（地图制图学与地理信息工程专业论文）基于gis的大型场馆人员消散模拟技术研究.pdf

摘要 摘要 大型活动结束后散场时，短时间内会在消散道路上聚集大量人员，很容易发生拥挤和堵塞事件，严重 时还可能发生踩踏事故。为了保证人员安全、减少消散道路上的拥挤和堵塞、节省个人和群体的消散时 间，可以用仿真软件模拟人员的消散过程，以帮助大型活动的组织者制定有针对性的管理疏导方案，使 全体参加者能够有序退场。为此，本论文对大型场馆人员消散模拟技术进行了全面研究，并以南京市奥 体中心为例建立了基于g i s 的大型场馆人员消散模拟软件。 首先，论文概述了大型场馆人员消散模拟技术的研究背景、研究意义、国内外研究现状，重点分析了 目前国内外研究中存在的问题以及本文的研究内容和研究目的；详细阐述了消散模型的选择、组件式g i s 的开发方式和空间数据库的特点。 随后，论文重点论述了基于地理信息的人员消散模型的建模原理，详细分析了模型中涉及的地理要素 及其在消散模拟中所起的作用，采用了g e o d a t a b a s e 空间数据模型对地理空间数据进行了组织和管理，使 用了类、数据集、数组等数据结构对动态模拟数据进行了组织和管理，设计了消散行为规则，建立了地 理空间数据与消散行为之间的关系。 接下来，论文介绍了基于g i s 的大型场馆人员消散模拟软件的开发方式，详细描述了矢量数据加载、 图层管理、数据浏览、属性查询、数据编辑、数据预处理、模拟参数设置、仿真运行和统计分析等模块 的主要功能和处理流程。其中，数据预处理模块、模拟参数设置模块、仿真运行模块和统计分析模块是 模拟软件的重点模块，担负着对地理空间数据进行预处理、设置模拟参数、进行模拟计算、统计模拟结 果等重要功能。 最后，论文深入分析和讨论了软件优化策略和人员消散模拟结果。通过建立区域索引、以队列方式计 算距离图、使用数据集存储网格数据的方式提高了模拟软件空间数据处理和调用的效率。通过模拟不同 情况下的人员消散过程，分别研究了各起点的预期消散人数、人员生成率、各终点的预期消散人数对消 散时间的影响以及指示牌和引导员对消散过程的作用。得出了各起点的最优人数分配方案以及总体最短 消散时间、各起点的人员生成率与人均消散时间和总消散时间的关系图、各终点的最佳人数分配以及最 短消散时间、指示牌对不熟悉路径的消散人员所起的指示作用以及引导员在减少堵塞点的人均消散时间 和总消散时间上所起的作用。 总之，基于g i s 的人员消散模拟软件能够模拟复杂地理环境中大量人员的消散过程，能够在一定程度 上反映地理空间因素对人员消散行为的影响，能够有效的存储和管理地理空间数据，能够从各个角度统 计和输出模拟结果。因此，基于g i s 的人员消散模拟软件能够在一定程度上为大型活动的组织者提供决 策支持作用，帮助他们制定高效的人员疏导方案，避免拥挤、堵塞现象的发生，减少人均消散时间和总 体消散时间。 关键词：人员消散模型；地理空间数据；g e o d a t a b a s e 空间数据模型；距离图；消散时间 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w h e nl a r g e s c a l ea c 缸v i t i e sa l eo v e r , t h e r ew i l lb en u m e l o u sp e o p l ea s s e m b l i n go nt h ee v a c u a t i o nr o a d s a tt h i s s i t u a t i o n , j 锄a n dt r a m p l ea c c i d e n t sm i g h tb eh a p p e n t oi n s u r ep e o p l e ss a f e t y , r e d u c et h ep o s s i b i l i t yo f j a ma n d i r a m p l ea c c i d e n t sa n ds a v ep e o p l e se v a c u a t i o nt i m e ，s i m u l a t i o ns o f t w a r ec a nb eu s e df o rs i m u l a t i n ge v a c u a t i o n p r o c e s st oh e l pt h eo r g a n i z e r sm a k ee f f e c t i v ee v a c u a t i o np l a n s i nt h i sw a y , p e o p l ec a ne v a c u a