基于BIM-VR的軌道交通車站客流疏散仿真研究

白 寒，楊 帥，馮旭杰，宋曉敏，董守放

（1. 河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，石家莊 050000；2. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；3. 交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100044；4. 中鐵信(北京)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院有限公司，北京 100044）

1 研究背景

城市軌道交通已成為許多大中城市的重要公共交通方式，其系統(tǒng)作為一個(gè)具有較大客流量的封閉空間，安全問題是一項(xiàng)重要的議題，一旦在站內(nèi)發(fā)生緊急事故，可能會出現(xiàn)嚴(yán)重的人員傷亡后果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在軌道交通緊急事故中，火災(zāi)是導(dǎo)致死亡人數(shù)最多的事故類型，所以進(jìn)行車站內(nèi)火災(zāi)事故的仿真研究十分必要。

既有行人疏散仿真研究主要采用微觀仿真方法，其中智能體(Agent)模型因具有自主性、適應(yīng)性等諸多優(yōu)點(diǎn)，是主要的微觀行人模型之一。在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真研究中，仿真過程通常只是以第三人稱視角進(jìn)行，參與度不足，且研究重點(diǎn)一般放在行人的行為特點(diǎn)上，而忽視了疏散場景的精細(xì)度與真實(shí)度。但是，建筑信息模型(BIM)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)能夠有效解決上述問題。其中，BIM技術(shù)中建筑每個(gè)構(gòu)件的屬性都包含在 BIM 模型里，這些信息在模擬安全疏散過程時(shí)可以發(fā)揮重要的作用[1]。BIM技術(shù)只需要依托一個(gè)平臺，便可實(shí)現(xiàn)高精度場景的疏散仿真模擬；而 VR技術(shù)在沉浸感、交互性和實(shí)時(shí)性綜合效果方面具有諸多優(yōu)勢，與BIM技術(shù)具有良好的適應(yīng)性。

因此，筆者基于BIM技術(shù)、VR技術(shù)以及Agent模型，實(shí)現(xiàn)高還原度的地鐵環(huán)境下更加接近真實(shí)情況的人員疏散仿真，并依據(jù)研究成果，開發(fā)出基于Agent模型與VR的車站火災(zāi)疏散仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)為火災(zāi)等突發(fā)情況下人員安全疏散行為以及心理變化的分析提供了更加真實(shí)、安全的實(shí)驗(yàn)平臺，同時(shí)也可以用于安全疏散培訓(xùn)、疏散演練以及仿真評估等諸多方面。

2 VR場景構(gòu)建

VR場景構(gòu)建分為BIM建模與BIM-VR對接兩部分，BIM 建模采用 Revit作為建模工具，之后在Unity3D中載入BIM模型，并進(jìn)行BIM與VR的對接工作，參照我國現(xiàn)行國標(biāo)《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51298—2018)和北京地標(biāo)《城市軌道交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(DB11/ 995—2013)，對火災(zāi)進(jìn)行設(shè)置。

2.1 BIM模型構(gòu)建

選定北京地鐵 4號線魏公村站作為目標(biāo)車站，采用實(shí)地測量的方式，獲取魏公村站設(shè)施設(shè)備的布設(shè)位置及尺寸，之后利用Revit軟件工具進(jìn)行場景模型的構(gòu)建。

2.2 BIM-VR對接

BIM模型完成后，還需在VR引擎中做進(jìn)一步處理，進(jìn)行BIM與VR對接，實(shí)現(xiàn)VR環(huán)境。該工作在VR引擎Unity3D中完成，Revit軟件支持將3D模型導(dǎo)出為.fbx格式文件，同時(shí)Unity3D引擎支持.fbx格式文件的識別，使BIM與VR的對接成為可能。完成對接工作后，用戶在場景內(nèi)部中的視角如圖 1所示。鑒于不同車站的土建條件、火災(zāi)場景、客流(疏散人數(shù))均會有所不同，可利用BIM技術(shù)快速精確建模，并通過BIM模型與VR系統(tǒng)的接口，使得系統(tǒng)應(yīng)用于不同條件的車站。

圖1 VR場景效果展示Figure 1 VR scene effect display diagram

2.3 火災(zāi)設(shè)置內(nèi)容

在場景中添加火災(zāi)，以完成疏散場景的設(shè)置。設(shè)置內(nèi)容包括火災(zāi)位置的選擇、疏散安全區(qū)的確定以及疏散模式設(shè)置。

