基于BIM和VR技术的地下高速铁路车站沉浸式疏散演练系统开发与应用

2022-10-11王志伟马伟斌王子洪

铁道建筑 2022年9期

王志伟马伟斌王子洪

中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081

综合考虑节地环保、方便乘坐、战备防护、公铁航空接驳、尊重历史文化等因素，越来越多铁路车站设置于地下。典型的有深圳福田高铁站［1］、天津滨海站［2］、北京八达岭长城站［3］等。此类综合大型车站枢纽工程多存在复杂立体交错的各类地下通道，在实现多功能换乘的同时，也对车站灾害条件下的疏散救援提出了新的挑战。

传统常态无灾条件下真人疏散演练存在组织难、效率低、花费高、代入感差、参与人员少、人员应急反应难采集等问题［4-6］。基于VR（Virtual Reality）技术的三维可视化疏散演练可达到随时随地沉浸介入的效果［7］，但VR疏散场景的开发需要大量人员进行复杂建模工作。在当前辅助软件理想应用前提下，减少建模工作量与节约建模时间的目标一直未能突破。

近年来，铁路BIM（Building Information Modeling）技术应用越来越广泛［8-9］，基于既有的BIM，开发VR场景，不失为一种提升VR建模效率的解决方法。国内外学者［10-14］都做了尝试，但多数研究偏重于用VR技术还原BIM中的要素，未实现真正意义上的融合开发。

本文以京张高速铁路八达岭长城地下站为依托工程，首先针对沉浸式多源动态疏散系统的开发与应用，提出系统的技术路线和架构，并在此基础上进行系统设计，然后详述基于BIM与VR技术的沉浸式虚拟现实场景构建关键技术，最后结合应用案例，验证该系统的适用性。

1 工程概况

京张高速铁路八达岭长城地下站（图1）地下建筑面积约36 000 m2。车站内修建各类大小洞室78个，断面形式88种，洞室交叉密集，最小水平间距2.27 m，最小竖向间距4.45 m，站内轨面埋深102 m，是目前世界上建筑结构最复杂的地下车站。

图1 八达岭长城车站总体建设情况

由于毗邻八达岭长城国家重点风景名胜区，站内乘客有多语种、大人流特点。旅游高峰时期，大量客流集中于深埋地下车站中，一旦发生火灾，需确保旅客能够快速疏散，同时救援车辆能够及时到达。而多通道、高落差、长扶梯的复杂结构（图2）使快速疏散救援变得更加困难。

图2 八达岭长城站复杂疏散结构

基于BIM技术［15］，该车站形成了基于全生命信息数字模型的地下站隧建造智能管控技术，隧道、电气、给水、暖通、站房结构等不同专业均有大量的BIM（图3），为BIM与VR技术的融合应用提供了良好基础。

图3 八达岭长城站典型BIM图

2 系统开发步骤及架构

2.1 系统开发步骤

系统按照以下步骤开发：

1）收集整理既有BIM，包括主体模型、辅助模型，站房、隧道和疏散通道模型，在此基础上立足人性化、可视化、精细化理念进行BIM的场地分析、总平面布局、体型设计和内部空间布置。

2）采用参数化几何描述+相似性图元合并、遮挡剔除+批量绘制+LOD（Levels of Detail）技术［16］，进行BIM的轻量化、集约化处理。处理的重点是将与疏散通道相关的周围建（构）筑物、设备设施进行组合、黏结。

3）将BIM导入UE4（Unreal Engine 4），与3D Max软件结合，实现多场景的切分和规划，并进行场景原色渲染、烘焙和交互指令添加。

4）操作界面设计，包括路径规划界面、疏散界面和培训界面。

5）系统UI（User Interface）开发，客户端/服务器体系结构采用C/S（Client/Server）结构，实现管理人员培训、乘客疏散演练和不同类型场景静动态展示。

2.2 系统总体架构

根据功能需求，系统总体架构由三体系五层级组成，如图4所示。

图4 系统总体架构

三体系包括信息安全保障体系、系统运行维护体系和京张铁路标准规划体系。其中安全保障体系是重点，包括应用安全、系统安全、网络安全和物理安全。

五层级包括基础设施层、数据中心层、应用支持层、业务系统层和用户界面层。基础设施层是为本系统提供硬件支撑；数据中心层的数据直接与场景内的行人发生交互、映射；应用支撑层主要包含各类理论模型与外部接口，该层通过调用数据中心层各类数据以完成人员仿真行为；业务系统层可实现车站火灾疏散演练、状态仿真、疏散路径展示等；用户界面层主要为人员演练和培训服务，与人员直接交互。

