基于VR的公路隧道6DoF人員疏散試驗系統構建及應用研究

安文娟，李遠哲，謝耀華，王少飛，*

(1.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

0 引言

公路隧道火災事故下的行人疏散行為模擬是一個復雜的過程，需要考慮火災環境、隧道疏散條件、人的心理行為特征等多方面因素[1-2]。真人演練或試驗不僅成本高，還受到無法保證人員安全的限制。隨著計算機仿真技術的發展，具備沉浸性、交互性和構想性3種特性的虛擬現實(virtual reality，VR)技術越來越多地被應用于隧道、礦井等高風險場所的人員疏散演練、指揮培訓和試驗中。

VR技術早期應用于人員行為研究時，其設備主要由環形顯示屏或投影組成，通過圍繞參與者的視頻營造虛擬場景，觀察參與者的行為反應。例如：Drury等[3]通過在參與者前方和左右兩側同步投影可視化圖像，研究了地下火車站火災時行人疏散的行為。但這種方式沉浸感和交互性較差。

隨后，洞穴狀自動虛擬系統(cave automatic virtual environment，CAVE)被大量應用于行人行為研究中。該系統通過高分辨率三維立體視聽影像使參與者獲得身臨其境的感覺，并借助數據手套、位置跟蹤器等交互設備使參與者獲得6自由度交互感受。例如：Olivier等[4]采用CAVE研究了真實參與者和虛擬角色之間的交互碰撞避免情況；Ronchi等[5]采用CAVE研究了隧道指示燈的顏色、閃光頻率和光源類型對人員疏散的影響。但CAVE系統價格昂貴、占地空間大，適合大規模的交互試驗。

如今，VR頭戴式顯示器(如Oculus Rift和HTC Vive)日益發展，因其具有沉浸感高、交互性強、價格低、易攜帶等特點，在隧道、地鐵等建筑火災疏散行為研究中被廣泛應用，并積累了大量研究成果。例如：Kinateder等[6]利用VR頭戴式顯示器研究了社會因素對公路隧道火災事故中乘客疏散行為的影響；Cosma等[7]通過VR頭戴式顯示器Oculus Rift，研究了虛擬鐵路隧道中尋路裝置對60名參與者疏散路徑和疏散時間的影響；王子甲等[8]搭建城市軌道交通火災VR疏散平臺，利用HTC Vive頭戴式顯示器研究了隧道與站臺的標識標志、廣播等對參與者疏散行為的影響；王羽塵等[9]基于HTC Vive頭戴式顯示器、步行模擬器和ErgoLAB無線生理模塊，研究了公路隧道中參與者逃生的心率變化特性和步速變化趨勢。

目前，VR頭戴式顯示器應用于公路隧道人員疏散行為研究時，主要借助鼠標、手柄及萬向走步機等設備實現參與者與虛擬場景的交互[10]。然而，這幾種交互方式通常僅利用VR頭戴式顯示器內的6軸傳感器實現視野的四周轉動，不能將現實動作完全映射至虛擬場景中，導致參與者的自由度受限，從而使其在虛擬場景中的信息感知和交互能力受到限制。此外，在以上幾種交互方式下，參與者在虛擬場景中的速度通常為設定值，導致在研究疏散速度方面受到限制。因此，本文提出一種基于Oculus Quest 頭戴式顯示器的公路隧道6DoF人員疏散試驗系統。該系統借助Inside-out定位技術使參與者直接通過真實動作完成疏散試驗，一方面可使參與者獲得6自由度交互感受和高臨場感；另一方面可測量參與者的移動速度指標，彌補現有虛擬試驗方法的缺陷。

1 試驗系統開發

1.1 硬件系統

基于VR的公路隧道6DoF人員疏散試驗系統包含工作站、5G交換機、Oculus Quest 2一體機和攝像頭等設備。為了提高VR場景逼真度，該系統采用串流模式開發，將系統部署在顯示與運算能力更好的工作站上，并通過無線網絡串流至Oculus Quest 2一體機上開展試驗。為了確保場景流暢，避免場景跳幀、卡頓等引起參與者的眩暈感，試驗時使用mesh網絡解決方案，進行5G無線網絡全覆蓋，并以≤10 m的間距布設ASUS RT-AC86U 5G路由器作為無線mesh網絡的節點，mesh網絡節點之間的數據交換通過2臺H3C MINI-S8G-U交換機實現。為了觀察和回看參與者試驗過程中的行為、姿態等特征，在試驗場地還可布設攝像頭。攝像頭應盡量隱蔽安裝，避免對參與者造成干擾。硬件系統架構如圖1所示。