2.3.1 火災(zāi)模式

我國現(xiàn)行國標(biāo)《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51298—2018)中指出，一條地鐵線或者一座換乘車站以及該車站的相鄰區(qū)間考慮同一時(shí)間內(nèi)只有一處發(fā)生火災(zāi)，且電梯、豎井爬梯、消防專用道以及管理區(qū)的樓梯不得用作乘客的安全疏散設(shè)施[2]。北京地標(biāo)《城市軌道交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(DB11/ 995—2013)指出，安全區(qū)是指封閉車站配備了事故通風(fēng)系統(tǒng)的中央大廳以及能為站臺乘客疏散提供保護(hù)的場所。如果地下車站站廳配備了事故通風(fēng)系統(tǒng)，站廳可作為安全區(qū)[3]。依據(jù)上述相關(guān)規(guī)定，對火災(zāi)場景進(jìn)行如下假定：

1) 魏公村地鐵站站臺設(shè)有樓梯與自動(dòng)扶梯各兩部，直梯一部，扶梯均為上行扶梯。緊急疏散時(shí)，上行扶梯正常使用，直梯停用。

2) 魏公村車站為地下車站，配備有事故通風(fēng)系統(tǒng)，站臺發(fā)生火災(zāi)的情況下，將站廳視為安全區(qū)。

3) 同一時(shí)間只在一處位置發(fā)生火災(zāi)，假定火災(zāi)發(fā)現(xiàn)及時(shí)，發(fā)現(xiàn)時(shí)規(guī)模較小，僅影響距離其位置最近的樓扶梯，且在疏散時(shí)間內(nèi)火、煙氣能得到有效控制，不考慮其傳播。

4) 假定的火災(zāi)位置如圖 2所示，根據(jù)位置對 5種工況分別命名為北側(cè)樓梯起火、北側(cè)扶梯起火、直梯起火、南側(cè)樓梯起火以及南側(cè)扶梯起火。設(shè)定火災(zāi)的影響范圍，在影響范圍內(nèi)，行人不可通行，且疏散設(shè)備不可使用。

圖2 火災(zāi)位置設(shè)置Figure 2 Fire location setting

2.3.2 疏散模式

在本研究中，設(shè)置普通疏散模式與指引疏散模式兩種模式。兩種模式下用戶扮演的角色功能與任務(wù)不同，在系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)定也不同。

1) 普通疏散模式：在該模式中，用戶扮演普通乘客，不具備特殊功能，與其他Agent一同參與疏散。

2) 指引疏散模式：在該模式中，用戶將扮演車站內(nèi)的工作人員，擁有發(fā)出指引信息的功能，其參與方式與職責(zé)變?yōu)槔弥敢δ軄砼c其他 Agent進(jìn)行交互，輔助其他Agent進(jìn)行疏散，提高疏散的效率。

3 行人模型設(shè)計(jì)

Agent是被視為作用于某一特定環(huán)境、具有一定生命周期與自身特性、能夠感知并自主影響和改變其周圍環(huán)境的計(jì)算實(shí)體[4]。仿真系統(tǒng)中的行人模型基于Agent構(gòu)建，首先對Agent進(jìn)行分類，并賦予不同類別Agent不同的異質(zhì)性模型參數(shù)，并對Agent進(jìn)行狀態(tài)行為設(shè)計(jì)，發(fā)揮Agent模型在疏散仿真中的獨(dú)立性、自主性、反應(yīng)性等特性，提高疏散場景的真實(shí)度。

3.1 Agent分類及相關(guān)屬性設(shè)置

3.1.1 站臺行人分類

假定有1 022人位于疏散場景中，隨機(jī)分布在站臺層。參照北京地鐵4號線宣武門站的乘客分布，將站臺分布人員分為男性中青年、女性中青年、老人與小孩4類，并規(guī)定各類行人的占比，結(jié)果如表1所示[5]。

表1 行人分類結(jié)果Table 1 Pedestrian classification results

3.1.2 Agent模型尺寸確定

人體可近似視為圓柱體，因此使用近似的橢圓模型來進(jìn)行導(dǎo)航尋路與碰撞的判定。在參考文獻(xiàn)[5]中，對每類行人對應(yīng)的Agent圓柱體模型截面半徑R分布的規(guī)定，結(jié)果如表2所示。圓柱體模型高度h對仿真無影響，統(tǒng)一設(shè)置為1.6 m。

