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智慧地鐵:大空間地鐵火災(zāi)疏散虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)綜合平臺(tái)研發(fā)與應(yīng)用
說明:本文為研究簡(jiǎn)報(bào),詳細(xì)的初步成果將發(fā)表于《都市快軌交通》,詳見期刊2019年第6期,作者:王子甲、高永鑫、陳峰、李潤法,相關(guān)集成技術(shù)已申請(qǐng)國家發(fā)明專利,進(jìn)一步的成果擬發(fā)表在Fire Safety,敬請(qǐng)關(guān)注!如需與研究者聯(lián)系,請(qǐng)查看文后作者信息及聯(lián)系方式!
一、導(dǎo)讀
由于地鐵系統(tǒng)空間封閉、客流密度大、疏散路徑較長且復(fù)雜,火災(zāi)在軌道交通事故中對(duì)乘客威脅最大。隨著國內(nèi)城市和軌道交通的發(fā)展,城市群經(jīng)濟(jì)新特征的出現(xiàn),軌道交通線路不斷延長,伴隨而來的長大區(qū)間在地鐵中越來越常見,對(duì)于長大區(qū)間中發(fā)生火災(zāi)乘客的疏散研究也越來越多的引起重視。火災(zāi)雖然發(fā)生的概率小,但引起的傷亡巨大,近20年來,在全球范圍內(nèi)已發(fā)生了多起地鐵火災(zāi),以韓國大邱火災(zāi)造成百人傷亡最為嚴(yán)重。
韓國大邱地鐵火災(zāi)
國內(nèi)某地鐵真實(shí)火災(zāi)疏散情況
對(duì)此,我們建立了軌道交通線路工程安全與防災(zāi)工程技術(shù)研究中心,重點(diǎn)對(duì)此進(jìn)行研究。目前對(duì)于地鐵火災(zāi)疏散的研究主要采用計(jì)算機(jī)仿真和人火分離的實(shí)驗(yàn),計(jì)算機(jī)仿真的行人疏散參數(shù)難以標(biāo)定,人火分離的疏散實(shí)驗(yàn)一方面成本高,另一方面實(shí)驗(yàn)中也難以體會(huì)火災(zāi)的真實(shí)場(chǎng)景,結(jié)果失真。對(duì)此,本團(tuán)隊(duì)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)技術(shù)研發(fā)了一套地鐵系統(tǒng)火災(zāi)疏散虛擬仿真綜合平臺(tái),將3D地鐵站與隧道建模、火災(zāi)仿真及3D可視化、行人仿真、大尺度虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景移動(dòng)設(shè)備和真人實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合,為大尺度火災(zāi)疏散提供了逼真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本系統(tǒng)可以為應(yīng)急疏散演習(xí)、疏散方案優(yōu)化等提供訓(xùn)練環(huán)境,可以為計(jì)算機(jī)火災(zāi)仿真標(biāo)定可靠的行人行為參數(shù),為保障地鐵系統(tǒng)內(nèi)乘客安全提供技術(shù)支持。
二、系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)
本套虛擬現(xiàn)實(shí)乘客疏散演練系統(tǒng)主要有兩部分組成,VR設(shè)備和VR場(chǎng)景。VR設(shè)備用于實(shí)驗(yàn)者和虛擬場(chǎng)景提供數(shù)據(jù)交互,VR場(chǎng)景用于為實(shí)驗(yàn)者提供可視化、可交互的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。
VR設(shè)備
