基于虚拟现实技术的轨道交通车站大客流组织培训系统设计

刘祥敏, 董 征, 刘莉娜, 曲秋莳, 赵晓华

(1.北京工业大学城市建设学部， 北京 100124；2.北京交通运输职业学院， 北京 100096)

0 引言

城市轨道交通客流组织是城市轨道交通运营的重要环节，也是城市轨道交通运营的核心课程之一[1]. 目前，本课程的传统教学模式是以课堂教学和基地实训为主. 此类教学模式，能在学生掌握城市轨道交通客流组织的理论基础上，获得实际操作的经验. 但是，这种教学模式存在一定的局限性. 随着科学技术的发展和进步，手机和电脑等科技产品已经广泛应用到教学之中，结合虚拟现实等技术，可设计出更加信息化、数字化的教学模式. 信息化教学模式作为现代科技的产物，可有效推动现如今教学模式的创新.

作者以城市轨道交通客流组织理论为基础，采用三维建模技术、虚拟现实技术，设计开发了基于虚拟现实的轨道交通车站大客流组织培训系统. 本系统包含2个子系统：三维虚拟教学模型和城市轨道交通车站大客流组织培训数字化系统. 该系统可为学生们提供一个可视化的数字化信息平台，打破了现有教学模式的限制，为学生提供更加真实、沉浸式的学习环境，可有效的提高学生的学习积极性和学习效率.

1 传统教学模式和虚拟化教学模式的差异分析

1.1 传统教学模式现状

随着时代的不断发展，对教学的理论知识和应用能力提出了更高的要求，但是现阶段的教学模式仍为比较传统的教学模式，理论不能很好的与实践相结合，无法满足教学过程中理论和实践紧密结合的要求. 传统的城市轨道交通客流组织教学是由课堂教学和基地实训2部分构成，存在问题如下[2-3]：

1)模式陈旧，课堂形式单一. 虽有理论与实践相结合的实训课程，但学生基本处于被动学习状态，难以保持高度集中的注意力.

2)实训课程的教学硬件环境还原度低. 实训课程基地主要为地铁站站台和站厅的部分建筑结构构成，与现实轨道交通站点存在差异，并且存在设备设施配置不足等问题.

3)实训课程的教学软件环境还原度低. 实训基地内部难以还原现实生活中的乘客到站、客流变化等动态情景，使得学生对客流组织设施设备的运用不娴熟，进而导致教学效果下降.

4)课程考核方式陈旧. 如今的课堂教学考核方式多数是采用传统的试卷问答方式进行考核，题目类型比较单调，考核内容也多偏于理论知识的掌握情况；实训课程考核内容较为单一，不能还原客流较大的情况，无法考察学生在客流较大情况下对轨道车站客流疏导的能力；没有完整的建筑结构，无法考察学生对轨道车站客流疏导的整体把握能力.

1.2 虚拟现实技术现状

VR(虚拟现实)是利用计算机技术生成一个三维模拟空间，该模拟空间可为使用者提供由视觉、听觉和触觉3个维度的感官交互的模拟空间环境，给人以沉浸式感觉的一种新兴技术[4-5]. VR作为一种人机交互工具，具有沉浸感、交互性以及构想性三大特点. 虚拟现实技术能在以下几个方面提升城市轨道交通客流组织课程的教学效果：

1)虚拟现实技术应用于教学中可为学生们营造一个主动学习的教学环境. 该技术可改变传统的教学模式，学生通过与虚拟环境之间的互动，达到学习理论知识和掌握实际应用能力相结合的目的.

2)虚拟现实技术应用于教学中可更为真实地还原地铁站内部环境. 虚拟现实技术能还原车站内部的行人流，使得学生在学习过程中能更深刻地体会大客流组织的重要性，更准确地理解客流集散的过程.

3)虚拟现实技术在教学中的应用可丰富实训课程的环境条件. 计算机虚拟环境中能根据客流组织课程的需求，构建不同建筑结构的轨道交通站点，帮助学生了解不同轨道交通站点的结构特点，提升学生疏导不同轨道交通站点大客流的能力.

