（安全技术及工程专业论文）虚拟现实技术在地铁站火灾模拟中的应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m y , al o to fm e d i u m s i z e da n d l a r g ec i t i e si nc h i n aa r ea c c e l e r a t i n gt h ec o n s t r u c t i o no fu r b a ns u b w a y t h eu r b a n s u b w a yi sp l a y i n ga ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei nu r b a nd e v e l o p m e n ta n dt h e u r b a nr e s i d e n t s d a i l yw o r ka n dl i f e b u ti nt h ec o u r s eo fo p e r a t i o n ，s e c u r i t y a c c i d e n t so f t e no c c u li tc a u s e sn o to n l yt r e m e n d o u sl o s so fl i v e sa n dp r o p e r t yb u t a l s os e r i o u se f f e c t s t h e r e f o r e ，t or e s e a r c hs u b w a ys a f e t yh a sb e c o m eas u b j c o to f g r e a tc o n c e r n a i m i n ga t c h a r a c t e r i s t i co fs u b w a yf i r e ，t h er e a s o no fs u b w a yf i r ea n d p r o t e c t i v em e a s u r e sa r ea n a l y z e d t h ev i r t u a lr e a l i t yt e c h n i q u ea n di t sa d v a n t a g e i ns u b w a yf i r es a f e t ym a n a g e m e n ta r ei n t r o d u c e d v i r t u a lr e a l i t yi so n ek i n do ft e c h n o l o g yt h a tc a np r o d u c e sah i g h l yr e a l s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tb yu s i n gc o m p u t e ra l g o r i t h mt om a k eu s e r si m m e r s ei n t o t h ev i r t u a le n v i r o n m e n t i nt h i s s y s t e m ，m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e sa r eu s e d t o a c c o m p l i s hi n t e r a c t i o nb e t w e e nu s e r s a n dv i r t u a le n v i r o n m e n t c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a lp l a n f o r ma n dc o m p u t e ra n i m a t i o n ，t h ei m m e r s i o n ，i n t e r a c t i o n a n dr e a lt i m ef u n c t i o no fv i r t u a lr e a l i t yi su n a p p r o a c h a b l e b a s e do nv i r t u a lr e a l i t y , f i r es i m u l a t i o no ft h es u b w a ys t a t i o np r o v i d e sat e c h n o l o g i c a lg u a r a n t e e sf o r r e s e a r c h i n gs u b w a yo p e r a t i o ns a f e t ya n dv i s u a l i z a t i o ns i m u l a t i o n a i m i n ga tt h e e n v i r o n m e n ts i m u l a t i o no ft h e s u b w a ys t a t i o n ，t h eb a s i cf u n c t i o ns u c h 勰 t h r e e d i m e n s i o n a ls c e n eo