Research and implementation of metro emergencyevacuation simulation system based on VR
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摘要: 为解决传统仿真技术存在的软件购置成本高、二次开发性有限、展示效果不佳等问题，研发基于虚拟现实（VR）的地铁应急疏散仿真系统。系统通过Unity开发平台，借助SmartFire、3DS Max作为辅助工具，融合火灾数值模拟数据、社会力–智能体仿真模型，以青年路站为例，实现沉浸式仿真系统并进行仿真试验。仿真结果表明：系统可有效地仿真地铁突发事件场景下的客流疏散状态变化，降低疏散演练与仿真试验成本，提高仿真配置灵活性与仿真过程可视化效果，为乘客安全逃生教育与基于乘客疏散行为特征的应急处置方案优化提供参考。Abstract: In order to solve the problems of high software purchase cost, limited secondary development and poor display effect of traditional simulation technology, this paper developed metro emergency evacuation simulation system based on Virtual Reality(VR). Through Unity development platform, with the help of SmartFire and 3DS Max as auxiliary tools, the system was integrated fire numerical simulation data and social force agent simulation model. Taking Qingnian Road Station as an example, the system was implemented and simulated. The simulation results show that the system can effectively simulate the changes of passenger flow evacuation status in the subway emergency scene, reduce the cost of evacuation drill and simulation test, improve the flexibility of simulation configuration and the visualization effect of simulation process, and provide reference for passenger safety escape education and emergency response scheme optimization based on the characteristics of passenger evacuation behavior.
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Keywords:
- metro /
- station fire /
- emergency /
- passenger evacuation /
- virtual reality（VR）
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地铁线路以地下隧道为主的敷设方式，减少城市公共空间占用的同时也给突发事件的应急处置带来了挑战。相关学者[1-5]使用仿真软件在减少研究成本和降低实施风险的情况下，对地铁车站火灾模拟与乘客疏散进行了研究，但因难以获得火灾场景下乘客的行为特征而不能保证仿真结果的可靠性。
虚拟现实（VR）技术具有高度“还原”真实场景的特点，近年来其在各行业的应急管理领域均取得了一定的研究成果[6-9]。在应急疏散方面，张磊[10]利用火灾动态模拟器（FDS）和Pathfinder仿真得到的疏散路径，使用X3D开发了VR建筑火灾人员逃生训练系统。Enrico Ronchi[11]搭建了公路隧道VR场景，通过真人实验探究隧道指示灯颜色和闪光频率等因素对疏散的影响。周博为[12]利用Unity3D开发了VR场景，通过真人疏散实验分析地铁站内常客疏散过程中疏散流线的瓶颈点以及安全隐患。
目前，基于VR技术的应急疏散研究尚有几点不足：（1）自开发VR场景，模型效果较差，降低了参与者的沉浸感；（2）利用商业行人仿真软件将仿真结果导入至VR场景中，虚拟人只是视觉上的移动，参与者无法与场景内的虚拟人互动；（3）将火灾等突发事件模拟的结果导入至VR场景中时，模拟结果简化较多，并且尚未提及火灾产物如何影响场景内的虚拟乘客。