2 三维虚拟教学模型

三维虚拟教学模型是基于虚拟现实的轨道车站大客流组织培训系统的第一部分，其目的是利用虚拟现实技术，使得学生能更加沉浸地了解地铁站内部构造，掌握地铁站内部客流组织设备、设施的外观及作用，使其能更深刻地理解轨道车站大客流组织的方法. 三维虚拟教学模型的构建主要有部件模型库构建和语义知识库构建2部分.

2.1 模型开发与运用技术方案

本三维虚拟教学模型需要展示完整的地铁站内部结构，目前三维建模领域中的BIM技术非常适合此模型开发. BIM全称为Building Information Modeling，即建筑信息模型，是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达[6-7]. BIM+VR技术能充分发挥这2个技术的优势，能使得建筑结构、信息的展示“从界面到空间”.

BIM+VR平台主要由3个部分组成，分别为头戴式外部设备，用于以3D的形式显示建筑场景以及实现交互；建模软件Autodesk Revit，用于实现建筑环境的建模、建筑内部信息导入；可视化浏览软件Fuzor，用于将三维模型导入到VR中，实现建筑信息的可视化呈现.

2.1.1 头戴式外部设备

头戴式虚拟现实设备主要由3部分组成：1个头戴式设备，2个操纵手柄(单次充电使用时间约6 h)和1个空间定位追踪装置，如图1所示. 用户通过头戴式设备实现虚拟空间的沉浸式体验，通过操纵手杆实现虚拟环境中的转向和移动，空间定位追踪装置实现用户的定位，整个系统需要的最小房间尺度为2 m×1.5 m，用户可在空间内实现一定的走动.

图1 虚拟现实设备

2.1.2 Revit建模软件

Revit用于虚拟环境中的建筑模型和导向标识模型的构建，如图2所示. Revit建模软件具有如下优点[8]：

图2 Revit操作界面

1)可导出建筑部件的三维设计尺寸和体积数据；

2)不仅有建筑、结构、设备，还有协同、远程协同，材质渲染等；

3)强大的联动功能.

2.1.3 Fuzor插件

Fuzor软件是Kalloctech公司针对BIM开发的一款全能型VR插件，其优点在于与Revit 建模软件间具备数据互通的优势，便于后期进行设计成果的复核[9]. Fuzor无需任何额外设置就可直接将三维建筑模型转化成带建筑信息的VR场景并建立双向实时同步的链接，这样就避免传统数据导出导入时经常会出现的数据丢失或异常情况，而且有了双向的同步链接，让设计师们可在三维建筑模型中的修改实时地反映到VR场景中. 同时，Fuzor还开发了现在最流行的沉浸式虚拟现实外接设备的端口，支持各种VR外部设备，实现快捷浸入式虚拟现实体验.

2.2 部件模型库构建

图3 Fuzor操作界面

本三维虚拟教学模型将以北京南站地铁站为原型，还原车站内部建筑结构、设备设施等. 北京南站位于现状国铁的京山线与凉水河所包围形成的三角形绿地内. 北京地铁4号线车站位于规划国铁南站地下一层换乘大厅正下方，结合铁路南站初步设计的柱网分缝并沿分缝位置以处理成近似正方形车站布置；北京地铁14号线车站及线路与地铁4号线线路呈56度46分交角，设在地下3层，14号线车站部分设备管理用房设在地下2层4号线车站内；4号线车站2个消防安全出口兼做人防安全出口(南北广场内)、东南、西北(南北广场内)4组风亭(4号线和14号线各2组).

北京铁路南站地下一层中部是地铁4号线和14号线2车站的共用付费大厅，由栏杆、进出站检票闸机围合而，面积4 500 m2. 地铁4号线和14号线车站各设2个出入口(均通向地下一层换乘大厅内)，4号线和14号线车站之间通过2部换乘楼梯可实现岛式与岛式站台直接换乘；车站周边附近的居民进出地铁南站需通过国铁南站地面一层下到地下一层共用付费大厅，即可进入地铁车站.