ft h es u b w a ys t a t i o n ，r o a m i n ga n df i r es i m u l a t i o na r e d e v e l o p e db ya p p l y i n gt h ev i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y p r o v i d i n gan e wm e t h o df o r t h et r a d i t i o n a ls u b w a ys a f e t ys i m u l a t i o na n dl a y i n gaf o u n d a t i o no fv i s u a l i z i n g s e c u r i t yp r o t e c t i o no ft h es u b w a ys t a t i o n b yu s i n g 3 d sm 已埙s o f t w a r ea n do p e n g lg r a p h i c s p r o g r a m m i n g t e c h n i q u e s ，t h er e n d e r i n gp i p e l i n eo fv i r t u a ls u b w a ys t a t i o ns c e n ei sd e s i g n e d b a s e do nt h e3 d sf i l ef o r m a t ，v i r t u a ls u b w a ys t a t i o ns c e n ei sr e n d e r e da n dc a nb e r o a m e da n di m p l e m e n t e di n r e a l t i m e b ya p p l y i n ga a b b a x i sa l i g n e d b o u n d i n gb o xa l g o r i t h m ，t h ec o l l i s i o nd e t e c t i o ni si m p l e m e n t e da n ds t r e n g t h e n e d t h er e a l i s t i ce f f e c t t h ef i r es i m u l a t i o nm e t h o d sa n di t st e c h n i c a lf e a t u r e si si n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h ef i r es i m u l a t i o nm o d e l ，t h er e a lt i m ef i r es i m u l a t i o na l g o r i t h m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 一i _ _ _ _ - - _ _ _ - - _ _ _ - _ - _ _ _ - - _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ - _ _ _ _ i _ _ _ 一 b a s e do np a r t i c l es y s t e mi ss t u d i e d t h ed y n a m i c a lf i r e e f f e c ti s r e n d e r e d ，b y u s i n gt h ep o l y g o n 。p a t c ha n dt e x t u r em a p p i n gt e c h n i q u e s f i n a l l y , t h ef i r em o d e l i su s e di nt h ev i r t u a ls u b w a ys t a t i o n ，a n dt h el o c o m o t i v ea n ds u b w a ys t a t i o nf i r e a r e s i m u l a t e d p r e l i m i n a r yf i r es i m u l a t i o nf r a m e w o r ko ft h ev i r t u a ls u b w a y s t a t i o ni se s t a b l i s h e d k e yw o r d s ：s u b w a yf i r e ，v i r t u a lr e a l i t y , 3 dm o d e l i n g ，p a r t i c l es y s t e m ， f i r es i m u l a t io n 西南交通大学曲南父通大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密4 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：王莉 指导老师签名： 日期：伽孑4 药日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 将虚拟现实技术应用到地铁火灾安全中，采用粒子系统来模拟地铁火灾 过程，与火灾数值模拟计算过程相比，提高了仿真的可视化和渲染的实时性。 