t eo r d e r l y s o ， l a r g e - s c a l ee v a c u a t i o ns i m u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e ra n dl a r g e s c a l ee v a c u a t i o ns i m u l a t i o n s o f t w a r eb a s e do ng i si sb u i l tw i t ht h ee x a m p l eo fn a n j i a go l y m p i cs t a d i u m i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo fl a r g e - s c a l ee v a c u a t i o ns i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya r e g e n e r a l i z e d t h g l lt h er e s e a r c hc o n t e z l t sa n do b j e c t i v e sa r ef i x e do i lb yt h es t u a yo f r e s e a r c hs t a t u si na n da b r o a d c o u n t r yw i t ha l le m p h a s i s0 1 1t h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h e s es y s t e m s a n dt h e nt h ep r i n c i p l e so f $ o l l l ef a m o u s e v a c u a t i o nm o d e l s ，c o m p o n e n t - b a s e dd e v e l o p m e n ta p p r o a c ha n ds p a t i a ld a t a b a s ea l ep a r t i c u l a r l ye x p a t i a t e di n t h es e c o n dc h a p t e r t h et h i r dc h a p t e ri so n eo ft h ee m p h a s e si nt h i sp a p e l t h ep r i n c i p l e so fe v a c u a t i o ns i m u l a t i o nm o d e lb a s e do n g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o na r ea d d r e s s e dh e r e t h eg e o g r a p h i cf e a t u r e sc o n t a i n e di nt h i sm o d e l a r ew e l lo r g a n i z e d a n dm a n a g e db yg e o d a t a b a s es p a t i a ld a t am o d e l t h ef u n c t i o nt h e yh a v e0 1 1e v a c u a t i o np r o c e s si sd i s c u s s e dt o o t h ea y n a m i cs i m u l a t i o nd a t a sa r eo r g a n i z e db ys o i i 舱p r e d e f m e dc l a s s ，d a t a t a b l ea n da r r a y s t h ew a l k i n gr u l e s o fp e o p l ei nt h ee v a c u a t i o np r o c e s sa l ea l s om a d ei nt h i sc h a p t e r i nc h a p t e rf o u r , l a r g e s c a l ee v a c u a t i o ns i m u l a t i o ns o f t w a r eb a s e do ng i si sd e v e l o p e d i ti n c l u d e s9f u n c t i o n a