基于BIM和VR技術(shù)的地下高速鐵路車(chē)站沉浸式疏散演練系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

王志偉 馬偉斌 王子洪

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

綜合考慮節(jié)地環(huán)保、方便乘坐、戰(zhàn)備防護(hù)、公鐵航空接駁、尊重歷史文化等因素，越來(lái)越多鐵路車(chē)站設(shè)置于地下。典型的有深圳福田高鐵站［1］、天津?yàn)I海站［2］、北京八達(dá)嶺長(zhǎng)城站［3］等。此類(lèi)綜合大型車(chē)站樞紐工程多存在復(fù)雜立體交錯(cuò)的各類(lèi)地下通道，在實(shí)現(xiàn)多功能換乘的同時(shí)，也對(duì)車(chē)站災(zāi)害條件下的疏散救援提出了新的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)常態(tài)無(wú)災(zāi)條件下真人疏散演練存在組織難、效率低、花費(fèi)高、代入感差、參與人員少、人員應(yīng)急反應(yīng)難采集等問(wèn)題［4-6］?；赩R（Virtual Reality）技術(shù)的三維可視化疏散演練可達(dá)到隨時(shí)隨地沉浸介入的效果［7］，但VR疏散場(chǎng)景的開(kāi)發(fā)需要大量人員進(jìn)行復(fù)雜建模工作。在當(dāng)前輔助軟件理想應(yīng)用前提下，減少建模工作量與節(jié)約建模時(shí)間的目標(biāo)一直未能突破。

近年來(lái)，鐵路BIM（Building Information Modeling）技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛［8-9］，基于既有的BIM，開(kāi)發(fā)VR場(chǎng)景，不失為一種提升VR建模效率的解決方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者［10-14］都做了嘗試，但多數(shù)研究偏重于用VR技術(shù)還原BIM中的要素，未實(shí)現(xiàn)真正意義上的融合開(kāi)發(fā)。

本文以京張高速鐵路八達(dá)嶺長(zhǎng)城地下站為依托工程，首先針對(duì)沉浸式多源動(dòng)態(tài)疏散系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，提出系統(tǒng)的技術(shù)路線(xiàn)和架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，然后詳述基于BIM與VR技術(shù)的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)，最后結(jié)合應(yīng)用案例，驗(yàn)證該系統(tǒng)的適用性。

1 工程概況

京張高速鐵路八達(dá)嶺長(zhǎng)城地下站（圖1）地下建筑面積約36 000 m2。車(chē)站內(nèi)修建各類(lèi)大小洞室78個(gè)，斷面形式88種，洞室交叉密集，最小水平間距2.27 m，最小豎向間距4.45 m，站內(nèi)軌面埋深102 m，是目前世界上建筑結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的地下車(chē)站。

圖1 八達(dá)嶺長(zhǎng)城車(chē)站總體建設(shè)情況

由于毗鄰八達(dá)嶺長(zhǎng)城國(guó)家重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)，站內(nèi)乘客有多語(yǔ)種、大人流特點(diǎn)。旅游高峰時(shí)期，大量客流集中于深埋地下車(chē)站中，一旦發(fā)生火災(zāi)，需確保旅客能夠快速疏散，同時(shí)救援車(chē)輛能夠及時(shí)到達(dá)。而多通道、高落差、長(zhǎng)扶梯的復(fù)雜結(jié)構(gòu)（圖2）使快速疏散救援變得更加困難。

圖2 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站復(fù)雜疏散結(jié)構(gòu)

基于BIM技術(shù)［15］，該車(chē)站形成了基于全生命信息數(shù)字模型的地下站隧建造智能管控技術(shù)，隧道、電氣、給水、暖通、站房結(jié)構(gòu)等不同專(zhuān)業(yè)均有大量的BIM（圖3），為BIM與VR技術(shù)的融合應(yīng)用提供了良好基礎(chǔ)。

圖3 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站典型BIM圖

2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)步驟及架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)步驟

系統(tǒng)按照以下步驟開(kāi)發(fā)：

1）收集整理既有BIM，包括主體模型、輔助模型，站房、隧道和疏散通道模型，在此基礎(chǔ)上立足人性化、可視化、精細(xì)化理念進(jìn)行BIM的場(chǎng)地分析、總平面布局、體型設(shè)計(jì)和內(nèi)部空間布置。

2）采用參數(shù)化幾何描述+相似性圖元合并、遮擋剔除+批量繪制+LOD（Levels of Detail）技術(shù)［16］，進(jìn)行BIM的輕量化、集約化處理。處理的重點(diǎn)是將與疏散通道相關(guān)的周?chē)ǎ?gòu)）筑物、設(shè)備設(shè)施進(jìn)行組合、黏結(jié)。

3）將BIM導(dǎo)入U(xiǎn)E4（Unreal Engine 4），與3D Max軟件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景的切分和規(guī)劃，并進(jìn)行場(chǎng)景原色渲染、烘焙和交互指令添加。

