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. 河北省交通規劃設計院，石家莊 050000；2. 北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044；3. 交通運輸部科學研究院，北京 100044；4. 中鐵信(北京)網絡技術研究院有限公司，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，其系統作為一個具有較大客流量的封閉空間，安全問題是一項重要的議題，一旦在站內發生緊急事故，可能會出現嚴重的人員傷亡后果。據統計，在軌道交通緊急事故中，火災是導致死亡人數最多的事故類型，所以進行車站內火災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、適應性等諸多優點，是主要的微觀行人模型之一。在傳統的計算機仿真研究中，仿真過程通常只是以第三人稱視角進行，參與度不足，且研究重點一般放在行人的行為特點上，而忽視了疏散場景的精細度與真實度。但是，建筑信息模型(BIM)技術與虛擬現實(VR)技術能夠有效解決上述問題。其中，BIM技術中建筑每個構件的屬性都包含在 BIM 模型里，這些信息在模擬安全疏散過程時可以發揮重要的作用[1]。BIM技術只需要依托一個平臺，便可實現高精度場景的疏散仿真模擬；而 VR技術在沉浸感、交互性和實時性綜合效果方面具有諸多優勢，與BIM技術具有良好的適應性。

因此，筆者基于BIM技術、VR技術以及Agent模型，實現高還原度的地鐵環境下更加接近真實情況的人員疏散仿真，并依據研究成果，開發出基于Agent模型與VR的車站火災疏散仿真系統。仿真系統為火災等突發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、安全的實驗平臺，同時也可以用于安全疏散培訓、疏散演練以及仿真評估等諸多方面。

2 VR場景構建

VR場景構建分為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，并進行BIM與VR的對接工作，參照我國現行國標《地鐵設計防火標準》(GB 51298—2018)和北京地標《城市軌道交通工程設計規范》(DB11/ 995—2013)，對火災進行設置。

2.1 BIM模型構建

選定北京地鐵 4號線魏公村站作為目標車站，采用實地測量的方式，獲取魏公村站設施設備的布設位置及尺寸，之后利用Revit軟件工具進行場景模型的構建。

2.2 BIM-VR對接

BIM模型完成后，還需在VR引擎中做進一步處理，進行BIM與VR對接，實現VR環境。該工作在VR引擎Unity3D中完成，Revit軟件支持將3D模型導出為.fbx格式文件，同時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，用戶在場景內部中的視角如圖 1所示。鑒于不同車站的土建條件、火災場景、客流(疏散人數)均會有所不同，可利用BIM技術快速精確建模，并通過BIM模型與VR系統的接口，使得系統應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 火災設置內容

在場景中添加火災，以完成疏散場景的設置。設置內容包括火災位置的選擇、疏散安全區的確定以及疏散模式設置。

2.3.1 火災模式

我國現行國標《地鐵設計防火標準》(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間考慮同一時間內只有一處發生火災，且電梯、豎井爬梯、消防專用道以及管理區的樓梯不得用作乘客的安全疏散設施[2]。北京地標《城市軌道交通工程設計規范》(DB11/ 995—2013)指出，安全區是指封閉車站配備了事故通風系統的中央大廳以及能為站臺乘客疏散提供保護的場所。如果地下車站站廳配備了事故通風系統，站廳可作為安全區[3]。依據上述相關規定，對火災場景進行如下假定：

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

2) 魏公村車站為地下車站，配備有事故通風系統，站臺發生火災的情況下，將站廳視為安全區。

3) 同一時間只在一處位置發生火災，假定火災發現及時，發現時規模較小，僅影響距離其位置最近的樓扶梯，且在疏散時間內火、煙氣能得到有效控制，不考慮其傳播。

4) 假定的火災位置如圖 2所示，根據位置對 5種工況分別命名為北側樓梯起火、北側扶梯起火、直梯起火、南側樓梯起火以及南側扶梯起火。設定火災的影響范圍，在影響范圍內，行人不可通行，且疏散設備不可使用。

圖2 火災位置設置Figure 2 Fire location setting

2.3.2 疏散模式

在本研究中，設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不同，在系統內的設定也不同。

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，用戶將扮演車站內的工作人員，擁有發出指引信息的功能，其參與方式與職責變為利用指引功能來與其他 Agent進行交互，輔助其他Agent進行疏散，提高疏散的效率。