圖1 硬件系統架構圖

1.2 核心軟件模塊

試驗系統核心軟件模塊包括虛擬試驗場景模塊和參與者移動定位模塊。

1.2.1 虛擬試驗場景模塊

1)虛擬隧道空間。根據隧道設計圖紙，采用3DMax軟件進行1∶1三維建模，并將三維模型加載到UE4引擎中。應用UE4物理材質編輯器制作隧道中各類部件的仿真材質，并粘貼到三維模型表面，同時添加燈光渲染、調試材質反射紋理等，達到擬真效果。

2)虛擬事故場景。在VR場景中，火災事故主要在煙霧擴散與火焰發展方面影響參與者的沉浸感。首先，根據所研究的隧道與火災規模，在FDS中開展火災數值模擬，獲得火災階段煙氣擴散、火焰發展的全過程數據，即不同時刻、不同位置的消光系數，并結合熱釋放速率數據計算得到不同時刻、不同位置的環境透明度；然后，在UE4中調用粒子系統，通過設置粒子的大小、顏色、透明度、速度和方向等參數，實現隧道火災煙氣和火焰模型構建。

3)虛擬車與人。根據研究需要及隧道的交通組成情況，在UE4中確定小客車、大巴車、貨車等虛擬車的數量和位置，在每個車輛內放置不同數量、不同類型的虛擬人，并為虛擬人設定疏散速度、疏散起點與終點，使虛擬人按照最優路徑進行疏散。此外，為了獲得更逼真的效果，在場景中添加爆炸聲、汽車引擎聲、人的尖叫聲與嘈雜聲等聲音。

1.2.2 參與者移動定位模塊

試驗系統采用內嵌Inside-out tracking技術的Oculus Quest 2 VR一體機開展試驗。在參與者試驗過程中，通過調用UE4 Actor組件里的GetActorLocation()函數獲得參與者在虛擬空間中的三維坐標(x,y,z)。參與者跟蹤數據記錄與處理主要步驟如下：

1)試驗開始后，系統調用GetActorLocation()函數，以1 Hz的頻率獲取參與者的位置信息，并將其坐標(x,y,z)進行數組存儲。

2)試驗結束后，系統調用UE4 Spline組件的API函數SetSplinePonts()，將存儲的參與者位置信息數組導入到Spline組件中，獲得參與者的運動軌跡。

3)在第2步的基礎上，系統調用Spline組件中的GetSplineLength()函數，獲取參與者運動路線的長度，通過運動路線長度及運動起點與終點的時間差，即可計算參與者在試驗期間的瞬時速度、加(減)速度、平均速度等速度指標。

4)系統將參與者在試驗過程中的坐標信息及對應的時間戳導出到Excel文件中，可供其他分析使用。

1.3 試驗場地

利用該試驗系統開展行人疏散行為試驗時，由于參與者是在1∶1的虛擬場景中通過自由移動完成疏散試驗，因此必須保證試驗場地足夠寬廣，至少保證與試驗場景同樣的尺寸，以避免參與者走出試驗場地但仍在虛擬場景中。同時，試驗場地應盡量平坦，并避免堆放雜物，以保障參與者頭戴VR設備開展試驗的安全性。

1.4 數據采集

試驗系統采集的數據包括參與者的三維移動坐標、疏散時間、疏散軌跡。通過移動坐標與其對應的疏散時間，可計算參與者的平均疏散速度、加速度、瞬時速度。

2 試驗系統應用

當VR技術應用于隧道火災人員疏散行為試驗研究時，其有效性是評價試驗結果是否可靠的關鍵因素[11]。目前，VR技術應用有效性主要從2方面評價，一方面是對虛擬場景是否誘發參與者沉浸感和心理情緒變化進行評價，常用的評價方法包括問卷調查法(如臨場感問卷調查[12]、正性負性情緒測量問卷調查[13])和心電指標分析法(如腦電指標測量[14]等)；另一方面是對參與者在真實場景與虛擬場景中的疏散軌跡、速度、時間等指標進行對比評價[15]。