4）操作界面設(shè)計(jì)，包括路徑規(guī)劃界面、疏散界面和培訓(xùn)界面。

5）系統(tǒng)UI（User Interface）開(kāi)發(fā)，客戶(hù)端/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)采用C/S（Client/Server）結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)管理人員培訓(xùn)、乘客疏散演練和不同類(lèi)型場(chǎng)景靜動(dòng)態(tài)展示。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)功能需求，系統(tǒng)總體架構(gòu)由三體系五層級(jí)組成，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體架構(gòu)

三體系包括信息安全保障體系、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)體系和京張鐵路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃體系。其中安全保障體系是重點(diǎn)，包括應(yīng)用安全、系統(tǒng)安全、網(wǎng)絡(luò)安全和物理安全。

五層級(jí)包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)中心層、應(yīng)用支持層、業(yè)務(wù)系統(tǒng)層和用戶(hù)界面層。基礎(chǔ)設(shè)施層是為本系統(tǒng)提供硬件支撐；數(shù)據(jù)中心層的數(shù)據(jù)直接與場(chǎng)景內(nèi)的行人發(fā)生交互、映射；應(yīng)用支撐層主要包含各類(lèi)理論模型與外部接口，該層通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)中心層各類(lèi)數(shù)據(jù)以完成人員仿真行為；業(yè)務(wù)系統(tǒng)層可實(shí)現(xiàn)車(chē)站火災(zāi)疏散演練、狀態(tài)仿真、疏散路徑展示等；用戶(hù)界面層主要為人員演練和培訓(xùn)服務(wù)，與人員直接交互。

2.3 系統(tǒng)人機(jī)交互邏輯設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)采用以用戶(hù)為中心的虛擬現(xiàn)實(shí)交互整套技術(shù)，邏輯設(shè)計(jì)如圖5所示。用戶(hù)在虛擬場(chǎng)景中體驗(yàn)災(zāi)害場(chǎng)景及疏散救援，通過(guò)各類(lèi)傳感器和硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析，通過(guò)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)認(rèn)知交互。上述功能的實(shí)現(xiàn)需要硬件設(shè)備與傳感器的支撐，將用戶(hù)的心率、步速等信息傳輸給后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖5 以用戶(hù)為中心的人機(jī)交互邏輯設(shè)計(jì)

2.4 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

基于人機(jī)交互邏輯設(shè)計(jì)，按照?qǐng)D6所示邏輯架構(gòu)進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)。BIM與VR兩部分提供了高還原度虛擬場(chǎng)景的建?；A(chǔ)與實(shí)現(xiàn)方法。災(zāi)害場(chǎng)景設(shè)置是通過(guò)場(chǎng)景動(dòng)態(tài)配置，提供事故場(chǎng)景以及與火災(zāi)事故相關(guān)的信息，并為Agent模型構(gòu)建提供依據(jù)。Agent模型是核心模塊，可對(duì)行人進(jìn)行分類(lèi)，為不同類(lèi)別行人賦予尺寸、運(yùn)動(dòng)、感知方面的參數(shù)，使行人具備異質(zhì)性。通過(guò)設(shè)定行人的4種狀態(tài)，基于有限狀態(tài)理論與C++編程技術(shù)，對(duì)每種狀態(tài)中行人行為進(jìn)行整合與切換。

圖6 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)邏輯架構(gòu)

2.5 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖7所示，分為5個(gè)層級(jí)。系統(tǒng)整體基于UE4開(kāi)發(fā)，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)MySQL進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析，C++作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。按照不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行模塊劃分，模塊之間共享數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)VR技術(shù)、動(dòng)作捕捉技術(shù)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、坐標(biāo)映射和路徑映射。

圖7 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

3 系統(tǒng)組成

3.1 系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)功能需求系統(tǒng)分為路徑規(guī)劃模塊、火災(zāi)數(shù)據(jù)模塊、可視化模塊和行人仿真模塊。

路徑規(guī)劃模塊主要負(fù)責(zé)根據(jù)物理空間場(chǎng)景、立柱及設(shè)備設(shè)施布局信息進(jìn)行虛擬乘客的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃?；馂?zāi)數(shù)據(jù)模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)場(chǎng)景中的火災(zāi)事故進(jìn)行可視化實(shí)現(xiàn)。可視化模塊主要負(fù)責(zé)仿真數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與可視化展示。行人仿真模塊主要負(fù)責(zé)按照規(guī)劃的路徑進(jìn)行全局移動(dòng)，并在移動(dòng)過(guò)程中根據(jù)行人仿真模型調(diào)整自身行為。

3.2 軟硬件組成

系統(tǒng)軟件由NPC（Non-player Character）系統(tǒng)、自學(xué)習(xí)體驗(yàn)系統(tǒng)、環(huán)境交互系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)四大部分組成。