基于上述背景，本研究设计和开发基于VR的地铁应急疏散仿真系统，对系统逻辑架构和功能架构进行详细设计，选用Unity开发平台，借助SmartFire和3DS Max软件，搭建车站模型场景，通过行人仿真模块、路径规划模块和火灾模拟模块集成可交互式物理场景与动态疏散行为模型，以UI界面实现可视化配置与仿真模拟，最后以青年路站为例实现并示范应用系统。
1 系统架构设计
结合地铁应急疏散仿真技术现状与应用研究需要，对系统的逻辑架构和功能架构进行设计。
1.1 逻辑架构设计
系统逻辑架构，如图1所示。
（1）数据层是系统基础环境和应急疏散场景搭建的基础。
（2）模型层是实现疏散行为仿真的核心，系统基于数据层所提供的数据，调用多种行为模型，实现“人—机—环”之间的交互与映射。
（3）应用层是仿真系统所实现的业务应用场景，系统基于基础数据与多种行为模型，构建地铁车站常态运营与应急疏散仿真场景，通过VR技术实现沉浸式观察与体验。
（4）展示层是系统实现仿真过程与结果多维展示的平台，包括PC端和VR设备端展示。系统基于PC平台或VR设备，为用户提供疏散空间场景、疏散过程、疏散结果的多维可视化展示。
1.2 系统功能架构
系统功能主要包括突发事件仿真、应急疏散与演练、仿真数据统计分析与系统可视化展示，具体功能划分，如图2所示。
1.2.1 突发事件仿真
突发事件仿真功能可实现突发事件场景和乘客属性的设定。系统读取事件演变模拟数据，根据触发时间和事件位置生成突发事件场景。乘客属性配置可对乘客数量、期望速度、生成方式、形象等属性进行设置。灾害属性与智能体模型开启后，突发事件与乘客行为可产生交互影响。
1.2.2 应急疏散演练
应急疏散演练功能可适配多种演练场景，用户可对疏散场景、观察模式和仿真模式进行设定。根据疏散效果评价、应急预案优化、安全教育等需求，实现虚拟应急疏散仿真、PC端应急疏散演练和VR应急疏散演练。
1.2.3 仿真数据统计分析
仿真数据统计分析功能可对疏散时间、疏散人数、演练人员定位坐标、疏散成功比例与待疏散人数进行统计分析，可通过录屏完整记录演练过程，满足疏散效果评价、安全行为分析以及地铁公司运营安全评估的数据需求。
1.2.4 系统可视化展示
系统可视化展示功能通过UI界面可视化设定系统配置，基于VR技术实现用户在车站场景内三维漫游、观察仿真过程、查看仿真结束乘客的伤亡情况，在PC模式下以图表等多维度以可视化展示形式疏散比例、站台剩余人数等仿真结果数据。
2 系统模块与界面设计
基于系统功能架构与逻辑架构设计，为实现系统各部分功能并通过用户界面进行结构化配置与可视化展示，对系统模块和用户界面进行设计。
2.1 系统模块设计
2.1.1 行人仿真模块
行人仿真模块通过Unity系统组件（Rigibody、Capsule Collider、Navmesh Agent、Animation）和自开发组件（Find Waypoint、Ctrl Move、IK Model、Elevator），实现按照路径规划的结果进行全局移动，并在移动过程中根据行人仿真模型调整自身行为。
其中，Rigibody和Capsule Collider组件提供智能体的基本属性及搜索周围智能体方法；Navmesh Agent组件提供不同区域智能体行走方式；Find Waypoint组件将路径信息传递给Ctrl Move组件；非楼梯区域，通过IK Model按照路径规划以预测碰撞模型移动；楼梯区域，通过Elevator按照一定的速度移动。
2.1.2 路径规划模块
为解决Unity系统自带Navmesh组件无法动态调整障碍物位置，以及烘焙地图过程中浪费大量计算机资源的问题，路径规划模块通过自开发的High-level Navmesh组件，根据场景设定可行走区域与非可行走区域，基于A*算法直接进行路径规划，实现根据物理空间场景、立柱及设备设施布局信息进行虚拟乘客的动态实时路径规划。
系统采用High-level Navmesh组件进行乘客的全局路径规划。该组件将场景划分出可行走区域与非可行走区域，通过与行人仿真模块的寻路组件配合，根据行人的位置及终点位置基于High-level Navmesh组件划分的地图进行全局路径规划，并将路径规划的结果实时传递给行人仿真模块中的IK Model组件及Elevator组件。
2.1.3 突发事件模拟模块
系统以火灾事件为例，基于SmartFire软件构建车站有限元模型，假设青年路站的站台层西侧扶梯着火，根据《地铁设计防火标准》[13]相关要求，设定车站通风排烟模式，对高温分布情况和烟气扩散情况进行模拟。将车站火灾温度与烟气蔓延模拟数据按照时间戳导入系统，突发事件模拟模块读取数据并对场景中的火灾数据进行可视化动态演变。
2.2 系统界面设计
系统界面基于UGUI组件在Unity内部开发完成，根据系统功能架构与逻辑架构，将系统页面划分为仿真设定和仿真展示两个页面。
2.2.1 仿真设定界面
仿真设定界面是系统启动前的参数配置界面，共包括左右两侧显示区域，如图3所示。左侧区域为车站模型显示区域，可查看车站模型布局情况，并突出显示火灾设定模块配置的火灾位置；右侧显示区域可对疏散模式、火灾设定和乘客设定等仿真参数具体配置，实现系统参数配置的可视化。