VR設(shè)備用于為實(shí)驗(yàn)者營造具有真實(shí)感受的虛擬環(huán)境。本文采用HTC VIVE虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備器感知用戶在虛擬場(chǎng)景中的位置變化和行為姿態(tài),采用OMINI萬向走步機(jī)(如圖1),通過“原地行走”的方式實(shí)現(xiàn)在地鐵大空間內(nèi)行走。
圖1 OMINI萬向走步機(jī)(GIF)
VR場(chǎng)景搭建
VR場(chǎng)景主要作用是還原地鐵列車、隧道和站臺(tái)等空間環(huán)境以及火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展的情景,為乘客營造逼真的疏散環(huán)境。在本文中首先采用3DMAX按1:1比例建立車站、隧道和列車模型導(dǎo)入U(xiǎn)NITY搭建原始虛擬場(chǎng)景。除了虛擬場(chǎng)景外,本文為了研究多人協(xié)同疏散和社群效應(yīng),增加聯(lián)機(jī)功能以保證多名用戶在同一局域網(wǎng)下可以進(jìn)入同一場(chǎng)景并同時(shí)疏散。
圖2 VR建模
在地鐵疏散中,影響乘客疏散結(jié)果的因素主要有火災(zāi)規(guī)模、廣播、燈光設(shè)置和其他乘客的屬性。在本文中將上述因素作為虛擬場(chǎng)景的可輸入變量并在實(shí)驗(yàn)過程中考察不同變量對(duì)于參與者的影響,如圖3。其中,為了真實(shí)地模擬火災(zāi)的演化過程,本文采用SMARTFIRE對(duì)地鐵列車火災(zāi)演變進(jìn)行全尺寸模擬,然后將火災(zāi)演變和危險(xiǎn)區(qū)域演變的過程數(shù)據(jù)加載到實(shí)驗(yàn)環(huán)境,在火災(zāi)的演變和危險(xiǎn)區(qū)域的演變數(shù)據(jù)模擬中,綜合考慮了隧道和站臺(tái)的防排煙系統(tǒng)作用。
圖3 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置界面
三、實(shí)驗(yàn)實(shí)施
火災(zāi)場(chǎng)景下,根據(jù)地鐵系統(tǒng)的特點(diǎn)和列車在地鐵系統(tǒng)中的位置,乘客疏散可能面臨三種場(chǎng)景:
(1)站臺(tái)疏散場(chǎng)景:當(dāng)列車停靠在站臺(tái)或具備在站臺(tái)??康臈l件時(shí),乘客通過列車客室門疏散到站臺(tái)后,由站臺(tái)樓扶梯向站廳疏散;
(2)平臺(tái)疏散場(chǎng)景:列車在隧道內(nèi)行駛時(shí)發(fā)生火災(zāi),不具備開行到車站的條件時(shí),若隧道內(nèi)有疏散平臺(tái),乘客可通過列車客室門疏散到疏散平臺(tái),進(jìn)而疏散到兩端車站或橫向聯(lián)絡(luò)通道等安全地點(diǎn);
(3)軌面疏散場(chǎng)景:當(dāng)列車在隧道內(nèi)停車,若隧道內(nèi)無疏散平臺(tái),乘客只能通過列車頭部的緊急疏散門逃生,此時(shí)由司機(jī)打開應(yīng)急門并放下疏散梯,組織乘客下至軌面疏散;
邀請(qǐng)60名校內(nèi)學(xué)生和校外相關(guān)專業(yè)人士分組參與上述三種場(chǎng)景,記錄參與者照片和視頻如下。
圖4、視頻1和圖5為參與者借助OMINI萬向走步機(jī)和VIVE在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中逃生。
圖4
視頻1
圖5(GIF動(dòng)圖)
圖6和視頻2平臺(tái)疏散場(chǎng)景參與者手動(dòng)通過手動(dòng)車門解鎖設(shè)備開啟列車客室門,進(jìn)入緊急疏散平臺(tái)并逃生。
圖6(GIF動(dòng)圖)
視頻2
四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
逃生結(jié)果
站臺(tái)場(chǎng)景的逃生成功率最高(85%),這可能是因?yàn)樵谑煜さ沫h(huán)境中人們通常有好的表現(xiàn)。但是由于,在隧道內(nèi)逃生時(shí)由于不熟悉環(huán)境,逃生成功率下降:在平臺(tái)和軌面疏散中,分別有77 %和71 %的乘客成功逃生。
