基于VR的公路隧道6DoF人員疏散試驗系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用研究

安文娟，李遠(yuǎn)哲，謝耀華，王少飛，*

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067)

0 引言

公路隧道火災(zāi)事故下的行人疏散行為模擬是一個復(fù)雜的過程，需要考慮火災(zāi)環(huán)境、隧道疏散條件、人的心理行為特征等多方面因素[1-2]。真人演練或試驗不僅成本高，還受到無法保證人員安全的限制。隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，具備沉浸性、交互性和構(gòu)想性3種特性的虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于隧道、礦井等高風(fēng)險場所的人員疏散演練、指揮培訓(xùn)和試驗中。

VR技術(shù)早期應(yīng)用于人員行為研究時，其設(shè)備主要由環(huán)形顯示屏或投影組成，通過圍繞參與者的視頻營造虛擬場景，觀察參與者的行為反應(yīng)。例如：Drury等[3]通過在參與者前方和左右兩側(cè)同步投影可視化圖像，研究了地下火車站火災(zāi)時行人疏散的行為。但這種方式沉浸感和交互性較差。

隨后，洞穴狀自動虛擬系統(tǒng)(cave automatic virtual environment，CAVE)被大量應(yīng)用于行人行為研究中。該系統(tǒng)通過高分辨率三維立體視聽影像使參與者獲得身臨其境的感覺，并借助數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器等交互設(shè)備使參與者獲得6自由度交互感受。例如：Olivier等[4]采用CAVE研究了真實參與者和虛擬角色之間的交互碰撞避免情況；Ronchi等[5]采用CAVE研究了隧道指示燈的顏色、閃光頻率和光源類型對人員疏散的影響。但CAVE系統(tǒng)價格昂貴、占地空間大，適合大規(guī)模的交互試驗。

如今，VR頭戴式顯示器(如Oculus Rift和HTC Vive)日益發(fā)展，因其具有沉浸感高、交互性強、價格低、易攜帶等特點，在隧道、地鐵等建筑火災(zāi)疏散行為研究中被廣泛應(yīng)用，并積累了大量研究成果。例如：Kinateder等[6]利用VR頭戴式顯示器研究了社會因素對公路隧道火災(zāi)事故中乘客疏散行為的影響；Cosma等[7]通過VR頭戴式顯示器Oculus Rift，研究了虛擬鐵路隧道中尋路裝置對60名參與者疏散路徑和疏散時間的影響；王子甲等[8]搭建城市軌道交通火災(zāi)VR疏散平臺，利用HTC Vive頭戴式顯示器研究了隧道與站臺的標(biāo)識標(biāo)志、廣播等對參與者疏散行為的影響；王羽塵等[9]基于HTC Vive頭戴式顯示器、步行模擬器和ErgoLAB無線生理模塊，研究了公路隧道中參與者逃生的心率變化特性和步速變化趨勢。

目前，VR頭戴式顯示器應(yīng)用于公路隧道人員疏散行為研究時，主要借助鼠標(biāo)、手柄及萬向走步機等設(shè)備實現(xiàn)參與者與虛擬場景的交互[10]。然而，這幾種交互方式通常僅利用VR頭戴式顯示器內(nèi)的6軸傳感器實現(xiàn)視野的四周轉(zhuǎn)動，不能將現(xiàn)實動作完全映射至虛擬場景中，導(dǎo)致參與者的自由度受限，從而使其在虛擬場景中的信息感知和交互能力受到限制。此外，在以上幾種交互方式下，參與者在虛擬場景中的速度通常為設(shè)定值，導(dǎo)致在研究疏散速度方面受到限制。因此，本文提出一種基于Oculus Quest 頭戴式顯示器的公路隧道6DoF人員疏散試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助Inside-out定位技術(shù)使參與者直接通過真實動作完成疏散試驗，一方面可使參與者獲得6自由度交互感受和高臨場感；另一方面可測量參與者的移動速度指標(biāo)，彌補現(xiàn)有虛擬試驗方法的缺陷。

1 試驗系統(tǒng)開發(fā)

