虚拟现实的飞机事故逃生演练

2021-06-30南京航空航天大学金城学院窦淑婷王馨怡孔奕豪曾宇乐

电子世界 2021年11期

关键词：客舱机舱虚拟现实

南京航空航天大学金城学院窦淑婷王馨怡陈乐孔奕豪曾宇乐

1 目的及意义

随着航空运输业的发展，航空运输在国家经济中的作用日渐增加，航空事故也因此受到越来越多的高度重视和密切的关注度。机舱作为特殊的有限空间，其内部的结构复杂，且舱内的通道较窄。一旦发生特殊情况，其应对的处理时间和空间是有限的。

本款软件的研究开发通过计算机仿真，运用计算机视觉技术为载体组建一款虚拟现实关联的第一人称视角游戏，通过对各种突发情况进行三维仿真模拟，可以让人员体验接近实际的人机交互性的航空器逃生模拟演练。

2 国内外研究现状

飞机失事常在极短的时间内，旅客生还的概率将近不可能。飞机中存在的“黑色10min”，是指绝大多数空难事件都发生在飞机起飞阶段前的三分钟和着落阶段时间的7min内。但空难一旦发生，留给旅客的逃离时间远远没有7min这么长。此外，在国内外研究方面，目前中国民航界内尚无针对飞行逃生的专门模拟软件和自由操作的虚拟现实环境计算机视觉技术专项逃生教学训练软件，仅有理论培训用的书籍。我国对于该项目技术的研究还处于空白领域。而国外开发出的prepare for impact，达到了一定的技术水平。

3 关于“天际逃生”软件的设计

飞机机舱实时交互式虚拟人机环境给乘客提供一个虚拟的可人机交互的飞机机舱环境和虚拟三维视景环境。我们将从以下几个方面分项研究：

3.1 软件设计

（1）确定虚拟飞机机舱的各项设施布局和软件的框架。（2）研究采用Unity3D开发二维虚拟飞机外部模型，各项飞机内部设施和安全通道和广播等模型。（3）对人机交互的实现方式一鼠标控制和键盘控制人物进行操作，听从系统的指令其中重点研究对逃生人员的不同逃生方式的仿真方法。（4）研究虚拟三维机舱视景环境的建模原则和软件开发流程。（5）研究三维机舱视景程序的设计。（6）研究空中飞机舱内广播系统的逃生路线人机交互逻辑功能和仿真方法。（7）进行软件测试和验证。

3.2 游戏设计

场景构思：第一步，选取一些在新闻报道中较为常见的飞行事故场景，接下来以客舱着火这种紧急情况为例，将之作为玩家所乘坐航班的事故情境。第二步，思考飞机客舱中可能出现的可燃物，搜集可查阅到的客舱起火的案例，从而寻找发生着火次数较多的可燃物。可以观察到，近年来，旅客随身携带的充电宝、飞机发动机着火次数较多，燃烧会引起浓烟且可能含有有毒物质，从而阻碍机上人员逃生。

人物设定与操作流程：如飞机因故障必须迫降时，机上乘客应保持镇定，如需紧急撤离，乘客不要携带任何行李，从行李箱内取行李耽误时间，行李脱落会砸伤人，脱落行李堵塞过道影响紧急撤离的速度，这时是以秒为计算单位的。

（1）正确的自救措施

第一步，不要大声呼叫，防止有毒气体吸入。在听到撤离指令前乘客做防撞击姿势：把头保持在扶手水平上，把头部放在手上（即弯腰低头，紧迫用力。Heads down，brace！）。第二步，在听到撤离指令后，乘客不要携带任何行李，应用湿毛巾来捂住口鼻，若没有湿毛巾则可用装满水的冰桶将衣物手帕等弄湿，遮在口鼻处。第三步，撤离时应当弯下腰，根据机上乘务员的安排尽快从安全出口撤离，下飞机后应当远离飞机100m外。

