基于BIM和VR技術的地下高速鐵路車站沉浸式疏散演練系統開發與應用

王志偉 馬偉斌 王子洪

中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

綜合考慮節地環保、方便乘坐、戰備防護、公鐵航空接駁、尊重歷史文化等因素，越來越多鐵路車站設置于地下。典型的有深圳福田高鐵站［1］、天津濱海站［2］、北京八達嶺長城站［3］等。此類綜合大型車站樞紐工程多存在復雜立體交錯的各類地下通道，在實現多功能換乘的同時，也對車站災害條件下的疏散救援提出了新的挑戰。

傳統常態無災條件下真人疏散演練存在組織難、效率低、花費高、代入感差、參與人員少、人員應急反應難采集等問題［4-6］?；赩R（Virtual Reality）技術的三維可視化疏散演練可達到隨時隨地沉浸介入的效果［7］，但VR疏散場景的開發需要大量人員進行復雜建模工作。在當前輔助軟件理想應用前提下，減少建模工作量與節約建模時間的目標一直未能突破。

近年來，鐵路BIM（Building Information Modeling）技術應用越來越廣泛［8-9］，基于既有的BIM，開發VR場景，不失為一種提升VR建模效率的解決方法。國內外學者［10-14］都做了嘗試，但多數研究偏重于用VR技術還原BIM中的要素，未實現真正意義上的融合開發。

本文以京張高速鐵路八達嶺長城地下站為依托工程，首先針對沉浸式多源動態疏散系統的開發與應用，提出系統的技術路線和架構，并在此基礎上進行系統設計，然后詳述基于BIM與VR技術的沉浸式虛擬現實場景構建關鍵技術，最后結合應用案例，驗證該系統的適用性。

1 工程概況

京張高速鐵路八達嶺長城地下站（圖1）地下建筑面積約36 000 m2。車站內修建各類大小洞室78個，斷面形式88種，洞室交叉密集，最小水平間距2.27 m，最小豎向間距4.45 m，站內軌面埋深102 m，是目前世界上建筑結構最復雜的地下車站。

圖1 八達嶺長城車站總體建設情況

由于毗鄰八達嶺長城國家重點風景名勝區，站內乘客有多語種、大人流特點。旅游高峰時期，大量客流集中于深埋地下車站中，一旦發生火災，需確保旅客能夠快速疏散，同時救援車輛能夠及時到達。而多通道、高落差、長扶梯的復雜結構（圖2）使快速疏散救援變得更加困難。

圖2 八達嶺長城站復雜疏散結構

基于BIM技術［15］，該車站形成了基于全生命信息數字模型的地下站隧建造智能管控技術，隧道、電氣、給水、暖通、站房結構等不同專業均有大量的BIM（圖3），為BIM與VR技術的融合應用提供了良好基礎。

圖3 八達嶺長城站典型BIM圖

2 系統開發步驟及架構

2.1 系統開發步驟

系統按照以下步驟開發：

1）收集整理既有BIM，包括主體模型、輔助模型，站房、隧道和疏散通道模型，在此基礎上立足人性化、可視化、精細化理念進行BIM的場地分析、總平面布局、體型設計和內部空間布置。

2）采用參數化幾何描述+相似性圖元合并、遮擋剔除+批量繪制+LOD（Levels of Detail）技術［16］，進行BIM的輕量化、集約化處理。處理的重點是將與疏散通道相關的周圍建（構）筑物、設備設施進行組合、黏結。

3）將BIM導入UE4（Unreal Engine 4），與3D Max軟件結合，實現多場景的切分和規劃，并進行場景原色渲染、烘焙和交互指令添加。

4）操作界面設計，包括路徑規劃界面、疏散界面和培訓界面。

5）系統UI（User Interface）開發，客戶端/服務器體系結構采用C/S（Client/Server）結構，實現管理人員培訓、乘客疏散演練和不同類型場景靜動態展示。

2.2 系統總體架構

根據功能需求，系統總體架構由三體系五層級組成，如圖4所示。

圖4 系統總體架構

三體系包括信息安全保障體系、系統運行維護體系和京張鐵路標準規劃體系。其中安全保障體系是重點，包括應用安全、系統安全、網絡安全和物理安全。

五層級包括基礎設施層、數據中心層、應用支持層、業務系統層和用戶界面層?；A設施層是為本系統提供硬件支撐；數據中心層的數據直接與場景內的行人發生交互、映射；應用支撐層主要包含各類理論模型與外部接口，該層通過調用數據中心層各類數據以完成人員仿真行為；業務系統層可實現車站火災疏散演練、狀態仿真、疏散路徑展示等；用戶界面層主要為人員演練和培訓服務，與人員直接交互。

2.3 系統人機交互邏輯設計

系統開發與實現采用以用戶為中心的虛擬現實交互整套技術，邏輯設計如圖5所示。用戶在虛擬場景中體驗災害場景及疏散救援，通過各類傳感器和硬件設備實現數據采集與分析，通過軟件和數據庫實現認知交互。上述功能的實現需要硬件設備與傳感器的支撐，將用戶的心率、步速等信息傳輸給后臺進行數據分析。