2.2.2 仿真展示界面
仿真展示界面是系统仿真过程控制及仿真结果的展示界面，由左右两侧显示区域组成，如图4所示。左侧区域为车站模型显示区域，可查看仿真结束后的火灾伤亡情况；右侧显示区域可对仿真进程进行控制，显示设备属性信息，并以图表的形式可视化展示仿真结果分析数据。
3 系统实现
3.1 系统场景实现
利用3DS Max对车站站台层、站厅层空间与基础设施设备进行建模和渲染并导入Unity，如图5所示。
3.1.1 站台层模型场景
站台层场景由站台层空间模型与设施设备模型组成，包括乘客集散区、轨行区、楼扶梯、电梯、站台顶部通风排烟口等模型。其中，屏蔽门、楼扶梯设置预留控制接口，可供指挥中心集中控制，也可供运营人员控制。
3.1.2 站厅层模型场景
站厅层场景由站厅层空间模型与设施设备模型组成，包括客服中心、立柱、闸机、自助购票机，以及站厅顶部的通风排烟口、灯管等。闸机由指挥中心集中控制，导流栏杆可以由工作人员控制生成并对乘客行为产生影响。
3.2 系统功能实现
根据上述研究成果，在Unity平台使用C#开发实现了系统。基于系统应用场景，可分为车站三维漫游、常态运营仿真和应急疏散仿真3类功能。
3.2.1 车站三维漫游
基于车站空间模型，通过使用VR设备或PC设备在高还原度车站环境内以第一人称或第三人称视角游览任意位置，实现仿真过程与结果的沉浸式观察，并可实现站内虚拟巡视、设施设备布局调整效果预览、施工效果模拟等功能，如图6所示。
3.2.2 常态运营仿真
基于车站基础设施设备，实现乘客问询、购票、进站、下楼、候车、乘车及相应出站等车站常态运营过程仿真，并基于多种乘客行为模型实现智能路径选择、路径冲突下的避让等行为，如图7所示。
3.2.3 应急疏散仿真
基于火灾仿真数据，实现车站场景下的火焰与烟雾可视化模拟，乘客在火灾工况下紧急疏散，并与火灾情况产生交互，产生人员运动速度变化与伤亡情况，如图8所示。
4 案例分析
应用该系统对青年路站的乘客疏散情况进行研究，为研究多场景下的疏散效果，构建3个疏散场景。基于地铁安全疏散规范[14]与相关文献[15]，根据青年路站客流预测结果，以远期年客流量计算得到疏散乘客量为2696人，验证大客流和火灾场景下乘客疏散时间能否满足规定的6 min，并统计火灾场景下的乘客伤亡情况。
4.1 大客流疏散仿真
本场景假设车站执行大客流疏散，某一扶梯无法使用，乘客随机分布于站台之上，生成乘客并执行疏散仿真。根据统计，站台上的乘客在210 s左右可全部从站台疏散至站厅，如图9所示。
场景1的乘客疏散仿真时间统计，如表1所示，根据仿真结果，青年路站的乘客总疏散时间为353 s，刚好满足国标疏散规范中的6 min要求。
表 1 大客流疏散仿真疏散时间统计计算位置 时间/s 备注 站台→非付费区 248 — 非付费区→地面 227（通过楼扶梯）+45（运动） — 共计 353 含1 min反应时间 4.2 火灾疏散仿真
本场景假设在大客流场景的基础上，站台层最左端扶梯因电气故障着火，乘客均匀分布在站台之上，乘客从远离着火扶梯的路径疏散。根据仿真结果，本场景的站台清空时间大幅度增长，达到350 s左右，如图10所示。
火灾初期站台乘客数量变化与无火灾场景类似，火灾达到充分燃烧后，站台大量乘客因高温烟气丧生，站台上的乘客数量迅速减少。本场景中共伤亡乘客350名。由于疏散通道的减少延长了疏散时间，成功逃生乘客疏散耗时共计479 s，超出国标疏散规范中的6 min要求，如表2所示。
表 2 火灾疏散仿真疏散时间统计计算位置 时间/s 备注 站台→非付费区 347 — 非付费区→地面 227（通过楼扶梯）+45（运动） — 共计 479 含1 min反应时间 车站火灾等突发事件会对乘客生命财产安全产生严重的威胁，地铁运营单位通过制定科学的应急预案并采取有效管控现场情况，正确引导乘客安全逃生，对保障其生命财产安全具有重要的作用。
5 结束语
针对现有地铁应急疏散仿真技术存在的不足，本研究设计了基于VR的应急疏散仿真系统，搭建了高还原度车站模型场景，实现了车站三维漫游、常态运营仿真和应急疏散仿真等功能。系统以青年路站为例进行大客流与火灾场景下的乘客疏散仿真应用，通过统计仿真过程中站台剩余人数、疏散时间、伤亡人数等指标，以地铁安全疏散规范为依据，对比分析不同场景与相关标准要求的差异性。结果表明，系统可有效对地铁车站突发事件场景下的客流疏散进行仿真，地铁运营公司与相关科研单位可基于该系统开展多场景下的沉浸式仿真疏散演练与仿真，为乘客安全逃生教育与基于乘客疏散行为特征的应急处置方案优化提供参考。
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期刊类型引用(1)
1. 黄琳，李文航，龚建华，马浩男，胡梦雨. 基于VR孪生实验的群组疏散时空行为特征分析. 遥感学报. 2024(05): 1314-1329 . 
百度学术
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