初步创建了虚拟地铁站火灾仿真平台，为后续深入研究奠定了基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文研究背景与意义 1 1 1 研究背景 1 8 6 3 年伦敦开始建设世界上第一条地铁，其根本原因就是地面道路系统 受城市空间限制不能无休止地建设，最终无法承担交通需求的增长，因此需 要构建一种摆脱地面空间局限的新交通空间。但是，脱离地面的新交通空间 建设意味着高成本，因此要求这种交通方式必须是集约化、高效率的，比如 大运量、高速度、优越的服务水平，以提升这种方式的性能价格比，城市地 铁就是在这种背景下诞生的。 经济发展使城市规模持续扩大，城市化水平不断提高，不少大城市的发 展正面临深刻变化，新市区或组团式卫星城得到发展，伴随能源危机，城市 化带来的资源短缺与道路交通拥挤、污染与事故的增加，因此地铁受到发达 和发展中国家的普遍关注。近十年来，由于土地空间的限制，道路交通面临 越来越严重的堵塞，大容量、与地面交通隔离的城市地铁在国内大城市中受 到普遍关注，并已进入快速发展时期。但近年来全球城市地铁事故不断发生， 造成了重大经济损失，其安全性受到了人们越来越多的关注【1 】。 例如，1 9 0 3 年巴黎地铁火灾死亡8 4 人。1 9 8 7 年英国伦敦地铁君王十字 车站由于木质自动扶梯在燃烧过程中产生了轰燃，导致了死亡3 1 人的火灾事 故【2 。3 j 。1 9 9 5 年阿塞拜疆巴库地铁由于列车发动机电气老化短路引起火灾， 而缺乏经验的列车司机又做出了错误的决定。把列车停在了隧道里，导致乘 客难以逃生，救援人员不能及时采取灭火措施。这场火灾导致了5 5 8 人死亡， 2 6 9 人严重受伤【4 】。2 0 0 3 年2 月发生在韩国大邱地铁的人为火灾灾难，造成 至少1 9 6 人死亡，2 8 9 人失踪【5 j 。 例如，截止到2 0 0 7 年底上海已有8 条轨道交通线路投入运营，总运营里 程达2 3 4 公里。到2 0 1 0 年，上海市的轨道交通将有1 1 条线路投入运营，总 运营里程将达到4 0 0 公里，日客运量将超过8 0 0 万人次，届时占城市公共交 通日客运量将会超过4 。随着近年来上海市轨道交通承担客流量的持续增 长，影响运营安全性的故障因素也在不断增多，由此引发的故障频率也呈增 长趋势。2 0 0 4 年1 至1 0 月，上海轨道交通1 、2 、3 号线发生的运营故障总 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 计达8 0 0 0 余次，由此在市民中造成的负面影响日见显现 6 1 。 城市地铁的安全性涉及到旅客的安全出行，涉及到整个城市正常和健康 的运转，对建设和谐社会的影响意义重大，所以必须不断地研究和提高整个 城市地铁的运营安全性水平。加强与提高地铁运营安全性是城市交通建设大 发展的首要问题，近些年也越来越受到人们关注【7 1 。 1 1 2 研究意义 安全性是城市轨道交通运营中不可忽视的重要环节，“安全第一 是乘客 的基本需求和首要标准，也是地铁运营管理永恒的主题。运营安全水平综合 反映了地铁运营管理水平和运输服务质量，是实现顺畅、高效运营的前提。 高运营安全性不仅是地铁运营管理追求的目标，也是满足乘客需求、获得良 好社会和经济效益的根本保斟引。 随着城市轨道交通在城市发展中地位的不断提升，城市地铁运营安全问 题越来越受到人们的重视。目前我国正处于城镇化进程快速发展时期，城市 人口快速增长，交通压力日趋加大，一些特大型城市交通拥挤、阻塞的矛盾 非常突出，城市地铁已成为城市缓解交通问题的首选方案。其根本任务就是 把旅客安全及时地运送到目的地，必须把安全生产摆在各项工作的首要位置。 由于地铁运营的特殊性，决定了地铁安全工作的重要性，由于地铁具有 线长、点多、面广的特点，客流密集。特点是地铁深埋地下，环境封闭，在 通风、客流快速疏散等方面都受到很大限制，对运营安全防范带来了很大的 难度，在地铁运营过程中，地铁火灾是不容忽视的问题。一旦发生火灾，浓 烟和热气很难自然排除，并会迅速蔓延充满整个地下空间；如果火灾不能得 到有效控制，后果将不堪设想。因此，对运行地铁列车火灾的研究对于减少 火灾损失、保障人员生命安全、保证地下铁道安全运营，具有极其重要的意 义。 1 2 地铁火灾模拟研究现状 1 2 1 国外研究现状 目前世界各国研究地铁火灾模拟的方法主要有实验模拟和数值模拟研 究。 由于在实际的地铁隧道内开展火灾现场实验具有难度大、条件复杂、涉 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 及因素多、耗费人力物力大等制约因素，因此，国外开展的隧道火灾实验大 多是在些废弃的巷道、矿山隧道或者公路隧道内进行，并取得了一些宝贵 的实验数据和资料。如1 9 6 5 年，瑞士、英国、日本、奥地利、欧洲九国等先 后进行了大规模的隧道实体尺寸火灾试验，研究不同的通风方式和火灾荷载 下温度与火灾持续时间的关系，了解火灾的发展及其对乘客的影响，选择人 身安全与财产保护的最佳防护措施的可能性【9 】。