l m o d u l e s ：v e c t o rd a t al o a d i n g ，l a y e rm a n a g e m e n t , d a t av i e w , a t t r i b u t e si n q u e r y , d a t ae d i m g ，d a t ap r e p r o c e s s ， s i m u l a t i o np a r a m e t e rs e t t i n g ，s i m u l a t i o nn m n m ga n ds t a t i s t i c t h el a s tf o u rm o d u l e sa r ei m p o r t a n t , a st h e ya l e i nc h a r g ef o rt h ew h o l ep r o c e s so fe v a c u a l i o ns i m u l a t i o n i nt h ef i f u hc h a p t e r , t h em e t h o d st oi m p r o v es y s t e me 伍c i e n c ya r ed i s c u s s e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa l e a n a l y z e d a r e ai n d e x , q u e u ea n dd a t a t a b l ea l et h es t r a t e g i e st oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fs p a t i a ld a t ap r o c e s s a n dm a n a g e m e n t t l l r o u g l am a n yt i m e so fe v a c u a t i o ns i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sl l l k i e rd i 伍e r e n tc o n d i t i o n s ，t h e e x p e c t e de v a c u a l i o nn u m b e ro fe v e r ys t a r t i n gp o i n t , t h ep e o p l eg e n e r a t i o ns p e e da n dt h ee x p e c t e de v a c u a t i o n 1 3 u m b e l o fe v e r yt e r m i n a la l l ea l lt e s t e dt oh a v ee f f e c t so nb o t hi n d i v i d u a la n dt h ew h o l ee v a c u a t i o nt i m e p e o p l e w h oa l en o tf a m i l i a rw i t he v a c u a t i o nr o a d sc a l lb eg u i a e ab ys i g n p o s t sa n dp e o p l ew h oa l ei naj a mc a l lb el e dt o an e a r b ya n do p e nt e r m i n a li nt h ee v a c u a t i o ne x p e r i m e n t s t h el a s tc h a p t e rn l a ：k e sas m n n m l 3 , o ft h i sp a p e ra n dd i s c u s s e st h ed e f i c i e n c i e sn e e d e dt oi m p r o v ei nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：e v a c u a t i o ns i m u l a t i o nm o d e l ；g e o s p a l i a ld a t a ；g e o d a t a b a s es p a d a ld a t am o d e l ；d i s t a n c em 印； e v a c u a t i o nt i m e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：至盔昌 日期：垄盟立z 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：圭苤鱼导师签名： ，舯一 丽征v ) ， 一， 7 l 基。 