基于VR技術(shù)高速公路?；沸孤┦鹿适枭⒂?xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

文 / 徐華

概述

近年來(lái)，我國(guó)化工行業(yè)發(fā)展迅速，危化品的生產(chǎn)及高速公路運(yùn)輸也逐漸增加。不同于一般的貨物，由于部分?；酚幸兹?、易爆、有毒的特性，一旦發(fā)生泄露事故，造成的后果十分危險(xiǎn)且復(fù)雜，威脅周邊群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。如2012年“8·22”京珠高速客車起火事故，2014年“3·1”晉濟(jì)高速汽車追尾事故，2015年“1·16”榮烏高速萊州段追尾事故，2016年“6·26”宜鳳高速特大交通事故，2020年“6·13”沈海高速溫嶺大溪段槽罐車爆炸事故等。

以上事故均引發(fā)了危化品的泄露，燃燒，甚至爆炸，造成了大量人員傷亡，周邊建筑物、生態(tài)環(huán)境受到不同程度的破壞。由此可見(jiàn)，危化品道路運(yùn)輸安全問(wèn)題以及事故發(fā)生時(shí)人員的疏散自救與被救等問(wèn)題，都亟待解決。

雖然當(dāng)前基于VR虛擬現(xiàn)實(shí)的疏散訓(xùn)練系統(tǒng)還很少，但是隨著我國(guó)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，5G 通信技術(shù)作為4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的延伸，具有高速率、低延時(shí)等優(yōu)勢(shì)，高速的傳輸速率使VR的普及成為可能，圖1為2016-2019年全球虛擬現(xiàn)實(shí)硬件市場(chǎng)規(guī)模走勢(shì)。利用Unity引擎設(shè)計(jì)人員疏散場(chǎng)景，并結(jié)合HTC VIVE設(shè)備（實(shí)現(xiàn)VR體驗(yàn)的硬件主要包括VIVE頭顯設(shè)備、手柄控制器），能讓受訓(xùn)人員沉浸在VR訓(xùn)練系統(tǒng)中，以獲得更好的真實(shí)交互體驗(yàn)，更能讓受訓(xùn)者直觀感受火場(chǎng)環(huán)境，提高受困人員的自我疏散能力。

疏散模擬領(lǐng)域已經(jīng)有很多成熟的軟件，如：CFAST、Pathfinder、EVACNET、Simulex等。這類軟件可以對(duì)火場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行精細(xì)設(shè)定，可以計(jì)算出具體的疏散時(shí)間，但缺乏交互性，不能達(dá)到訓(xùn)練人員的目的。

在人群疏散模擬方面，張培紅等建立建筑物火災(zāi)事故的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，研究人群疏散行為規(guī)律以及建筑物安全疏散性狀的概率危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)；李四航等通過(guò)較為成熟的VR虛擬技術(shù)模仿高層建筑火場(chǎng)不同階段處理方式和安全疏散要領(lǐng)，輔以動(dòng)畫(huà)展示，增強(qiáng)了受訓(xùn)人員的消防安全自救水平。

上述研究都只是根據(jù)軟件來(lái)研究疏散規(guī)律，并未涉及到具體的疏散訓(xùn)練，也未涉及高速公路的?；肥鹿市孤兜膱?chǎng)景，設(shè)計(jì)高速公路?；沸孤┦鹿适枭⒂?xùn)練系統(tǒng)正好填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)危化品泄露事故疏散模擬訓(xùn)練的空白。

一、系統(tǒng)的框架模塊設(shè)計(jì)

本虛擬疏散訓(xùn)練系統(tǒng)場(chǎng)景以虛擬現(xiàn)實(shí)Unity3D引擎為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由訓(xùn)練前培訓(xùn)模塊、泄露場(chǎng)景感受模塊、疏散自救體驗(yàn)?zāi)K、訓(xùn)后反饋模塊四部分組成。