表1 逃生結(jié)果統(tǒng)計(jì)
對(duì)形勢(shì)的感知
圖7為統(tǒng)計(jì)參與者在進(jìn)行逃生實(shí)驗(yàn)時(shí)逃生的原因及比例。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)參與者發(fā)現(xiàn)異常后不一定立刻逃離,可能會(huì)采取觀察確認(rèn)或報(bào)警等行為。例如如圖5中,參與者通過廣播發(fā)現(xiàn)異常時(shí),有39%的乘客直接逃生,但是大部分乘客(52%)不會(huì)直接逃生,直至看到火或其他乘客逃生才采取逃生行為。
圖7 乘客開始逃生原因
出口和路徑選擇
站臺(tái)疏散場(chǎng)景中,乘客逃出車廂后可從站臺(tái)的三組樓扶梯到達(dá)站廳安全區(qū)域。圖8為部分參與者在站臺(tái)疏散場(chǎng)景中的逃生路徑,從圖中可以看出,車廂內(nèi)疏散時(shí),有12%的乘客在逃生過程中錯(cuò)過了有效出口(打開的車門),導(dǎo)致疏散路徑延長。乘客逃出車廂后,有78%的乘客從最近的站臺(tái)樓梯逃生;部分乘客在樓梯附近為避免轉(zhuǎn)彎,沒有選用距離最近的中間樓梯,而是從最左側(cè)樓梯逃離;從三個(gè)樓梯逃生的乘客人數(shù)分別占逃生成功總?cè)藬?shù)的33%(左)、48%(中)和19%(右)。
圖8 部分乘客逃生
隧道平臺(tái)疏散場(chǎng)景中,設(shè)定虛擬乘客逃出車廂后通過緊急疏散平臺(tái)向車頭方向疏散。實(shí)驗(yàn)者受到虛擬乘客的影響,大部分(86 %)逃出車廂后也向車頭方向疏散,其余14%的乘客向車尾方向疏散。軌面疏散場(chǎng)景中,只有前方緊急疏散門打開,開始疏散時(shí),有部分乘客向車尾逃離,但受到虛擬乘客的影響,這些實(shí)驗(yàn)者均改變了方向,轉(zhuǎn)而向車頭方向疏散。
在平臺(tái)和軌面疏散實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中,從橫通道逃生的乘客數(shù)量占逃生成功的乘客總數(shù)的比例分別為54%和76%,其余乘客均錯(cuò)過了橫向通道,只能從前方車站逃生,導(dǎo)致疏散距離大大增加。乘客錯(cuò)過橫通道的原因主要是因?yàn)閷?duì)橫通道逃生不熟悉,并且橫通道處的疏散引導(dǎo)設(shè)置未引起乘客關(guān)注。因此,應(yīng)在聯(lián)絡(luò)通道處設(shè)置明顯的標(biāo)志牌或廣播提醒,避免疏散人員錯(cuò)過有效出口。
五、結(jié)論和展望
本虛擬仿真仿真平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出高安全性、高真實(shí)性和高適用性?;诒狙芯康膶?shí)驗(yàn)結(jié)果,在地鐵發(fā)生火災(zāi)等緊急事故時(shí),地鐵運(yùn)營部門需加強(qiáng)指導(dǎo)標(biāo)識(shí)的引導(dǎo)工作,合理組織疏散,提高運(yùn)營安全性。
在未來展望方面,本虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)可以結(jié)合BIM技術(shù),通過BIM和VR緊密結(jié)合以貫穿地鐵站施工到運(yùn)營各個(gè)階段,可使決策者和運(yùn)營者更加直觀有效地把控建設(shè)狀況和運(yùn)營狀況。
作者信息:
王子甲,博士,副教授,北京交通大學(xué)土建道鐵系城市軌道研究中心,北京北京市軌道交通線路工程安全與防災(zāi)工程技術(shù)研究中心
陳峰,博士,北京交通大學(xué)土建道鐵系/長安大學(xué)公路學(xué)院教授,北京北京市軌道交通線路工程安全與防災(zāi)工程技術(shù)研究中心主任
軌道城市(綜合,原創(chuàng))
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