2.3 系统人机交互逻辑设计

系统开发与实现采用以用户为中心的虚拟现实交互整套技术，逻辑设计如图5所示。用户在虚拟场景中体验灾害场景及疏散救援，通过各类传感器和硬件设备实现数据采集与分析，通过软件和数据库实现认知交互。上述功能的实现需要硬件设备与传感器的支撑，将用户的心率、步速等信息传输给后台进行数据分析。

图5 以用户为中心的人机交互逻辑设计

2.4 系统逻辑架构

基于人机交互逻辑设计，按照图6所示逻辑架构进行技术开发。BIM与VR两部分提供了高还原度虚拟场景的建模基础与实现方法。灾害场景设置是通过场景动态配置，提供事故场景以及与火灾事故相关的信息，并为Agent模型构建提供依据。Agent模型是核心模块，可对行人进行分类，为不同类别行人赋予尺寸、运动、感知方面的参数，使行人具备异质性。通过设定行人的4种状态，基于有限状态理论与C++编程技术，对每种状态中行人行为进行整合与切换。

图6 系统开发逻辑架构

2.5 系统技术架构

系统技术架构如图7所示，分为5个层级。系统整体基于UE4开发，采用关系型数据库管理系统MySQL进行数据存储与分析，C++作为开发语言。按照不同应用场景进行模块划分，模块之间共享数据库。通过VR技术、动作捕捉技术等实现数据采集、坐标映射和路径映射。

图7 系统技术架构

3 系统组成

3.1 系统功能模块

根据功能需求系统分为路径规划模块、火灾数据模块、可视化模块和行人仿真模块。

路径规划模块主要负责根据物理空间场景、立柱及设备设施布局信息进行虚拟乘客的动态实时路径规划。火灾数据模块主要负责对场景中的火灾事故进行可视化实现。可视化模块主要负责仿真数据的统计与可视化展示。行人仿真模块主要负责按照规划的路径进行全局移动，并在移动过程中根据行人仿真模型调整自身行为。

3.2 软硬件组成

系统软件由NPC（Non-player Character）系统、自学习体验系统、环境交互系统、数据交互系统四大部分组成。

NPC系统分为NPC模型、NPC交互模块。NPC系统会详细记录系统中诸多非体验者不同的反应，通过数据交互分析形成图表。通过设置多个NPC还可以分析非体验者的从众行为。自学习体验系统分为主控端软件、实验端软件、体验者交互模块、数据采集与分析模块四部分。可让不同体验者通过局域网接入系统进行模拟演练，研究不同体验者之间的协同和社群效应。环境交互系统分为人车交互、报警器交互、灭火器交互、电气设备交互、数据采集与分析五部分。通过沉浸式交互，一方面提高模拟真实度，另一方面可研究不同人群在灾害发生时的行为，为制定疏导预案提供参考。数据交互系统分为场景初始化设置、火灾数据模型设置、试验数据记录、逃生路线记录、试验结果统计与分析五部分。

硬件主要包括万向行动平台、VR头戴显示器、操作手柄、网络交换机、触控式显示屏等，如图8所示。

图8 硬件组成

4 基于BIM与VR技术的沉浸式虚拟现实场景构建

4.1 BIM时空信息向VR场景投射

基于BIM与VR技术的沉浸式虚拟现实场景构建的本质是如何最大程度使用BIM减少开发工作量。综合对比分析Autodesk Revit软件与3D Max、720云、UE4及Mars这4类软件之间数据类型的差异，优选出可导入模型的组合，可实现BIM模型格式转化、VR引擎导入，并采用图像处理软件增强模型渲染效果，实现模型高精度匹配融合。

优选BIM与UE4、3D Max软件进行融合，优势为模型导入工作量小、模型保留度高、展示效果好，且可实现参数化编辑处理和多场景的切分和规划，见图9。

图9 BIM时空信息向VR场景精准投射实现过程

4.2 BIM时空元素与VR场景元素耦合匹配

BIM时空元素向VR场景对应元素精准投射后，按照图10所示步骤实现BIM与VR场景的精准耦合匹配。其中，UV为横纵坐标信息。

图10 BIM与VR场景匹配过程

5 系统应用案例

以列车着火停靠在站台发生爆炸为例演示该系统的应用。既有疏散平面指示图见图11。其中仅标示了下车后短距离如何疏散，对于后续立体复杂通道选择及疏散路径并未标明。

图11 疏散平面指示

采用所开发的基于BIM与VR技术的沉浸式疏散演练系统，基于图12所示脚本，可在虚拟场景中较真实体验车站立体交叉复杂疏散通道的疏散全过程，见图13。与图11相比，沉浸式疏散演练及人员培训更形象真实。开发步骤、总体架构、人机交互逻辑设计、逻辑架构与技术架构，并在此基础上进行系统功能模块和软硬件设计。阐述了基于BIM与VR技术的沉浸式虚拟现实场景构建关键技术，并结合应用案例展示了系统的适用性，可为类似系统的开发提供借鉴。