3 行人模型設計

Agent是被視為作用于某一特定環境、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境的計算實體[4]。仿真系統中的行人模型基于Agent構建，首先對Agent進行分類，并賦予不同類別Agent不同的異質性模型參數，并對Agent進行狀態行為設計，發揮Agent模型在疏散仿真中的獨立性、自主性、反應性等特性，提高疏散場景的真實度。

3.1 Agent分類及相關屬性設置

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，并規定各類行人的占比，結果如表1所示[5]。

表1 行人分類結果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行導航尋路與碰撞的判定。在參考文獻[5]中，對每類行人對應的Agent圓柱體模型截面半徑R分布的規定，結果如表2所示。圓柱體模型高度h對仿真無影響，統一設置為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提出的方法計算行人在緊急疏散時的速度，具體計算公式[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是地鐵車站不同區域的速度調整參數；D是無量綱的密度，定義如下：

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

式(1)、(2)中的m與μe定義如下：

1) 行人做水平運動時，有

2) 行人做上行運動時，有

利用該方法與表1、表2中的數據，計算出行人在水平運動與上行運動的緊急疏散速度，水平運動時上行運動時計算得到的是所有乘客的平均速度，還需計算各類乘客對應的緊急疏散速度vei。文獻[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與平均值的比值關系，計算得到本研究中各類別乘客對應的緊急疏散速度vei，計算公式如下：

式中，vdi為文獻[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[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，行人上行時有走樓梯與走扶梯兩種方式，樓梯的上行速度即為計算得到的速度，扶梯的上行速度要在樓梯上行速度的基礎上加上扶梯的運行速度。國家標準《地鐵設計規范》(GB 50157—2013)中明確自動扶梯運行速度主要有0.65 m/s或0.5 m/s兩種情況[7]，其中0.65 m/s的運行速度更為常見，本研究設定扶梯運行速度為0.65 m/s。

最終的計算結果如表4所示。

表4 緊急疏散速度計算結果Table 4 Calculation result of emergency evacuation speed

3.1.4 Agent感知參數確定

感知參數包括感知范圍與反應時間兩個參數，所有Agent的感知參數相同，不以類別進行區分。

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

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

3.2 Agent狀態設計與實現

根據行人在疏散時可能產生的心理、生理反應，提出以下幾種Agent狀態。

3.2.1 初始反應狀態

火災發生即視為疏散開始，Agent的初始反應狀態為火災發生后到開始移動之間的狀態，這時出現險情感知行為。設定以下幾種感知到險情的方式：

1) 在感知范圍內發現火源；

2) 在感知范圍內發現開始移動的其他行人；

3) 聽到全站臺發出的火災語音警報；

4) 在感知范圍內發現工作人員發出的指引信息。

當出現以上幾種情況時，視為Agent發現險情，經過反應時間后，隨即結束初始狀態，開始移動。

3.2.2 疏散狀態

尋路行為，指Agent根據自身的判斷，在周圍環境中確定行進路徑的行為；走行行為，指疏散后沿行進方向移動的行為，行進方向可能通過尋路或聽從指引的行為確定，在此狀態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

用戶可以扮演工作人員來對 Agent進行疏散指引，聽從指引狀態只在有用戶扮演工作人員時出現，是指閑置或進行疏散的Agent響應工作人員的指示，向工作人員方向移動的狀態，包含響應工作人員與走行兩種行為。

該狀態的具體實現方式是：當操作者按下VR手柄上對應的指引功能按鈕時，控制手柄的腳本會發出一個事件，將場景內部的工作人員變為指引狀態，使感知范圍內的Agent通過感知腳本組件進入該狀態，并向工作人員移動。該狀態的演示如圖3所示，位于樓梯處的工作人員發出指引信息，使附近的Agent進入該狀態，朝向工作人員移動，并重新規劃路徑，此處的指引行為起到改善行人流流線的作用。

