虛擬現實的飛機事故逃生演練

南京航空航天大學金城學院 竇淑婷 王馨怡 陳 樂 孔奕豪 曾宇樂

1 目的及意義

隨著航空運輸業的發展，航空運輸在國家經濟中的作用日漸增加，航空事故也因此受到越來越多的高度重視和密切的關注度。機艙作為特殊的有限空間，其內部的結構復雜，且艙內的通道較窄。一旦發生特殊情況，其應對的處理時間和空間是有限的。

本款軟件的研究開發通過計算機仿真，運用計算機視覺技術為載體組建一款虛擬現實關聯的第一人稱視角游戲，通過對各種突發情況進行三維仿真模擬，可以讓人員體驗接近實際的人機交互性的航空器逃生模擬演練。

2 國內外研究現狀

飛機失事常在極短的時間內，旅客生還的概率將近不可能。飛機中存在的“黑色10min”，是指絕大多數空難事件都發生在飛機起飛階段前的三分鐘和著落階段時間的7min內。但空難一旦發生，留給旅客的逃離時間遠遠沒有7min這么長。此外，在國內外研究方面，目前中國民航界內尚無針對飛行逃生的專門模擬軟件和自由操作的虛擬現實環境計算機視覺技術專項逃生教學訓練軟件，僅有理論培訓用的書籍。我國對于該項目技術的研究還處于空白領域。而國外開發出的prepare for impact，達到了一定的技術水平。

3 關于“天際逃生”軟件的設計

飛機機艙實時交互式虛擬人機環境給乘客提供一個虛擬的可人機交互的飛機機艙環境和虛擬三維視景環境。我們將從以下幾個方面分項研究：

3.1 軟件設計

（1）確定虛擬飛機機艙的各項設施布局和軟件的框架。（2）研究采用Unity3D開發二維虛擬飛機外部模型，各項飛機內部設施和安全通道和廣播等模型。（3）對人機交互的實現方式一鼠標控制和鍵盤控制人物進行操作，聽從系統的指令其中重點研究對逃生人員的不同逃生方式的仿真方法。（4）研究虛擬三維機艙視景環境的建模原則和軟件開發流程。（5）研究三維機艙視景程序的設計。（6）研究空中飛機艙內廣播系統的逃生路線人機交互邏輯功能和仿真方法。（7）進行軟件測試和驗證。

3.2 游戲設計

場景構思：第一步，選取一些在新聞報道中較為常見的飛行事故場景，接下來以客艙著火這種緊急情況為例，將之作為玩家所乘坐航班的事故情境。第二步，思考飛機客艙中可能出現的可燃物，搜集可查閱到的客艙起火的案例，從而尋找發生著火次數較多的可燃物。可以觀察到，近年來，旅客隨身攜帶的充電寶、飛機發動機著火次數較多，燃燒會引起濃煙且可能含有有毒物質，從而阻礙機上人員逃生。

人物設定與操作流程：如飛機因故障必須迫降時，機上乘客應保持鎮定，如需緊急撤離，乘客不要攜帶任何行李，從行李箱內取行李耽誤時間，行李脫落會砸傷人，脫落行李堵塞過道影響緊急撤離的速度，這時是以秒為計算單位的。

（1）正確的自救措施

第一步，不要大聲呼叫，防止有毒氣體吸入。在聽到撤離指令前乘客做防撞擊姿勢：把頭保持在扶手水平上，把頭部放在手上（即彎腰低頭，緊迫用力。Heads down，brace！）。第二步，在聽到撤離指令后，乘客不要攜帶任何行李，應用濕毛巾來捂住口鼻，若沒有濕毛巾則可用裝滿水的冰桶將衣物手帕等弄濕，遮在口鼻處。第三步，撤離時應當彎下腰，根據機上乘務員的安排盡快從安全出口撤離，下飛機后應當遠離飛機100m外。

玩家操作的人物為飛機上的一名普通乘客，當發生事故時開始游戲。

（2）逃生的注意事項

逃生中最重要的是清楚距離最近的緊急出口位置。乘客上飛機后，先了解自己的座位與安全出口之間隔多少排。這樣即使機艙內充滿毒霧，也可以摸著邊緣找尋出口。

在著陸時乘客坐在座位上，應把手交叉放在前面座位上，頭部靠手，在飛機著陸前乘客需要一直保持這個姿勢。

（3）游戲操作步驟

第一步，乘客開始登機，并安排好座位，畫面顯示飛機起飛的過程。在飛行過程中由于故障，緊急迫降，氧氣面罩自動脫落，乘客根據乘務員指示正確佩戴面罩，保持鎮定。客艙內開始播放廣播，告知乘客需要緊急撤離，飛機艙門立刻打開，逃生梯打開。