表2 Agent圓柱體模型半徑取值Table 2 The value of the radius of the agent cylinder model

3.1.3 Agent速度確定

本研究采用Predetchenky和Milinskii提出的方法計(jì)算行人在緊急疏散時(shí)的速度，具體計(jì)算公式[6]如下：

式中：是行人正常情況下的速度，m/s；是行人在緊急情況下的速度，本研究中稱為緊急疏散速度，通常情況下m與μe是地鐵車站不同區(qū)域的速度調(diào)整參數(shù)；D是無量綱的密度，定義如下：

式中，Ni是每類Agent的總數(shù)，Pi是每類Agent的單個(gè)截面積，A是Agent所在區(qū)域的總面積。在本研究中，A取站臺總面積(房間、柱、樓扶梯等不計(jì)算在內(nèi))，計(jì)算結(jié)果約為860 m2。

式(1)、(2)中的m與μe定義如下：

1) 行人做水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，有

2) 行人做上行運(yùn)動(dòng)時(shí)，有

利用該方法與表1、表2中的數(shù)據(jù)，計(jì)算出行人在水平運(yùn)動(dòng)與上行運(yùn)動(dòng)的緊急疏散速度，水平運(yùn)動(dòng)時(shí)上行運(yùn)動(dòng)時(shí)計(jì)算得到的是所有乘客的平均速度，還需計(jì)算各類乘客對應(yīng)的緊急疏散速度vei。文獻(xiàn)[5]對4類別乘客的期望速度vdi也做出了定義，可通過其中vdi與平均值的比值關(guān)系，計(jì)算得到本研究中各類別乘客對應(yīng)的緊急疏散速度vei，計(jì)算公式如下：

式中，vdi為文獻(xiàn)[5]對各類別乘客的期望速度定義值(見表 3)，為期望速度平均值，其余符號意義與前面相同。

表3 文獻(xiàn)[5]對各類別乘客期望速度的定義Table 3 Expected speed of each category of passengers defined by reference

還需指出，行人上行時(shí)有走樓梯與走扶梯兩種方式，樓梯的上行速度即為計(jì)算得到的速度，扶梯的上行速度要在樓梯上行速度的基礎(chǔ)上加上扶梯的運(yùn)行速度。國家標(biāo)準(zhǔn)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50157—2013)中明確自動(dòng)扶梯運(yùn)行速度主要有0.65 m/s或0.5 m/s兩種情況[7]，其中0.65 m/s的運(yùn)行速度更為常見，本研究設(shè)定扶梯運(yùn)行速度為0.65 m/s。

最終的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 緊急疏散速度計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation result of emergency evacuation speed

3.1.4 Agent感知參數(shù)確定

感知參數(shù)包括感知范圍與反應(yīng)時(shí)間兩個(gè)參數(shù)，所有Agent的感知參數(shù)相同，不以類別進(jìn)行區(qū)分。

1) 感知范圍確定。乘客在地下站臺疏散時(shí)，主要通過視覺與聽覺獲取外界信息。參考相關(guān)研究，將Agent的感知范圍設(shè)置在圓柱模型截面中心為圓心、半徑為 3 m 的圓形范圍內(nèi)[8]；在感知范圍內(nèi)，Agent可以感知到火情、其他行人、工作人員等外界信息，并作出對應(yīng)的響應(yīng)行為。

2) 反應(yīng)時(shí)間確定。行人在感知到險(xiǎn)情或工作人員發(fā)出指引信息后，往往不會立刻做出行動(dòng)，而是需要經(jīng)過一段思考時(shí)間后再做出行動(dòng)，這段思考時(shí)間通常被稱為行人的反應(yīng)時(shí)間tr。有研究指出，行人的反應(yīng)時(shí)間受行人對疏散環(huán)境、火災(zāi)的了解程度等諸多因素的影響，難以量化，且反應(yīng)時(shí)間通常很短，一般采取忽略或人為設(shè)定的方式來規(guī)定[9]。本研究規(guī)定，tr=1 s。

3.2 Agent狀態(tài)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)行人在疏散時(shí)可能產(chǎn)生的心理、生理反應(yīng)，提出以下幾種Agent狀態(tài)。

3.2.1 初始反應(yīng)狀態(tài)

