基于VR技术高速公路危化品泄漏事故疏散训练系统的设计

文 / 徐华

概述

近年来，我国化工行业发展迅速，危化品的生产及高速公路运输也逐渐增加。不同于一般的货物，由于部分危化品有易燃、易爆、有毒的特性，一旦发生泄露事故，造成的后果十分危险且复杂，威胁周边群众的生命财产安全。如2012年“8·22”京珠高速客车起火事故，2014年“3·1”晋济高速汽车追尾事故，2015年“1·16”荣乌高速莱州段追尾事故，2016年“6·26”宜凤高速特大交通事故，2020年“6·13”沈海高速温岭大溪段槽罐车爆炸事故等。

以上事故均引发了危化品的泄露，燃烧，甚至爆炸，造成了大量人员伤亡，周边建筑物、生态环境受到不同程度的破坏。由此可见，危化品道路运输安全问题以及事故发生时人员的疏散自救与被救等问题，都亟待解决。

虽然当前基于VR虚拟现实的疏散训练系统还很少，但是随着我国通信技术的迅猛发展，5G 通信技术作为4G 移动网络系统的延伸，具有高速率、低延时等优势，高速的传输速率使VR的普及成为可能，图1为2016-2019年全球虚拟现实硬件市场规模走势。利用Unity引擎设计人员疏散场景，并结合HTC VIVE设备（实现VR体验的硬件主要包括VIVE头显设备、手柄控制器），能让受训人员沉浸在VR训练系统中，以获得更好的真实交互体验，更能让受训者直观感受火场环境，提高受困人员的自我疏散能力。

疏散模拟领域已经有很多成熟的软件，如：CFAST、Pathfinder、EVACNET、Simulex等。这类软件可以对火场环境进行精细设定，可以计算出具体的疏散时间，但缺乏交互性，不能达到训练人员的目的。

在人群疏散模拟方面，张培红等建立建筑物火灾事故的虚拟现实环境，研究人群疏散行为规律以及建筑物安全疏散性状的概率危险性评价；李四航等通过较为成熟的VR虚拟技术模仿高层建筑火场不同阶段处理方式和安全疏散要领，辅以动画展示，增强了受训人员的消防安全自救水平。

上述研究都只是根据软件来研究疏散规律，并未涉及到具体的疏散训练，也未涉及高速公路的危化品事故泄露的场景，设计高速公路危化品泄漏事故疏散训练系统正好填补了国内危化品泄露事故疏散模拟训练的空白。

一、系统的框架模块设计

本虚拟疏散训练系统场景以虚拟现实Unity3D引擎为基础进行设计，由训练前培训模块、泄露场景感受模块、疏散自救体验模块、训后反馈模块四部分组成。

（一） 训前培训模块

设置训前培训模块主要目的是让参训人员了解疏散系统的基本功能、培训目的、熟悉交互界面并学会使用手柄控制器、头戴显示器（如图2所示）等交互设备的使用。通过交互界面展示给受训人员场景中涉及的人物（驾驶员）、车辆（槽罐车等）、道具（警戒线等）、路况、疏散标识等，告知其所遇场景的基本信息（事故起因、槽罐车所装有的危化品的详细信息、高速公路路况、当地气候环境等信息）进行实际虚拟体验，告知受训人员疏散注意事项，做好训练准备。

如果条件允许，在开展虚拟现实应急疏散实验之前，首先让被试体验真实感明显低于实验场景的虚拟现实场景，这样会增加疏散模拟体验感。

（二） 火灾场景感受模块

设计不同的高速公路危化品泄露火灾事故场景供受训人员进行感受，主要包括开始泄露的场景、泄露后发生燃烧的场景、燃烧后发生爆炸三个火灾场景，不同的场景能让受训者有不同的直观感受，受训人员均可体验。

开始泄漏时，主要依靠声音模拟出泄露效果。发生燃烧时主要模拟视觉效果，发生爆炸时应是听觉加视觉的模拟效果。通过交互界面供受训人员进行场景选择，让受训者直观感受复杂严峻的火灾场景，要做到逼真、沉浸效果强，并告知疏散难度等级，让受训者熟悉每一个过程。

另外，为保证报警探测时间和受训人员确认发生火情做出反应的预动作时间，在受训人员选择好具体场景后，事先利用Unity3D插件及C#脚本语言设置，使受训人员进入所选场景30s后才发生火情，场外记录人员根据画面显示开始记录时间，最终根据不同受训人员的疏散成功的时间长短优化系统及高速公路应急疏散通道的设计。

（三） 疏散自救体验模块

待参训人员体验火灾场景，并做好场景选择后，就会进入疏散自救模块，开发人员可根据疏散时间的长短设置危化品泄露事故的不同状态、模拟烟气和火焰的扩散程度、设计不同困难程度的高速公路应急疏散通道（事先不告知受训人员，以便时间记录的连续不间断），当受训者选择较难的疏散通道时（如选择下风方向），可受到不同程度的模拟效果冲击，提高其记忆效果。

发生火灾后，被困的人员能否安全疏散主要取决于两个特征时间：

一是火灾发展到对人构成危险所需的时间，或称可用安全疏散时间（Available Safety Egress Time）。

一个是人员疏散到达安全区域所需要的时间，或称必须安全疏散时间（Required Safety Egress Time）。

（四） 训后反馈模块

训练结束后，设置纸质问卷对参训人员进行反馈调研，问卷应包含以下主要问题：疏散体验感强与否、沉浸感强与否、是否感受到恐慌、有没有注意过疏散急救标识、遇到类似情况如何自救与疏散等。后期可根据问卷情况对系统进行优化，对高速公路应急疏散通道、疏散标识的设置给予合理建议。

二、 系统设计需要的关键软硬件设备及技术要求

（一） 关键软硬件设备

光学三维运动捕捉系统，HTC VIVE虚拟现实头盔、手柄控制器，5DT头盔显示系统，5DT数据手套系统等硬件设备，是实现虚拟现实场景与受训人员进行沉浸式交互训练的桥梁。

Unity3D软件平台作为开发场景工具，3ds Max、CAD等建模软件中构建地下建筑的三维模型，生成基本的模型框架导入Unity3D中；根据目标场景建筑的真实参数，需利用模CFAST、FDS等软件拟烟雾火焰、温度热量等的扩散过程，并得到数值模拟结果，用在Unity中，以粒子系统模拟出烟雾及火焰的效果，再结合建筑模型就能模拟出虚拟现实的火灾效果。

（二） 开发者需掌握的专业知识

开发者要能熟练掌握3ds Max、CAD等建模软件，并会用CFAST、FDS等模拟软件模拟火灾场景获取数值模拟结果，便于在场景设计时进行合理的参数设定。

熟练使用Unity3D引擎进行画面设置，还要具备一定基础的C#语言编程能力。在进行虚拟物体设计时，应能编写代码使虚拟物体与参训人员产生虚拟碰撞，增加受训体验。

三、结语

利用Unity开发出一套高度逼真、高度沉浸、高度交互的虚拟现实模拟疏散训练系统虽然相对于其他的模拟软件更有实战性和交互性，但不得不承认，基于VR的模拟训练不能模拟出那种现场的高温、高烟环境，也不能模拟出危险化学品的刺激性气味，而更多的，仅是对视觉和听觉的模拟。另外，火场的复杂多变情况也是VR模拟训练面临的一大技术挑战。