1.1 硬件系統(tǒng)

基于VR的公路隧道6DoF人員疏散試驗系統(tǒng)包含工作站、5G交換機、Oculus Quest 2一體機和攝像頭等設(shè)備。為了提高VR場景逼真度，該系統(tǒng)采用串流模式開發(fā)，將系統(tǒng)部署在顯示與運算能力更好的工作站上，并通過無線網(wǎng)絡(luò)串流至Oculus Quest 2一體機上開展試驗。為了確保場景流暢，避免場景跳幀、卡頓等引起參與者的眩暈感，試驗時使用mesh網(wǎng)絡(luò)解決方案，進(jìn)行5G無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，并以≤10 m的間距布設(shè)ASUS RT-AC86U 5G路由器作為無線mesh網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換通過2臺H3C MINI-S8G-U交換機實現(xiàn)。為了觀察和回看參與者試驗過程中的行為、姿態(tài)等特征，在試驗場地還可布設(shè)攝像頭。攝像頭應(yīng)盡量隱蔽安裝，避免對參與者造成干擾。硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 核心軟件模塊

試驗系統(tǒng)核心軟件模塊包括虛擬試驗場景模塊和參與者移動定位模塊。

1.2.1 虛擬試驗場景模塊

1)虛擬隧道空間。根據(jù)隧道設(shè)計圖紙，采用3DMax軟件進(jìn)行1∶1三維建模，并將三維模型加載到UE4引擎中。應(yīng)用UE4物理材質(zhì)編輯器制作隧道中各類部件的仿真材質(zhì)，并粘貼到三維模型表面，同時添加燈光渲染、調(diào)試材質(zhì)反射紋理等，達(dá)到擬真效果。

2)虛擬事故場景。在VR場景中，火災(zāi)事故主要在煙霧擴(kuò)散與火焰發(fā)展方面影響參與者的沉浸感。首先，根據(jù)所研究的隧道與火災(zāi)規(guī)模，在FDS中開展火災(zāi)數(shù)值模擬，獲得火災(zāi)階段煙氣擴(kuò)散、火焰發(fā)展的全過程數(shù)據(jù)，即不同時刻、不同位置的消光系數(shù)，并結(jié)合熱釋放速率數(shù)據(jù)計算得到不同時刻、不同位置的環(huán)境透明度；然后，在UE4中調(diào)用粒子系統(tǒng)，通過設(shè)置粒子的大小、顏色、透明度、速度和方向等參數(shù)，實現(xiàn)隧道火災(zāi)煙氣和火焰模型構(gòu)建。

3)虛擬車與人。根據(jù)研究需要及隧道的交通組成情況，在UE4中確定小客車、大巴車、貨車等虛擬車的數(shù)量和位置，在每個車輛內(nèi)放置不同數(shù)量、不同類型的虛擬人，并為虛擬人設(shè)定疏散速度、疏散起點與終點，使虛擬人按照最優(yōu)路徑進(jìn)行疏散。此外，為了獲得更逼真的效果，在場景中添加爆炸聲、汽車引擎聲、人的尖叫聲與嘈雜聲等聲音。

1.2.2 參與者移動定位模塊

試驗系統(tǒng)采用內(nèi)嵌Inside-out tracking技術(shù)的Oculus Quest 2 VR一體機開展試驗。在參與者試驗過程中，通過調(diào)用UE4 Actor組件里的GetActorLocation()函數(shù)獲得參與者在虛擬空間中的三維坐標(biāo)(x,y,z)。參與者跟蹤數(shù)據(jù)記錄與處理主要步驟如下：

1)試驗開始后，系統(tǒng)調(diào)用GetActorLocation()函數(shù)，以1 Hz的頻率獲取參與者的位置信息，并將其坐標(biāo)(x,y,z)進(jìn)行數(shù)組存儲。

2)試驗結(jié)束后，系統(tǒng)調(diào)用UE4 Spline組件的API函數(shù)SetSplinePonts()，將存儲的參與者位置信息數(shù)組導(dǎo)入到Spline組件中，獲得參與者的運動軌跡。