圖5 以用戶為中心的人機交互邏輯設計

2.4 系統邏輯架構

基于人機交互邏輯設計，按照圖6所示邏輯架構進行技術開發。BIM與VR兩部分提供了高還原度虛擬場景的建?；A與實現方法。災害場景設置是通過場景動態配置，提供事故場景以及與火災事故相關的信息，并為Agent模型構建提供依據。Agent模型是核心模塊，可對行人進行分類，為不同類別行人賦予尺寸、運動、感知方面的參數，使行人具備異質性。通過設定行人的4種狀態，基于有限狀態理論與C++編程技術，對每種狀態中行人行為進行整合與切換。

圖6 系統開發邏輯架構

2.5 系統技術架構

系統技術架構如圖7所示，分為5個層級。系統整體基于UE4開發，采用關系型數據庫管理系統MySQL進行數據存儲與分析，C++作為開發語言。按照不同應用場景進行模塊劃分，模塊之間共享數據庫。通過VR技術、動作捕捉技術等實現數據采集、坐標映射和路徑映射。

圖7 系統技術架構

3 系統組成

3.1 系統功能模塊

根據功能需求系統分為路徑規劃模塊、火災數據模塊、可視化模塊和行人仿真模塊。

路徑規劃模塊主要負責根據物理空間場景、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。火災數據模塊主要負責對場景中的火災事故進行可視化實現?？梢暬K主要負責仿真數據的統計與可視化展示。行人仿真模塊主要負責按照規劃的路徑進行全局移動，并在移動過程中根據行人仿真模型調整自身行為。

3.2 軟硬件組成

系統軟件由NPC（Non-player Character）系統、自學習體驗系統、環境交互系統、數據交互系統四大部分組成。

NPC系統分為NPC模型、NPC交互模塊。NPC系統會詳細記錄系統中諸多非體驗者不同的反應，通過數據交互分析形成圖表。通過設置多個NPC還可以分析非體驗者的從眾行為。自學習體驗系統分為主控端軟件、實驗端軟件、體驗者交互模塊、數據采集與分析模塊四部分?？勺尣煌w驗者通過局域網接入系統進行模擬演練，研究不同體驗者之間的協同和社群效應。環境交互系統分為人車交互、報警器交互、滅火器交互、電氣設備交互、數據采集與分析五部分。通過沉浸式交互，一方面提高模擬真實度，另一方面可研究不同人群在災害發生時的行為，為制定疏導預案提供參考。數據交互系統分為場景初始化設置、火災數據模型設置、試驗數據記錄、逃生路線記錄、試驗結果統計與分析五部分。

硬件主要包括萬向行動平臺、VR頭戴顯示器、操作手柄、網絡交換機、觸控式顯示屏等，如圖8所示。

圖8 硬件組成

4 基于BIM與VR技術的沉浸式虛擬現實場景構建

4.1 BIM時空信息向VR場景投射

基于BIM與VR技術的沉浸式虛擬現實場景構建的本質是如何最大程度使用BIM減少開發工作量。綜合對比分析Autodesk Revit軟件與3D Max、720云、UE4及Mars這4類軟件之間數據類型的差異，優選出可導入模型的組合，可實現BIM模型格式轉化、VR引擎導入，并采用圖像處理軟件增強模型渲染效果，實現模型高精度匹配融合。

優選BIM與UE4、3D Max軟件進行融合，優勢為模型導入工作量小、模型保留度高、展示效果好，且可實現參數化編輯處理和多場景的切分和規劃，見圖9。

圖9 BIM時空信息向VR場景精準投射實現過程

4.2 BIM時空元素與VR場景元素耦合匹配

BIM時空元素向VR場景對應元素精準投射后，按照圖10所示步驟實現BIM與VR場景的精準耦合匹配。其中，UV為橫縱坐標信息。

圖10 BIM與VR場景匹配過程

5 系統應用案例

以列車著火?？吭谡九_發生爆炸為例演示該系統的應用。既有疏散平面指示圖見圖11。其中僅標示了下車后短距離如何疏散，對于后續立體復雜通道選擇及疏散路徑并未標明。

圖11 疏散平面指示

采用所開發的基于BIM與VR技術的沉浸式疏散演練系統，基于圖12所示腳本，可在虛擬場景中較真實體驗車站立體交叉復雜疏散通道的疏散全過程，見圖13。與圖11相比，沉浸式疏散演練及人員培訓更形象真實。開發步驟、總體架構、人機交互邏輯設計、邏輯架構與技術架構，并在此基礎上進行系統功能模塊和軟硬件設計。闡述了基于BIM與VR技術的沉浸式虛擬現實場景構建關鍵技術，并結合應用案例展示了系統的適用性，可為類似系統的開發提供借鑒。

圖12 人員疏散腳本

圖13 人員疏散全過程典型場景展示

6 結語

本文提出了適用于地下高速鐵路站的基于BIM和VR技術的沉浸式動態疏散演練系統，闡述了系統