張如凱

摘 要：在我國(guó)建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略實(shí)施的關(guān)鍵時(shí)期，我們必須同時(shí)面對(duì)，航運(yùn)發(fā)展與航運(yùn)事故對(duì)航運(yùn)業(yè)的雙重影響，伴隨這一些重大事故的發(fā)生，船舶事故和海員求生逐漸受到越來(lái)越多的關(guān)注。出于安全原因，IMO雖然已經(jīng)引入了一系列指導(dǎo)方針，用于在設(shè)計(jì)階段對(duì)大型船舶進(jìn)行全面疏散分析和認(rèn)證。在本文中，以危害較大，發(fā)生頻率較高的船舶火災(zāi)作為研究對(duì)象，建立了火災(zāi)環(huán)境模擬;在此基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)基于個(gè)體的微觀疏散模型，并進(jìn)行了初步驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：VR;火災(zāi);疏散;虛擬實(shí)驗(yàn)

1 概述

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）已經(jīng)成為研究人類(lèi)火災(zāi)行為的一種流行方法，VR技術(shù)可作為案例研究，突擊演練，實(shí)地研究，實(shí)驗(yàn)室研究和假設(shè)研究等其他成熟的補(bǔ)充研究方法。通過(guò)研究相關(guān)文獻(xiàn)，分析了VR的優(yōu)勢(shì)，劣勢(shì)等的基礎(chǔ)上，利用虛擬環(huán)境提供最大程度的實(shí)驗(yàn)控制，易于復(fù)制，具有相對(duì)較高的生態(tài)效度，并允許在過(guò)于危險(xiǎn)的情況下安全地研究人員行為的優(yōu)點(diǎn)，建立模型，供訓(xùn)練和實(shí)驗(yàn)適用，旨在了解人類(lèi)在火災(zāi)中的行為并提高消防安全性。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展情況分析

VR被定義為“感知者體驗(yàn)遠(yuǎn)程呈現(xiàn)的真實(shí)或模擬環(huán)境”（存在于虛擬環(huán)境中）。這個(gè)非常廣泛的定義意味著VR不僅限于計(jì)算機(jī)生成環(huán)境或任何特定技術(shù)。在某種程度上，現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)驗(yàn)室也可以被視為虛擬環(huán)境。但是，本文的范圍中VR僅指計(jì)算機(jī)生成的模擬。遠(yuǎn)程呈現(xiàn)的體驗(yàn)存在于VR技術(shù)所顯示的地方的錯(cuò)覺(jué)，以及虛擬環(huán)境中發(fā)生的事件似乎合情合理的錯(cuò)覺(jué)。請(qǐng)注意，此定義并不意味著使用任何特定技術(shù)。然而，VR系統(tǒng)通常使用計(jì)算機(jī)生成的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)模擬來(lái)將參與者浸入VR中。VR允許向參與者呈現(xiàn)高度逼真的交互式視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)刺激。還可以開(kāi)發(fā)增強(qiáng)的多模式系統(tǒng)擴(kuò)展VR，包括風(fēng)，熱或運(yùn)動(dòng)等。

VR已經(jīng)成為其他研究領(lǐng)域中一種成熟的方法。如果參與者在VR和現(xiàn)實(shí)世界中表現(xiàn)出類(lèi)似的行為，情感，認(rèn)知和心理生理反應(yīng)，則可以假設(shè)為生態(tài)有效性。對(duì)現(xiàn)實(shí)世界或虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景的情緒反應(yīng)程度不一定與真實(shí)的火災(zāi)緊急情況中的預(yù)期相同。生態(tài)有效性并不要求參與者必須相信模擬的火災(zāi)場(chǎng)景是真實(shí)的。實(shí)際上，感知輸入（例如，視覺(jué)模擬）可以引發(fā)情緒反應(yīng)，例如恐懼反應(yīng)，即使參與者知道他們所看到的是模擬環(huán)境。這些反應(yīng)的強(qiáng)度可能較低，但是，未來(lái)的研究有必要在VR的背景下闡明這個(gè)問(wèn)題。更重要的是，VR的設(shè)計(jì)必須使參與者行為的觀察結(jié)果能夠?yàn)楝F(xiàn)實(shí)世界的情景提供有效的結(jié)論。一項(xiàng)研究通過(guò)比較參與者在VR疏散情景中的行為與現(xiàn)實(shí)世界的案例研究，找到了有希望的結(jié)果。其他研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和VR模擬隧道應(yīng)急情景中具有可比性。請(qǐng)注意，兩種形式的人工實(shí)驗(yàn)方法（VR和經(jīng)典實(shí)驗(yàn)室研究）的相似性并不能保證生態(tài)有效性。

