摘" 要：自然灾害对社会和经济构成严重威胁，人类提高对灾害的认知能力和应对能力至关重要。作为新兴技术的虚拟现实技术具有安全、可控、实时、成本低和可重复使用等优点，在自然灾害模拟方面具有广泛的应用前景。以郑州2021年7月20日京广路隧道淹水事件为例，开发一款基于虚拟现实技术的城市隧道淹水仿真系统，模拟了该隧道从开始进水到被水淹没的全过程。该系统可以真实还原灾害发生的全过程，提高人们的灾害认知能力和应对能力，为相关人员改进应急预案和救援方案提供强有力的支撑，从而更好地应对自然灾害挑战。
关键词：虚拟现实；自然灾害模拟；隧道淹水
中图分类号：TP391.9" 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）19-0096-04
Urban Tunnel Flooding Simulation System Based on Virtual Reality
TONG Xiaoyang， XIE Ge， SHI Wenjun
（North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou" 450046， China）
Abstract： Natural disasters pose a serious threat to society and the economy， and it is crucial for humans to enhance their understanding and response capabilities towards disasters. As an emerging technology， Virtual Reality technology has advantages such as safety， controllability， real-time， low cost， and reusability， and has a wide range of application prospects in natural disaster simulation. Taking the flooding incident of Jingguang Road Tunnel in Zhengzhou on July 20， 2021 as an example， an urban tunnel flooding simulation system based on Virtual Reality technology is developed， simulating the entire process from the beginning of the tunnel being flooded to being submerged. This system can realistically reproduce the entire process of a disaster， enhance peoples understanding and response capabilities to disasters， and provide strong support for relevant personnel to improve emergency plans and rescue schemes， so as to better respond to the challenges of natural disasters.
Keywords： Virtual Reality; natural disaster simulation; tunnel flooding
0" 引" 言
随着城市化进程的不断推进，地下城市隧道作为重要的交通基础设施，在现代城市交通运行中起到至关重要的作用。然而，隧道灾害事件时有发生，给人们的生命和财产安全带来严重的威胁。京广路隧道作为郑州市一条重要的城市隧道，连接着城市中心和郑州北部地区，一直是缓解城市交通压力和促进地区经济发展的关键通道。
2021年7月20日，极端天气引发的淹水倒灌事件致使京广路隧道发生严重灾害，对人们的生命和财产安全造成严重损害，这一事件引起社会各界的广泛关注。因此，研究和仿真京广路隧道水淹事件对隧道安全管理和应急预案制定具有重要意义。
近年来，VR技术的快速发展为人们有效应对地下城市灾害提供了新的方法和工具。一些研究人员利用该技术进行相关灾害复现或培训，如基于VR的地下高速铁路车站疏散系统使用培训[1-2]、隧道火灾应急系统使用培训[3]、地铁火灾疏散仿真培训[4]等。
虚幻引擎5（Unreal Engine 5， UE5）是一款强大的虚拟现实开发平台，广泛应用于游戏、电影、建筑、工程等领域。UE5提供有丰富的3D建模和场景构建工具，可以借此创建真实感十足的虚拟场景。另外，在水模拟方面，以离线方式结合程序运行过程动画模拟的案例居多，这将导致模拟缺乏实时性[5]。2021年，在UE5中引入一款名为FluidFlux的工具，该工具是UE5中基于实时二维浅水仿真[6]的工具，用于模拟液体的实时流动。它可以帮助开发者在虚拟现实中模拟水的运动特性，包括水位变化、流速、流向等，从而更加真实地再现京广路隧道水淹事件的发生过程。
