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基于虚拟现实技术的城市轨道交通突发灾害事件应

来源:本站   发布时间: 2023-01-11 08:41:00

急演练平台

北京大象科技有限公司

摘  要 地铁作为一个城市的公益性服务行业,直接服务于大众,安全是其运营的永恒主题,突发灾害事件时高效的应急组织能在事件发生时最大程度的挽救人民群众的生命财产。本文分析当前城市轨道交通组织架构及应急预案,研究开发一套基于网络的分布式平台,模拟不同应急角色所处的虚拟环境,借助计算机图形学及游戏引擎仿真突发事件的发生与演变过程,将不同应急角色的岗位学员同步到突发灾害事件的场景与应急过程主线中,在检验已有突发事件应急预案有效性的同时,对多角色协同应急与决策能力进行培训与提高。

关键词 城市轨道交通;虚拟现实;应急演练;多角色协同

一、引言

随着近年来我国轨道交通飞速发展,大规模城市轨道交通路网在全国许多城市都日趋成熟,带来方便的同时,也是对于城市轨道交通行业在灾害事件发生时应急处置能力的巨大考验,水淹、火灾、毒气泄漏等灾害事件虽然发生的概率小,一旦发生突发事件,其社会影响力、政治影响和国际影响力都十分巨大,如郑州地铁5号线“720事件”造成了重大人员伤亡。

地铁运营单位训练地铁各岗位工作人员面临灾害事件的方法一般采用应急演练的方式,对各种灾害事件进行预演,使得地铁运营单位能够较好地应对灾害事件。

而针对目前的应急演练情况,仍然存在以下问题:

(1)现有应急演练方式以桌面推演、模拟仿真、简单实战演练为主,途径比较单一,导致培训难;

(2)实战依赖运营线路,受场地影响较大,实训效率低,演练效果差;

(3)仅部分应急故障场景可以进行现场演练,对很多应急故障现象不能进行现场演练,很难达到应急演练目标;

(4)缺少有效考核与评价体系,导致评估难以进行。

为解决以上问题,能够让地铁各岗位工作人员及时有效的完成相应的应急演练,利用VR技术还原“真实”的虚拟场景进行应急仿真与演练是提升地铁运营单位应急处置能力的新方向。

应用虚拟现实技术开发的应急演练平台能给用户更多的观察自由度,逼真的展现水淹、火灾、毒气泄漏等应急事件中积水遵循重力条件流动、可燃烧物的燃烧、热空气、毒气体的流动,用户通过“实际参与”的形式体会应急事件的发生、发展、蔓延、逃生、报警和信息反馈过程,为城市轨道交通行业各工作岗位工作人员应急技能水平的提升、应急实战经验的丰富、促进行业人员应急处置的标准制定和能力评估具有十分重要的意义。

二、发展现状

在民航领域应急救援方面,国内多侧重于基于GIS(地理信息系统)构建民航突发事件应急演练辅助决策支持系统。欧美在民航应急救援方面,英国杜伦大学率先提出使用计算机游戏引擎来建立虚拟环境原型的思想,并建立了火灾撤离虚拟演练系统。美国达特茅斯大学的学者采用游戏引擎来实现飞机坠毁造成多人员伤亡的虚拟演练场景,并构建了基于WEB网的演练系统,以及开展了地物模型、人物模型构建及行为仿真研究。

在地铁火灾应急救援方面,国内学者关注点更多地在于场景构建的本身。2009 年唐方勤利用GIS技术搭建虚拟现实原型系统AutoEscape,包括数字可视化模块、虚拟现实图形平台、疏散计算引擎以及火场模拟模块,其中火场模拟模块是基于 FDS(Fire Dynamics Simulator)火灾数值模拟软件搭建的;虚拟现实图形平台基于Vega虚拟场景搭建。该研究在国内虚拟现实火灾疏散研究中开始较早,搭建技术难度较大,成本较高。2019年周博为首次以广州地铁燕塘站为例,通过对站内设备设施的空间布局调研以及结合设计图纸搭建地铁站物理模型,利用 Unity3D 开发虚拟现实场景。组织参与者进行燕塘站虚拟现实疏散测试,记录实验者数据,分析疏散过程中参与者流线的瓶颈点以及安全隐患。

三、模拟仿真

(一)功能设计

关于地铁车站内的紧急疏散,绝大多数国家都根据自身轨道交通的特点制定了相应的规范标准我国的地铁行业总规范为《地铁设计规范》(GB50157-2013)。

我国《地铁设计规范》、《城市轨道交通工程设计规范》根据国内外已发生的地铁灾害事故,综合考虑安全与经济等方面因素,均提出了相同规定,以火灾为例:一条地铁线或者一座换乘车站以及该车站的相邻区间考虑同一时间内只有一处发生灾害。例如,站台公共区火灾时,不考虑站厅公共区火灾;公共区火灾时,不考虑设备管理区火灾。基于此设计灾害工况时,仅考虑站台公共区某一处发生灾害的情况。

我国《地铁设计规范》对疏散安全区进行了定义:安全区一般为地下封闭车站配备了事故通风系统,能为站台或轨行区列车灾害工况下乘客疏散提供保护的场所,或站台上部为敞开空间或能形成自然排烟、排气的空间。《地铁设计防火标准》指出站厅公共区内可燃物极少,封闭地下车站均设置事故通风排烟系统,若站台层或区间隧道发生灾害,站厅公共区在一定的时间内能为疏散人员提供较高的安全保障。