j 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 近年来，我国国民经济飞速发展，人民生活水平显著提高，综合国力稳步增强，应物质文明建 设和精神文明建设的需要，我国承办起越来越多的大型国内、国际会议、文化交流活动和体育赛事。 与此相适，各种现代化的大型综合活动场馆在我国各地拔地而起，这些场馆就成为重大国内、国际 活动的举办地。通常，这些场馆占地面积很大，建筑结构复杂，在此举行的活动规模巨大，参加人 数可达几万人，并且呈现短时间内大量聚集或疏散的特点。目前，许多大型场馆在设计时已经考虑 到了大规模人流集散这一要求，在多个方向上设置了宽阔的出入口通道，并设置了一定数量的指路 标示牌。但是，大多数人并不经常到这样的大型场馆参加活动，因此对场馆区域的道路网络并不熟 悉，而指路标志牌又常常被忽视，这就使一部分人由于走错路而折返或绕行，干扰了正常的散场人 群流动，增加了个人和群体的散场时间，给参加活动的人们带来不便。再加上人们具有盲从、排他 和期望快速避开混乱的心理，因此，当散场人群密度较大又缺乏有效的疏导管理时，疏散通道上很 容易发生拥挤、混乱，严重时还可能发生踩踏事故，导致不必要的人员伤亡。因此，根据每次活动 的特点( 参加者人数，在场馆内的位置分布，活动时间等) ，制定有效的管理疏导措施( 如应在何处 设置指路标志，在何处安排疏导人员等) ，使全体参加者能够有序的进场、退场，并使个人和群体所 用时间最短，且在发生特殊情况( 如火灾、地震、暴力事件) 时能够及时疏散人群，就成为大型活 动的组织者考虑的重要问题。 目前，解决大型场馆人员疏导问题的常用方法是：应用交通仿真软件对人流集散过程进行仿真 预测。通过计算机模拟，找到容易发生拥堵的地点，采用多次实验的方法找到最佳解决方案。 系统仿真，就是以控制论、相似原理和计算机技术为基础，借助系统模型对现有系统或未来系 统进行实验研究的一门综合性新兴技术。利用系统仿真技术，研究系统的运行状态及其随时间变化 的过程，并通过观察和统计得到仿真输出参数和基本特性，以此来估计和推断现有系统或未来系统 的真实性能和运行规律，这个过程称为系统仿真过程。 交通系统仿真是指用系统仿真技术来研究交通行为，是一门对交通运动随时间和空间的变化进 行跟踪描述的技术。交通仿真研究的两个核心内容是交通仿真模型的建立以及交通仿真实验系统的 开发。交通仿真分析技术具有直观、准确、灵活的特点，是描述各种复杂交通现象的一个有效手段。 目前，交通仿真已成为国际上交通工程界研究的热点之一。 然而，交通系统是一个复杂的动态大系统，具有空间性、时间性和海量数据的显著特点，即任 何一种交通现象的发生都必然与一定的时刻或时间段相关，与发生地点的空间地理特征相关，并且 交通现象的发生还会产生海量的动态数据。大型场馆区域人员的消散过程就是一种典型的复杂交通 现象，一般会延续几十分钟，受消散道路网络的空间结构特征( 如疏散道路的宽度、长度、走向、 坡度、曲线程度、交叉点、台阶高度等) 的显著影响，并且从消散过程开始到结束的每一个时间步 长内，消散人员的分布、数量、个体的运动状态和空间位置都会发生变化，由于大型活动的参加者 众多，导致产生了海量的动态数据。因此，应用传统的交通仿真软件模拟大型场馆内人员的消散过 程具有非常明显的局限性，体现在：传统的交通仿真软件不能存储和管理空间数据，这样就无法 模拟消散道路网络的空间结构特征与消散过程中个体行为的关系；传统的交通仿真软件无法记录 海量的动态数据，而这些数据对于计算和分析模拟结果又非常重要。传统的交通仿真软件几乎不 具备空间分析功能，这就限制了空间定位、查询、路径查找以及决策支持等功能的实现和系统功能 的进一步扩展。为了解决这三个问题，我们有必要将地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m , 东南大学硕士学位论文 g i s ) 引入交通仿真领域，作为组织、管理、分析、表达空间数据和动态数据、进行空间分析的重要 手段。 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n 钳s t e m , g i s ) 是一种特定的十分重要的空间信息系统。它 是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层( 包括大气层) 与空间和地理分布有关的 数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。