本文基于常用的虚拟现实开发平台UE5[7-9]，采用3ds Max构建场景模型，并借助粒子系统来仿真天气系统。通过构建交互系统实现人物的基本交互，同时利用UE5中基于实时二维浅水仿真的工具FluidFlux对水的实时流动进行模拟，更加逼真地再现了京广路隧道水淹事件的发生过程。这个基于VR的城市隧道淹水仿真系统将有助于城市隧道的安全管理和应急预案的合理制定，为相关人员的灾害管理和救援工作提供有力的支撑。
1" 城市隧道淹水仿真系统需求分析与设计
1.1" 需求分析
研发该系统的主要目的是再现2021年7月20日郑州京广路隧道淹水事件的过程，并采用剧情演绎的方式进行展现。需要系统能够呈现整个隧道的场景，并着重呈现隧道口的场景。系统以第一人称驾车视角展示角色通过隧道的情景，并在车辆驶离隧道口位置时因交通堵塞被迫停止，此时用户可选择下车离开隧道，以漫游视角观察隧道内水位不断上涨的过程，直至隧道完全被淹没，使用户能够更好地理解和体会整个事件的经过和演变。
总之，该系统是基于VR技术的城市隧道淹水仿真系统，可提供可视化的场景展示、交互性的角色驾驶体验等功能，力求逼真地再现事件的演变过程，重在警示车主及时离开隧道的重要性。
1.2" 系统架构设计
系统的软件架构参照UE5的Gameplay架构进行设计，总体架构分为表现层、逻辑层和数据层：
1）表现层提供游戏的界面展示和用户交互，包括场景展示与用户交互。前者使用虚拟现实技术呈现隧道的实际场景，包括隧道内部的道路、建筑、灯光等元素，以及水位上涨的效果展示。后者通过设计用户界面（包括在驾驶过程中显示车辆信息、水位信息、警示信息等），提供用户与系统的交互，例如触发警示UI、选择离开车辆等操作。
2）逻辑层提供游戏的核心逻辑和行为控制，其由三部分组成：一是角色控制部分，实现基于时间的剧情驾车体验，包括角色在隧道中驾驶、停车、触发事件等行为控制，使用户能够体验事件的演变过程；二是事件触发部分，根据事先设定的时间和事件触发条件控制隧道内水位的上涨过程，触发警示UI等事件，以模拟实际事件的发生情况；三是系统逻辑部分，提供用户界面和场景展示的逻辑控制，例如用户操作的响应、警示信息的展示和更新等。
3）数据层提供数据管理和存储。数据管理主要负责管理系统中使用的数据，包括隧道的三维模型数据、水位数据、车辆信息等；数据存储主要负责存储系统中生成的数据（例如用户操作记录、事件触发状态等信息的存储），以便在需要时进行读取和使用。
系统总体架构设计图如图1所示。
1.3" 功能设计
基于上文对该系统的需求分析，该系统主要以隧道淹水仿真情形再现其功能，系统功能框图如图2所示。
系统具体功能实现步骤如下：
1）将基于3ds Max构建的模型导入到UE5中进行场景的构建，同时为模型构建对应的碰撞体，以为后续的水流与地形交互以及角色与地物交互做好铺垫。
2）利用UE5材质系统融合多种贴图（如颜色贴图、法线贴图、粗糙度贴图等），形成材质球，给予模型。添加适当的光照渲染（如全局光照等），从而最大限度复原隧道场景真实样貌。
3）使用粒子系统模拟仿真暴雨天气状况，同时结合立体声系统营造整个环境的雨声环境，使之更具沉浸感。
4）采用UE5现有的实时二维浅水模拟工具FluidFlux，实现隧道灌水过程的动态演化，展现周围地物对水流动产生的影响。
5）完成交互设置，即通过蓝图编程使用户能够通过交互设备控制车辆行进、人物漫游，以及实现最后逃生所用到的UMG选项操作。
2" 仿真系统实现
2.1" 地物场景搭建
该系统以郑州京广路隧道淹水作为地下城市受灾典型事件，该隧道场景模型主要包括道路、隧道、周围房屋、汽车等模型，这些模式是基于三维建模软件3ds Max构建而成的，如图3所示。利用样条线生成道路，利用蓝图制作材质球，并将其赋予道路网格体，使道路更为逼真，如图4所示。
2.2" 天气以及音效实现
设计可演绎极端暴雨场景的天气系统，使用粒子系统实现下雨效果的步骤为：首先是创建粒子系统；其次是设置粒子发射器（主要用来控制粒子的产生和发射，同时在属性面板中设置发射器形状、发射速率、速度、方向等）；再次设置粒子效果（调整粒子的属性比如大小、透明度等）；最后添加声音效果，添加粒子系统到场景之中。图5为实现的下雨效果以及雨水打到路面产生碰撞的效果。
音效实现分为两个部分，分别是局部音效和全局音效。局部音效是指当车辆和外部水倒灌进隧道时与车辆和角色近距离产生的水流声音；全局音效是指基于当时的暴雨天气持续存在的音效。局部音效是以组件形式挂载至水流系统之上，该组件的部分蓝图实现如图6所示。而全局音效的实现则是通过创建音效资源，创建音效蓝图并添加音效组件，使用蓝图逻辑控制音效更新，调整音效属性，进行混音处理，以及控制音效生命周期等。可以借助蓝图控制器和音效组件来实现雨滴滴落、雷声、环境声等室外声音的持续更新和混音处理，从而在游戏中产生栩栩如生的全局音效效果。根据天气和环境的变化调整音效属性和更新逻辑，可以实现音效的动态管理和控制，以增强游戏场景的真实感和沉浸感。