2.2.1 车站建筑构建

本三维虚拟教学模型车站建筑结构将包括了北京南站地铁站站厅层的北京南站地下一层，同时还原了北京南站4号线换乘通道、北京南站14号线换乘通道、北京南站4号线站台层、北京南站14号线站台层完整还原. 三维虚拟北京南站地铁站模型如图4所示.

图4 三维虚拟北京南站地铁站模型

2.2.2 设施设备构建

为向学生提供真实的三维虚拟车站模型，并提供各种用于客流组织的设备设施，研究人员在北京市交通运输职业学院专家组的建议下，拟定开发18种地铁站内设施设备. 开发清单如表1所示.

表1 三维虚拟模型设施设备

2.3 语义知识库构建

根据三维模型开发功能需求，编写地铁站内设施、设备语义，形成能准确表述设施、设施的定义、功能、分类的语义库，通过Revit软件插入快捷键功能，实现设施设备语音显示与隐藏功能，见图5.

图5 语义信息示例

3 城市轨道交通车站大客流组织培训数字化系统

数字化教学是信息时代重要的教学方式，数字化教学与数字化学习环境，使传统的教学的模式发生了巨大的变化，为师生共同发展提供了广阔的平台. 数字化教学模式作为一种现代教学模式，可把枯燥的书本知识转变为更加形象、生动、直观的知识，既可适应学生形象思维的特点，也弥补了学生专业知识储备量少的缺陷. 在教学实践中，灵活的运用数字化、信息化等手段，充分发挥先进科学技术的优势，可促进教学质量的提高. 构建大客流情景下轨道客流的仿真模型，通过交互技术在虚拟的环境中对设施布局和客流流线进行组织，形成轨道车站的客运组织方案及其培训案例设计，建立城市轨道交通车站大客流组织培训数字化系统.

3.1 系统架构

城市轨道交通车站大客流组织三维实训软件主要分为4层架构：数据层、模型层、显示层、用户层，系统架构图如图6所示.

图6 大客流培训软件系统架构

数据层为存储系统所需的数据，是系统的底层数据基础，用于系统的逻辑计算以及数据结果显示. 该层的数据主要包含：人员信息数据：学生信息、教师信息、人员操作权限；培训案例：场景布局文件、出行需求文件、客流组织流程文件等；测验相关文件：典型培训场景等；仿真参数：行人仿真模块参数，如拥挤概率、最大速度、交换概率等；其他参数：可视化参数、系统参数等.

模型层由行人仿真模块、客流生成模块和场景组件交互模块构成，是系统的核心逻辑计算部分，用于用户交互式场景编辑与数据处理. 该层的主要模块和功能如下：

1)行人仿真模块：根据行人在不同设备设施下的运动特性，以及行人之间的相互作用机理，建立基于Block划分的行人运动模型，以精确的描述人群在轨道车站内的运动过程. 该模型以车站设施场景布局数据和客流需求数据为输入，通过模型的对个体行人的实时轨迹进行动态计算与更新，以个体实时轨迹为输出. 轨迹数据可进行流体的集计分析，用于显示层和用户层的重要客流指标计算.

2)路径选择模块：根据行人所在的元胞和格子的静态场域和动态场域的值，以及区块之间的相连关系，设计路段行走时间函数，运用最优路径计算方法和效用极大化理论，建立双层Logit模型，来计算行人在场景内最可能的行走路径，真实描述行人的路径选择行为.

3)交互式场景编辑器：通过划分区块的方式，设定行人所在区块的属性，以及该区块可通达的运动方向. 场景编辑器可为用户层的个性化操作提供接口.

4)客流生成模块：可动态设定车站内的人群规模，可粗粒化设置客流规模为常规客流和大客流，也可精细化设定具体客流大小，如人数/分钟. 用户可精细化的设定每个乘客的起终点元胞位置，期望的运动路径，也可模糊设定起终点区域，通过系统内置的路径搜索模块来指定路径.