為了驗證基于VR的公路隧道6DoF行人疏散試驗系統的有效性，利用該試驗系統開展不同場景下的疏散行為對比試驗，在試驗過程中對參與者的臨場感、眩暈感及情緒反應進行問卷調查，同時對參與者在不同虛擬場景中的疏散軌跡與速度進行對比研究。

2.1 試驗參與者

2.2 試驗工況設計

本次試驗分為3組開展，試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況設置

1)A組試驗要求參與者不戴VR設備，在試驗場地上正常行走，行走路線為提前采用石灰粉畫好的1條走廊。該走廊長75 m，寬1.5 m。

2)B組試驗要求參與者戴VR設備，在虛擬空隧道場景中正常行走。該場景僅包含隧道結構物，無虛擬車、虛擬人等，環境透明度較高，參與者視覺亮度較好，如圖2所示。

圖2 虛擬空隧道場景

3)C組試驗要求參與者戴VR設備，在虛擬火災事故隧道場景中疏散逃生。該場景中含虛擬車、虛擬火焰、虛擬煙霧，同時添加了爆炸聲、汽車引擎聲等3D音效。此外，虛擬場景中環境透明度較高，參與者視覺亮度較好，如圖3所示。

圖3 虛擬火災事故隧道場景

B組、C組試驗中虛擬隧道長75 m、寬12.85 m，單向3車道，車道寬3.75 m，兩側各有1條寬0.8 m、高0.4 m的檢修道。事故點位于虛擬隧道下游出口，試驗時要求參與者在感知到火災后，向事故上游方向疏散。

2.3 試驗場地

試驗在足球場上開展(見圖4)，場地長約175 m，寬95 m，足夠寬闊和平坦，既能滿足試驗設備的布置，又能保證參與者在虛擬場景內隨意而安全地移動。

圖4 試驗場地

2.4 試驗流程

試驗流程包括試驗告知、試驗準備、問卷填寫、正式試驗等部分，具體流程如圖5所示。其中，試驗問卷包括情緒效價與情緒喚醒度量表EVEAS(emotional valence and emotional arousal scale)、虛擬環境臨場感量表PQ(presence questionnaire)和眩暈感量表VRSQ(virtual reality sickness questionnaire)。

圖5 試驗流程圖

正式試驗部分，每個參與者需要依次完成A、B、C 3組試驗。在B組和C組試驗中，主試者幫參與者戴好VR設備后，要求參與者坐在固定位置，以模擬疏散行動前坐在車內的狀態。在參與者疏散過程中，全程由1名安全員跟隨，以保證參與者的安全，并禁止安全員與參與者進行交流，以避免干擾參與者的疏散行為。

嘉靖五年，《宰輔年表》將楊一清排名于費宏前，有誤，理由見前文。《宰輔年表》出現錯誤的原因在于遺漏了費宏擔任過吏部尚書兼謹身殿大學士。

2.5 試驗問卷

2.5.1 EVEAS量表

采用情感自我評估法和李克特9分量表對參與者的情緒效價和情緒喚醒度2個維度進行測量。情緒效價維度用來評定參與者的正性、負性情緒體驗，反映參與者情緒是否愉悅，從非常不愉悅到非常愉悅依次分為9個等級。情緒喚醒維度則評定參與者獲得情緒體驗的興奮、激動的程度，反映參與者體驗是否興奮，從非常不興奮到非常興奮依次分為9個等級。情緒效價與情緒喚醒度測試圖片如圖6所示。

(a)愉悅程度量表圖

2.5.2 PQ量表

PQ問卷是由G.W.Bob 和J.S.Michael等學者開發建立的，通常用于測試參與者在虛擬現實中的沉浸感量度，問卷由32個問題組成[12]。為了便于參與者理解，刪減了不符合試驗情況的4個問題，最終問卷由28個問題組成。參與者需根據自己的真實情況從1到7進行打分，1和7分別代表2種極端的感受，最后的總得分代表參與者在虛擬現實中的沉浸感程度高低。