3 VR與火災(zāi)逃生的結(jié)合

VR已被用于火災(zāi)中人類(lèi)行為的各個(gè)方面的若干研究，如建筑物疏散，公路隧道火災(zāi)中的乘員行為，消防培訓(xùn)，以及其他安全和安全研究領(lǐng)域。如果證明足夠有效，VR將成為獲得客觀和可靠見(jiàn)解的有希望的途徑。VR研究的結(jié)果可用于檢驗(yàn)和驗(yàn)證疏散模型，并整合到VR訓(xùn)練措施中。

我們認(rèn)為VR是研究火災(zāi)的有效方法。 VR允許揭示先前在受控條件下無(wú)法研究的船員行為方面。雖然我們發(fā)現(xiàn)了該方法的一些弱點(diǎn)和局限性，但最重要的是需要進(jìn)行驗(yàn)證研究，但似乎可以通過(guò)技術(shù)進(jìn)步或結(jié)合幾種不同的研究方法來(lái)克服這些問(wèn)題。最先進(jìn)的研究方法（包括VR）都沒(méi)有能夠有效地掌握火災(zāi)逃生的所有方面，而VR并不旨在取代任何其他目前已建立的研究方法。我們將其視為一種有前景的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)室工具。

4 VR火災(zāi)模型分析

鑒于重大海上災(zāi)害造成的巨大損失以及大容量游輪數(shù)量的增加，有關(guān)海上乘客和船員疏散的問(wèn)題日益受到關(guān)注。棄船演習(xí)被認(rèn)為是證明船舶符合疏散要求的最可靠方式，但通常昂貴且難以組織。另一方面，建模和仿真工具提供了一種有效的方法來(lái)幫助改善船舶設(shè)計(jì)，以便于在海上疏散。模擬工具的開(kāi)發(fā)已經(jīng)引起了人們的極大興趣，到目前為止已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多計(jì)算機(jī)模擬軟件包。然而，船舶撤離仍然是一個(gè)非常初級(jí)的研究課題，只能找到有限的出版物。據(jù)稱(chēng)，由于特殊的環(huán)境因素，包括船舶的運(yùn)動(dòng)， 橫傾和橫搖以及船舶的復(fù)雜幾何形狀，船舶上的疏散過(guò)程可能會(huì)有很大不同。

關(guān)于船舶疏散模型的研究，現(xiàn)階段主要表現(xiàn)為： 目前尚不清楚如何處理路徑選擇行為以及所提到的智能人類(lèi)行為將如何影響模擬中人員的移動(dòng)。 船舶疏散模型應(yīng)該是一種多智能體直觀模型，其中各個(gè)單元根據(jù)非常簡(jiǎn)單的本地規(guī)則在船舶地圖的拓?fù)鋱D表中向目標(biāo)移動(dòng)以避免沖突。 模型建設(shè)的重點(diǎn)是將火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果納入疏散模型，但在局部運(yùn)動(dòng)模型中沒(méi)有充分探索人類(lèi)行為。軟件中使用了先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過(guò)將“化身”納入模擬場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶(hù)沉浸和積極參與疏散過(guò)程。代理人的本地運(yùn)動(dòng)是通過(guò)計(jì)算機(jī)游戲行業(yè)普遍存在的“轉(zhuǎn)向行為”方法建模的。

