为提高学生应急救援实践能力和社会公众的安全意识，解决专业化应急救援人才培养的瓶颈。本实验以高复杂的沙坪坝站地下空间发生火灾事故为切入点，自主研发了大型城市地下空间综合体通风安全及应急救援虚拟仿真实验。本项目以中国首例铁路站上加盖城市综合体开发的项目——重庆市沙坪坝站，“全国首个商圈高铁TOD”、“中国首个TOD垂直城市样本”为背景，该站为高架上跨式车站，采用全立体的布局，地下共设置8层，集办公、商场、高铁、地铁、公交等设施于一体。人群密集，空间相对封闭，地下空间复杂程度高，灾害发生时应急救援难度大。该仿真实验包含学习、实践及考核三种模式，通过学习工业通风及应急救援技术，掌握通风系统运作原理，火灾烟气演化规律以及应急逃生及救援流程等知识，将其应用于整个地下空间应急救援，进而提升学生的科学实践能力，培养专业地下空间应急救援人才。

一、实验的必要性：

21世纪以来，城市地下空间开发利用是现代化进程的一大趋势。城市地下空间为人们生活提供便利的同时，也因其建筑结构错综复杂、商场商品种类繁多、人员聚集疏散困难、各种致灾因素叠加等问题造成发生灾害时应急救援难度增大，现场模拟演练成本高、周期长、安全风险大等问题难以开展实体实验。因此，开展城市地下空间综合体通风安全与应急逃生虚拟仿真实验对培养创新、应用型应急救援技术人才具有重要意义。

第一，实验对象复杂

城市地下空间具有建筑结构复杂、人群密集、空间相对封闭、致灾因素较多等特点，造成事故发生后人群疏散难度较大且救援力量进入较为困难。该项目选择的沙坪坝站为高架上跨式车站，采用全立体的布局，地下共设置8层，集办公、商场、高铁、地铁、公交等设施于一体的综合性地下空间。涵盖成渝高铁沙坪坝站场站房、综合交通换乘枢纽、相关城市道路工程和市轨道9号线交通节点等工程体；综合体逐层设置独立通风及消防系统，层间具有多处功能性不同的连接通道，使其运营期及灾变期通风及烟气运移工况极为复杂。此外，该综合体在春运期间每天的客运人数达2万人次/日，加之地面修筑的大型商业体，2020年12月24日开业当天人流量30万人次。因其复杂性若发生火灾等事故，造成人员伤亡的可能性相对较高。为确保车站的安全运营及保障站内人群的安全。因此，开展事故模拟演练很有必要。

第二，实验实施难度大

《工业通风》、《应急救援技术》、《安全管理学》等主干课程是采矿工程、安全工程等专业本科生的专业必修课程，通风安全与应急逃生综合程度很高的一类实验，对培养学生的实际通风安全与应急逃生能力具有十分重要的作用。要进行城市地下空间综合体通风安全及应急逃生实验，需要在真实地城市地下空间中相应地点设置不同类型的灾害条件来实现，由于地下空间致灾因素较多引起的安全风险大；模型演练经济成本高、周期长、实验空间受限；人员疏散困难及建筑结构复杂，因而难以开展实体模拟演练。因此，开发虚拟仿真实验很有必要性。

第三，实验灾害种类特殊

地下空间最大的特点就是封闭性。文献资料统计了1969-2018年世界范围内发生于地铁车站的安全事故类型包括火灾、恐怖袭击、水灾（水淹车站）、地震、踩踏事件共计5 类114起，统计到的事故中，火灾42起，占所有统计事故的36.84%。这一比例显示，车站各类事故中火灾发生频率最高，是车站面临的一项严重安全威胁，是最不容忽视的地下空间灾害。根据我国的火灾统计，每年地下建筑火灾发生的次数约为高层建筑的3~4倍，火灾死亡人数约为高层建筑的5~6倍，造成的直接经济损失约为高层建筑的1~3倍，因此，地下建筑的防火尤为重要。另外地下空间由于建筑结构错综复杂，火灾防控难度大；商场商品种类繁多，火灾荷载密度大；人员聚集疏散困难，易造成群死群伤；各种致灾因素叠加，火灾扑救难度大，利用现场模拟或者模型演练均不能实现灾害风险可控。因此，城市地下空间通风安全与应急逃生虚拟仿真实验的建设很有必要。

鉴于此，在培养创新型人才的国家战略方针指导下，以社会经济发展对城市地下空间通风安全、应急救援相关专业人才的需求为导向，以培养创新性工程应用与研究型人才为目标，坚持“虚实结合、能实不虚、互为补充”的原则，将通风安全、应急逃生、应急救援等重大灾害事故夯实结合，开发城市地下空间综合体通风安全及应急逃生虚拟仿真实验教学项目。并且通过使用虚拟实验，丰富了原有实验教学单一传授理论知识体系，更好地支撑了课堂教学。

二、实验的实用性：

第一，实验服务的广泛性

重庆市沙坪坝站为“全国首个商圈高铁TOD”、“中国首个TOD垂直城市样本”，采用高架上跨式车站，全立体的布局，地下共设置8层，建筑结构复杂，其应急救援工况复杂，灾变期控制因素众多，疏散难度较高。因此，开发城市地下空间通风安全与应急救援虚拟仿真既可以提高学生应急救援实践能力，解决专业化应急救援人才培养的瓶颈，也可对地铁、铁路等地下空间行业以及社会大众进行推广。通过平台应用，能够帮助城市地下空间部门深刻剖析应急救援过程，查找事故救援过程中的突出问题和薄弱环节，针对救援措施的科学性、施救交互行动的有效性和提高自救互救能力等重点环节总结经验，进一步增强城市地下空间综合体的科学救援能力，真正做到实验服务于大众的目标。

