基于VR 的地鐵應急疏散仿真系統研究與實現

李潤法，董守放，王子甲，王愛麗

（1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.中鐵信（北京）網絡技術研究院有限公司 軌道交通運營安全研究室，北京 100044；3.中國鐵路信息科技集團有限公司 網絡技術研究院，北京 100038；4.青島市工程咨詢院 基礎設施事業部，青島 266500）

地鐵線路以地下隧道為主的敷設方式，減少城市公共空間占用的同時也給突發事件的應急處置帶來了挑戰。相關學者[1-5]使用仿真軟件在減少研究成本和降低實施風險的情況下，對地鐵車站火災模擬與乘客疏散進行了研究，但因難以獲得火災場景下乘客的行為特征而不能保證仿真結果的可靠性。

虛擬現實（VR）技術具有高度“還原”真實場景的特點，近年來其在各行業的應急管理領域均取得了一定的研究成果[6-9]。在應急疏散方面，張磊[10]利用火災動態模擬器（FDS）和Pathfinder 仿真得到的疏散路徑，使用X3D 開發了VR 建筑火災人員逃生訓練系統。Enrico Ronchi[11]搭建了公路隧道VR 場景，通過真人實驗探究隧道指示燈顏色和閃光頻率等因素對疏散的影響。周博為[12]利用Unity3D 開發了VR 場景，通過真人疏散實驗分析地鐵站內常客疏散過程中疏散流線的瓶頸點以及安全隱患。

目前，基于VR 技術的應急疏散研究尚有幾點不足：（1）自開發VR 場景，模型效果較差，降低了參與者的沉浸感；（2）利用商業行人仿真軟件將仿真結果導入至VR 場景中，虛擬人只是視覺上的移動，參與者無法與場景內的虛擬人互動；（3）將火災等突發事件模擬的結果導入至VR 場景中時，模擬結果簡化較多，并且尚未提及火災產物如何影響場景內的虛擬乘客。

基于上述背景，本研究設計和開發基于VR 的地鐵應急疏散仿真系統，對系統邏輯架構和功能架構進行詳細設計，選用Unity 開發平臺，借助Smart-Fire 和3DS Max 軟件，搭建車站模型場景，通過行人仿真模塊、路徑規劃模塊和火災模擬模塊集成可交互式物理場景與動態疏散行為模型，以UI 界面實現可視化配置與仿真模擬，最后以青年路站為例實現并示范應用系統。

1 系統架構設計

結合地鐵應急疏散仿真技術現狀與應用研究需要，對系統的邏輯架構和功能架構進行設計。

1.1 邏輯架構設計

系統邏輯架構，如圖1 所示。

圖1 系統邏輯架構

（1）數據層是系統基礎環境和應急疏散場景搭建的基礎。

（2）模型層是實現疏散行為仿真的核心，系統基于數據層所提供的數據，調用多種行為模型，實現“人—機—環”之間的交互與映射。

（3）應用層是仿真系統所實現的業務應用場景，系統基于基礎數據與多種行為模型，構建地鐵車站常態運營與應急疏散仿真場景，通過VR 技術實現沉浸式觀察與體驗。

（4）展示層是系統實現仿真過程與結果多維展示的平臺，包括PC 端和VR 設備端展示。系統基于PC 平臺或VR 設備，為用戶提供疏散空間場景、疏散過程、疏散結果的多維可視化展示。

1.2 系統功能架構

系統功能主要包括突發事件仿真、應急疏散與演練、仿真數據統計分析與系統可視化展示，具體功能劃分，如圖2 所示。

圖2 系統功能架構

1.2.1 突發事件仿真

突發事件仿真功能可實現突發事件場景和乘客屬性的設定。系統讀取事件演變模擬數據，根據觸發時間和事件位置生成突發事件場景。乘客屬性配置可對乘客數量、期望速度、生成方式、形象等屬性進行設置。災害屬性與智能體模型開啟后，突發事件與乘客行為可產生交互影響。

1.2.2 應急疏散演練

應急疏散演練功能可適配多種演練場景，用戶可對疏散場景、觀察模式和仿真模式進行設定。根據疏散效果評價、應急預案優化、安全教育等需求，實現虛擬應急疏散仿真、PC 端應急疏散演練和VR應急疏散演練。