為了完成訓(xùn)練，需進(jìn)行船舶建模，模擬中使用的諸如移動(dòng)速度之類(lèi)的參數(shù)是均勻的，表明不考慮人的區(qū)域和人口統(tǒng)計(jì)差異。并且根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定響應(yīng)時(shí)間分布，初始位置以及乘客的最終目的地。從最初的位置接近最終裝配站時(shí)，船員理論上可以選擇不同的路線(xiàn)。由于在這種情況下每個(gè)乘客的詳細(xì)路線(xiàn)信息是未知的，因此本研究采用距離最短的路線(xiàn)。為了獲得更精確的結(jié)果，我們?cè)谀M案例中添加了250標(biāo)記點(diǎn)，這250個(gè)代理的起始位置是根據(jù)船上標(biāo)記的人口分配的。

該模型分為兩個(gè)層次：宏觀層面的戰(zhàn)略層面行為和微觀層面的操作行為。宏觀層面主要處理長(zhǎng)期路線(xiàn)選擇和地圖導(dǎo)航任務(wù)，以決定路線(xiàn)并獲得區(qū)域感知目標(biāo)。微觀層面決定了每個(gè)時(shí)間步的代理的局部運(yùn)動(dòng)，包括以下兩個(gè)模塊。路線(xiàn)選擇和地圖導(dǎo)航模塊識(shí)別臨時(shí)期望的區(qū)域移動(dòng)目標(biāo)，并且基于代理的個(gè)體移動(dòng)模塊使用目標(biāo)來(lái)控制實(shí)際移動(dòng)，然后基于詳細(xì)的計(jì)算下一時(shí)間步中的實(shí)際移動(dòng)方向和距離環(huán)境信息和一套規(guī)則。

5 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較

從理論上講，該跟蹤數(shù)據(jù)集非常適合于驗(yàn)證目的，因?yàn)橹匾哪M輸入信息，例如乘客的響應(yīng)時(shí)間，起始位置以及終點(diǎn)是已知的。然而，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一些不確定性，這可能導(dǎo)致我們模擬中的上述差異。如前所述，在這種情況下，我們沒(méi)有將乘客的移動(dòng)速度與不同性別和年齡組以及船上的不同區(qū)域分開(kāi)，這可能導(dǎo)致模擬結(jié)果的某些偏差。其次，這條路上的大量未標(biāo)記的人最終參加了疏散演習(xí)。在整個(gè)撤離過(guò)程中，它們的存在會(huì)影響其他標(biāo)記的乘客，特別是在高度擁擠的區(qū)域，如樓梯和狹窄的走廊。然而，實(shí)際未標(biāo)記的乘客人數(shù)，他們的起始位置以及他們的裝配時(shí)間未包括在整體裝配數(shù)據(jù)中。

此外，數(shù)據(jù)集中給出的響應(yīng)時(shí)間是基于區(qū)域的，換句話(huà)說(shuō)，我們無(wú)法為仿真模型中的每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)分配精確的響應(yīng)時(shí)間?？紤]到上述所有不確定性，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的裝配時(shí)間變化似乎是可以接受的。

6 結(jié)論

通過(guò)參考船舶撤離的文獻(xiàn)和國(guó)際海事組織（IMO）的指導(dǎo)原則，本文通過(guò)仿真研究了船舶疏散問(wèn)題。引入了基于個(gè)體的微觀疏散模擬模型，并通過(guò)海上模擬驗(yàn)證了船舶疏散情況。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)合理一致。該模型還可以進(jìn)一步發(fā)展，我們將通過(guò)優(yōu)化疏散路線(xiàn)分配方法以及添加新參數(shù)來(lái)模擬特殊情況下的個(gè)體行為，從而對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

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