿真功能可實(shí)現(xiàn)突發(fā)事件場(chǎng)景和乘客屬性的設(shè)定。系統(tǒng)讀取事件演變模擬數(shù)據(jù)，根據(jù)觸發(fā)時(shí)間和事件位置生成突發(fā)事件場(chǎng)景。乘客屬性配置可對(duì)乘客數(shù)量、期望速度、生成方式、形象等屬性進(jìn)行設(shè)置。災(zāi)害屬性與智能體模型開啟后，突發(fā)事件與乘客行為可產(chǎn)生交互影響。

1.2.2 應(yīng)急疏散演練

應(yīng)急疏散演練功能可適配多種演練場(chǎng)景，用戶可對(duì)疏散場(chǎng)景、觀察模式和仿真模式進(jìn)行設(shè)定。根據(jù)疏散效果評(píng)價(jià)、應(yīng)急預(yù)案優(yōu)化、安全教育等需求，實(shí)現(xiàn)虛擬應(yīng)急疏散仿真、PC 端應(yīng)急疏散演練和VR應(yīng)急疏散演練。

1.2.3 仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能可對(duì)疏散時(shí)間、疏散人數(shù)、演練人員定位坐標(biāo)、疏散成功比例與待疏散人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可通過錄屏完整記錄演練過程，滿足疏散效果評(píng)價(jià)、安全行為分析以及地鐵公司運(yùn)營(yíng)安全評(píng)估的數(shù)據(jù)需求。

系統(tǒng)可視化展示功能通過UI 界面可視化設(shè)定系統(tǒng)配置，基于VR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶在車站場(chǎng)景內(nèi)三維漫游、觀察仿真過程、查看仿真結(jié)束乘客的傷亡情況，在PC 模式下以圖表等多維度以可視化展示形式疏散比例、站臺(tái)剩余人數(shù)等仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)模塊與界面設(shè)計(jì)

基于系統(tǒng)功能架構(gòu)與邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分功能并通過用戶界面進(jìn)行結(jié)構(gòu)化配置與可視化展示，對(duì)系統(tǒng)模塊和用戶界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 行人仿真模塊

行人仿真模塊通過Unity 系統(tǒng)組件（Rigibody、Capsule Collider、Navmesh Agent、Animation）和自開發(fā)組件（Find Waypoint、Ctrl Move、IK Model、Elevator），實(shí)現(xiàn)按照路徑規(guī)劃的結(jié)果進(jìn)行全局移動(dòng)，并在移動(dòng)過程中根據(jù)行人仿真模型調(diào)整自身行為。

其中，Rigibody 和Capsule Collider 組件提供智能體的基本屬性及搜索周圍智能體方法；Navmesh Agent 組件提供不同區(qū)域智能體行走方式；Find Waypoint 組件將路徑信息傳遞給Ctrl Move 組件；非樓梯區(qū)域，通過IK Model 按照路徑規(guī)劃以預(yù)測(cè)碰撞模型移動(dòng)；樓梯區(qū)域，通過Elevator 按照一定的速度移動(dòng)。

2.1.2 路徑規(guī)劃模塊

為解決Unity 系統(tǒng)自帶Navmesh 組件無法動(dòng)態(tài)調(diào)整障礙物位置，以及烘焙地圖過程中浪費(fèi)大量計(jì)算機(jī)資源的問題，路徑規(guī)劃模塊通過自開發(fā)的Highlevel Navmesh 組件，根據(jù)場(chǎng)景設(shè)定可行走區(qū)域與非可行走區(qū)域，基于A*算法直接進(jìn)行路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)根據(jù)物理空間場(chǎng)景、立柱及設(shè)備設(shè)施布局信息進(jìn)行虛擬乘客的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃。

系統(tǒng)采用High-level Navmesh 組件進(jìn)行乘客的全局路徑規(guī)劃。該組件將場(chǎng)景劃分出可行走區(qū)域與非可行走區(qū)域，通過與行人仿真模塊的尋路組件配合，根據(jù)行人的位置及終點(diǎn)位置基于High-level Navmesh組件劃分的地圖進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，并將路徑規(guī)劃的結(jié)果實(shí)時(shí)傳遞給行人仿真模塊中的IK Model 組件及Elevator 組件。

將雙創(chuàng)教育與專業(yè)教育有機(jī)融合，全過程滲透，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提升學(xué)生的開拓進(jìn)取能力和鍥而不舍的態(tài)度，避免雙創(chuàng)教育和專業(yè)教育的相對(duì)獨(dú)立及脫節(jié)問題，這才是雙創(chuàng)教育的根本目的。