火災(zāi)發(fā)生即視為疏散開始，Agent的初始反應(yīng)狀態(tài)為火災(zāi)發(fā)生后到開始移動(dòng)之間的狀態(tài)，這時(shí)出現(xiàn)險(xiǎn)情感知行為。設(shè)定以下幾種感知到險(xiǎn)情的方式：

1) 在感知范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)火源；

2) 在感知范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)開始移動(dòng)的其他行人；

3) 聽到全站臺發(fā)出的火災(zāi)語音警報(bào)；

4) 在感知范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)工作人員發(fā)出的指引信息。

當(dāng)出現(xiàn)以上幾種情況時(shí)，視為Agent發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，經(jīng)過反應(yīng)時(shí)間后，隨即結(jié)束初始狀態(tài)，開始移動(dòng)。

3.2.2 疏散狀態(tài)

尋路行為，指Agent根據(jù)自身的判斷，在周圍環(huán)境中確定行進(jìn)路徑的行為；走行行為，指疏散后沿行進(jìn)方向移動(dòng)的行為，行進(jìn)方向可能通過尋路或聽從指引的行為確定，在此狀態(tài)中特指由尋路行為確定方向的走行行為。

3.2.3 聽從指引狀態(tài)

用戶可以扮演工作人員來對 Agent進(jìn)行疏散指引，聽從指引狀態(tài)只在有用戶扮演工作人員時(shí)出現(xiàn)，是指閑置或進(jìn)行疏散的Agent響應(yīng)工作人員的指示，向工作人員方向移動(dòng)的狀態(tài)，包含響應(yīng)工作人員與走行兩種行為。

該狀態(tài)的具體實(shí)現(xiàn)方式是：當(dāng)操作者按下VR手柄上對應(yīng)的指引功能按鈕時(shí)，控制手柄的腳本會發(fā)出一個(gè)事件，將場景內(nèi)部的工作人員變?yōu)橹敢隣顟B(tài)，使感知范圍內(nèi)的Agent通過感知腳本組件進(jìn)入該狀態(tài)，并向工作人員移動(dòng)。該狀態(tài)的演示如圖3所示，位于樓梯處的工作人員發(fā)出指引信息，使附近的Agent進(jìn)入該狀態(tài)，朝向工作人員移動(dòng)，并重新規(guī)劃路徑，此處的指引行為起到改善行人流流線的作用。

圖3 聽從指引狀態(tài)演示Figure 3 A demonstration of the response state

3.2.4 疏散成功狀態(tài)

當(dāng)Agent抵達(dá)安全區(qū)，即結(jié)束疏散后的狀態(tài)。此時(shí)系統(tǒng)會判定該Agent疏散成功，將其計(jì)入疏散成功總?cè)藬?shù)，并將其在VR環(huán)境中銷毀，視為已經(jīng)脫離險(xiǎn)情。Agent狀態(tài)切換流程如圖4所示。各狀態(tài)間的整合通過有限狀態(tài)機(jī)(finite state machine，F(xiàn)SM)算法實(shí)現(xiàn)，而早期的有限狀態(tài)機(jī)原理來源于數(shù)學(xué)。在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，有限狀態(tài)機(jī)是指為研究具有有限狀態(tài)的計(jì)算過程或語言類而抽象出的一種數(shù)學(xué)模型[10]。如今，F(xiàn)SM在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域也被廣泛應(yīng)用[11]，利用C#語言編寫狀態(tài)機(jī)類腳本以及各行為類腳本，將腳本掛載到 Agent模型對象上，Agent便具有腳本對應(yīng)的狀態(tài)及行為。

4 系統(tǒng)案例應(yīng)用

在Unity3D完成項(xiàng)目發(fā)布并進(jìn)行案例應(yīng)用時(shí)，驗(yàn)證系統(tǒng)的可用性并對仿真結(jié)果進(jìn)行簡要分析。用戶進(jìn)入的視覺系統(tǒng)如圖 5所示。

