基于虚拟现实的实验研究：在能见度有限的船舶火灾场景中人员的疏散特性

《Ocean Engineering》：Virtual reality-based experimental investigation of evacuation characteristics in ship fire scenarios with limited visibility

船舶走廊烟雾环境下人员疏散行为研究通过VR平台模拟七种可视度水平，对25名参与者进行行走速度、轨迹稳定性和头部偏转角度实验。结果显示：可视度每降低1米，平均行走速度下降0.13米/秒；BMI与避障行为显著相关；VR环境虽具现实感但会加剧低可视度时的焦虑感。这些发现为船舶安全设计优化和应急策略制定提供依据。

　　

谢启苗|聂新浩|曾伟英雪|马超

上海海事大学安全科学与工程系，上海，201306，中国

摘要

由于船舶内部结构复杂且疏散条件受限，船舶火灾对人员安全和财产损失构成了严重威胁。通过虚拟现实（VR）平台实验研究了船舶火灾中的人员移动特征。使用Unreal Engine 5（UE5）模拟了具有七种能见度级别的船舶走廊烟雾环境，并有25名参与者参与了自由行走和避障实验。分析了移动参数以及个体体重指数（BMI）的影响。Wilcoxon符号秩检验的结果显示，VR环境与真实环境之间的移动速度存在微小差异。此外，能见度降低时，行走速度会下降，这显著影响了避障行为和轨迹稳定性。在无障碍条件下，能见度每降低1米（低于3米），行走速度平均下降0.13米/秒。在避障实验中，能见度下降时头部偏转角度增大。另外，超重参与者在能见度受限的情况下行走速度更快，最大偏移距离也比体重正常或偏轻的参与者更小。实验后的问卷调查显示，虽然VR环境被感知为真实，但在能见度较低时焦虑水平升高。这些发现为改进船舶消防安全设计和火灾应急响应策略提供了有价值的见解。

引言

随着全球水上运输和造船业的发展，建造的客船数量不断增加。一个关键问题是船舶内部装饰中广泛使用了易燃材料，这可能导致船舶火灾的发生。根据国际海事组织（IMO）的事故数据库，2020年1月1日至2025年6月1日期间报告的1202起海上事故中，有71起是由船舶火灾引起的（IMO，2025年）。船舶火灾尤其严重，因为会产生大量烟雾和有毒气体，可能导致人员伤亡和/或船舶本身损失（The Swedish Club，2021年）。这种固有的严重性还因逃生和救援的难度（Xie等人，2022年）、对人员安全的威胁（Wu等人，2018年）以及预防的挑战（Kang等人，2017年）而加剧。最近的一些事件，如2023年4月21日渔船“KALTAN”上的致命火灾导致4名船员死亡（联邦运输监管服务局，2023年），以及2022年5月11日“CORMORANT 1”尽管启动了二氧化碳灭火系统但仍完全沉没（Rios，2022年），凸显了当前海上消防安全措施的持续风险和局限性。因此，提高船舶消防安全水平对于可持续的海上运输至关重要。

火灾事故中的安全疏散一直是船舶火灾研究领域的关键课题，已经发布了许多疏散指南，如MSC/Circ.909（IMO，1999年）、MSC/Circ.1033（IMO，2002年）、MSC.1/Circ.1238（IMO，2007年）和MSC.1/Circ.1533（IMO，2016年）。然而，这些指南中没有量化火灾烟雾、热量和有毒气体对乘客疏散过程的影响。为了考虑这些因素的影响，已经进行了大量关于船舶火灾和乘客疏散的模拟研究，例如SMARTFIRE（Ewer等人，1999年）、CFAST（Peacock等人，2012年）和Fire Dynamics Simulator（FDS）（McGrattan等人，2020年），以及Evi（Vassalos等人，2003年）、Maritime EXODUS（Galea等人，2003年）和IMEX（Kim等人，2004年；Park等人，2004年）以及VELOS（Ginnis等人，2015年）。此外，还实验研究了船舶倾斜和运动对乘客的影响（Fang等人，2024年；Jiang等人，2025年；Sun等人，2018年；Wang等人，2021年）。然而，在能见度受限的情况下用于船舶疏散分析的乘客速度模型通常是基于陆地建筑疏散数据得出的。这可能导致对客船火灾的疏散分析不准确。迄今为止，很少有研究关注大规模船舶火灾场景下能见度受限时的安全疏散问题。因此，本文提出了一项系统的实验研究，研究疏散特性，包括行走速度和轨迹，以评估船舶走廊火灾中能见度降低条件的影响。传统的实验方法在安全且合乎伦理地再现危险条件方面往往存在局限性。沉浸式虚拟现实（VR）技术允许参与者体验真实的火灾和烟雾传播，已成为进行受控和可重复疏散实验的强大而多用途的工具。这使得研究人员能够研究火灾紧急情况下的人类反应。为了解决这些挑战，本研究利用VR技术模拟了能见度受限的船舶烟雾场景。这种方法可以收集不同能见度条件下的行走速度、轨迹和头部偏转数据。

实验研究：能见度受限下的疏散

大量实验研究调查了能见度受限对疏散动态的影响，特别关注了行人的移动速度。许多研究一致表明，随着能见度的降低，行人的移动速度显著下降（Chen等人，2018年；Fridolf等人，2013年；Ronchi等人，2018年；Seike等人，2020年）。Cao等人（2019年、2023年；2024b年）进行了一系列关于走廊内单列行走的实验研究，揭示了……

设备

本文使用的VR系统采用了PICO 4 PRO头戴显示器（HMD），旨在提供高保真的沉浸式体验。该VR头盔配备双2160×2160分辨率显示器（4K+组合），每英寸1200像素（PPI）和105°的视野范围。HMD配备8GB随机存取存储器（RAM），确保了复杂虚拟环境所需的计算支持。为了与实验设置集成，HMD通过……连接到计算机

不同条件下的行走速度比较

为了研究虚拟设备的影响，在无障碍和视野不受限制的条件下，比较了佩戴和不佩戴VR设备的参与者的行走速度。

图5显示，在虚拟环境中，平均行走速度为1.11米/秒，略低于实际环境中的1.14米/秒。然而，虚拟环境中行走速度的75百分位数和95百分位数略高于实际环境中的相应百分位数，表明……

问卷调查结果

为了补充实验结果，对VR环境中的参与者进行了实验后问卷调查。问卷内容基于Zhang等人（2023年）的工作，如表6所示。

问卷调查结果如图15所示，该图使用箱形图展示了9个项目（Q1-Q9）的回答分布。除了Q7外，所有项目的得分普遍较高，平均值接近4分。问题Q2至Q5评估了……

结论与局限性

本文利用UE5 VR平台研究了船舶火灾场景中行人的移动特性，并在能见度受限条件下考察了障碍物和个体身体特征对疏散行为的影响。主要结论总结如下。

首先，虚拟环境和实际环境中行走速度的比较显示，虽然VR设备的存在有轻微但统计上显著的影响

作者贡献声明

谢启苗：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。聂新浩：撰写 – 原稿撰写、验证、软件开发、方法论。曾伟英雪：撰写 – 审稿与编辑、资金获取。马超：数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：71503166）、中国博士后科学基金（资助编号：2021M690851）以及中国教育部的人文与社会科学基金（资助编号：24YJC630216）的支持。作者感谢匿名审稿人的宝贵意见和建议，这些意见有助于改进本文。