g i s 处理、管理的对象是多种 地理空间实体数据及其关系，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂 的规划、决策和管理问题。g i s 所具有的强大的空间数据管理、表达和空间分析功能，使得g i s 非 常适合于对发生在一定地理空间内的交通现象( 或过程演化) 进行模拟和预测弘圳。 应用g i s 技术对大型场馆区域人员的消散过程进行仿真研究，可以有效的解决地理空间数据的 组织、管理、分析和表达的问题，使我们能够建立起消散道路的空间结构特征与个体消散行为之间 的作用关系；同时g i s 强大的空间分析能力，可以有效的解决模拟中快速空间定位、查询、路径搜 索等问题，从而构建出更加合理和高效的消散模型，更准确、更真实的模拟人群的消散过程，提高 仿真结果的可信度和实用性。并能够有效的提取和管理模拟过程中产生的海量动态数据，为计算和 进一步分析模拟结果提供了有力保证，从而为大型活动的组织者提供更好的决策支持服务。 1 2 人员疏散模拟研究概要 目前，人员疏散模型的建模方法大致有两种：一种是宏观方法，把人群视为连续流动的介质， 可以利用现成的流体力学的研究成果，但此方法忽略个体作用和个体间的差异；另一种是微观方法， 充分考虑人员的个体行为特征，通过计算机直接模拟人员在建筑物内的移动过程，记录不同人员在 不同时刻的几何位置，从而计算建筑物内的人员疏散时间并动态地显示人员疏散移动的全过程。微 观方法又可分为微观连续模型和微观离散模型。微观连续模型能够较真实的重现行人流中的许多现 象，其中最著名的是h e l b i n g 的“社会力”模型1 4 j ，但是其运行速度慢，计算机模拟时间随人数的增 加呈指数增长，不太适合大空间、大量人员的疏散模拟。微观离散模型的特点是规则简单、运算速 度快，其中使用最多的是元胞自动机模型 5 - 8 1 和“有偏随机行走者格子气”模型弘j 。 1 2 1 国外研究概况 使用计算机对人员疏散过程进行模拟始于2 0 世纪8 0 年代，第一篇文章是s t a h lf 在1 9 8 2 年撰写 的关于火灾状况下人群疏散模拟的文章“ab e h a v i o rb a s hc o m p u t e rs i m u l a t i o no fe m e r g e m 3 ，e g r e s s d u r i n gf i r e s ” 1 2 1 。随后，研究人员借助计算机建立了多种有关建筑物人员有计划疏散行为规律的数 学模型，用来指导应急疏散设计和建筑物防灾设计。从2 0 世纪9 0 年代初至今，人员的安全疏散问 题日益引起国际学术界的重视，对人员疏散仿真模型的研究，从以群体为研究对象的宏观模型逐渐 发展到以个体为研究对象的微观模型。 e v a c n e t 是一个使用广泛的人员疏散网络模拟软件，由美国佛罗里达大学开发，将建筑物结构 以网络的形式描述，将人群在建筑内的走动模拟为水在管网内的流动。对人员的个体特性没有考虑， 而是将人群的疏散作为一个整体运动进行处理，并对人员疏散过程作了理想性假设。e v a c n e t 主 要用来模拟地铁车站等场所的安全疏散过程，但是由于模型假设的理想性，对于人员个体的流动模 拟存在较大的不足，与人员疏散的实际过程可能存在一定的差别i l 引。 l e g i o n 是英国l e g i o n 公司开发的地点客流仿真模拟软件，可以用于模拟在交通站点、体育馆或 其他任何环境下行人的流动。l e g i o n 软件是一种微观行人仿真软件，建立在行人个体特性和行为的 研究基础之上，将人群中每个个体的运动都加以真实地模拟再现。但是，l e g i o n 软件假定行人个体 只能以4 5 。移动，在这个前提下，如果行人想要以其它角度移动，就必须通过多次移动的方式来实 现，跟实际的行人移动相比，移动距离增加，从而影响了仿真结果l j 引。 2 第一章绪论 英国爱丁堡大学的t h o m p s o n 和m a r c h a n t 等开发了大型建筑物人员疏散模型s i m u l e x 。 s i m u l e x 能模拟大空间、复杂几何结构的建筑物中大量人员的疏散过程，用户可以看到每个人在 建筑物中的任意一点、任意时刻的移动。s i m u l e x 使用三个圆形来近似表示个体，在路径查找时 引入了“距离图”的方法。s i m u l e x 通过计算人员与障碍物之间的距离来调整人员的移动速度， 还使用了算法来表现人员的超越现象。