龙锦荣 基于最优化数学模型的虚拟仿真应急实用系统申报书

序号： 编码： 第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛华南农业大学选拔赛作品申报书 作品名称： 基于最优化数学模型的虚拟仿真应急实用系统 所在学院： 工程学院、理学院 申报者姓名 陈寅 林映丹 （集体名称）： 李作栋 龙锦荣 类别：自然科学类学术论文哲学社会科学类社会调查报告和学术论文科技发明制作A类科技发明制作B类A2申报者情况（集体项目）说明：1.必须由申报者本人按要求填写； 2.申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列； 3.本表中的学籍管理部门签章视为对申报者情况的确认。申报者代表情况姓名 龙锦荣性别男出生年月1986年11月学院工程学院系别、专业、年级06机制4班学历本科学制4入学时间2006年作品名称基于最优化数学模型的虚拟仿真应急实用系统毕业论文题目通讯地址华南农业大学华山生活区4栋邮政编码510642办公电住地通讯地址邮政编码住宅电话其他作者情况姓 名性别年龄学历所在单位陈寅女本科华农大理学院05级数学与应用数学 林映丹 女 本科华农大理学院05级数学与应用数学 李作栋 男 本科华农大工程学院06级电科专业资格认定学院学籍管理部门意见以上作者是否为2009年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校中国籍本科生、硕士研究生或博士研究生。是 否 （学院盖章）年 月 日院、系负责人或导师意见本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果。是 否负责人签名：年 月 日B3申报作品情况（科技发明制作）说明：1必须由申报者本人填写； 2本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认；3本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结 构图、外观图（照片）,也可附鉴定证书和应用证书； 4作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。作品全称基于最优化数学模型的虚拟仿真应急实用系统作品分类（B ）A机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控 制、工程、交通、建筑等） B信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等） C数理（包括数学、物理、地球与空间科学等） D生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健 康、卫生、食品等） E能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化 工、生态、环保等）作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标设计制作目的： 日常生活中，若发生意外人们需要从建筑物疏散时，人们普遍做法是同时马上冲向楼梯口（忽略有些获知稍迟的，且不考虑用电梯疏散），然后所有人挤在一起撤离。这个撤离方式暂称为“同时跑”。现在人们经常进行的消防演习就是让人们更协调快速安全地“同时跑”。但不是完美的。根据数学分析知，当人员密度较小，人员“同时跑”更好，当然本系统也会采用。当各种情况（如人员较多，楼梯宽度较小等等）造成人员密度较大时，会使教学楼人员在楼梯拥挤难以快速撤离，反而更慢，而且发生意外的可能性更高。本系统主要针对以上存在的问题进行研究，设计出一个系统。本系统是一个通过建立模拟程度较高的数学模型，并结合虚拟仿真技术，能实现人员在应急情况下的优化调度，并能评价疏散意外的风险，能提供对人员进行疏散教育培训，能模拟应急情况下可能遇到的障碍和问题的指挥软件系统。