2.5.3 VRSQ量表

VRSQ虛擬現實不適感量表[16]是由Kim等學者建立開發的，量表由全身不適、疲倦感、眼疲勞、難以聚焦某處、頭疼、頭脹、視線模糊、眼花(閉眼時)、暈眩等9種虛擬現實不適癥狀組成。量表使用過程中，要求參與者根據自己的感受對不適癥狀從0到3進行打分，0代表無不適感，3代表不適感最強。

2.6 試驗結果

本次試驗過程中采集的數據包括：A組參與者的移動速度va與EVEAS分數；B組參與者的移動速度vb、移動軌跡rb以及EVEAS、VRSQ分數；C組參與者的移動速度vc、移動軌跡rc以及EVEAS、VRSQ、PQ分數。

2.6.1 移動速度

A組試驗參與者的移動速度為0.91～1.38 m/s，平均移動速度為1.01 m/s；B組試驗參與者的移動速度為0.92～1.27 m/s，平均移動速度為1.06 m/s；C組試驗參與者的移動速度為1.24～2.06 m/s，平均移動速度為1.60 m/s。各試驗組參與者的移動速度分布箱型圖如圖7所示。

圖7 各試驗組參與者的移動速度分布箱型圖

2.6.2 情緒效價與情緒喚醒度

各試驗組參與者的EVEAS得分分布箱型圖如圖8所示。A組、B組、C組試驗參與者主觀報告的情緒效價得分主要分布區間分別為[-1，1]、[-1，2]、[-3，-1]；A組、B組、C組試驗參與者主觀報告的情緒喚醒度得分主要分布區間分別為[1，2]、[1，2]、[5，7]。試驗結果表明：1)A組、B組試驗場景給參與者帶來的愉悅程度偏中性，C組試驗場景給參與者帶來的愉悅程度普遍較低，屬于負性情緒；2)A組、B組試驗場景給參與者帶來的情緒喚醒程度很低，C組試驗場景給參與者帶來的情緒喚醒程度較強。

(a)情緒效價

2.6.3 眩暈感與虛擬現實臨場感

B組與C組試驗前后參與者的眩暈感VRSQ得分變化值及C組參與者的虛擬現實臨場感PQ得分見表2。B組、C組試驗前后參與者的VRSQ得分變化值分別為1.81±4.33、1.94±8.32，變化較小。C組參與者的臨場感得分為170.5±16.23，得分較高。

表2 眩暈感VRSQ得分變化值及虛擬現實臨場感PQ得分

2.6.4 移動軌跡

B組與C組試驗中部分參與者的移動軌跡見圖9。B組試驗參與者在空隧道場景中基本沿直線移動；C組試驗參與者在火災事故隧道場景中繞開障礙物進行移動。

(a)B組

3 試驗系統應用有效性評價

3.1 移動速度和情緒反應對比

采用SPSS軟件對A組、B組和C組試驗參與者的移動速度和情緒反應進行配對T檢驗，檢驗結果見表3。由表3可知：A組與B組試驗中參與者的移動速度與情緒水平無明顯差異(p>0.05)；而B組與C組試驗中參與者的移動速度與情緒水平有顯著性差異(p<0.05)。這表明：在試驗場景基本一致的情況下(A組與B組)，試驗時參與者是否頭戴VR設備對其移動速度與情緒反應基本無影響，即VR設備本身并未引起參與者的行為差別；當試驗所用的虛擬場景發生根本改變時(B組與C組)，參與者的行為隨之發生顯著變化，在虛擬隧道事故場景中，參與者傾向于獲得更強的負性情緒和更快的移動速度，這與真實場景中的疏散行為較為一致，即人在危險場景中傾向于獲得緊張、恐慌等負性情緒，并且表現出快速逃離危險的行為。