圖3 聽從指引狀態演示Figure 3 A demonstration of the response state

3.2.4 疏散成功狀態

當Agent抵達安全區，即結束疏散后的狀態。此時系統會判定該Agent疏散成功，將其計入疏散成功總人數，并將其在VR環境中銷毀，視為已經脫離險情。Agent狀態切換流程如圖4所示。各狀態間的整合通過有限狀態機(finite state machine，FSM)算法實現，而早期的有限狀態機原理來源于數學。在數學領域，有限狀態機是指為研究具有有限狀態的計算過程或語言類而抽象出的一種數學模型[10]。如今，FSM在計算機領域也被廣泛應用[11]，利用C#語言編寫狀態機類腳本以及各行為類腳本，將腳本掛載到 Agent模型對象上，Agent便具有腳本對應的狀態及行為。

4 系統案例應用

在Unity3D完成項目發布并進行案例應用時，驗證系統的可用性并對仿真結果進行簡要分析。用戶進入的視覺系統如圖 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的時間為全員疏散時間，每處樓扶梯上最后一名乘客完成疏散的時間為該處樓扶梯的疏散時間。在普通疏散模式下，對 5種工況進行仿真，并統計每種工況下的各樓扶梯疏散時間與全員疏散時間。在疏散指引模式下，通過工作人員指引Agent行動的方式，對案例進行優化實驗。每種工況下各樓扶梯疏散時間與全員疏散時間的統計結果如表5所示。對疏散時間結果進行分析：由于北側空間更大，仿真時疏散人員多于南側，在北側有更多的人員選擇使用樓梯進行疏散，疏散速度慢，所以時間更長；而南側疏散人數較少，Agent更多選擇扶梯疏散，在樓梯處全部完成疏散時，扶梯處還有部分Agent未完成疏散，因此南側扶梯疏散時間更長。

表5 不同工況下疏散時間統計Table 5 Statistics of evacuation time under different working conditions s

北側扶梯起火工況為最不利工況。直梯起火時全員疏散時間最短，但與其他工況的全員疏散時間結果差值并不大，最大差值28 s。分析每種工況的疏散時間最大差值，發現普通疏散模式下Agent對樓扶梯的使用并不均衡。

在指引疏散模式下，用戶進入場景扮演工作人員，對Agent進行指引操作，將疏散時間較大處的Agent引導到疏散時間較小的樓扶梯處，平衡各設施的使用情況，并降低疏散時間。對每種工況優化前后的全員疏散時間進行對比，結果如圖6所示?？梢钥闯?，指引行為確實能有效提高Agent的疏散效率，減少疏散時間，且在經過優化后，各工況間的全員疏散時間差距也相對減少?；诖税咐齼灮?，總結疏散指引模式的意義，疏散指引模式可用于校驗應急疏散方案，并根據模擬結果對應急方案做出及時調整。

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

5 總結與展望

筆者基于BIM技術與VR技術，開發車站火災疏散仿真系統，并進行案例仿真研究。對研究成果及未來展望如下：

1) 利用BIM與VR技術，實現了魏公村地鐵站場景模型的高精度還原，發揮BIM快速、可視化、精確等優勢；對完成后的BIM模型實現了VR功能，充分體現了VR技術的想象性、交互性、沉浸性等技術特點，實現了人在虛擬場景中的沉浸式體驗。

2) 在實現高還原度場景的前提下，系統將重點放在了行人模型部分，基于多智能體系統，構建了具有異質性的行人模型，Agent可以根據外部環境，自主感知到災情發生與工作人員指引，并且在疏散過程中實現自主尋路與避讓等行為，有效提高了仿真系統的真實度。

3) 火災時，即使通風排煙系統啟動，火災煙氣也會在一定范圍內蔓延，對于疏散階段的人員行為影響較大。在未來研究中，本系統將重點對煙氣的傳播影響因素進行優化。

4) 仿真系統日后在科研領域與工程應用領域都具有應用價值。對于科研領域，系統可以用于真人 VR浸入式實驗，通過實驗得到實驗者的生理、心理指標數據以及實驗者提出的建議，研究行人在疏散時的行為心理特征，或根據實驗結果對仿真系統進行參數標定，不斷對其優化完善。系統足夠完善后，在工程應用領域可進行車站安全疏散評價、安全疏散演練培訓等。