玩家操作的人物为飞机上的一名普通乘客，当发生事故时开始游戏。

（2）逃生的注意事项

逃生中最重要的是清楚距离最近的紧急出口位置。乘客上飞机后，先了解自己的座位与安全出口之间隔多少排。这样即使机舱内充满毒雾，也可以摸着边缘找寻出口。

在着陆时乘客坐在座位上，应把手交叉放在前面座位上，头部靠手，在飞机着陆前乘客需要一直保持这个姿势。

（3）游戏操作步骤

第一步，乘客开始登机，并安排好座位，画面显示飞机起飞的过程。在飞行过程中由于故障，紧急迫降，氧气面罩自动脱落，乘客根据乘务员指示正确佩戴面罩，保持镇定。客舱内开始播放广播，告知乘客需要紧急撤离，飞机舱门立刻打开，逃生梯打开。

第二步，乘客根据广播和机组人员的指示下，玩家尽量在14s的黄金时间内需要依次完成卸下氧气面罩、选择逃离姿态（W 正常走、Shift+W 加速跑、E弯腰前进（如图1））等操作，直至跑到安全地带。

图1 事故发生后弯腰前进

第三步，根据玩家的逃生时长，对玩家的操作的完成度和持续时间对比标准操作流程（SOP）和黄金时间给予评价，最终生成逃生报告，其中报告等级分为“无伤、轻伤、重伤与失败”。

4 计算机视觉的技术利用

4.1 航空领域的技术应用

我们通过研究开发计算机视觉在航空领域的技术应用—以研究热点虚拟现实技术和模拟仿真技术在飞行教学研究领域应用，也是今后时代的发展趋势。“虚拟现实”（Virtual Reality VR）是指仿真的网络世界是人为创造的，非现实的，并非是发生在现实的；以“现实”两字表达出来进入局部人造世界的人在视觉效果上是与进入真实的世界相近。这种新计算机表达形式，给用户模拟出一种将近真实的体验，通过视觉、听觉、感觉等感官，进行人机智能交互，为使用者提供最佳的人机交互方式。虚拟现实技术在我们的逃生游戏中应用的重点在于其可交互性。

4.2 模型的建立

首先我们建立了三维的机舱物理模型（如图2），主要包括了所选研究飞机的外部构造，内部设施及逃生场景的设定。结合机舱布置图，机舱位置布置图和开发软件的建模特点，对该舱结构和机舱内部设备等结构进行了分配，并据本文的研究内容对逃生演练模拟过程。最后对人员逃生的模拟计算设定条件，并对逃生场景进行了详细设定如果出现紧急情况，听从设定广播的安全指令从相应的逃生出口撤离，同时保持客舱秩序。

图2 飞机外部物理模型的构建

Unity的人物要求是有骨骼以及动画设置的，需要我们对人物的头部、四肢、身体以及十指进行一一设置（如图3），每一个动作进行录制，摆正每一个动作所需要的骨骼位置。一个人物的动作多达10个，我们的游戏涉及到对13个人物物理模型的建立，人物物理模型建模完成后，我们将所需的模型导入Unity，然后开始编程，设置人物的动态及行动。在此期间我们用简单的语句来编写设计，建立属于自己的族和类，这样也就大大的减少了程序运行空间的浪费。

图3 人像三维物理模型的建立

其次对于详细的飞机事故如飞机内部如失火，烟雾产生的毒气体危险非常大，旅客须禁止大声叫喊，并且不要打开通风口，这样会增加对有害气体的吸入。也不能造成慌乱全都涌向飞机的局部一部分，会导致飞机重心不平衡。逃生时要降低身体重心，屏住呼吸，或用潮湿的衣物包围口鼻，防止吸入有害气体，和平时建筑火灾中逃生相似，但严重时可能发生爆炸，所以乘客在离开机舱滑梯后要快速逃离飞机至100m开外。

4.3 虚拟现实技术的发展

现阶段有较完善的虚拟现实技术应用，可以运用软件开发知识拓展，其搭载设备以及相应的改装后可以在更好的环境进行试验。通过C#，Unity3D等编程开发软件使虚拟现实具象化，编程模拟各种飞机事故场景，以第一人称视角选择行动路线，最后对比标准操作流程（SOP）和黄金时间给予评价；通过VR眼镜实现功能的结合以及提供了行动路线的可操作性，真实模拟飞机事故逃生。