由于s m i ，e x 软件的易用性以及它能够较为真实地反映出 疏散过程中可能出现的各种情况，几乎所有类型建筑物的整体疏散策略都能被完全测试，它已经被 越来越多地应用于工程设计、评估工作中，成为性能化设计、评估的重要辅助工具【1 4 1 。 德国德累斯顿理工大学的h e l b i n g 建立了模拟行人动力特性的“社会力”模型( 也称多粒子自驱 动模型) 。模型假设行人的运动受到“社会力”的支配，“社会力”表示人与人、人与环境之间的社 会心理和物理作用。“社会力”模型的连续性特征使得它可以精确的描述各种层次的作用力，模拟结 果真实、可靠，能够成功的再现行人流中的许多现象，如人群在出口处的“成拱”现象，恐慌状态 下的“快即是慢”现象等。但是“社会力”模型计算复杂度高、耗费计算资源多、计算时间长，不 适合进行大空间、大量人群的疏散模拟【4 j 。 英国格林威治大学开发的b u i l d i n g e x o d u s 是一种模拟建筑物中人员疏散运动的软件。 b u i l d i n g e x o d u s 模型中可以用粗网格或细网格表示疏散空间，追踪每个人在封闭空间中寻找道路的 踪迹，考虑人与人、人与疏散环境之间的相互影响，每个人的行为和运动由一系列的启发式规则确 定。b u i l d i n g e x o d u s 是以面向对象技术、在基于规则的基础上用c + + 语言编写的，不仅可以对建筑 物中的人员疏散进行模拟，还可以对开放空间中的疏散过程进行模拟，并对可能出现的拥挤、滞留 等现象进行预测，以评估各种类型结构的疏散能力、调查人群的运动效率l ”j 。 元胞自动机模型将建筑物空间完全离散化为大小均匀的网格，假设疏散人员在一定的启发式行 为规则的指导下沿这些固定的网格移动。元胞自动机模型省去了构建微分方程的繁琐，规则简单， 运算速度快，但是在一定程度上限定了人员流动行为的主观性和随机性，无法很好地反应人员流动 的可压缩性【5 - 8 】。 日本静冈大学的m u r a m a t s u 等提出了一种“有偏随机行走者格子气”模型，与元胞自动机模型 类似，把研究地点细化为格子，把行人视为在格子上活动的粒子，通过概率统计的方法来研究步行 系统的特点。其最明显的缺陷是将人群中的所有人建模为相同的、没有思考能力的个体，没有考虑 各种相互作用以及决策过程恃】。 日本静冈大学的t a j i m a 和n a g a t a n i 等采用“有偏随机行走者格子气”模型研究了行人流中的许 多现象，如t 形通道中行人的汇流现象【刈；无瓶颈的通道中行人的汇流现象7 j ；带瓶颈的通道中行 人流由自由流到阻塞流的相变点( 人群密度) 与饱和流率的关系以及相变点、饱和点与瓶颈宽度、 通道宽度的关系【1 8 ，1 9 】；对向行人流中的聚集成列现象、侧身现象以及分隔栏的作用【舡2 4 】；交叉口行 人流的相互作用1 2 5 1 ；人群离开房间的过程中从阻塞流到衰减流的相变现象以及流出率、相变时刻与 出口宽度的关系。 阿根廷的p a r i s i 和d o r s o 使用“社会力”模型研究了出口宽度、期望速度以及疏散人数对疏散效 率的影响 2 7 , 2 8 】。 1 2 2 国内研究概况 在我国，针对人员疏散模拟的研究尚处于起步阶段，大部分是从建筑安全的角度出发，着重研 究在建筑物内发生紧急事故如火灾时人员的安全疏散问题。其中比较有代表性的是： 武汉水利电力大学的方正和香港城市大学的卢兆明开发了模拟火灾情况下人员疏散行为的 s g e m 模型。s g e m 模型从个体的运动规律出发，将建筑物在平面上划分成能反映人员具体位置的 直角坐标网格，利用拉格朗日方法分析每个人的移动速度，用场模拟的方法得到了建筑物疏散时间 和人员疏散轨迹，其仿真结果与国外同类软件相比具有较好的精度1 2 9 。 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的研究人员对人员疏散模型进行了广泛深入的研 3 东南大学硕士学位论文 究，其中，宋卫国等在经典元胞自动机模型的基础上，量化确定了摩擦力和排斥力的运算规则，提 出了一种新的元胞自动机模型( c a f e ) 3 0 , 3 1 】。随后，他们将“社会力”模型与“有偏随机行走格子气” 模型结合起来，建立了新的“多网格模型”，模拟了人员在单一出口的大房间中的疏散过程，分析了 相互作用力对疏散时间的影响【3 引。杨立中、李健等建立了基于元胞自动机的人员疏散模型，充分考 虑了个体的行为特征，引入了“总危险度图”的概念，使模型在确定人员逃生路线时更方便、更合 理p ”4 i 。陈智明、霍然等根据流量限制原理建立了网络疏散模型，分别讨论了四种不同结构类型的 建筑空间内人员疏散时间的计算方法 3 5 , 3 6 1 。