3)在第2步的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)調(diào)用Spline組件中的GetSplineLength()函數(shù)，獲取參與者運動路線的長度，通過運動路線長度及運動起點與終點的時間差，即可計算參與者在試驗期間的瞬時速度、加(減)速度、平均速度等速度指標(biāo)。

4)系統(tǒng)將參與者在試驗過程中的坐標(biāo)信息及對應(yīng)的時間戳導(dǎo)出到Excel文件中，可供其他分析使用。

1.3 試驗場地

利用該試驗系統(tǒng)開展行人疏散行為試驗時，由于參與者是在1∶1的虛擬場景中通過自由移動完成疏散試驗，因此必須保證試驗場地足夠?qū)拸V，至少保證與試驗場景同樣的尺寸，以避免參與者走出試驗場地但仍在虛擬場景中。同時，試驗場地應(yīng)盡量平坦，并避免堆放雜物，以保障參與者頭戴VR設(shè)備開展試驗的安全性。

1.4 數(shù)據(jù)采集

試驗系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)包括參與者的三維移動坐標(biāo)、疏散時間、疏散軌跡。通過移動坐標(biāo)與其對應(yīng)的疏散時間，可計算參與者的平均疏散速度、加速度、瞬時速度。

2 試驗系統(tǒng)應(yīng)用

當(dāng)VR技術(shù)應(yīng)用于隧道火災(zāi)人員疏散行為試驗研究時，其有效性是評價試驗結(jié)果是否可靠的關(guān)鍵因素[11]。目前，VR技術(shù)應(yīng)用有效性主要從2方面評價，一方面是對虛擬場景是否誘發(fā)參與者沉浸感和心理情緒變化進(jìn)行評價，常用的評價方法包括問卷調(diào)查法(如臨場感問卷調(diào)查[12]、正性負(fù)性情緒測量問卷調(diào)查[13])和心電指標(biāo)分析法(如腦電指標(biāo)測量[14]等)；另一方面是對參與者在真實場景與虛擬場景中的疏散軌跡、速度、時間等指標(biāo)進(jìn)行對比評價[15]。

為了驗證基于VR的公路隧道6DoF行人疏散試驗系統(tǒng)的有效性，利用該試驗系統(tǒng)開展不同場景下的疏散行為對比試驗，在試驗過程中對參與者的臨場感、眩暈感及情緒反應(yīng)進(jìn)行問卷調(diào)查，同時對參與者在不同虛擬場景中的疏散軌跡與速度進(jìn)行對比研究。

2.1 試驗參與者

2.2 試驗工況設(shè)計

本次試驗分為3組開展，試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況設(shè)置

1)A組試驗要求參與者不戴VR設(shè)備，在試驗場地上正常行走，行走路線為提前采用石灰粉畫好的1條走廊。該走廊長75 m，寬1.5 m。

2)B組試驗要求參與者戴VR設(shè)備，在虛擬空隧道場景中正常行走。該場景僅包含隧道結(jié)構(gòu)物，無虛擬車、虛擬人等，環(huán)境透明度較高，參與者視覺亮度較好，如圖2所示。

圖2 虛擬空隧道場景

3)C組試驗要求參與者戴VR設(shè)備，在虛擬火災(zāi)事故隧道場景中疏散逃生。該場景中含虛擬車、虛擬火焰、虛擬煙霧，同時添加了爆炸聲、汽車引擎聲等3D音效。此外，虛擬場景中環(huán)境透明度較高，參與者視覺亮度較好，如圖3所示。

圖3 虛擬火災(zāi)事故隧道場景

B組、C組試驗中虛擬隧道長75 m、寬12.85 m，單向3車道，車道寬3.75 m，兩側(cè)各有1條寬0.8 m、高0.4 m的檢修道。事故點位于虛擬隧道下游出口，試驗時要求參與者在感知到火災(zāi)后，向事故上游方向疏散。