w h 和b a k a r 对5 种具有相同 高度、不同宽度的隧道断面进行了实验研究，并将实验结果与数值模拟结果 进行了对比，提出了新的控制烟气不发生逆流的临界风速的关系式，并将隧 道断面的水利直径作为该关系式的特征尺寸，该式为以后地铁隧道的防火纵 向通风设计提供了重要的理论依据【l 0 1 。 在数值模拟方面，场模型则以美国国家技术标准局n i s t ( n a t i o n a l i n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g yl a b o r a t o r y ) 的建筑火灾实验室 ( b u i l d i n g a n df i r er e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 火灾动力学的场模拟软件f d s ( f i r e d y n a m i c ss i m u l a t o r ) 为代表，该软件采用数值方法求解一组描述热驱动的低 速流动的n a v i e r - s t o k e s 方程，重点计算火灾中的烟气流动和热传递过程。可 用于烟气控制与水喷淋系统的设计计算和建筑火灾过程的再现研究【1 1 1 。英国 建筑研究院( b u i l d i n gr e s e a r c he s t a b l i s h m e n t ) 开发的j a s m i n e 、格林威治大 学( t h eu n i v e r s i t yo fg r e e n w i c h ) 开发的s m a r t f i r e 等。除此之外人们还常 用一些大型的计算流体力学商用软件来进行火灾方面的分析计算，如 p h o e n i c s ，c f x ，f l u e n t ，s t a r c d 等。 1 2 2 国内研究现状 由于火灾的实验研究需要耗费大量的人力物力，我国在此方面进行的工 作并不太多，而且主要以小尺寸的模型试验为主。在数值模拟方面，主要是 使用c f d 通用软件进行数值计算，或者以国外软件为基础开发程序，研究火 灾时的烟气流动状况。 目前我国已编制了城市轨道交通设计规范和地下铁道设计规范 相对于国外在地铁火灾方面较为系统而全面的研究而言，我国的地铁火灾方 面的研究起步较晚，研究较为分散。另外，国内由于受到实验条件和经费方 面的限制，实验研究以实验室内的模型实验为主。北京工业大学屈璐等人以 地铁区间隧道火灾为主要研究重点，对地铁列车区间隧道运行时的安全性进 行分析【l2 1 。长沙铁道学院的彭立敏等人对现有的地铁隧道的衬砌材料进行了 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 现场烧损实验，在此基础上提出了隧道火灾时衬砌的耐火等级划分和耐火极 限时间，从而为地铁隧道的衬砌防火提供了宝贵的资料【l3 1 。从上面可以看出， 由于我国的地铁建设比国外一些发达国家晚了近1 0 0 年左右的时间，再加上 一些人力、物力和财力等因素的制约，国内有关地铁火灾方面的实验研究还 非常少。本文研究主要是利用虚拟现实技术建立地铁站三维场景，采用粒子 系统模拟火焰，初步实现了虚拟地铁站火灾模拟。 1 3 论文主要研究内容 本论文主要包含以下四个部分。 第一部分针对地铁火灾特点和原因给出地铁火灾安全的防护措施。介绍 了虚拟现实技术及其在地铁火灾安全的作用和优势。 第二部分介绍了虚拟地铁站场景建模流程，分析了模型数据存储格式结 合碰撞检测技术实现了虚拟地铁站环境漫游及交互控制功能。 第三部分在虚拟地铁站三维环境的基础上，采用粒子系统模拟火焰，初 步实现了虚拟地铁站火灾模拟。 第四部分论文结论及展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章地铁火灾安全防护 2 1 地铁火灾事故 地铁被认为世界上最安全的交通工具，现代城市交通中不可或缺的交通 工具。统计资料表明，它与其它交通工具相比，发生事故的比例是1 ：1 0 0 ， 但是大量的地铁火灾事故的发生，已经给人们带来了巨大的财产损失和人员 伤亡，见表2 1 地铁火灾统计表。迫使人们重新关注地铁安全问题。 表2 - 1 地铁火灾统计表 时间城市详细资料 1 9 6 4 年0 3 月纽约列车火灾，设备火灾，3 人受伤 1 9 6 8 年0 1 月东京停车列车着火，1 1 人受伤 1 9 7 0 年0 9 月东京饭店着火，烟气蔓延到地铁 站台设备起火，由于停电9 辆列车停在隧 1 9 7 6 年0 2 月伦敦 道中，2 5 人受伤 1 9 7 9 年0 9 月纽约变压器着火，1 7 8 人受伤 车站整流器短路着火，火灾持续3 个多小 1 9 8 3 年0 8 月名古屋时，造成停电4 小时，13 万人受惊，7 0 0 人从隧道中逃离，2 名消防员死亡 站台仓库着火，损害地铁顶棚和隧道围墙， 1 9 8 4 年11 月伦敦 1 8 人受伤 1 9 8 5 年0 7 月伦敦电梯着火，1 人死亡，4 7 人受伤 1 9 8 5 年1 2 月伦敦电梯着火，2 0 0 人逃离 自动扶梯下面的机房和地下一层的售票厅 1 9 8 6 年11 月伦敦 被烧毁，1 0 0 多人受伤，3 2 人死亡 电梯着火，烟气蔓延到车站，8 4 人受伤， 1 9 8 