祝佳琰、张和平提出了一种基于网络模型的人员安全疏 散时间的预测方法，将建筑物的疏散设施抽象成网络节点，将人员在建筑物中的疏散过程简化成节 点的串联模型、并联模型或串、并联综合模型了7 1 。除了建立各种疏散模型之外，宋卫国、朱艺等还 对人员疏散现象进行了多次模拟，重点研究了出口条件、期望速度、人员密度对疏散时间的影响【8 】【3 8 1 。 沈阳建筑大学的张培红、陈宝智等提出利用离散系统分析动力学的方法建立了人员疏散行为数 学模型，对不同空间特征的疏散通道上的群集流动规律进行了研究【3 9 删。随后，他们吸取了“社会 力”模型的思想，利用智能体技术，建立了群集流动的微观动力学模型，借助自适应网格生成技术 实现了对人员群集流动的计算机模拟 4 3 , 4 4 j 。 北京师范大学的李强、崔喜红、陈晋等应用元胞自动机模型模拟了大型公共场所的人员疏散行 为，重点分析了疏散过程中从众行为的成立条件及其对疏散时间的影响。随后，他们对模型中的疏 散速度和疏散时间进行了改进，进步模拟了不同人员按照各自的意志分别采取最短距离行为模式、 进出一致行为模式和完全从众行为模式；并详细探讨了疏散过程中的引导作用，以期提高疏散效率 【5 卅。 同济大学的何大治、潘忠、王长波等提出了基于几何的人员疏散模型，人员可以向任意方向运 动，按照路径最短原则确定人员的疏散路径，引入路径搜索算法实现了人员对障碍物的绕行、超越， 等待等现象。这种方法使疏散模拟更真实、更精确 4 5 , 4 6 。 其它的宏观模型还有：重庆大学的郭丹、王厚华对空间节点进行了细化，根据网络控制原理， 建立了完善合理的疏散行动时间预测数学模型，以此为基础开发出了高层建筑人员疏散行动时间预 测软件【47 们j 。武汉大学的王平、方正、袁建平等开发了高层建筑人员疏散计算机模型( b u i l d g e m ) t 4 9 1 。 中国矿业大学的谢旭阳、周心权将火灾模型和疏散模型结合起来，可得到疏散时间和建筑物内人员 滞留的情况p 。南开大学的张青松、刘茂、赵国敏提出了基于人群流动理论和离散计算方法的疏散 离散时间计算模型( e d l m ) ，与b u i l d i n g e x o d u s 的模拟结果非常接近，比传统计算公式更为精确和 符合实际情况p 1 | 。河南理工大学的孔留安、周爱桃等应用排队论知识，结合“社会力”模型，综合 考虑建筑结构特征和人员个体特征，建立了人员疏散数学模型p2 | 。 其它的微观模型还有：西南交通大学的徐高利用智能体( a g e n t ) 技术建立了建筑物内人员疏散的 仿真模型，考虑了人员心理状态对疏散的影响p 引。清华大学的翁文国、袁宏永、范维澄将移动机器 人的运动模式与元胞自动机理论相结合，建立了人员疏散模型，人员运动模式包括目标制导、避障、 绕行和紧张行为p 制。 其它关于人员疏散模拟的研究还有：武汉大学的陈大宏、段金曦等研究了建筑物内人员疏散模 拟中几何数据的创建方法p 川。北京交通大学的张建勋、韩宝明、李得伟利用微观交通仿真软件v i s s i m 对地铁换乘枢纽站内乘客交通流的组织运行状况进行了分析及仿真实现【5 6 】。公安部上海消防研究所 的宋娜娜利用s i m u l e x 疏散模拟软件对上海地铁一号线中山北路车站进行了人员疏散模拟分析， 评估了在不同人员载荷下的人员疏散能力i j 。 综上所述，前人对于人员疏散模拟的研究成果和不足之处如表l 1 人员疏散模拟研究现状的总 结所示： 4 第一章绪论 表1 1 人员疏散模拟研究现状的总结 研究成果 不足之处 分析和量化了人员的心理因素和生理因素 不能存储和管理地理空间数据 对疏散行为的影响 分析和量化了人与人、人与环境之间的相 无法记录海量的动态数据 互作用力对疏散过程的影响 几乎不具备空间分析功能 对地理空间特征的显示和表达方式较单 一、不美观 目前国内外对于人员疏散模拟研究的重点有两个：一个是分析和量化人员的心理因素和生理因 素对疏散行为的影响；另一个是分析和量化人与人、人与环境之间的相互作用力对疏散过程的影响。 而对于疏散场所的空间特征的研究则很少，已经建立的人员疏散模型对于地理空间特征的表达和地 理空间数据的处理也很简单。在以往的人员疏散模拟实验中，模拟环境大多是一个形状规则的房间 或带瓶颈的通道，只有少数几位研究人员进行了整个楼层的疏散模拟实验( 包括规则形状和不规则 形状的房间以及走廊) 。究其原因，是这些模型在设计时，没有用系统的方法来存储和管理地理空间 数据，因此无法建立地理空间特征与人员疏散行为之间的关系，也就无法表现地理空间特征对人员 疏散过程的影响。另外，以往的人员疏散模拟软件在动态模拟数据的管理、空间分析以及模拟场景 的表现等方面功能都比较弱。