陈超; 张军; 陈青青
【期刊名称】《《华北科技学院学报》》
【年(卷),期】2019(016)004
【总页数】6页(P87-92)
【关键词】虚拟现实; 情景模拟; 地铁疏散; 应急演习 【作 者】陈超; 张军; 陈青青
【作者单位】华北科技学院 计算机学院 北京 东燕郊 065201
【正文语种】中 文
【中图分类】TP391.9
0 引言
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地铁是现今城市交通不可或缺的部分，往往承载着城市公共运输的较大份额，地铁系统的安全性能直接关系到乘客的生命安全[1]，而其事故可能性和危险性随着乘客增多而迅速增长，由于其地下工程的特性，当灾害发生时地铁系统内部人员的疏散更为困难。因此，在地铁系统运行过程中，保证地下工程和车体在突发情况下的有效疏散具有重要意义[2-3]。为了提高地铁的疏散性能，确保在事故中做到最小的损失，应急推演是一种有效的防患形式，但在地铁系统中开展演习，易造成交通瘫痪或营业额流失，且成本高昂，真实有效的推演成为一种奢求。因此需要一种有效的情景模拟形式[4]，既可以还原真实情景，又可以有效模拟人进行灾害疏散，通过模拟结果评估安全性能和疏散效果，同时制定出有效防范措施。
国内外针对地铁火灾防范的研究已取得一定成果。比如，李锦成等探讨了对地铁火灾和城市应急救援体制的建设、安全预案制定、专业队伍建设等[5]，但需要进一步的模拟验证。董书衡等在对人员参数进行调研后，对人员疏散情况进行了模拟[6]；梁慧君等利用火灾烟气+疏散软件建模，仿真模拟出人员疏散结果，从而开展地铁安全性验证[7]，其整个模拟结果具有参考意义，但其人员仿真属于元胞自动机模拟或者类分子模拟，仿真过程缺乏智能性。赵兰英等采用数值模拟软件对火灾时的烟气温度场、速度场和CO浓度场进行解算和
分析，研究结果与真实情况更为匹配，但是解算过程计算量较大，无法实现实时的推演[8]。
运动磁场虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术是一种可以创建、模拟并显示真实世界的计算机技术，是一种多源化信息融合交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真[9]。它为应急推演提供了一种全新模式，可以将事故现场建设至虚拟场景中去，在虚拟场景中模拟各种事故情况，观察人员的应急反应。虚拟现实模拟一方面可以减少现实演习所产生的不便和成本，另一方面通过计算机辅助分析和深度学习等技术，可以智能化设计筛选出最佳的疏散方案，为可能存在的事故提供防范意见。
1 场景建设及模拟
研究将实现一个基于虚拟现实的地铁逃生情况推演系统，用户可以应用该系统仿真体验和观察地铁内部场景，并开展地铁火灾逃生推演。设计并实现地铁虚拟逃生推演系统，首先需要运用动画设计软件Autodesk Maya搭建车厢3D模型、建立地铁虚拟场景模型，这是后续系统设计和实施的基础。随后利用多平台虚拟场景开发工具Unity3D完成了系统中的相关交互：所建立地铁场景能够支持用户化身在地铁车厢内的行走动作；当火灾发生时，能够
支持展现真实的火焰效果和烟幕效果；用户可以控制其化身选择逃离路线逃出地铁。除此之外，为了评价乘客受伤程度，引入能够表示生命值的量化模型，当乘客离火焰较近、较久时，乘客的生命值减弱，数值下降，当生命值下降至零时，乘客的生命特征全无，将结束本次逃生推演。
地铁虚拟逃生情景推演系统的整体框架如图1 所示：
图1 地铁虚拟逃生情景推演系统整体框架