综合考虑地铁设计规范、疏散原则,并对照真实作业的案例采集、模型搭建、岗位职责梳理是虚拟仿真软件开发前期的主要工作。通过对车站环境、车站岗位职责、通风设施、消防设备进行尺寸测量、原理学习、拍摄现场、采访具备丰富经验的高级工程师等方式,充分了解应急预案各岗位职责、作业安全注意事项,总结归纳形成适用于城市轨道交通突发灾害事件应急演练平台需求。

(二)架构设计

针对城市轨道交通突发灾害事件应急演练平台,还原地铁列车、隧道和站台等空间环境以及水淹、火灾、毒气泄漏等自然现象发生和发展的情景是其基础功能,将影响乘客疏散结果的因素作为可输入变量改变虚拟仿真平台的实验结果是其核心功能,基于可编辑文本技术,建立好各个实验的功能模块库,构建城市轨道交通突发灾害事件应急演练平台的基本逻辑,除了为关键步骤设立触发节点外,需要为相应的操作赋分。因此应急演练平台采用Client/Server 架构,通过局域网和广域网连接实现分布式虚拟环境,整个系统由客户机、应用服务器和数据库服务器组成,“客户机”支持客户对虚拟场景模型的交互和浏览,“应用服务器”是联系“客户机”和“数据库服务器”的纽带,负责处理各种应用,进行系统功能的调度和实现,“数据库服务器”用于存放用可编辑文本实现的步骤数据库和评估分数库。

(三)地铁车站场景还原

根据真实作业案例采集素材,对人物、设备及环境进行等比建模,确保仿真对象的真实性,采用3d Max、Maya模型制作工具,基于三维引擎构建真实的车站站台层、站厅层、隧道;分析地铁车站站台层、站厅层、隧道区域设备设施、引导标识设置,设计虚拟场景中可交互的虚拟设备、标识信息的设置位置。采用动态光线算法和实时阴影高级渲染技术,计算光照和阴影,从而增加场景的表现力。

(四)灾害场景还原

为了达到接近真实的灾害效果,粒子系统细节的设置非常重要,要充分根据真实场景中自然粒子的规律,结合实际设置粒子以何种方式投射到屏幕上,了解自然粒子的物理特性以设置粒子的大小、速度、自旋角度、颜色、分布情况等以及设置这些属性随着时间的推移而发生的变化。这些细节设置在发射器下的具体模块中。概括可以分为:属性设计、投射设计、演变设计。另外在粒子系统的设计中要充分考虑到物理因素,这样才能使得仿真效果更加逼真。作为粒子贴图的图形称为粒子图元,恰当的选择粒子图元可以使渲染效果更佳。

粒子系统的每个发射器下有会有很多的模块,根据需要添加、删除以及设置属性参数值以达到预期的水流、火灾、毒气蔓延模拟效果。

(五)灾害场景下微观行人模型构建

依据既有研究对行人 Agent 进行分类,为不同类别的 Agent 赋予尺寸、运动、感知方面的参数,使多智能体系统具备异质性;并基于有限状态机理论与 C#面向对象编程技术,设定 Agent 在仿真过程中的四种状态,并对每种状态中的 Agent行为以及状态的整合与切换进行编程实现。

(六)突发灾害事件应急演练平台集成开发

根据国内某轨道交通运营公司车站水淹、火灾、毒气泄漏应急疏散预案进行交互场景脚本规划,按照所规划的作业操作步骤完成系统基本功能的开发。

1)客户端提供用户操作装备的交互界面,用户登陆进入应急响应模块,选择自己身份,此时客户端将选择结果作为服务请求发送到应用服务器;

2)应用服务器收到请求后下载数据库服务器上的可编辑文本文件,生成模型描述图,并将此描述图传给客户端,客户端显示,进行体验或考核;

3)应用服务器收到请求后下载数据库服务器上演练场景并生成演练界面,用户进行疏散体验,完毕后演练结果数据存储在数据库服务器。

客户端整合车站场景、行人模型,完成城市轨道交通突发灾害事件应急演练平台的开发工作,验证VR沉浸式头戴眼镜、万向走步机及车站场景、灾害效果、Agent子模块的实现效果,并进行案例应用仿真实验,对不同工况进行对比试验,分析实验结果,在以工作人员角色进行疏散指引模式时,以工作人员发布疏散指令的方式验证应急预案的有效性。

四、结束语

基于虚拟现实技术的城市轨道交通突发灾害事件应急演练平台,是一套基于网络的分布式平台,通过物理上分布的电脑终端模型不同应急角色所处的虚拟环境,借助计算机图形学及游戏引擎模拟仿真突发事件的发生与演变过程,将不同应急角色的岗位学员同步到突发灾害事件的场景与应急过程主线中,在检验已有突发事件应急预案有效性的同时,进一步对多角色协同应急与决策能力进行培训与提高。

参考文献

[1] 唐方勤.基于 GIS 的火灾场景下人员疏散模拟[D].清华大学,2009.

[2] 梅玉龙.应急演练计算机三维模拟系统研究[J].中国安全生产科学技术,2012,(4):92-97.

[3] 周博为. 基于于虚拟现实技术的地铁站内人员疏散行为测试实验[D]. 华南理工大学,2019.

[4] 陈峰.基于虚拟现实技术的地铁火灾疏散仿真平台研发与应用[J].都市快轨交通,2020.

 

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