圖5 用戶視覺效果Figure 5 User’s visual effect

定義所有行人全部疏散至安全區(qū)的時(shí)間為全員疏散時(shí)間，每處樓扶梯上最后一名乘客完成疏散的時(shí)間為該處樓扶梯的疏散時(shí)間。在普通疏散模式下，對 5種工況進(jìn)行仿真，并統(tǒng)計(jì)每種工況下的各樓扶梯疏散時(shí)間與全員疏散時(shí)間。在疏散指引模式下，通過工作人員指引Agent行動(dòng)的方式，對案例進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。每種工況下各樓扶梯疏散時(shí)間與全員疏散時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。對疏散時(shí)間結(jié)果進(jìn)行分析：由于北側(cè)空間更大，仿真時(shí)疏散人員多于南側(cè)，在北側(cè)有更多的人員選擇使用樓梯進(jìn)行疏散，疏散速度慢，所以時(shí)間更長；而南側(cè)疏散人數(shù)較少，Agent更多選擇扶梯疏散，在樓梯處全部完成疏散時(shí)，扶梯處還有部分Agent未完成疏散，因此南側(cè)扶梯疏散時(shí)間更長。

表5 不同工況下疏散時(shí)間統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of evacuation time under different working conditions s

北側(cè)扶梯起火工況為最不利工況。直梯起火時(shí)全員疏散時(shí)間最短，但與其他工況的全員疏散時(shí)間結(jié)果差值并不大，最大差值28 s。分析每種工況的疏散時(shí)間最大差值，發(fā)現(xiàn)普通疏散模式下Agent對樓扶梯的使用并不均衡。

在指引疏散模式下，用戶進(jìn)入場景扮演工作人員，對Agent進(jìn)行指引操作，將疏散時(shí)間較大處的Agent引導(dǎo)到疏散時(shí)間較小的樓扶梯處，平衡各設(shè)施的使用情況，并降低疏散時(shí)間。對每種工況優(yōu)化前后的全員疏散時(shí)間進(jìn)行對比，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯敢袨榇_實(shí)能有效提高Agent的疏散效率，減少疏散時(shí)間，且在經(jīng)過優(yōu)化后，各工況間的全員疏散時(shí)間差距也相對減少?；诖税咐齼?yōu)化，總結(jié)疏散指引模式的意義，疏散指引模式可用于校驗(yàn)應(yīng)急疏散方案，并根據(jù)模擬結(jié)果對應(yīng)急方案做出及時(shí)調(diào)整。

圖6 兩種模式下的全員疏散時(shí)間Figure 6 Histogram of all evacuation time in two modes

5 總結(jié)與展望

筆者基于BIM技術(shù)與VR技術(shù)，開發(fā)車站火災(zāi)疏散仿真系統(tǒng)，并進(jìn)行案例仿真研究。對研究成果及未來展望如下：

1) 利用BIM與VR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了魏公村地鐵站場景模型的高精度還原，發(fā)揮BIM快速、可視化、精確等優(yōu)勢；對完成后的BIM模型實(shí)現(xiàn)了VR功能，充分體現(xiàn)了VR技術(shù)的想象性、交互性、沉浸性等技術(shù)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了人在虛擬場景中的沉浸式體驗(yàn)。

2) 在實(shí)現(xiàn)高還原度場景的前提下，系統(tǒng)將重點(diǎn)放在了行人模型部分，基于多智能體系統(tǒng)，構(gòu)建了具有異質(zhì)性的行人模型，Agent可以根據(jù)外部環(huán)境，自主感知到災(zāi)情發(fā)生與工作人員指引，并且在疏散過程中實(shí)現(xiàn)自主尋路與避讓等行為，有效提高了仿真系統(tǒng)的真實(shí)度。

3) 火災(zāi)時(shí)，即使通風(fēng)排煙系統(tǒng)啟動(dòng)，火災(zāi)煙氣也會在一定范圍內(nèi)蔓延，對于疏散階段的人員行為影響較大。在未來研究中，本系統(tǒng)將重點(diǎn)對煙氣的傳播影響因素進(jìn)行優(yōu)化。

4) 仿真系統(tǒng)日后在科研領(lǐng)域與工程應(yīng)用領(lǐng)域都具有應(yīng)用價(jià)值。對于科研領(lǐng)域，系統(tǒng)可以用于真人 VR浸入式實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)得到實(shí)驗(yàn)者的生理、心理指標(biāo)數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)者提出的建議，研究行人在疏散時(shí)的行為心理特征，或根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對仿真系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，不斷對其優(yōu)化完善。系統(tǒng)足夠完善后，在工程應(yīng)用領(lǐng)域可進(jìn)行車站安全疏散評價(jià)、安全疏散演練培訓(xùn)等。