2.3" 淹水过程实现
使用二维实时浅水模拟工具FluidFlux进行流体模拟。首先定义模拟区域（此处以整个隧道作为模拟区域）；其次在场景中放置一个水源对象（将其放置在隧道之外），以真实还原隧道由外至内的淹水场景；最后在水源对象上添加FluidFlux模拟组件，并设置模拟参数（如模拟时间、水流速度等）。基于需求分析，在水位达到一定高度的时候（也就是场景中隧道口红线部分）要提示用户下车迅速离开隧道，为此创建一个新的类蓝图，并在其中添加一个触发器组件，放置在隧道口水位检测处，当水流与该对象产生碰撞的时候调用提示UI。该蓝图的实现过程如图7所示，最终的具体模拟效果图如图8所示。
2.4" 交互实现
在VR场景中，交互方式可以分为两大类：直接交互和物理控制交互[10]。直接交互是指用户通过自然直观的行为与场景进行交互，例如移动、选择场景对象，操作场景对象以及缩放场景对象或整个场景等；而物理控制交互则是通过手持或手握设备（如游戏手柄、操纵杆、方向盘、转盘等）来辅助用户完成交互任务，提供更加精确地控制并模拟物理效应。两种方式各有优点，应用场景也各有不同，直接交互能够模拟真实世界行为，而物理控制交互则可以提供更高层级的控制。本系统主要以后者为主，采用不同的物理设备进行交互，最终实现多平台的发布。
本文系统涉及漫游交互和选择交互，在漫游交互方式下，用户可以自由漫游在虚拟城市隧道中，使用手柄、控制器或其他输入设备来控制虚拟人物或使车辆在虚拟环境中自由行驶。用户可以自由移动、转向、加速、减速等，从而深入探索虚拟环境并与之互动。在选择交互模式下，用户可以通过选择和决策来影响虚拟环境中的情景，如用户在隧道口停留的时候因水位达到检测线而对跳出的UI进行选择，是下车步行离开，还是要继续等到交通变得顺畅有序。同时为按钮绑定相应的操作，供用户选择。用户的漫游交互与选择交互如图9所示。
3" 结" 论
本文基于虚拟现实技术，采用虚幻引擎构建场景模型、模拟天气系统、实时水流仿真工具以及交互系统，成功实现了对郑州京广路隧道淹水事件的全过程仿真。该系统的研发有助于提高公众对自然灾害的认知，牢固树立生命至上的理念。后续研究工作将进一步完善系统的主要功能（如引入演练系统等），弥补当前系统在场景细节处理和水流仿真精确性方面存在的不足，并持续优化系统性能。这一研究为隧道安全管理和应急预案的制定提供了有力的支撑，有望在灾害管理和救援工作中发挥重要作用。
参考文献：
[1] 王志伟，马伟斌，王子洪.基于BIM和VR技术的地下高速铁路车站沉浸式疏散演练系统开发与应用 [J].铁道建筑，2022，62（9）：131-135+140.
[2] 王志伟，马伟斌，王子洪.基于虚拟现实技术的地下高速铁路车站疏散系统开发及适用性分析 [J].铁道运输与经济，2022，44（9）：112-121.
[3] 刘敦文，贾昊燃，翦英骅，等.基于虚拟现实技术的隧道火灾应急培训系统构建和研究 [J].中国安全生产科学技术，2019，15（2）：131-137.
[4] 王子甲，高永鑫，陈峰，等.基于虚拟现实技术的地铁火灾疏散仿真平台研发与应用 [J].都市快轨交通，2020，33（1）：31-35.
[5] KELLOMÄKI T. Fast Water Simulation Methods for Games [J].Computers in Entertainment （CIE），2017，16（1）：1-14.
[6] CHENTANEZ N，MÜLLER M. Real-time Simulation of Large Bodies of Water with Small Scale Details [C]//2010 ACM SIGGRAPH/Eurographics Symposium on Computer Animation.Madrid：Eurographics Association，2010：197-206.
[7] 丁胜，林寿明，沈康，等.基于UE5引擎的林草湿三维仿真可视化系统设计与实现 [J].林业与环境科学，2022，（S1）：1-5.
[8] 朱金达，陈佳辉，秦志英，等.基于虚拟现实与数字孪生技术的自行火炮辅助维修系统 [J].数字印刷，2022（6）：117-127.
[9] 侯建明，杨俊燕.基于虚拟现实技术开发的矿山救援虚拟仿真演练系统 [J].矿业安全与环保，2018，45（5）：47-50+54.
[10] JANKOWSKI J，HACHET M. A Survey of Interaction Techniques for Interactive 3D Environments [J/OL].Eurographics，2013：1-30[2023-02-05].https：//hal.science/hal-00789413.
作者简介：仝晓阳（1999—），男，汉族，河南洛阳人，硕士研究生在读，研究方向：虚拟现实；谢歌（1998—），女，汉族，河南新乡人，硕士研究生在读，研究方向：虚拟现实、水利信息化；施文军（2000—），男，汉族，河南周口人，硕士研究生在读，研究方向：虚拟现实。