第二步，乘客根據廣播和機組人員的指示下，玩家盡量在14s的黃金時間內需要依次完成卸下氧氣面罩、選擇逃離姿態（W 正常走、Shift+W 加速跑、E彎腰前進（如圖1））等操作，直至跑到安全地帶。

圖1 事故發生后彎腰前進

第三步，根據玩家的逃生時長，對玩家的操作的完成度和持續時間對比標準操作流程（SOP）和黃金時間給予評價，最終生成逃生報告，其中報告等級分為“無傷、輕傷、重傷與失敗”。

4 計算機視覺的技術利用

4.1 航空領域的技術應用

我們通過研究開發計算機視覺在航空領域的技術應用—以研究熱點虛擬現實技術和模擬仿真技術在飛行教學研究領域應用，也是今后時代的發展趨勢。“虛擬現實”（Virtual Reality VR）是指仿真的網絡世界是人為創造的，非現實的，并非是發生在現實的；以“現實”兩字表達出來進入局部人造世界的人在視覺效果上是與進入真實的世界相近。這種新計算機表達形式，給用戶模擬出一種將近真實的體驗，通過視覺、聽覺、感覺等感官，進行人機智能交互，為使用者提供最佳的人機交互方式。虛擬現實技術在我們的逃生游戲中應用的重點在于其可交互性。

4.2 模型的建立

首先我們建立了三維的機艙物理模型（如圖2），主要包括了所選研究飛機的外部構造，內部設施及逃生場景的設定。結合機艙布置圖，機艙位置布置圖和開發軟件的建模特點，對該艙結構和機艙內部設備等結構進行了分配，并據本文的研究內容對逃生演練模擬過程。最后對人員逃生的模擬計算設定條件，并對逃生場景進行了詳細設定如果出現緊急情況，聽從設定廣播的安全指令從相應的逃生出口撤離，同時保持客艙秩序。

圖2 飛機外部物理模型的構建

Unity的人物要求是有骨骼以及動畫設置的，需要我們對人物的頭部、四肢、身體以及十指進行一一設置（如圖3），每一個動作進行錄制，擺正每一個動作所需要的骨骼位置。一個人物的動作多達10個，我們的游戲涉及到對13個人物物理模型的建立，人物物理模型建模完成后，我們將所需的模型導入Unity，然后開始編程，設置人物的動態及行動。在此期間我們用簡單的語句來編寫設計，建立屬于自己的族和類，這樣也就大大的減少了程序運行空間的浪費。

圖3 人像三維物理模型的建立

其次對于詳細的飛機事故如飛機內部如失火，煙霧產生的毒氣體危險非常大，旅客須禁止大聲叫喊，并且不要打開通風口，這樣會增加對有害氣體的吸入。也不能造成慌亂全都涌向飛機的局部一部分，會導致飛機重心不平衡。逃生時要降低身體重心，屏住呼吸，或用潮濕的衣物包圍口鼻，防止吸入有害氣體，和平時建筑火災中逃生相似，但嚴重時可能發生爆炸，所以乘客在離開機艙滑梯后要快速逃離飛機至100m開外。

4.3 虛擬現實技術的發展

現階段有較完善的虛擬現實技術應用，可以運用軟件開發知識拓展，其搭載設備以及相應的改裝后可以在更好的環境進行試驗。通過C#，Unity3D等編程開發軟件使虛擬現實具象化，編程模擬各種飛機事故場景，以第一人稱視角選擇行動路線，最后對比標準操作流程（SOP）和黃金時間給予評價；通過VR眼鏡實現功能的結合以及提供了行動路線的可操作性，真實模擬飛機事故逃生。

5 軟件展望

對于特定的空間環境模擬，采用計算機軟件宜用虛擬現實對飛機事故及機艙中人員逃生情況進行仿真模擬，根據機艙中的一些重要設施，可高效地指導人員逃生。

結論：我們應該不斷加大虛擬現實技術在民航事業各個領域應用的嘗試力度，而不是僅僅限于飛機客艙事故逃生，也可以用于對民航人員的培訓、機場容量利用率等方面。由此可以提高民航業的安全水平，降低機場的運行成本，提高旅客的滿意度，讓民航事業更加智能化。