显示层主要为模型层的结果展示，主要显示如下信息：个体行人的运动轨、场景中各个区块的信息与属性、场景的实时客流状态统计、客流培训方案效果评估的主要指标.

3.2 各模块功能

根据用户的不同需求，系统的用户层主要由三大功能模块组成：教学模块、培训模块、测验(考试)模块.

1)教学模块：教学模式下，学生可查看城市轨道交通车站的三维虚拟化场景，可查阅并学习相应的技术文档和教学视频，从而提高学生对城市轨道交通车站的直观把握.

2)实训模块：学生可调整客流需求以及自定义场景，运用各类措施进行客流仿真，系统能按区块和功能区进行客流相关指标统计，并可根据仿真结果对客流组织措施进行效果的对比和方案的比选.

3)测验模块：系统会提供多种典型条件下的大客流场景，对学生的学习效果进行评估. 通过设置不同的评估指标，对学生的客流组织操作进行评估，检验是否达标.

在仿真系统的设施配置中，可点选各类设施，调整设备状态，需要强调的是配置中各设施编号与主界面设施编号一致，以便学生调整与查看. 当所有配置设置完成后，可点击“导出配置”按钮导出配置，进行保存，保存为.csv格式. 也可点击“导入配置”按钮导入配置，在文件夹中选择已保存好的.csv场景配置文件. 下面详细介绍各设施配置操作流程：

闸机：状态分为开和关2种，在开放状态下，可选择进站与出站2个方向. 以122号闸机和123号闸机为例，在开放状态下，设置122号闸机为进站方向、123号闸机为出站方向，仿真显示如图7所示.

图7 闸机配置与仿真显示图

出入口：状态分为开和关2种，在二维车站显示主界面中，出入口显示灰色条状标识代表出入口关闭，否则代表出入口正常开放.

电梯：状态分为开和关2种，在开放状态下，可选择电梯向下运行与向上运行2个方向. 在二维车站显示主界面中，带方向的灰色条状标识代表电梯可运行，否则代表电梯不运行.

楼梯：状态分为开和关2种，在二维车站显示主界面中，楼梯显示灰色块状标识代表楼梯可通行(双向，系统暂不支持单向通行)，否则代表楼梯不可通行.

限流栏杆：状态分为开和关2种，在二维车站显示主界面中，灰色条块标识代表已设置限流栏杆，否则代表未设置限流栏杆.

设施配置完成后，可进行下车客流配置和进站客流配置.

在下车客流配置中，系统能根据文件导入列车时刻表. 点击线路名称，可显示该条线路所有列车到站时刻表. 点击到站时刻，即可查看该列车该时刻下的列车下车客流量，滑动条中蓝色区域代表列车车厢内的乘客人数，学生可拖动滑块调整下车人数，可调整范围为蓝色区域.

调整完成后，点击“确定调整”按钮，可在界面下方查看下车总人数，也可点击“恢复初始值”按钮，恢复到系统初始设置状态(该状态为历史下车人数，即滑动条上的蓝色段).

完成总人数配置后，可进行列车人员换乘线路上行方向、换乘线路下行方向、出站3种不同走行方向的人数调整，需要注意的是每个方向可调整人数范围为(0，下车总人数)，且3个方向下车人数之和为下车总人数. 通过输入框进行人数的数字输入，完成输入，点击“保存本次更改”按钮，再点击“确定”按钮，就可完成列车下车人数的配置.

在进站客流配置中，系统支持入口选择，点击选择进站口，点击“确定”按钮完成入口选择；系统支持以15 min为间隔，每个时段内人数调整范围为(0,270)的进站人数管理，需要注意的是系统目前最多可支持4 h的客流输入.

调整完成后，点击“确定调整”按钮，可在界面下方查看该进站口进站总人数，也可点击“恢复初始值”按钮，恢复到系统初始设置状态(该状态为该出入口历史进出站人数，即滑动条上的蓝色段).

完成总人数配置后，可进行进站人员在站内4种不同走行方向的人数调整，需要注意的是每个方向可调整人数范围为(0，进站总人数)，且4个方向下车人数之和为进站总人数. 通过输入框完成输入，点击“保存本次更改”按钮，再点击“确定”按钮，就可完成该进站口进站人数的配置.