（详见附带文件系统介绍）创新点：1、接近实际：本系统数学模型主要着眼于紧急情况下人员如何更合理地从教学楼疏散，做出具体的人员调配方案，建立数学模型时考虑的因素较多，更接近实际情况。 2、有别前人：当前国内外应急数学疏散模型虽有不少，但大多数通过数学计算和计算机模拟疏散时间、疏散速度、疏散可能造成的拥挤、人员之间作用力等等的方式，仅是对建筑物疏散风险的评价而已。很少考虑如何建立调度机制，来达到人员疏散时间短和出意外风险小的目标。 3、应用虚拟仿真技术，建立虚拟场景，实现对人员进行应急情况撤离培训，以及模拟现实中紧急情况下可能遇到的障碍和问题等。虚拟现实作为一项较新的技术，在各行业有着广泛的应用前景，应用在此系统中有创新性。 4、本系统除了用作应急指挥调度外，还可以用作对建筑物应急疏散风险的评价，指出建筑物应急疏散中可能存在的问题。5、由于该系统涉及到很多求解最优解的问题，而最优问题涉及很广，该系统可推广到很多领域。如超市大卖场的人员调度优化，生产车间人员优化调度等等技术关键：1、实现优秀的更具有实际价值的数学模型 2、做出科学合理的调度方案，及意外的风险评估 3、虚拟场景动画能对人员撤离较好的教育培训等，对应急系统进行较有效的分析和仿真主要技术指标：1、数学模型对真实情况模拟程度 2、调度方案的实际可操作性，及相应的风险水平 2、虚拟场景运算流畅程度作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）1、虚拟现实技术是建立在三维计算机图形学技术、多功能传感及交互接口技术、高清晰度显示技术等一系列新技术的基础上。虚拟现实技术已在产品和建筑设计、产品（如汽车）寿命及安全试验、电影拍摄、娱乐休闲、体育健身、教育培训、军事演习、医疗诊断等诸多领域得到应用，它将是21世纪广泛应用的一种新技术。本系统着重利用其建立虚拟三维场景，对人员进行应急情况疏散教育培训，以及模拟现实紧急情况下可能遇到的障碍和问题。2、科学性。对于“同时跑”，根据数学分析知，当人员密度较小，处在自由流状态时，人员“同时跑”更好，当然本系统也会采用。当各种情况（如人员较多，楼梯宽度较小等等）造成人员密度较大时，会使教学楼人员处于阻塞流状态，即流量下降，反而更慢，而且发生意外的可能性更高。这时采用合理的“调度方案”会更好。系统中涉及的主要数学模型就是分析在应急情况下怎样更合理地安排“调度形式”的疏散方案。详见附带的数学模型方向详解。3、先进性。当前国内外应急数学疏散模型虽有不少，但大多数通过数学计算和计算机模拟疏散时间、疏散速度、疏散可能造成的拥挤、人员之间作用力等等的方式，仅是对建筑物疏散风险的评价而已。很少考虑如何建立调度机制，来达到人员疏散时间短和出意外风险小的目标。本系统借鉴前人优秀的分析方法，并突破性地分析如何通过“调度方案”合理疏散人员，实现疏散时间小和风险程度低的目标。参见附带文件高层建筑垂直应急疏散系统的仿真研究、人群拥挤踩踏事故风险理论及其在体育赛场中的应用等等4、可行性。当采用调度方案时，首先需解决人员服从调配问题和如何通知调度方案等。解决办法详见附带文件问题与思考。5、功能多样性。本系统除了用作应急指挥调度外，还可以用作对建筑物应急疏散风险的评价，还能对人员应急疏散进行培训等。作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果作品所处阶 段（ ）A实验室阶段 B中试阶段 C生产阶段D 制作中 （自填）技术转让方式作品可展示的形 式实物、产品 模型 图纸 磁盘 现场演示图片 录像 样品使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围、推广前景的技术性说明、市场分析和经济效益预测1. 本系统借鉴前人优秀的分析方法，并突破性地分析如何通过“调度方案”合理疏散人员，实现疏散时间小和风险程度低的目标。选题方向领先，使用的技术较先进。2. 应用虚拟现实技术，能提供对人员进行疏散教育培训，能模拟现实中紧急状态的可能遇到障碍和困难。另在虚拟场景中，能方便查看疏散模拟过程情况，给出一些修正数据反馈到数学模型。虚拟现实作为一项很有前景的技术，其技术的先进性和市场远期经济效益等是很好的。