2.1.3 突發(fā)事件模擬模塊

系統(tǒng)以火災(zāi)事件為例，基于SmartFire 軟件構(gòu)建車站有限元模型，假設(shè)青年路站的站臺(tái)層西側(cè)扶梯著火，根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》[13]相關(guān)要求，設(shè)定車站通風(fēng)排煙模式，對(duì)高溫分布情況和煙氣擴(kuò)散情況進(jìn)行模擬。將車站火災(zāi)溫度與煙氣蔓延模擬數(shù)據(jù)按照時(shí)間戳導(dǎo)入系統(tǒng)，突發(fā)事件模擬模塊讀取數(shù)據(jù)并對(duì)場(chǎng)景中的火災(zāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化動(dòng)態(tài)演變。

2.2 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)界面基于UGUI 組件在Unity 內(nèi)部開發(fā)完成，根據(jù)系統(tǒng)功能架構(gòu)與邏輯架構(gòu)，將系統(tǒng)頁面劃分為仿真設(shè)定和仿真展示兩個(gè)頁面。

2.2.1 仿真設(shè)定界面

仿真設(shè)定界面是系統(tǒng)啟動(dòng)前的參數(shù)配置界面，共包括左右兩側(cè)顯示區(qū)域，如圖3 所示。左側(cè)區(qū)域?yàn)檐囌灸Ｐ惋@示區(qū)域，可查看車站模型布局情況，并突出顯示火災(zāi)設(shè)定模塊配置的火災(zāi)位置；右側(cè)顯示區(qū)域可對(duì)疏散模式、火災(zāi)設(shè)定和乘客設(shè)定等仿真參數(shù)具體配置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)配置的可視化。

圖3 仿真設(shè)定界面

2.2.2 仿真展示界面

仿真展示界面是系統(tǒng)仿真過程控制及仿真結(jié)果的展示界面，由左右兩側(cè)顯示區(qū)域組成，如圖4 所示。左側(cè)區(qū)域?yàn)檐囌灸Ｐ惋@示區(qū)域，可查看仿真結(jié)束后的火災(zāi)傷亡情況；右側(cè)顯示區(qū)域可對(duì)仿真進(jìn)程進(jìn)行控制，顯示設(shè)備屬性信息，并以圖表的形式可視化展示仿真結(jié)果分析數(shù)據(jù)。

圖4 仿真展示界面

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)

利用3DS Max 對(duì)車站站臺(tái)層、站廳層空間與基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備進(jìn)行建模和渲染并導(dǎo)入U(xiǎn)nity，如圖5所示。

圖5 車站模型場(chǎng)景

3.1.1 站臺(tái)層模型場(chǎng)景

站臺(tái)層場(chǎng)景由站臺(tái)層空間模型與設(shè)施設(shè)備模型組成，包括乘客集散區(qū)、軌行區(qū)、樓扶梯、電梯、站臺(tái)頂部通風(fēng)排煙口等模型。其中，屏蔽門、樓扶梯設(shè)置預(yù)留控制接口，可供指揮中心集中控制，也可供運(yùn)營(yíng)人員控制。

3.1.2 站廳層模型場(chǎng)景

站廳層場(chǎng)景由站廳層空間模型與設(shè)施設(shè)備模型組成，包括客服中心、立柱、閘機(jī)、自助購(gòu)票機(jī)，以及站廳頂部的通風(fēng)排煙口、燈管等。閘機(jī)由指揮中心集中控制，導(dǎo)流欄桿可以由工作人員控制生成并對(duì)乘客行為產(chǎn)生影響。

3.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述研究成果，在Unity 平臺(tái)使用C#開發(fā)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)?；谙到y(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景，可分為車站三維漫游、常態(tài)運(yùn)營(yíng)仿真和應(yīng)急疏散仿真3 類功能。

3.2.1 車站三維漫游

基于車站空間模型，通過使用VR 設(shè)備或PC 設(shè)備在高還原度車站環(huán)境內(nèi)以第一人稱或第三人稱視角游覽任意位置，實(shí)現(xiàn)仿真過程與結(jié)果的沉浸式觀察，并可實(shí)現(xiàn)站內(nèi)虛擬巡視、設(shè)施設(shè)備布局調(diào)整效果預(yù)覽、施工效果模擬等功能，如圖6 所示。

圖6 車站三維漫游

3.2.2 常態(tài)運(yùn)營(yíng)仿真

基于車站基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，實(shí)現(xiàn)乘客問詢、購(gòu)票、進(jìn)站、下樓、候車、乘車及相應(yīng)出站等車站常態(tài)運(yùn)營(yíng)過程仿真，并基于多種乘客行為模型實(shí)現(xiàn)智能路徑選擇、路徑?jīng)_突下的避讓等行為，如圖7 所示。