NPC系統(tǒng)分為NPC模型、NPC交互模塊。NPC系統(tǒng)會(huì)詳細(xì)記錄系統(tǒng)中諸多非體驗(yàn)者不同的反應(yīng)，通過(guò)數(shù)據(jù)交互分析形成圖表。通過(guò)設(shè)置多個(gè)NPC還可以分析非體驗(yàn)者的從眾行為。自學(xué)習(xí)體驗(yàn)系統(tǒng)分為主控端軟件、實(shí)驗(yàn)端軟件、體驗(yàn)者交互模塊、數(shù)據(jù)采集與分析模塊四部分。可讓不同體驗(yàn)者通過(guò)局域網(wǎng)接入系統(tǒng)進(jìn)行模擬演練，研究不同體驗(yàn)者之間的協(xié)同和社群效應(yīng)。環(huán)境交互系統(tǒng)分為人車(chē)交互、報(bào)警器交互、滅火器交互、電氣設(shè)備交互、數(shù)據(jù)采集與分析五部分。通過(guò)沉浸式交互，一方面提高模擬真實(shí)度，另一方面可研究不同人群在災(zāi)害發(fā)生時(shí)的行為，為制定疏導(dǎo)預(yù)案提供參考。數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)分為場(chǎng)景初始化設(shè)置、火災(zāi)數(shù)據(jù)模型設(shè)置、試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、逃生路線(xiàn)記錄、試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析五部分。

硬件主要包括萬(wàn)向行動(dòng)平臺(tái)、VR頭戴顯示器、操作手柄、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、觸控式顯示屏等，如圖8所示。

圖8 硬件組成

4 基于BIM與VR技術(shù)的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景構(gòu)建

4.1 BIM時(shí)空信息向VR場(chǎng)景投射

基于BIM與VR技術(shù)的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景構(gòu)建的本質(zhì)是如何最大程度使用BIM減少開(kāi)發(fā)工作量。綜合對(duì)比分析Autodesk Revit軟件與3D Max、720云、UE4及Mars這4類(lèi)軟件之間數(shù)據(jù)類(lèi)型的差異，優(yōu)選出可導(dǎo)入模型的組合，可實(shí)現(xiàn)BIM模型格式轉(zhuǎn)化、VR引擎導(dǎo)入，并采用圖像處理軟件增強(qiáng)模型渲染效果，實(shí)現(xiàn)模型高精度匹配融合。

優(yōu)選BIM與UE4、3D Max軟件進(jìn)行融合，優(yōu)勢(shì)為模型導(dǎo)入工作量小、模型保留度高、展示效果好，且可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化編輯處理和多場(chǎng)景的切分和規(guī)劃，見(jiàn)圖9。

圖9 BIM時(shí)空信息向VR場(chǎng)景精準(zhǔn)投射實(shí)現(xiàn)過(guò)程

4.2 BIM時(shí)空元素與VR場(chǎng)景元素耦合匹配

BIM時(shí)空元素向VR場(chǎng)景對(duì)應(yīng)元素精準(zhǔn)投射后，按照?qǐng)D10所示步驟實(shí)現(xiàn)BIM與VR場(chǎng)景的精準(zhǔn)耦合匹配。其中，UV為橫縱坐標(biāo)信息。

圖10 BIM與VR場(chǎng)景匹配過(guò)程

5 系統(tǒng)應(yīng)用案例

以列車(chē)著火?？吭谡九_(tái)發(fā)生爆炸為例演示該系統(tǒng)的應(yīng)用。既有疏散平面指示圖見(jiàn)圖11。其中僅標(biāo)示了下車(chē)后短距離如何疏散，對(duì)于后續(xù)立體復(fù)雜通道選擇及疏散路徑并未標(biāo)明。

圖11 疏散平面指示

采用所開(kāi)發(fā)的基于BIM與VR技術(shù)的沉浸式疏散演練系統(tǒng)，基于圖12所示腳本，可在虛擬場(chǎng)景中較真實(shí)體驗(yàn)車(chē)站立體交叉復(fù)雜疏散通道的疏散全過(guò)程，見(jiàn)圖13。與圖11相比，沉浸式疏散演練及人員培訓(xùn)更形象真實(shí)。開(kāi)發(fā)步驟、總體架構(gòu)、人機(jī)交互邏輯設(shè)計(jì)、邏輯架構(gòu)與技術(shù)架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)功能模塊和軟硬件設(shè)計(jì)。闡述了基于BIM與VR技術(shù)的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合應(yīng)用案例展示了系統(tǒng)的適用性，可為類(lèi)似系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供借鑒。

圖12 人員疏散腳本

圖13 人員疏散全過(guò)程典型場(chǎng)景展示

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了適用于地下高速鐵路站的基于BIM和VR技術(shù)的沉浸式動(dòng)態(tài)疏散演練系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)