表3 配對T檢驗結果

此外，與國內外已公開發表的公路隧道火災疏散行為非虛擬試驗研究中的疏散速度結果(如表4所示)相比，C組試驗測得的參與者移動速度為1.24～2.06 m/s，與類似有煙環境下非虛擬試驗中參與者的移動速度基本一致，同時低于無煙環境下非虛擬試驗中參與者的移動速度。這表明利用該試驗系統測量參與者在隧道火災環境下的疏散速度，具有較好的適用性。

表4 C組試驗和其他試驗中的移動速度對比

3.2 移動軌跡對比

由圖9可知：B組試驗中參與者的移動軌跡基本為直線，與真實場景中人的行走軌跡基本一致，說明在虛擬空隧道中，參與者頭戴VR設備并未對參與者的移動造成干擾，即當場景一致時，參與者的移動軌跡與是否頭戴VR設備基本無關；C組試驗中參與者的移動軌跡具有明顯的“繞障”特征，與真實場景中人繞開車輛進行移動的行為相符。

3.3 眩暈感與臨場感

眩暈感與VR系統中虛擬場景的推進速度、轉變角度等多種因素相關。若虛擬場景是動態的，視覺系統將營造出人體在虛擬世界中移動的假象，然而大腦前庭系統知道實際上人體并未移動，或移動速度、方向與視覺不匹配，繼而使人產生眩暈感。文中試驗系統使參與者通過真實動作與虛擬場景交互，參與者的身體運動與視覺運動完全一致，極大降低了參與者的眩暈感。此外，該試驗系統應用串流技術，將場景渲染與場景展示分開處理，解決了現有VR設備因硬件算力和顯卡配置不足導致高仿真場景渲染與顯示的卡頓進而引發眩暈感的問題。由表2可知，B組試驗前后的VRSQ變化平均值為1.81分，C組試驗前后的VRSQ變化平均值為1.94分，2組試驗前后的VRSQ變化值均較小，說明頭戴VR設備并未引起參與者的眩暈感。

臨場感不僅取決于虛擬場景的逼真程度，還與參與者的沉浸感有關。該試驗系統采用UE4數字再現真實場景，使虛擬場景具有極高的逼真度。同時，可從視覺上還原參與者所有的復雜動作，從聽覺上精準推送空間音頻，從而實現參與者與虛擬場景的6DoF交互，最大限度保證參與者的沉浸感。由表2可知，參與者的PQ平均分為170.5，為最高評分(196分)的87%，說明參與者在虛擬場景中的臨場感較強。

綜上，基于VR的6DoF人員疏散試驗系統應用于人員疏散試驗時，可以使參與者獲得較強的沉浸感、臨場感，并表現出與真實場景中一致的行為特性，獲得的試驗數據具有較高的效度，證明該試驗系統具有較好的適用性和有效性，可為后續公路隧道人員疏散試驗提供基礎。

4 結論與討論

本文介紹了一種基于VR一體機的公路隧道6DoF人員疏散試驗系統，并通過試驗驗證了該系統應用于人員疏散試驗的有效性。主要研究結論如下：

1)采用該系統開展試驗時，參與者擺脫了鼠標、手柄等控制方式的約束，可在虛擬場景中6自由度感知環境信息與自主行動完成試驗，增強了參與者在虛擬場景中的沉浸感，提高了隧道危險場景下人員疏散虛擬現實試驗的有效性。

2)采用該系統開展試驗時，與鼠標、手柄等人機交互方式不同，參與者的移動速度無需提前設定，系統可實時跟蹤與記錄參與者的三維坐標(x，y，z)，并將其與系統時間實時匹配，從而對參與者的移動速度與加(減)速度進行測量與采集。

3)以該系統為基礎，通過開發設置不同的虛擬場景與試驗工況，可開展公路隧道多場景多工況下的人員疏散行為研究，有效拓展了公路隧道危險場景下人員疏散試驗研究的路徑。

目前，該試驗系統僅設置了幾個典型的虛擬火災事故場景，適用范圍有限。因此，后續可基于該試驗系統進一步建立包含不同長度類型與斷面寬度的隧道基礎模型庫、包含不同規模火災事件的場景庫及包含不同誘導設施的應急策略庫，以實現菜單選擇式快速搭建試驗場景，擴大該試驗系統的適用范圍，提高應用價值。