圖7 常態(tài)運(yùn)營(yíng)仿真

3.2.3 應(yīng)急疏散仿真

基于火災(zāi)仿真數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)車站場(chǎng)景下的火焰與煙霧可視化模擬，乘客在火災(zāi)工況下緊急疏散，并與火災(zāi)情況產(chǎn)生交互，產(chǎn)生人員運(yùn)動(dòng)速度變化與傷亡情況，如圖8 所示。

圖8 站臺(tái)火災(zāi)仿真

4 案例分析

應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)青年路站的乘客疏散情況進(jìn)行研究，為研究多場(chǎng)景下的疏散效果，構(gòu)建3 個(gè)疏散場(chǎng)景?；诘罔F安全疏散規(guī)范[14]與相關(guān)文獻(xiàn)[15]，根據(jù)青年路站客流預(yù)測(cè)結(jié)果，以遠(yuǎn)期年客流量計(jì)算得到疏散乘客量為2 696 人，驗(yàn)證大客流和火災(zāi)場(chǎng)景下乘客疏散時(shí)間能否滿足規(guī)定的6 min，并統(tǒng)計(jì)火災(zāi)場(chǎng)景下的乘客傷亡情況。

4.1 大客流疏散仿真

本場(chǎng)景假設(shè)車站執(zhí)行大客流疏散，某一扶梯無法使用，乘客隨機(jī)分布于站臺(tái)之上，生成乘客并執(zhí)行疏散仿真。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，站臺(tái)上的乘客在210 s 左右可全部從站臺(tái)疏散至站廳，如圖9 所示。

圖9 大客流疏散仿真站臺(tái)剩余人數(shù)

場(chǎng)景1 的乘客疏散仿真時(shí)間統(tǒng)計(jì)，如表1 所示，根據(jù)仿真結(jié)果，青年路站的乘客總疏散時(shí)間為353 s，剛好滿足國(guó)標(biāo)疏散規(guī)范中的6 min 要求。

表1 大客流疏散仿真疏散時(shí)間統(tǒng)計(jì)

4.2 火災(zāi)疏散仿真

本場(chǎng)景假設(shè)在大客流場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，站臺(tái)層最左端扶梯因電氣故障著火，乘客均勻分布在站臺(tái)之上，乘客從遠(yuǎn)離著火扶梯的路徑疏散。根據(jù)仿真結(jié)果，本場(chǎng)景的站臺(tái)清空時(shí)間大幅度增長(zhǎng)，達(dá)到350 s左右，如圖10 所示。

圖10 火災(zāi)疏散仿真站臺(tái)剩余人數(shù)

火災(zāi)初期站臺(tái)乘客數(shù)量變化與無火災(zāi)場(chǎng)景類似，火災(zāi)達(dá)到充分燃燒后，站臺(tái)大量乘客因高溫?zé)煔鈫噬九_(tái)上的乘客數(shù)量迅速減少。本場(chǎng)景中共傷亡乘客350 名。由于疏散通道的減少延長(zhǎng)了疏散時(shí)間，成功逃生乘客疏散耗時(shí)共計(jì)479 s，超出國(guó)標(biāo)疏散規(guī)范中的6 min 要求，如表2 所示。

表2 火災(zāi)疏散仿真疏散時(shí)間統(tǒng)計(jì)

車站火災(zāi)等突發(fā)事件會(huì)對(duì)乘客生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅，地鐵運(yùn)營(yíng)單位通過制定科學(xué)的應(yīng)急預(yù)案并采取有效管控現(xiàn)場(chǎng)情況，正確引導(dǎo)乘客安全逃生，對(duì)保障其生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的作用。

5 結(jié)束語

針對(duì)現(xiàn)有地鐵應(yīng)急疏散仿真技術(shù)存在的不足，本研究設(shè)計(jì)了基于VR 的應(yīng)急疏散仿真系統(tǒng)，搭建了高還原度車站模型場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了車站三維漫游、常態(tài)運(yùn)營(yíng)仿真和應(yīng)急疏散仿真等功能。系統(tǒng)以青年路站為例進(jìn)行大客流與火災(zāi)場(chǎng)景下的乘客疏散仿真應(yīng)用，通過統(tǒng)計(jì)仿真過程中站臺(tái)剩余人數(shù)、疏散時(shí)間、傷亡人數(shù)等指標(biāo)，以地鐵安全疏散規(guī)范為依據(jù)，對(duì)比分析不同場(chǎng)景與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的差異性。結(jié)果表明，系統(tǒng)可有效對(duì)地鐵車站突發(fā)事件場(chǎng)景下的客流疏散進(jìn)行仿真，地鐵運(yùn)營(yíng)公司與相關(guān)科研單位可基于該系統(tǒng)開展多場(chǎng)景下的沉浸式仿真疏散演練與仿真，為乘客安全逃生教育與基于乘客疏散行為特征的應(yīng)急處置方案優(yōu)化提供參考。