1.2.3 仿真數據統計分析

仿真數據統計分析功能可對疏散時間、疏散人數、演練人員定位坐標、疏散成功比例與待疏散人數進行統計分析，可通過錄屏完整記錄演練過程，滿足疏散效果評價、安全行為分析以及地鐵公司運營安全評估的數據需求。

系統可視化展示功能通過UI 界面可視化設定系統配置，基于VR 技術實現用戶在車站場景內三維漫游、觀察仿真過程、查看仿真結束乘客的傷亡情況，在PC 模式下以圖表等多維度以可視化展示形式疏散比例、站臺剩余人數等仿真結果數據。

2 系統模塊與界面設計

基于系統功能架構與邏輯架構設計，為實現系統各部分功能并通過用戶界面進行結構化配置與可視化展示，對系統模塊和用戶界面進行設計。

2.1 系統模塊設計

2.1.1 行人仿真模塊

行人仿真模塊通過Unity 系統組件（Rigibody、Capsule Collider、Navmesh Agent、Animation）和自開發組件（Find Waypoint、Ctrl Move、IK Model、Elevator），實現按照路徑規劃的結果進行全局移動，并在移動過程中根據行人仿真模型調整自身行為。

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；非樓梯區域，通過IK Model 按照路徑規劃以預測碰撞模型移動；樓梯區域，通過Elevator 按照一定的速度移動。

2.1.2 路徑規劃模塊

為解決Unity 系統自帶Navmesh 組件無法動態調整障礙物位置，以及烘焙地圖過程中浪費大量計算機資源的問題，路徑規劃模塊通過自開發的Highlevel Navmesh 組件，根據場景設定可行走區域與非可行走區域，基于A*算法直接進行路徑規劃，實現根據物理空間場景、立柱及設備設施布局信息進行虛擬乘客的動態實時路徑規劃。

系統采用High-level Navmesh 組件進行乘客的全局路徑規劃。該組件將場景劃分出可行走區域與非可行走區域，通過與行人仿真模塊的尋路組件配合，根據行人的位置及終點位置基于High-level Navmesh組件劃分的地圖進行全局路徑規劃，并將路徑規劃的結果實時傳遞給行人仿真模塊中的IK Model 組件及Elevator 組件。

將雙創教育與專業教育有機融合，全過程滲透，培養學生的創造性思維，提升學生的開拓進取能力和鍥而不舍的態度，避免雙創教育和專業教育的相對獨立及脫節問題，這才是雙創教育的根本目的。

2.1.3 突發事件模擬模塊

系統以火災事件為例，基于SmartFire 軟件構建車站有限元模型，假設青年路站的站臺層西側扶梯著火，根據《地鐵設計防火標準》[13]相關要求，設定車站通風排煙模式，對高溫分布情況和煙氣擴散情況進行模擬。將車站火災溫度與煙氣蔓延模擬數據按照時間戳導入系統，突發事件模擬模塊讀取數據并對場景中的火災數據進行可視化動態演變。

2.2 系統界面設計

系統界面基于UGUI 組件在Unity 內部開發完成，根據系統功能架構與邏輯架構，將系統頁面劃分為仿真設定和仿真展示兩個頁面。

2.2.1 仿真設定界面

仿真設定界面是系統啟動前的參數配置界面，共包括左右兩側顯示區域，如圖3 所示。左側區域為車站模型顯示區域，可查看車站模型布局情況，并突出顯示火災設定模塊配置的火災位置；右側顯示區域可對疏散模式、火災設定和乘客設定等仿真參數具體配置，實現系統參數配置的可視化。

圖3 仿真設定界面

2.2.2 仿真展示界面

仿真展示界面是系統仿真過程控制及仿真結果的展示界面，由左右兩側顯示區域組成，如圖4 所示。左側區域為車站模型顯示區域，可查看仿真結束后的火災傷亡情況；右側顯示區域可對仿真進程進行控制，顯示設備屬性信息，并以圖表的形式可視化展示仿真結果分析數據。

圖4 仿真展示界面

3 系統實現

3.1 系統場景實現

利用3DS Max 對車站站臺層、站廳層空間與基礎設施設備進行建模和渲染并導入Unity，如圖5所示。

圖5 車站模型場景

3.1.1 站臺層模型場景

站臺層場景由站臺層空間模型與設施設備模型組成，包括乘客集散區、軌行區、樓扶梯、電梯、站臺頂部通風排煙口等模型。其中，屏蔽門、樓扶梯設置預留控制接口，可供指揮中心集中控制，也可供運營人員控制。

