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智慧地铁:大空间地铁火灾疏散虚拟现实(VR)综合平台研发与应用

说明：本文为研究简报，详细的初步成果将发表于《都市快轨交通》，详见期刊2019年第6期，作者：王子甲、高永鑫、陈峰、李润法，相关集成技术已申请国家发明专利，进一步的成果拟发表在Fire Safety，敬请关注！如需与研究者联系，请查看文后作者信息及联系方式！

一、导读

由于地铁系统空间封闭、客流密度大、疏散路径较长且复杂，火灾在轨道交通事故中对乘客威胁最大。随着国内城市和轨道交通的发展，城市群经济新特征的出现，轨道交通线路不断延长，伴随而来的长大区间在地铁中越来越常见，对于长大区间中发生火灾乘客的疏散研究也越来越多的引起重视。火灾虽然发生的概率小，但引起的伤亡巨大，近20年来，在全球范围内已发生了多起地铁火灾，以韩国大邱火灾造成百人伤亡最为严重。

韩国大邱地铁火灾

国内某地铁真实火灾疏散情况

对此，我们建立了轨道交通线路工程安全与防灾工程技术研究中心，重点对此进行研究。目前对于地铁火灾疏散的研究主要采用计算机仿真和人火分离的实验，计算机仿真的行人疏散参数难以标定，人火分离的疏散实验一方面成本高，另一方面实验中也难以体会火灾的真实场景，结果失真。对此，本团队利用虚拟现实技术(VR)技术研发了一套地铁系统火灾疏散虚拟仿真综合平台，将3D地铁站与隧道建模、火灾仿真及3D可视化、行人仿真、大尺度虚拟现实场景移动设备和真人实验有机地结合，为大尺度火灾疏散提供了逼真的实验场景。实验结果表明，本系统可以为应急疏散演习、疏散方案优化等提供训练环境，可以为计算机火灾仿真标定可靠的行人行为参数，为保障地铁系统内乘客安全提供技术支持。

二、系统技术架构与实现

本套虚拟现实乘客疏散演练系统主要有两部分组成，VR设备和VR场景。VR设备用于实验者和虚拟场景提供数据交互，VR场景用于为实验者提供可视化、可交互的实验环境。

VR设备

VR设备用于为实验者营造具有真实感受的虚拟环境。本文采用HTC VIVE虚拟现实设备器感知用户在虚拟场景中的位置变化和行为姿态，采用OMINI万向走步机（如图1），通过“原地行走”的方式实现在地铁大空间内行走。

图1 OMINI万向走步机（GIF）

VR场景搭建

VR场景主要作用是还原地铁列车、隧道和站台等空间环境以及火灾发生和发展的情景，为乘客营造逼真的疏散环境。在本文中首先采用3DMAX按1:1比例建立车站、隧道和列车模型导入UNITY搭建原始虚拟场景。除了虚拟场景外，本文为了研究多人协同疏散和社群效应，增加联机功能以保证多名用户在同一局域网下可以进入同一场景并同时疏散。

图2 VR建模

在地铁疏散中，影响乘客疏散结果的因素主要有火灾规模、广播、灯光设置和其他乘客的属性。在本文中将上述因素作为虚拟场景的可输入变量并在实验过程中考察不同变量对于参与者的影响，如图3。其中，为了真实地模拟火灾的演化过程，本文采用SMARTFIRE对地铁列车火灾演变进行全尺寸模拟，然后将火灾演变和危险区域演变的过程数据加载到实验环境，在火灾的演变和危险区域的演变数据模拟中，综合考虑了隧道和站台的防排烟系统作用。

图3 实验场景设置界面

三、实验实施

火灾场景下，根据地铁系统的特点和列车在地铁系统中的位置，乘客疏散可能面临三种场景：

（1）站台疏散场景：当列车停靠在站台或具备在站台停靠的条件时，乘客通过列车客室门疏散到站台后，由站台楼扶梯向站厅疏散；

（2）平台疏散场景：列车在隧道内行驶时发生火灾，不具备开行到车站的条件时，若隧道内有疏散平台，乘客可通过列车客室门疏散到疏散平台，进而疏散到两端车站或横向联络通道等安全地点；