在地铁虚拟逃生情景推演系统中，地铁仿真场景是系统的主要组成部分，其中包括静态的站台模型、动态的车辆模型、动态的仿真人员和由用户操纵的化身以及火灾发生时的火焰、烟雾等粒子特效，在逃生推演过程中，用户通过自身姿态操纵仿真场景中的化身在地铁火灾现场中奔跑、寻最佳逃生路线。火灾设定模块可以在车辆的不同部位设置不同类型、不同大小的火源，开展更全面的地铁虚拟逃生推演。通过分析各种火灾情况下的逃生过程、逃生结果，最终制订出有效的疏散指导方案。
2 关键技术与实现
圆极化天线
2.1 地铁场景建模
地铁列车种类很多，但基本构造都可以分为机械系统和电气系统。其中机械系统主要包括车体、车钩与缓冲器、车门系统、转向架、空气制动机构、空调和通风系统；电器部分包括牵引及电制动系统、辅助系统、列车控制系统、列车故障诊断系统、通信系统、列车自动控制系统。为降低图形渲染压力，地铁虚拟逃生推演系统并未完全对上述系统进行建模，省略了视觉上无法观察到的系统。地铁场景建模主要是在Maya软件中实现的，将地铁列表分解为车外壳(包含车门和车窗)，车内部(包含座位，拉手，车钩等结构)，车顶及车底(含车轮)等部分，依次对其进行建模。模型内部如图2所示。
腐蚀与防护期刊图2 车体内建模后效果
2.2 材质与贴图
材质，即是指模型对象的材料，所用材料不同，模型的透明度、表面颜、纹理和对光线的反射与折射程度、发光度也不同，为物体赋予不同的材质，会产生不同的视觉效果。在Maya软件中制作材质时，需要分析真实物体所用材料，选择真实材料的参数，以便在仿真
场景中尽可能地再现该物体。在现有的地铁场景中，地铁车厢采用的是硬塑料材料，车厢内的大部分物体如座椅也是塑料材料，把手和防护栏杆是金属材料，而底板及车底的轮胎和电气设备则是使用反光度较低的材料。根据其不同的材料给车厢的不同结构添加不同的材质，并调节其参数使其呈现出理想的效果，下面以座椅为例：
座椅(塑料材质)：塑料材质具有一定的通透性，对其赋予暗蓝且有自发光属性，并将其发光范围和离心率调小，设置其值为0.089；塑料的高光范围较大，因此将高光的衰减调大，设置其值为0.846，并修改高光颜为偏亮。塑料材质的反射度很强，修改其反射值为0.252，参数设置和效果如图3所示。对其他列车部件也采用类似的方法，最终完成效果如图4所示。
3 乘客逃生的动态交互
3.1 展现火焰效果
地铁虚拟逃生推演系统中的火焰效果是由粒子系统实现的。粒子系统一般用于实现烟、火、水滴等特殊效果，它由三个组件构成，分别为粒子辐射源、粒子动画师及粒子渲染器，
死狂粒子系统还可以通过脚本进行控制。再现地铁内的火灾场景需要实时模拟火焰效果，当火灾发生时，火焰熊熊燃烧，同时警报响起，火灾场景才能更逼真、更立体。在本系统中，是通过在Unity3D的粒子系统的“渲染模块”面板中添加火焰效果的二维图片，并调节控制粒子效果的Initial Module和Emission module参数来模拟火焰效果的。最终的火焰渲染效果如图5所示。
读反对本本主义有感图3 座椅的参数设置和完成后效果
图4 地铁贴图后整体效果
图5 火焰渲染效果图
3.2 仿真乘客及镜头跟随
在地铁虚拟逃生推演系统中，需要设立仿真的模拟人来模拟地铁中的乘客，一般的模拟人会根据当前位置、火源位置、车门位置，自主计算出逃生路径，并调用跑步动画来模拟火灾发生时乘客从地铁中逃出时的动作。而由用户操纵的模拟人将由用户通过姿态进行控制，完成其逃生过程，由于在逃生过程中模拟人将不断变化位置，为了时刻检测模拟人所
处环境，需要虚拟摄像机时刻跟随着模拟人的运动，系统中通过代码指令为摄像机添加一个跟随镜头，使其不断更新位置，且所处位置与人物始终保持固定距离，便于观察完整的逃生过程。
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