2.3 試驗場地

試驗在足球場上開展(見圖4)，場地長約175 m，寬95 m，足夠?qū)掗熀推教?，既能滿足試驗設(shè)備的布置，又能保證參與者在虛擬場景內(nèi)隨意而安全地移動。

圖4 試驗場地

2.4 試驗流程

試驗流程包括試驗告知、試驗準(zhǔn)備、問卷填寫、正式試驗等部分，具體流程如圖5所示。其中，試驗問卷包括情緒效價與情緒喚醒度量表EVEAS(emotional valence and emotional arousal scale)、虛擬環(huán)境臨場感量表PQ(presence questionnaire)和眩暈感量表VRSQ(virtual reality sickness questionnaire)。

圖5 試驗流程圖

正式試驗部分，每個參與者需要依次完成A、B、C 3組試驗。在B組和C組試驗中，主試者幫參與者戴好VR設(shè)備后，要求參與者坐在固定位置，以模擬疏散行動前坐在車內(nèi)的狀態(tài)。在參與者疏散過程中，全程由1名安全員跟隨，以保證參與者的安全，并禁止安全員與參與者進(jìn)行交流，以避免干擾參與者的疏散行為。

嘉靖五年，《宰輔年表》將楊一清排名于費宏前，有誤，理由見前文。《宰輔年表》出現(xiàn)錯誤的原因在于遺漏了費宏擔(dān)任過吏部尚書兼謹(jǐn)身殿大學(xué)士。

2.5 試驗問卷

2.5.1 EVEAS量表

采用情感自我評估法和李克特9分量表對參與者的情緒效價和情緒喚醒度2個維度進(jìn)行測量。情緒效價維度用來評定參與者的正性、負(fù)性情緒體驗，反映參與者情緒是否愉悅，從非常不愉悅到非常愉悅依次分為9個等級。情緒喚醒維度則評定參與者獲得情緒體驗的興奮、激動的程度，反映參與者體驗是否興奮，從非常不興奮到非常興奮依次分為9個等級。情緒效價與情緒喚醒度測試圖片如圖6所示。

(a)愉悅程度量表圖

2.5.2 PQ量表

PQ問卷是由G.W.Bob 和J.S.Michael等學(xué)者開發(fā)建立的，通常用于測試參與者在虛擬現(xiàn)實中的沉浸感量度，問卷由32個問題組成[12]。為了便于參與者理解，刪減了不符合試驗情況的4個問題，最終問卷由28個問題組成。參與者需根據(jù)自己的真實情況從1到7進(jìn)行打分，1和7分別代表2種極端的感受，最后的總得分代表參與者在虛擬現(xiàn)實中的沉浸感程度高低。

2.5.3 VRSQ量表

VRSQ虛擬現(xiàn)實不適感量表[16]是由Kim等學(xué)者建立開發(fā)的，量表由全身不適、疲倦感、眼疲勞、難以聚焦某處、頭疼、頭脹、視線模糊、眼花(閉眼時)、暈眩等9種虛擬現(xiàn)實不適癥狀組成。量表使用過程中，要求參與者根據(jù)自己的感受對不適癥狀從0到3進(jìn)行打分，0代表無不適感，3代表不適感最強。

2.6 試驗結(jié)果

本次試驗過程中采集的數(shù)據(jù)包括：A組參與者的移動速度va與EVEAS分?jǐn)?shù)；B組參與者的移動速度vb、移動軌跡rb以及EVEAS、VRSQ分?jǐn)?shù)；C組參與者的移動速度vc、移動軌跡rc以及EVEAS、VRSQ、PQ分?jǐn)?shù)。

2.6.1 移動速度

A組試驗參與者的移動速度為0.91～1.38 m/s，平均移動速度為1.01 m/s；B組試驗參與者的移動速度為0.92～1.27 m/s，平均移動速度為1.06 m/s；C組試驗參與者的移動速度為1.24～2.06 m/s，平均移動速度為1.60 m/s。各試驗組參與者的移動速度分布箱型圖如圖7所示。