（3）轨面疏散场景：当列车在隧道内停车，若隧道内无疏散平台，乘客只能通过列车头部的紧急疏散门逃生，此时由司机打开应急门并放下疏散梯，组织乘客下至轨面疏散；

邀请60名校内学生和校外相关专业人士分组参与上述三种场景，记录参与者照片和视频如下。

图4、视频1和图5为参与者借助OMINI万向走步机和VIVE在实验场景中逃生。

图4

视频1

图5（GIF动图）

图6和视频2平台疏散场景参与者手动通过手动车门解锁设备开启列车客室门，进入紧急疏散平台并逃生。

图6（GIF动图）

视频2

四、实验结果

逃生结果

站台场景的逃生成功率最高（85%），这可能是因为在熟悉的环境中人们通常有好的表现。但是由于，在隧道内逃生时由于不熟悉环境，逃生成功率下降：在平台和轨面疏散中，分别有77 %和71 %的乘客成功逃生。

表1 逃生结果统计

对形势的感知

图7为统计参与者在进行逃生实验时逃生的原因及比例。实验中发现参与者发现异常后不一定立刻逃离，可能会采取观察确认或报警等行为。例如如图5中，参与者通过广播发现异常时，有39%的乘客直接逃生，但是大部分乘客（52%）不会直接逃生，直至看到火或其他乘客逃生才采取逃生行为。

图7 乘客开始逃生原因

出口和路径选择

站台疏散场景中，乘客逃出车厢后可从站台的三组楼扶梯到达站厅安全区域。图8为部分参与者在站台疏散场景中的逃生路径，从图中可以看出，车厢内疏散时，有12%的乘客在逃生过程中错过了有效出口（打开的车门），导致疏散路径延长。乘客逃出车厢后，有78%的乘客从最近的站台楼梯逃生；部分乘客在楼梯附近为避免转弯，没有选用距离最近的中间楼梯，而是从最左侧楼梯逃离；从三个楼梯逃生的乘客人数分别占逃生成功总人数的33%（左）、48%（中）和19%（右）。

图8 部分乘客逃生

隧道平台疏散场景中，设定虚拟乘客逃出车厢后通过紧急疏散平台向车头方向疏散。实验者受到虚拟乘客的影响，大部分（86 %）逃出车厢后也向车头方向疏散，其余14%的乘客向车尾方向疏散。轨面疏散场景中，只有前方紧急疏散门打开，开始疏散时，有部分乘客向车尾逃离，但受到虚拟乘客的影响，这些实验者均改变了方向，转而向车头方向疏散。

在平台和轨面疏散实验场景中，从横通道逃生的乘客数量占逃生成功的乘客总数的比例分别为54%和76%，其余乘客均错过了横向通道，只能从前方车站逃生，导致疏散距离大大增加。乘客错过横通道的原因主要是因为对横通道逃生不熟悉，并且横通道处的疏散引导设置未引起乘客关注。因此，应在联络通道处设置明显的标志牌或广播提醒，避免疏散人员错过有效出口。

五、结论和展望

本虚拟仿真仿真平台在实验中表现出高安全性、高真实性和高适用性。基于本研究的实验结果，在地铁发生火灾等紧急事故时，地铁运营部门需加强指导标识的引导工作，合理组织疏散，提高运营安全性。

在未来展望方面，本虚拟现实仿真平台可以结合BIM技术，通过BIM和VR紧密结合以贯穿地铁站施工到运营各个阶段，可使决策者和运营者更加直观有效地把控建设状况和运营状况。

作者信息：

王子甲，博士，副教授，北京交通大学土建道铁系城市轨道研究中心，北京北京市轨道交通线路工程安全与防灾工程技术研究中心

陈峰，博士，北京交通大学土建道铁系/长安大学公路学院教授，北京北京市轨道交通线路工程安全与防灾工程技术研究中心主任

轨道城市（综合，原创）