7 年11 月伦敦 造成3 1 人死亡 1 9 9 1 年0 4 月瑞士苏黎世地铁机车电路短路着火，5 8 人重伤 变压器着火，烟气蔓延到车站的两个商店， 1 9 9 4 年0 5 月台北 1 0 名消防员受伤 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 9 9 5 年1 0 月阿塞拜疆巴库列车着火，5 5 8 人死亡，2 6 9 人严重受伤 2 0 0 0 年0 4 月华盛顿电缆着火，列车上2 7 3 名乘客安全逃离 2 0 0 1 年0 8 月巴西圣保罗1 人因吸入烟气致命，2 7 人受伤 2 0 0 2 年11 月北京列车着火，人员得到及时疏散 2 0 0 3 年0 2 月韩国大邱市1 9 6 人死亡，1 4 6 人受伤，2 8 9 人失踪 2 0 0 5 年0 7 月伦敦5 6 人死亡 2 2 地铁火灾安全 2 2 1 地铁火灾特点【1 4 】 1 人员疏散困难 ( 1 ) 浓烟和高温对疏散造成极大的影响 燃烧生成的烟雾充满地下车站后，会削减光的强度，淹没安全通道和疏 散指示标志，使乘客难以辨认安全出口。根据2 0 0 4 年7 月1 8 上海地铁火灾 测试，在地铁站台层模拟火灾，并附以2 5 枚烟幕弹，点火6 分钟后，站厅站 台层充满浓烟，能见度几乎为零。烟雾浓度的增加，光的强度降低，人的视 觉减弱，导致人的行进速度减慢，疏散所需的时间随之大大增加。根据日本 的试验，不熟悉地形的人员戴上墨镜在地下空间行走，水平部分的步行速度 为0 3 3 米秒，比普通条件下的步行速度降低7 5 ；楼梯段的步行速度为o 2 9 米秒，比普通条件下的步行速度降低5 5 。在浓烟高温笼罩地下空间时，人 员疏散速度更低。而且，地铁火灾时，人员从地下车站向地面疏散，受热烟 雾也从地下向上升腾，与疏散人流相同方向，更增加了烟雾对疏散的影响。 高温浓烟还会对人的生理、心理造成强烈的刺激，使人产生恐惧心理和逃生 欲望，人们往往会失去理智，争先恐后地涌向安全通道，造成混乱、拥挤， 影响安全疏散。 ( 2 ) 车站疏散系统不完善严重影响安全疏散 地铁车站的疏散通道和安全出口的数量及宽度是根据规范计算设计的， 一般设有2 4 个直通地面的安全出口。但由于投资经费和地理环境等因素影 响，设计疏散能力的安全系数偏小，与实际需求有较大的差距。以自动扶梯 为例，梯级宽度为1 o 米，设计最大输送能力为1 5 0 人分钟，现场实测平均 通过能力仅为1 0 5 人分钟。此外，设计还没有考虑火灾时烟雾和恐惧对人员 疏散的影响。如果车站发生火灾，在站台上候车的乘客疏散的路径为：站台 候车处一站台层楼梯一站厅层一检票口一站厅层出1 ：3 一地面出口。在事故情 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 况下，特别是在客流高峰时段发生事故，大量的疏散人流在有限的楼梯口、 通道上、出口处汇集，极易产生拥挤堵塞，大大降低疏散速度。特别是站厅 层付费区和非付费区设有自动检票机，用金属栅栏分隔，事故时不能及时打 开，严重影响乘客的疏散。根据上海市消防总队进行的地铁火灾人员疏散测 试，在没有检票机和隔离栏的情况下，3 1 0 名年轻力壮的消防员( 地铁列车一 节车厢满员乘客数) ，通过一个出1 2 从站台层疏散到地面的时间约为4 分钟。 目前地下车站设置的疏散通道和安全出口数量及其宽度，火灾时难以实现6 分钟内将列车和站台上的人员全部疏散完毕的要求。 ( 3 ) 区间隧道的特性导致安全疏散时间长 列车在区间隧道内发生火灾时，按正常程序应将列车开进车站，以便于 乘客的安全疏散和灭火救援行动的展开。但也不能排除列车失火后无法再驶 向站台，而被迫停靠在区间隧道的可能性。此时，乘客的安全疏散将更为困 难。据调查，列车在区间隧道时，由于隧道空间狭小，乘客不能通过车厢门 向外疏散，而只能通过列车前后两端的紧急安全门疏散到隧道，然后再沿着 隧道向就近车站疏散。按照计算参数，人在车厢内的平均步行速度为5 0 米 分钟，安全门疏散梯平均通过能力为2 9 人分钟，区间隧道内的人流步行速 度为4 5 米分钟。以每节车厢满载3 1 0 人计算，每列车6 节车厢共1 8 6 0 人， 两车站之间的区间隧道平均长度取9 0 0 米，如果在区间隧道中间，乘客通过 列车前后两端的紧急安全门朝不同方向疏散，最短的疏散时间也大于4 0 分 钟。根据调查，在区间隧道内，每隔2 0 0 米设有信号机，在近车站处都有道 岔，对从未在隧道内行走的人来说，这些都是疏散时的障碍物，能见度低、 心理恐惧，实际在隧道内的疏散时间会大于6 0 分钟。如果通过一个紧急安全 门疏散，时间就会更长。 ( 4 ) 有限的列车紧急安全出口制约了人员疏散 列车每节车厢每侧设有5 个车门，以每节车厢满载3 1 0 人计算，列车停 靠站台后打开一侧的5 个车门，则人员全部撤离车厢的时间需要o 6 1 分钟左 右。但是，如果车厢门因故障无法打开，或列车停滞在区间隧道内车厢门不 能打开，列车上的乘客只能通过车头和车尾的两个紧急安全门疏散。根据地 铁设计规范，区间隧道发生火灾时，应迎着乘客疏散方向送新风，背着乘客 疏散方向排烟。即区间隧道发生火灾时，列车上的乘客只能朝一个方向疏散， 而不能同时朝两个方向疏散，否则其中朝排烟方向疏散的乘客就会遭受被烟 雾吞噬的危险。