4 城市轨道交通客流仿真模型

以城市轨道交通车站内不同客流密度下的乘客运动行为特性构建人群仿真模型，重现轨道车站内乘客运动的自组织行为和运动过程，以进一步为大客流培训提供直观效果与决策支持. 轨道交通车站由闸机、售票机、导流栏杆、服务中心、扶梯等设备或建筑物组成，并且通常有多个出入口. 由于其内部结构复杂，因此，在进行轨道交通中的人群仿真时需要建立考虑实际场景复杂特性的行人运动模型.

考虑到城市轨道交通车站内部的客流运动复杂特性，项目拟采集并分析典型的城市轨道交通车站内的客流以及乘客运动行为数据，对于难以采集的数据采用模拟实验的方法，组织人员，分析个体的期望速度、最大速度、反应时间等动力学特性的差异，并考虑排队和绕行两种行为模式，分析等待时间对两类行为之间互相转化的影响机理；在此基础上，结合行人流相关理论，描述行人的个体占用空间，根据几何形状特性确定最优速度(大小和方向)，并考虑行人绕行静止障碍物、运动障碍物和对向流等因素，对行人运动过程中的绕行行为进行建模，引入等待和绕行机制，修正传统力学模型的期望速度方向和期望速度大小的计算方法，提高模型的仿真精度. 进而，结合典型场景，提出基于区块划分的场景划分方法，引入选择模型与路径模型对行人仿真模型进行补充.

在完成场景设置后，可通过仿真系统进行客流的仿真. 在仿真运行模块，可通过开始、暂停、重置3种功能按钮对仿真过程进行调整，点击界面右下角的 “返回”按钮，可返回到主界面，点击开始仿真，系统根据已经配置的设施设备场景和客流数据进行二维车站的客流仿真，并且系统将弹出数据框显示窗口，动态显示断面客流量、区域速度和密度以及在站总人数；点击暂停，可将仿真过程暂时停止，再次点击开始，仿真将在暂停位置继续进行仿真；点击重置仿真，系统会按照配置场景与客流人数重新进行仿真，也可在此之前再次调整人数配置，重新进行客流的仿真. 二维车站客流仿真数据显示与效果如图8所示.

图8 二维车站客流仿真数据显示与效果图

断面流量：统计t时刻位置在断面一侧，t+1时刻位置在断面另一侧的乘客的数量；

区域速度：统计t时刻，该区域内所有人员的速度除以人数计算得到的平均速度；如果人数为0，则平均速度为0；

区域密度：统计t时刻该区域内的所有人员人数除以区域面积得到的平均密度；

在站人数：统计t时刻所有在站厅、站台、通道内的乘客数量，如果乘客进入车厢，则在站人数-1；如有人进站或者下车，则在站人数+1；

设备设施利用率：计算t时刻设备被乘客占用的概率.

系统支持对4个区域的参数进行展示，学员可进行自由选择与设置，如果乘客在当前设施区域，则人数+1，利用率为人数除以能力.

5 结束语

基于虚拟现实的轨道车站大客流组织培训系统为城市轨道交通客流组织这门课程从教学方式上进行项目化改造. 培训系统中的三维虚拟教学模型通过向学生呈现轨道交通车站内部空间结构，车站内部设施、设备及其语义，能使得学生能更加沉浸地了解地铁站内部构造，掌握地铁站内部客流组织设备、设施的外观及作用，使其能更深刻地理解轨道车站大客流组织的方法. 该系统为学生提供了能主动进行多种多样的客流组织操作，直观感受不同客流组织方法对断面客流量、区域速度和密度以及在站总人数的影响，进一步加深学生对客流组织方式、方法的认识.

未来将探索更多类型的典型轨道交通车站，进一步完善基于虚拟现实的轨道车站大客流组织培训系统的案例库，形成能涵盖各类轨道交通车站情况的轨道车站大客流组织培训平台.