圖7 各試驗組參與者的移動速度分布箱型圖

2.6.2 情緒效價與情緒喚醒度

各試驗組參與者的EVEAS得分分布箱型圖如圖8所示。A組、B組、C組試驗參與者主觀報告的情緒效價得分主要分布區(qū)間分別為[-1，1]、[-1，2]、[-3，-1]；A組、B組、C組試驗參與者主觀報告的情緒喚醒度得分主要分布區(qū)間分別為[1，2]、[1，2]、[5，7]。試驗結(jié)果表明：1)A組、B組試驗場景給參與者帶來的愉悅程度偏中性，C組試驗場景給參與者帶來的愉悅程度普遍較低，屬于負(fù)性情緒；2)A組、B組試驗場景給參與者帶來的情緒喚醒程度很低，C組試驗場景給參與者帶來的情緒喚醒程度較強。

(a)情緒效價

2.6.3 眩暈感與虛擬現(xiàn)實臨場感

B組與C組試驗前后參與者的眩暈感VRSQ得分變化值及C組參與者的虛擬現(xiàn)實臨場感PQ得分見表2。B組、C組試驗前后參與者的VRSQ得分變化值分別為1.81±4.33、1.94±8.32，變化較小。C組參與者的臨場感得分為170.5±16.23，得分較高。

表2 眩暈感VRSQ得分變化值及虛擬現(xiàn)實臨場感PQ得分

2.6.4 移動軌跡

B組與C組試驗中部分參與者的移動軌跡見圖9。B組試驗參與者在空隧道場景中基本沿直線移動；C組試驗參與者在火災(zāi)事故隧道場景中繞開障礙物進(jìn)行移動。

(a)B組

3 試驗系統(tǒng)應(yīng)用有效性評價

3.1 移動速度和情緒反應(yīng)對比

采用SPSS軟件對A組、B組和C組試驗參與者的移動速度和情緒反應(yīng)進(jìn)行配對T檢驗，檢驗結(jié)果見表3。由表3可知：A組與B組試驗中參與者的移動速度與情緒水平無明顯差異(p>0.05)；而B組與C組試驗中參與者的移動速度與情緒水平有顯著性差異(p<0.05)。這表明：在試驗場景基本一致的情況下(A組與B組)，試驗時參與者是否頭戴VR設(shè)備對其移動速度與情緒反應(yīng)基本無影響，即VR設(shè)備本身并未引起參與者的行為差別；當(dāng)試驗所用的虛擬場景發(fā)生根本改變時(B組與C組)，參與者的行為隨之發(fā)生顯著變化，在虛擬隧道事故場景中，參與者傾向于獲得更強的負(fù)性情緒和更快的移動速度，這與真實場景中的疏散行為較為一致，即人在危險場景中傾向于獲得緊張、恐慌等負(fù)性情緒，并且表現(xiàn)出快速逃離危險的行為。

表3 配對T檢驗結(jié)果

此外，與國內(nèi)外已公開發(fā)表的公路隧道火災(zāi)疏散行為非虛擬試驗研究中的疏散速度結(jié)果(如表4所示)相比，C組試驗測得的參與者移動速度為1.24～2.06 m/s，與類似有煙環(huán)境下非虛擬試驗中參與者的移動速度基本一致，同時低于無煙環(huán)境下非虛擬試驗中參與者的移動速度。這表明利用該試驗系統(tǒng)測量參與者在隧道火災(zāi)環(huán)境下的疏散速度，具有較好的適用性。

表4 C組試驗和其他試驗中的移動速度對比

3.2 移動軌跡對比

由圖9可知：B組試驗中參與者的移動軌跡基本為直線，與真實場景中人的行走軌跡基本一致，說明在虛擬空隧道中，參與者頭戴VR設(shè)備并未對參與者的移動造成干擾，即當(dāng)場景一致時，參與者的移動軌跡與是否頭戴VR設(shè)備基本無關(guān)；C組試驗中參與者的移動軌跡具有明顯的“繞障”特征，與真實場景中人繞開車輛進(jìn)行移動的行為相符。