因此，列车在区间隧道内发生火灾时，能供乘客疏散的紧急 安全门只有一个。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 灭火救援十分艰难 ( 1 ) 灭火进攻困难 地铁车站及隧道建筑埋于地下，只有为数有限的安全出入口通向地面， 不具备外部灭火进攻的条件。地铁发生火灾，消防队员无法进行外攻。而且， 由于没有消防专用通道，通过有限的安全出入口进入地下车站时，往往会与 车站内向外疏散的人流相碰撞，严重影响行进速度，贻误灭火救援的时机。 火灾燃烧产生的热气流、烟雾笼罩在狭小的空间，消防队员难以深入地下车 站开展灭火救援行动。特别是当浓烟从安全出入口翻卷而出时，消防员戴着 空气呼吸器也很难进入。 ( 2 ) 地下排烟困难 地下车站和隧道是一个几乎封闭的空间，自然排烟能力有限。发生火灾 时，不可能实施破拆进行自然排烟，主要是采用机械排烟。以上海地铁车站 为例，用于排烟的机械设备有：站厅站台两端的回排风机( 风量2 0 立方米秒) ， 站台两侧的行车道排热风机( 风量4 0 立方米秒) ，上下行站台两端的事故风机 ( 风量6 0 立方米秒) 。但由于这些排烟系统与车站隧道的通风排气系统兼用， 火灾时需要根据火灾发生的不同部位和强度合理地使用这些机械设备，才能 进行有效的排烟。要达到设计的理想排烟效果是很难实现的，而且如果操作 不当，不仅不能合理地控制烟气流动，反而会导致烟气和火势的扩大，影响 乘客的疏散和消防队员的灭火救援行动。消防部队目前配置的移动机械排烟 设备功率低、排烟量小，应用于地铁火灾排烟，其作用甚微。因此，在地铁 发生停电或固定机械排烟系统发生故障情况下，地铁的排烟就更为困难。 ( 3 ) 通信联络困难 良好的消防通信是灭火救援行动取得成效的重要保证。由于地铁是一个 封闭的空间，屏蔽效应使现有一般的消防无线通信设备在地铁车站不能正常 使用。地铁发生火灾时，地上和地下消防通信联络十分困难，造成信息不畅， 情况不明，严重影响地面指挥人员的决策和地下消防队员的灭火救援行动。 ( 4 ) 消防装备落后 城市地铁建设发展迅速，地铁火灾等灾害事故不断增加，而消防部队处 置地铁灾害事故的消防装备却没有得到改善，尤其是缺乏长时间呼吸器、大 功率移动排烟机、多功能破拆器材、盔携式无线对讲机以及便携式生命探测 仪等先进装备，严重影响和制约着消防部队扑救地铁火灾和处置地铁灾害事 故的战斗力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 2 地铁火灾的主要原因 l 电气设备故障 地铁车站内用电设备繁多，隧道内敷设各种电缆，列车上也有各种用电 设备，因而地铁容易引发电气火灾。1 9 8 0 年至1 9 8 1 年，美国纽约发生8 起 地铁列车火灾，其中4 起由运行列车地板下的电动机控制组引起，另4 起由 列车的电流集电器引发。1 9 8 3 年，日本名古屋与地下街相连的地铁站变电所 火灾，造成两名消防员一氧化碳中毒死亡。1 9 9 5 年1 0 月2 8 日，阿塞拜疆巴 库地铁因列车电动机电路故障发生恶性火灾，造成5 5 8 人死亡，2 6 9 人严重 受伤。2 0 0 0 年4 月2 0 日，美国华盛顿一条地铁区间隧道内的电缆发生故障 引发火灾，造成1 0 余人受伤，影响地铁运行达4 小时。1 9 6 9 年1 1 月1 1 日， 我国北京地铁万寿路车站因电器故障引发特大火灾，造成3 人死亡，3 0 0 人 中毒，直接经济损失达1 0 0 多万元。 2 管理不善 有的地铁车站的站厅层和安全通道上设有商铺，地铁车站与地下商业用 房连在一起，有些商业用房设有餐饮功能。对这些商铺特别是明火管理不善， 使用不当，很可能引发火灾或爆炸事故。1 9 8 4 年1 2 月，天津地铁车站值班 室棉被被电灯引燃而发生火灾事故。 3 吸烟不慎 尽管地铁车站内禁止吸烟，但由于乘客众多，人员繁杂，吸烟者难以禁 绝。有的乘客在车站内吸烟，有的吸烟者将未熄灭的烟蒂扔在废纸篓里，都 极易引起火灾。1 9 8 7 年1 1 月1 8 日，英国伦敦繁华的金克罗斯地铁车站由 于一名乘客丢弃未熄灭的火柴梗，引燃自动扶梯下面的油脂脏物引起大火， 导致3 1 人死亡，8 4 人受伤。 4 设备故障 在地铁车站内和列车上设有多种机械设备，如送风机、排风机、电动机、 制动系统等机械设备，如果有质量问题或对其缺乏维护保养，可能会导致运 行不畅，引发火灾事故。2 0 0 3 年1 月2 5 日，英国伦敦中央线地铁- n 载有 8 0 0 名乘客的列车，由于机械故障在快要进站时突然脱轨，冲向站台，撞上 墙壁，引起火灾事故。1 9 6 8 年，日本东京日比谷线一列车由于刹车系统故障， 引起车厢失火，造成1 1 人受伤。 5 违章操作 地铁建设施工或运营后的设备维修中，如果违章操作，也会发生火灾事 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 故。1 9 9 4 年，上海地铁新客站在施工中因违章动火，引燃易燃物品，导致电 缆燃烧。1 9 9 5 年4 月2 8 日，韩国大邱市地铁扩建施工时，因碰坏煤气管道， 发生煤气爆炸事故，造成1 0 1 人死亡，1 4 3 人受伤。 6 人为破坏 由于地铁客流量大，一旦发生事故，往往会造成重大的社会和政治影响。 所以，恐怖组织和社会不法分子把地铁作为制造恐怖事件和发泄不满情绪的 目标。