（一） 訓(xùn)前培訓(xùn)模塊

設(shè)置訓(xùn)前培訓(xùn)模塊主要目的是讓參訓(xùn)人員了解疏散系統(tǒng)的基本功能、培訓(xùn)目的、熟悉交互界面并學(xué)會(huì)使用手柄控制器、頭戴顯示器（如圖2所示）等交互設(shè)備的使用。通過(guò)交互界面展示給受訓(xùn)人員場(chǎng)景中涉及的人物（駕駛員）、車輛（槽罐車等）、道具（警戒線等）、路況、疏散標(biāo)識(shí)等，告知其所遇場(chǎng)景的基本信息（事故起因、槽罐車所裝有的?；返脑敿?xì)信息、高速公路路況、當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境等信息）進(jìn)行實(shí)際虛擬體驗(yàn)，告知受訓(xùn)人員疏散注意事項(xiàng)，做好訓(xùn)練準(zhǔn)備。

如果條件允許，在開(kāi)展虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)急疏散實(shí)驗(yàn)之前，首先讓被試體驗(yàn)真實(shí)感明顯低于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，這樣會(huì)增加疏散模擬體驗(yàn)感。

（二） 火災(zāi)場(chǎng)景感受模塊

設(shè)計(jì)不同的高速公路?；沸孤痘馂?zāi)事故場(chǎng)景供受訓(xùn)人員進(jìn)行感受，主要包括開(kāi)始泄露的場(chǎng)景、泄露后發(fā)生燃燒的場(chǎng)景、燃燒后發(fā)生爆炸三個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景，不同的場(chǎng)景能讓受訓(xùn)者有不同的直觀感受，受訓(xùn)人員均可體驗(yàn)。

開(kāi)始泄漏時(shí)，主要依靠聲音模擬出泄露效果。發(fā)生燃燒時(shí)主要模擬視覺(jué)效果，發(fā)生爆炸時(shí)應(yīng)是聽(tīng)覺(jué)加視覺(jué)的模擬效果。通過(guò)交互界面供受訓(xùn)人員進(jìn)行場(chǎng)景選擇，讓受訓(xùn)者直觀感受復(fù)雜嚴(yán)峻的火災(zāi)場(chǎng)景，要做到逼真、沉浸效果強(qiáng)，并告知疏散難度等級(jí)，讓受訓(xùn)者熟悉每一個(gè)過(guò)程。

另外，為保證報(bào)警探測(cè)時(shí)間和受訓(xùn)人員確認(rèn)發(fā)生火情做出反應(yīng)的預(yù)動(dòng)作時(shí)間，在受訓(xùn)人員選擇好具體場(chǎng)景后，事先利用Unity3D插件及C#腳本語(yǔ)言設(shè)置，使受訓(xùn)人員進(jìn)入所選場(chǎng)景30s后才發(fā)生火情，場(chǎng)外記錄人員根據(jù)畫(huà)面顯示開(kāi)始記錄時(shí)間，最終根據(jù)不同受訓(xùn)人員的疏散成功的時(shí)間長(zhǎng)短優(yōu)化系統(tǒng)及高速公路應(yīng)急疏散通道的設(shè)計(jì)。

（三） 疏散自救體驗(yàn)?zāi)K

待參訓(xùn)人員體驗(yàn)火災(zāi)場(chǎng)景，并做好場(chǎng)景選擇后，就會(huì)進(jìn)入疏散自救模塊，開(kāi)發(fā)人員可根據(jù)疏散時(shí)間的長(zhǎng)短設(shè)置?；沸孤妒鹿实牟煌瑺顟B(tài)、模擬煙氣和火焰的擴(kuò)散程度、設(shè)計(jì)不同困難程度的高速公路應(yīng)急疏散通道（事先不告知受訓(xùn)人員，以便時(shí)間記錄的連續(xù)不間斷），當(dāng)受訓(xùn)者選擇較難的疏散通道時(shí)（如選擇下風(fēng)方向），可受到不同程度的模擬效果沖擊，提高其記憶效果。