第二，实验场景的多维性

实验系统构建的虚拟仿真实验环境，全方位实现了在应急救援过程中所涉及的所有知识点的实验探究，将枯燥而难以想象的通风安全知识和应急救援流程以图形和应用场景直观呈现，极具可观性和吸引力。紧密结合国家重大工程背景，建立“科学原理+项目案例+虚拟仿真”为载体、国家级平台为支撑的课堂教学与实验实践一体化教学模式，为学生提供多维度的科学训练条件与平台，深化对专业理论知识的理解，锻炼学生的创新能力和前沿思维。解决了实装实验难以组织实施，也无法承受大批量的学生同时实验的难题。有效拓展了实验内容的深度和广度，提升了通风安全及应急救援技术等主干课程的学习效果，凸显了虚拟仿真的优势，提升了教学效果。

第三，实验教学的多阶性

（1）依托虚拟仿真实验教学项目，切实拓展了以引导式、启发式、创设问题式的实验教学方法，通过让学生自主参与整个应急救援过程，结合软件的自动评分系统，让学生能够直观看到实验效果，有效调动了学生参与实验教学的积极性和主动性，激发了学生的学习兴趣和潜能，推进了该实验教学方法的普遍运用。

（2）在引导学生完成基本实验的基础上，该实验面向实际教学需求，解决实际教学问题，实现理论与实际相结合，实现了线上线下互补结合的效果；

（3）该实验教学强调高阶性、创新性、挑战度。高阶性：通过实验学习帮助学生掌握一定的实验知识与能力，有效培养提升了学生解决复杂问题的综合能力和高阶思维；创新性：通过学生自主课前预习，查阅资料，自主设计实验方案，有利于培养学生的创新思维；挑战度：学生通过自主设计实验，情景再现整个地下空间的通风安全与应急救援流程，具有一定的挑战性。

  三、教学设计的合理性：

依托安全工程专业的核心课程——《工业通风》、《应急救援技术》和《安全管理学》三门专业课程，通过虚拟仿真的手段，模拟沙坪坝站发生火灾时的烟气运移情况。在设计上满足实验的科学性，让学生通过工业通风所学知识加以应用，结合安全管理和应急救援技术，设计合理的救援方案，得到学以致用的目的，可以为日后安全运行过程的中应急演练提供教学素材，同时也会成为事故应急处理的预备方案，确保了该虚拟仿真设计的前瞻性和可操作性。

  四、实验系统的先进性：

1、本实验综合运用工业通风、应急救援技术、安全管理学等多学科相互融合的研究成果。城市地下空间通风安全与应急逃生模拟演练涉及的学科理论知识较多，在同一演练场景中学科融合难以实现，利用该仿真实验系统，实现了多学科相互融合的目的。

2、利用虚拟仿真资源管理平台，能够与实验进行数据交互，自动记录学生操作轨迹，建立评价体系和纠错反馈机制。广泛利用“互联网+”技术，通过Unity3D虚拟仿真技术进行开发，B/S架构进行访问。学习模式下系统自动记录学生的操作轨迹，并给出相应的提示，考核模式下对于学生的操作进行自动评分，最后根据综合评分来评价学生对此实验的掌握情况。既方便学生操作使用实验，也方便教师监督教学效果。

3、该虚拟仿真系统可重现灾害识别，控风及疏散三位一体的灾变时期应急响应流程，具有很强的应用性。本实验项目选择的沙坪坝站地下空间复杂程度高，逐层设立独立通风系统；灾害期间可实施的通风条件选项及疏散逃生控制因素众多，烟气扩散工况复杂。因此，能够虚拟仿真模拟的灾害种类众多，具有高度的可重现性。

4、该虚拟仿真实验教学评价系统拓展了传统教学评价模式，丰富了教学手段。（1）通过工业通风、应急救援技术、安全管理学等基础课程的理论学习后，学生可根据学习模式的形象化学习进行实验课前预习，获得预习成绩；（2）学生通过学习模式进行理论知识学习后，将其应用于实践模式交互和考核模式答题分项赋分，学生可以根据整个实验过程中的薄弱环节进行总结，利于学生对理论知识分析的同时，也利于老师的教学反馈。（3）通过城市地下空间综合体通风安全及应急逃生——虚拟仿真实验，学生可以自主设计、修改实验方案，自主配置实验资源，在虚拟环境中开展实验，达到所要求的认知与实践教学效果，实现实体实验不具备或难以完成的教学功能，促进知识的转化与拓展，更好地培养自己的动手能力、实验分析能力和创新思维能力。

本课程将传统实验教学中无法模拟或无法演练实验内容进行模拟仿真实验，不仅有效解决当前普遍存在的实验对象复杂、实验实施难度大、实验灾害种类特殊等教学难题，而且将实际城市地下空间综合体融入实验教学内容中，有利于培养学生解决实际工程问题的综合能力。

   虚拟仿真实验网址：http://www.ilab-x.com/details/2020?id=6351&isView=true