1 9 9 5 年3 月，日本奥姆教在东京地铁车站施放沙林毒气，造成1 2 人 死亡，50 0 0 余人受伤，对日本国民造成极大的心理打击。1 9 9 5 年7 月，法 国巴黎地铁车站连续发生爆炸，造成8 人死亡，2 0 0 多人受伤。2 0 0 5 年7 月， 英国伦敦地铁遭遇恐怖袭击，造成重大人员伤亡。 2 2 3 地铁火灾的原因分析 自从地铁在文明世界出现以来，地铁火灾事故就一直不断。从早期的伦 敦地铁火灾到近期的韩国大邱地铁火灾，无一不造成惨重伤亡。分析上述地 铁火灾发生的主要原因及其特点，大致三个方面【l5 1 。 ( 1 ) 管理方面的原因。管理上的疏漏是造成火灾的主要原因。即地铁运营 机构没有制定严格的管理制度，使得众多安全隐患存在。以韩国大邱地铁火 灾为例，证实由于地铁公司的疏漏，没有对上车旅客进行安全检查，导致纵 火犯轻松将汽油带上列车。再者，如果地铁有保安或警察的话，惨剧也许就 不会发生。而更让人难以相信的是，地铁车厢里竟然没有配备灭火器，管理 者如此麻痹大意，事故责任难以推脱。 ( 2 ) 列车材料的因素。由于地铁车厢净是易燃品，且车厢与车厢之间是相 通的，很多新型列车座位所用的装饰材料都是易燃的薄绒布。由于这种材料 一旦着火便难以控制，所以最终导致大火。有的老式车厢内装饰物采用可燃 性化学合成材料，在燃烧时会迅速产生了大量神经麻痹毒气使得人窒息死亡。 由此可见地铁火灾的发生与不合格的列车材料是密切相关的。 ( 3 ) 人的因素。人的因素是造成大多数事故发生的最主要原因。人的行为 加上物的不安全状态导致了危险的出现，而危险会不会最终演变成为事故， 取决于人面对危险所采取的措施正确与否。目前我国地铁建设正处于起步阶 段，安全技术设备较为落后，也没有建立起完整的地铁安全管理体制，对人 的管理缺乏科学性，故存在许多安全隐患。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 3 地铁火灾的防护措施 1 内部建设与装修选用不燃材料及新型防火材料 由于火灾的蔓延速度、爆燃出现的时间及所产生的烟气种类与装修材料 的类型有很大的关系，因此地铁隧道建设时，应尽量采用不燃材料，以防止 火灾的发生和蔓延。即使发生了火灾，在火灾初期阶段也能起到延缓燃烧、 阻止火势扩大的作用，从而可以缩小火灾范围，减少火灾损失。在采购车辆 时，车厢、座椅、扶手等采用非燃防火材料，车站站台、墙壁、天花板均用 不燃或阻燃材料，电气设备、电线、电缆采用低烟、低毒的标准；在列车底 板上加装防火和隔热层，防止列车底部电气设备起火对人员逃生造成影响， 也可延缓车厢内火灾对列车底部电气设备的破坏作用，为救援和逃生创造条 件。 2 设置防火防烟分区及防火隔断装置 在地铁隧道里设置相应的防火分区及防烟分区，以便在火灾发生时，把 火灾控制在一定范围内，以阻止火势的迅速扩大。实践证明，长期作为防火 分割而设置的防火卷帘，在实际使用中存在很多隐患，如产品质量不过关、 安装质量差或保养维护不当等，都会使其在关键时刻起不到作用。而且防火 卷帘本身也存在切断疏散通道及救援通道的问题。近年来，防火隔烟设施也 不断完善，出现了地铁隔断门及新型箱型水幕系统作为防火隔断。同时，在 地铁隧道中应设置自动机械排烟系统，以便迅速及时地排出烟雾，为人员的 安全疏散和火灾扑救工作的展开提供有利条件。 3 设置火灾自动报警和自动喷水灭火系统等 建筑消防设施由于地铁发生火灾时，从外部救援难度很大，在一定程度 上要依靠其自身的建筑消防设施控制并扑灭火灾，因此在地铁全线应全面设 置火灾自动报警系统，以便及时发现火灾事故，并利用自动报警装置联动相 应的灭火设施和排烟设备，控制火势的蔓延和烟气的扩散，为迅速有效地扑 灭火灾和疏散被困人员奠定基础。列车上应设置足够的消防设施，包括灭火 器、细水雾喷淋系统、火灾探测器等整套车载自动火灾探测消防系统，与常 规的灭火器配合使用。在区间隧道的顶端应安装移动式灭火系统，一旦列车 着火，可自动移至着火点，实施灭火。根据国外地铁的经验，在车站公共区 一般不安设自动喷淋系统，以免地滑而影响疏散速度，但可考虑在车站公共 区的两头一定范围内设置自动喷淋系统，因为这些区域往往是零售点、书报 摊等易燃物集中所在地，而在中间的人行密集区域，可不设置自动喷淋系统， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 仅备足够数量的灭火器即可。 4 保证人员安全疏散 列车在隧道内发生事故时，乘客若只能从列车前后端的紧急疏散门下车 则不利于乘客的疏散，应采取措施，保证乘客及时疏散。检票口和栏杆的设 计、车站内广告牌的设置，都不得影响人员的安全疏散。应将零售店和报摊 点集中在站厅层两头的安全区域，以保证在站厅中间留出疏散的空间和通道。 应设置列车紧急情况通报按钮与手动开车门装置，断电时，车门能自动打开， 以及司机室与车厢之间的紧急疏散门、列车前部的逃生门等装置。列车上还 应设置足够的滚动显示条、液晶显示屏，以及广播系统，以备火灾时引导乘 客疏散。 5 设置足够的应急照明装置和疏散指示标志 由于地下建筑，特别是公共地下建筑内人员的流动性很强，对建筑内的 情况并不很熟悉，因此建设单位应在地铁通道设置足够的应急照明装置和疏 散指示标志，从而为火灾时人员的迅速逃生提供有利的条件。