發(fā)生火災(zāi)后，被困的人員能否安全疏散主要取決于兩個(gè)特征時(shí)間：

一是火災(zāi)發(fā)展到對(duì)人構(gòu)成危險(xiǎn)所需的時(shí)間，或稱可用安全疏散時(shí)間（Available Safety Egress Time）。

一個(gè)是人員疏散到達(dá)安全區(qū)域所需要的時(shí)間，或稱必須安全疏散時(shí)間（Required Safety Egress Time）。

（四） 訓(xùn)后反饋模塊

訓(xùn)練結(jié)束后，設(shè)置紙質(zhì)問(wèn)卷對(duì)參訓(xùn)人員進(jìn)行反饋調(diào)研，問(wèn)卷應(yīng)包含以下主要問(wèn)題：疏散體驗(yàn)感強(qiáng)與否、沉浸感強(qiáng)與否、是否感受到恐慌、有沒(méi)有注意過(guò)疏散急救標(biāo)識(shí)、遇到類似情況如何自救與疏散等。后期可根據(jù)問(wèn)卷情況對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)高速公路應(yīng)急疏散通道、疏散標(biāo)識(shí)的設(shè)置給予合理建議。

二、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的關(guān)鍵軟硬件設(shè)備及技術(shù)要求

（一） 關(guān)鍵軟硬件設(shè)備

光學(xué)三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，HTC VIVE虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔、手柄控制器，5DT頭盔顯示系統(tǒng)，5DT數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)等硬件設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景與受訓(xùn)人員進(jìn)行沉浸式交互訓(xùn)練的橋梁。

Unity3D軟件平臺(tái)作為開(kāi)發(fā)場(chǎng)景工具，3ds Max、CAD等建模軟件中構(gòu)建地下建筑的三維模型，生成基本的模型框架導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中；根據(jù)目標(biāo)場(chǎng)景建筑的真實(shí)參數(shù)，需利用模CFAST、FDS等軟件擬煙霧火焰、溫度熱量等的擴(kuò)散過(guò)程，并得到數(shù)值模擬結(jié)果，用在Unity中，以粒子系統(tǒng)模擬出煙霧及火焰的效果，再結(jié)合建筑模型就能模擬出虛擬現(xiàn)實(shí)的火災(zāi)效果。

（二） 開(kāi)發(fā)者需掌握的專業(yè)知識(shí)

開(kāi)發(fā)者要能熟練掌握3ds Max、CAD等建模軟件，并會(huì)用CFAST、FDS等模擬軟件模擬火災(zāi)場(chǎng)景獲取數(shù)值模擬結(jié)果，便于在場(chǎng)景設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)定。

熟練使用Unity3D引擎進(jìn)行畫(huà)面設(shè)置，還要具備一定基礎(chǔ)的C#語(yǔ)言編程能力。在進(jìn)行虛擬物體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)能編寫(xiě)代碼使虛擬物體與參訓(xùn)人員產(chǎn)生虛擬碰撞，增加受訓(xùn)體驗(yàn)。

三、結(jié)語(yǔ)

利用Unity開(kāi)發(fā)出一套高度逼真、高度沉浸、高度交互的虛擬現(xiàn)實(shí)模擬疏散訓(xùn)練系統(tǒng)雖然相對(duì)于其他的模擬軟件更有實(shí)戰(zhàn)性和交互性，但不得不承認(rèn)，基于VR的模擬訓(xùn)練不能模擬出那種現(xiàn)場(chǎng)的高溫、高煙環(huán)境，也不能模擬出危險(xiǎn)化學(xué)品的刺激性氣味，而更多的，僅是對(duì)視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)的模擬。另外，火場(chǎng)的復(fù)雜多變情況也是VR模擬訓(xùn)練面臨的一大技術(shù)挑戰(zhàn)。