3. 可以拓展为一个不是局限于某一栋教学楼的系统，可以将其拓展为一个更抽象化的教学楼应急疏散模型，以适应不同的学校教学楼。不同的教学楼只需输入相应参数，或者稍作修改后，即可变为不同状况下的疏散系统。远期有着广泛的应用前景，经济效益预期良好。4. 本系统除了用作应急指挥调度外，还可以用作对建筑物应急疏散风险的评价，指出建筑物应急疏散中可能存在的问题。这个方向也是有着广泛的应用前景和良好的经济效益的。5. 由于该系统涉及到较多求解最优解的问题，而最优解问题涉及很广，该系统可推广到很多领域。如超市大卖场的人员调度优化，生产车间人员和生产优化调度等等专利申报情况提出专利申报 申报号 申报日期 年 月 日已获专利权批准 批准号 批准日期 年 月 日 未提出专利申请科研管理部门签 章 年 月 日C.当前国内外同类课题研究水平概述说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写； 2.填写此栏有助于评审。挑战杯水平：类似课题：西安理工大学 基于视频监控技术与虚拟现实技术融合的城市智能交通信息处理系统 荣获第十届挑战杯的全国一等奖一方面运用视频分析技术辅助交警分析当前的交通状况，同时计算多条道路的拥堵程度，并可以自动发现违章车辆并报警，代替繁重和不准确的人工的监视；另一方面可以精确告诉司机哪条路最畅通，而对于陌生的地点，通过3D虚拟城市和电子地图的结合显示，也会让司机顺利到达指定目的地。北京交通大学奥运应急物流保障系统的构建及可靠性分析 三等奖北京奥运会的举办既为我国物流业带来了一次难得的跨越式发展机会，也是一次高难度的挑战。对2008年北京奥运应急物流进行规划，是一项重要的不可忽视的工作。本作品从应急物流保障系统不确定性因素分析入手，在确保应急系统可靠性的基础上，根据系统动力学和协同学理论构建出物资供应系统、交通运输系统、仓储系统、配送系统和信息系统，进而通过对子系统分析及系统主因素分析，最终创建奥运应急物流保障系统模型并给出运算和运作方法，为有关部门提供相关理论支持和实际运作技术。大连理工大学 第十届 “月球漫步”虚拟现实系统 二等奖深圳大学 基因工程虚拟实验室山东大学复杂产品的协同虚拟装配系统刘伟伟三等奖河南工业大学虚拟仿真生物反应器邱震三等奖湖南大学建立金融机构突发事件应急管理机制研究朱小奇二等奖广州大学大型居住区突发事件预警与应急机制研究区慧莹二等奖华南理工大学 洪水应急救助体系 二等奖国内外相关应急系统水平和侧重点：黄希发; 大型场馆内突发事件情况下人员应急疏散仿真研究 D;哈尔滨工程大学; 2005年对人员疏散动态学建模和理论和基于Agent的人员疏散仿真建模方法分析较好高层建筑垂直应急疏散系统的仿真研究作者: 张鹏, 朱昌明, 杨广全该文对楼梯和电梯两种撤离方式，人撤离速度有较深入的分析和研究，另仿真模块也做得很出色，不过也都是主要针对撤离方式的一些仿真。人数、环境、撤离策略、路径未考虑很多。论应急疏散预案的制定要点 上海消防局 撤离时间分析较好群集理论在酒店应急疏散中的应用作者: 林亮, 沈斐敏运用群集理论，分析情况较好，有具体方案。但未涉及时间最小等分析，未有虚拟仿真分析。大型公用建筑火灾时人员应急疏散评价模型研究作者: 伍爱友, 宋译模糊综合评判的方法可以借鉴对学校教学楼疏散人数及疏散速度的调查研究用实际数值的调查结果分析疏散人数和疏散速度火灾发生位置对安全疏散影响的研究单因素分析方法可以借鉴拥挤人群疏散数学模型的研究现状探讨文中指出国内针对拥挤人群的疏散模型研究也取得一些进展,但大多还是建立在火灾和建筑物的紧急疏散模型上,而针对更广义的拥挤人群的疏散模型如前面第一起事故中的类型研究较少。国内研究主要方向是：1. 人员疏散行为数学模型及仿真，如人流密度- 人流速度关系曲线( 人员移动速度与人员拥挤密度呈对数的关系)、出口条件对疏散的时间影响研究、疏散速度与密度的关系研究等。事实上，当前国内外应急数学疏散模型虽有不少，但大多数通过数学计算和计算机模拟疏散时间、疏散速度、疏散可能造成的拥挤、人员之间作用力等等的方式，仅是对建筑物疏散风险的评价而已。本系统