有研究表明， 足够的应急照明装置和疏散指示标志能够大大提高火灾时人员的安全逃生系 数。事故照明和疏散指示标志的备用电源若采用数量较少，且照度不足的蓄 电池，就不能满足火灾时疏散的需要，所以应采用自发光标志和带电源的疏 散标志相结合的原则，按照地铁设计规范的规定，在必要地点设置带电 源或蓄电池的应急标志，同时在其他部位设置自发光的疏散标志。蓄电池的 事故照明装置应采用集中蓄电池，以减少维护费用。 6 提高相关人员的消防素质 应对主管人员和有关的工作人员进行消防安全知识和技能培训，使其具 备一定的知识，懂得对火灾的预防、扑救和逃生方法，尤其是对于一些日常 的火灾隐患，应能够及时地发现和消除，把火灾的发生遏制在萌芽状态。同 时，应制定切合实际的火灾事故应急预案，并定期进行演练，提高火灾时的 人员疏散及控制初期火灾的能力，从而最大限度地降低火灾危害后果。 随着城市经济的飞速发展和亟待解决的日益增涨的人口数量而导致的出 行问题，地铁的建设高潮已经来临。然而，地铁中的火灾发生率及火灾所造 成的严重的损失同样令人担忧。在2 0 0 8 年北京奥运会期间，更 应该把地铁火灾的安全防护放在首位【1 6 】。要坚持以预防为主，在设计、建造 以及运营期间都要贯彻防火意识，从方方面面消除火灾隐患，确保安全，让 地铁成为城市中最安全快捷的主运线。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 4 虚拟现实技术及其在地铁火灾安全的作用 虚拟现实技术能够利用计算机生成较为真实的模拟环境，使用户沉浸在 虚拟环境中，同时通过人机接口，实现用户与虚拟环境直接交互。在沉浸感、 交互性和实时性综合效果方面的优势是传统平面效果图与动画技术所无法比 拟的。基于虚拟现实技术的地铁站火灾模拟，为研究地铁运营安全及可视化 仿真提供了技术保障。 2 4 1 虚拟现实技术 1 虚拟现实技术的定义 ，虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，v r ) ，又译为灵境等，它是由美国v p l 研究 公司的j l a n i e r 在1 9 8 9 年提出的新概念，是集计算机技术、传感与测量技术、 仿真技术、微电子技术等为一体的综合集成技术【1 。7 1 。v r 是一种逼真地模拟 人在自然环境中三维的视、听、动作等行为的人机界面技术。它利用多媒体 技术综合处理图像、声音和文字等信息，加上特定的辅助手段可起到代替实 际系统的目的。用户可以用人体的自然技能，借助数字头盔、立体显示技术、 数据手套、数据衣等工具，对虚拟的感觉世界进行交互式作用。随着人的不 同动作，这些感觉也随之变化。虚拟现实技术不仅仅是那些戴着头盔和手套 的技术，而且还应包括一切与之有关的具有自然模拟，逼真体验的技术与方 法。 虚拟现实要创建一个既酷似客观环境又超越客观时空，既能沉浸其中又 能驾驭其上的和谐的人机环境，也就是一个由多维信息所构成的操纵的空间。 它的最重要的目标就是真实的体现和方便自然的人机交互，能够达到或部分 达到这样目标的系统就统称为虚拟现实系统。 2 虚拟现实技术的概述 虚拟现实技术最早起源于上世纪5 0 年代的美国，至9 0 年代初开始得到 迅速发展。它以其关键技术所支撑的多维信息空间可望为仿真和建模提供一 个崭新的环境，这将是一个能使人沉浸其中、超越其上、进出自由、交互作 用的环境，与以往的传统仿真环境相比，在这种多维信息空间中所进行的仿 真和建模就有了更高的逼真度。它的兴起，为人机交互和仿真系统的发展开 辟了新的研究领域，为智能工程的应用提供了新的界面工具，也为各类工程 的数据可视化提供了新的描述方法。它在许多不同领域的应用，将会给人类 带来巨大的经济效益。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 虚拟现实是利用计算机生成一种逼真的视、听、说、力、触、动和嗅等 感觉的虚拟环境，通过各种传感设备使操作者“沉浸 到该环境中，实现操 作者和环境直接进行自然交互。这里的虚拟环境就是用计算机生成的三维几 何和物理特性模型，它可以是现实世界中某一特定真实环境的再现，也可以 是纯粹虚构的环境。传感设备包括穿戴于操作身上的立体头盔显示器、数据 手套、数据衣、力学反馈手套等交互装置，以及设置在现实环境中用于感知 的各种传感装置，如摄像机、力学、触觉、动觉和嗅觉等传感器。自然交互 是指用人们日常所熟悉的方式对虚拟环境中的物体进行观察和操作，如行走、 移动物体等，并得到各种感觉的实时反馈，如在虚拟环境中碰撞时有声音、 抓物体时有力感等。虚拟现实具有不同的形式；驾驶室仿真、工程现实、增 强现实、临场感和桌面虚拟现实等。 3 虚拟现实技术的特征 虚拟现实技术具有三个最突出的特征，即三“i 特征，交互性( i n t e r a c t i o n ) 、 沉浸性( i m m e r s i o n ) 和构想性( i m a g i n a t i o n ) 。如图2 1 所示。 ( 1 ) 交互性：交互性指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到 反馈的自然程度。 ( 2 ) 沉浸性：让用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度，沉浸被 通俗地解释为“身临其境 ( 3 )