3.3 眩暈感與臨場感

眩暈感與VR系統(tǒng)中虛擬場景的推進(jìn)速度、轉(zhuǎn)變角度等多種因素相關(guān)。若虛擬場景是動態(tài)的，視覺系統(tǒng)將營造出人體在虛擬世界中移動的假象，然而大腦前庭系統(tǒng)知道實際上人體并未移動，或移動速度、方向與視覺不匹配，繼而使人產(chǎn)生眩暈感。文中試驗系統(tǒng)使參與者通過真實動作與虛擬場景交互，參與者的身體運動與視覺運動完全一致，極大降低了參與者的眩暈感。此外，該試驗系統(tǒng)應(yīng)用串流技術(shù)，將場景渲染與場景展示分開處理，解決了現(xiàn)有VR設(shè)備因硬件算力和顯卡配置不足導(dǎo)致高仿真場景渲染與顯示的卡頓進(jìn)而引發(fā)眩暈感的問題。由表2可知，B組試驗前后的VRSQ變化平均值為1.81分，C組試驗前后的VRSQ變化平均值為1.94分，2組試驗前后的VRSQ變化值均較小，說明頭戴VR設(shè)備并未引起參與者的眩暈感。

臨場感不僅取決于虛擬場景的逼真程度，還與參與者的沉浸感有關(guān)。該試驗系統(tǒng)采用UE4數(shù)字再現(xiàn)真實場景，使虛擬場景具有極高的逼真度。同時，可從視覺上還原參與者所有的復(fù)雜動作，從聽覺上精準(zhǔn)推送空間音頻，從而實現(xiàn)參與者與虛擬場景的6DoF交互，最大限度保證參與者的沉浸感。由表2可知，參與者的PQ平均分為170.5，為最高評分(196分)的87%，說明參與者在虛擬場景中的臨場感較強。

綜上，基于VR的6DoF人員疏散試驗系統(tǒng)應(yīng)用于人員疏散試驗時，可以使參與者獲得較強的沉浸感、臨場感，并表現(xiàn)出與真實場景中一致的行為特性，獲得的試驗數(shù)據(jù)具有較高的效度，證明該試驗系統(tǒng)具有較好的適用性和有效性，可為后續(xù)公路隧道人員疏散試驗提供基礎(chǔ)。

4 結(jié)論與討論

本文介紹了一種基于VR一體機的公路隧道6DoF人員疏散試驗系統(tǒng)，并通過試驗驗證了該系統(tǒng)應(yīng)用于人員疏散試驗的有效性。主要研究結(jié)論如下：

1)采用該系統(tǒng)開展試驗時，參與者擺脫了鼠標(biāo)、手柄等控制方式的約束，可在虛擬場景中6自由度感知環(huán)境信息與自主行動完成試驗，增強了參與者在虛擬場景中的沉浸感，提高了隧道危險場景下人員疏散虛擬現(xiàn)實試驗的有效性。

2)采用該系統(tǒng)開展試驗時，與鼠標(biāo)、手柄等人機交互方式不同，參與者的移動速度無需提前設(shè)定，系統(tǒng)可實時跟蹤與記錄參與者的三維坐標(biāo)(x，y，z)，并將其與系統(tǒng)時間實時匹配，從而對參與者的移動速度與加(減)速度進(jìn)行測量與采集。

3)以該系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過開發(fā)設(shè)置不同的虛擬場景與試驗工況，可開展公路隧道多場景多工況下的人員疏散行為研究，有效拓展了公路隧道危險場景下人員疏散試驗研究的路徑。

目前，該試驗系統(tǒng)僅設(shè)置了幾個典型的虛擬火災(zāi)事故場景，適用范圍有限。因此，后續(xù)可基于該試驗系統(tǒng)進(jìn)一步建立包含不同長度類型與斷面寬度的隧道基礎(chǔ)模型庫、包含不同規(guī)?；馂?zāi)事件的場景庫及包含不同誘導(dǎo)設(shè)施的應(yīng)急策略庫，以實現(xiàn)菜單選擇式快速搭建試驗場景，擴(kuò)大該試驗系統(tǒng)的適用范圍，提高應(yīng)用價值。