3.1.2 站廳層模型場景

站廳層場景由站廳層空間模型與設施設備模型組成，包括客服中心、立柱、閘機、自助購票機，以及站廳頂部的通風排煙口、燈管等。閘機由指揮中心集中控制，導流欄桿可以由工作人員控制生成并對乘客行為產生影響。

3.2 系統功能實現

根據上述研究成果，在Unity 平臺使用C#開發實現了系統。基于系統應用場景，可分為車站三維漫游、常態運營仿真和應急疏散仿真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 設備或PC 設備在高還原度車站環境內以第一人稱或第三人稱視角游覽任意位置，實現仿真過程與結果的沉浸式觀察，并可實現站內虛擬巡視、設施設備布局調整效果預覽、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 常態運營仿真

基于車站基礎設施設備，實現乘客問詢、購票、進站、下樓、候車、乘車及相應出站等車站常態運營過程仿真，并基于多種乘客行為模型實現智能路徑選擇、路徑沖突下的避讓等行為，如圖7 所示。

圖7 常態運營仿真

3.2.3 應急疏散仿真

基于火災仿真數據，實現車站場景下的火焰與煙霧可視化模擬，乘客在火災工況下緊急疏散，并與火災情況產生交互，產生人員運動速度變化與傷亡情況，如圖8 所示。

圖8 站臺火災仿真

4 案例分析

應用該系統對青年路站的乘客疏散情況進行研究，為研究多場景下的疏散效果，構建3 個疏散場景。基于地鐵安全疏散規范[14]與相關文獻[15]，根據青年路站客流預測結果，以遠期年客流量計算得到疏散乘客量為2 696 人，驗證大客流和火災場景下乘客疏散時間能否滿足規定的6 min，并統計火災場景下的乘客傷亡情況。

4.1 大客流疏散仿真

本場景假設車站執行大客流疏散，某一扶梯無法使用，乘客隨機分布于站臺之上，生成乘客并執行疏散仿真。根據統計，站臺上的乘客在210 s 左右可全部從站臺疏散至站廳，如圖9 所示。

圖9 大客流疏散仿真站臺剩余人數

場景1 的乘客疏散仿真時間統計，如表1 所示，根據仿真結果，青年路站的乘客總疏散時間為353 s，剛好滿足國標疏散規范中的6 min 要求。

表1 大客流疏散仿真疏散時間統計

4.2 火災疏散仿真

本場景假設在大客流場景的基礎上，站臺層最左端扶梯因電氣故障著火，乘客均勻分布在站臺之上，乘客從遠離著火扶梯的路徑疏散。根據仿真結果，本場景的站臺清空時間大幅度增長，達到350 s左右，如圖10 所示。

圖10 火災疏散仿真站臺剩余人數

火災初期站臺乘客數量變化與無火災場景類似，火災達到充分燃燒后，站臺大量乘客因高溫煙氣喪生，站臺上的乘客數量迅速減少。本場景中共傷亡乘客350 名。由于疏散通道的減少延長了疏散時間，成功逃生乘客疏散耗時共計479 s，超出國標疏散規范中的6 min 要求，如表2 所示。

表2 火災疏散仿真疏散時間統計

車站火災等突發事件會對乘客生命財產安全產生嚴重的威脅，地鐵運營單位通過制定科學的應急預案并采取有效管控現場情況，正確引導乘客安全逃生，對保障其生命財產安全具有重要的作用。

5 結束語

針對現有地鐵應急疏散仿真技術存在的不足，本研究設計了基于VR 的應急疏散仿真系統，搭建了高還原度車站模型場景，實現了車站三維漫游、常態運營仿真和應急疏散仿真等功能。系統以青年路站為例進行大客流與火災場景下的乘客疏散仿真應用，通過統計仿真過程中站臺剩余人數、疏散時間、傷亡人數等指標，以地鐵安全疏散規范為依據，對比分析不同場景與相關標準要求的差異性。結果表明，系統可有效對地鐵車站突發事件場景下的客流疏散進行仿真，地鐵運營公司與相關科研單位可基于該系統開展多場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急處置方案優化提供參考。