总之，以往的人员疏散模型不适合模拟复杂的地理环境中发生的疏散 现象，也不能反映地理环境对人员疏散过程的影响。 1 3 研究目的 为了使人员消散模拟适于在复杂的地理环境中进行，为了能够反映并且分析地理空间因素对人 员消散行为的影响，应用g i s 的空间数据库技术对地理空间数据进行有机的组织和管理，使我们在 描述地理空间数据的基础上，能够建立起地理空间数据与人员消散行为之间的关系，通过消散模拟 表现地理空间数据对人员消散过程的影响，并且根据不同的地理环境条件下的消散模拟结果分析地 理空间因素对消散过程的作用关系，使人员消散模拟实验能够对建筑物的消散性能设计起到科学的 指导作用、对制定合理的消散方案起到决策支持作用。 1 4 研究内容 通过对人员疏散模拟技术的国内外研究现状进行总结与分析，我们发现以往的研究只重视分析 和表达疏散人员之间的相互作用，而地理环境对疏散人员的作用方面的研究非常欠缺，因此本文确 定了以下三个研究重点： ( 1 ) 地理空间因素对人员消散行为的作用关系： 研究都有哪些地理空间因素对人员的消散行为有影响，这种影响又是如何体现在人员的消散行 为上的，如何用数学模型量化表示他们之间的这种作用关系，使得仿真程序能够准确再现地理环境 影响人员消散的典型现象。 ( 2 ) 地理空间数据的存储结构 研究如何以合理的数据结构存储和管理地理空间数据，主要是地理空间数据库的设计。目标是 尽可能减少数据的预处理工作量，增进仿真程序读取和处理地理空间数据的智能化，减少数据冗余， 5 东南大学硕士学位论文 提高数据管理和调用的效率。 ( 3 ) 仿真结果的统计分析 在不同的地理环境条件下对人员消散过程进行模拟，观察消散过程中产生的各种现象，分析这 些现象产生的原因，统计人员消散动态数据，得出地理环境条件对人员消散行为的作用关系，并充 分发挥仿真软件的决策支持作用：利用仿真模拟确定照明设施、指路标志、引导员的最佳安置位置 和数量，使得消散过程顺利、高效完成；针对不同的人员数量、分布状况、出口吸引力( 周边交通 设旌的吸引力) 等条件生成合理的人员消散方案；自动检测瓶颈点等。 论文的章节安排如下：第一章是绪论部分，介绍人员疏散模拟技术的研究背景、研究意义、国 内外研究现状、研究目的以及研究内容；第二章是相关技术研究，主要阐述消散模型的选择、 s m 砌l e x 和元胞自动机模型的原理、组件式g i s 的开发方式和空间数据库的特点；第三章论述基 于地理信息的人员消散模型设计，包括模型中涉及的地理要素及其在消散模拟中所起的作用、地理 空间数据库设计、消散模型设计以及动态模拟数据的组织与管理；第四章阐述大型场馆人员消散模 拟软件设计，包括软件开发方式、软件功能模块、软件数据结构、软件模拟流程、软件数据库和软 件界面设计；第五章分析和讨论软件优化策略和人员消散模拟结果；第六章对论文工作进行总结和 展望。 6 第二章人员消散模拟的相关技术研究 第二章人员消散模拟的相关技术研究 人员消散模拟涉及到的相关技术主要有消散模型的工作机理、模拟软件的开发方式、空间数据的组织 与管理等。本章就这几个方面阐述目前人员消散模拟领域的关键技术。 2 1 人员消散模型研究 “社会力”模型【4 】、s i m u l e x 1 4 】和元胞自动机模型【5 - 8 1 是人员消散模拟中的经典模型。 2 1 1 “社会力 模型 德国德累斯顿理工大学的h e l b i n g 建立了模拟行人动力特性的“社会力”模型( 也称多粒子自驱动模 型) 。模型假设行人的运动受到“社会力”的支配，“社会力”表示人与人、人与环境之间的社会心理和物 理作用。“社会力”模型的连续性特征使得它可以精确的描述各种层次的作用力，模拟结果真实、可靠， 能够成功的再现行人流中的许多现象，如人群在出口处的“成拱”现象，恐慌状态下的“快即是慢”现象 等。但是“社会力”模型计算复杂度高、耗费计算资源多、计算时间长，不适合进行大空间、大量人群的 疏散模拟。 “社会力”模型假定行人受到社会心理和物理的作用。质量为m ，的行人i ，期望以大小为谚，方向为p ? 的速度疏散，他会在疏散中不断地调整自己的实际速度v f ，假定其在c 时间内加速到口。同时，他要与墙 和其它行人保持一定的距离，用丘和五来模拟墙和其他行人对行人i 的作用力。在时间t 内速度的变化可 以用式l 所示的运动学方程描述： 鸭鲁：职业掣+ 乃+ 厶 ( 1 ) “ f ，d ，) w 位置，；( t ) 的改变由速度m ( t ) 得出。通常情况下，行人i 和行人，有保持一定距离的心理趋势，用 a fe x p ( ( r g d 玎) b f ) n 扩来表示两人之间的这种排斥力。其中，4 ，b 是常量，表示行人f 受到的 “社会力”的影响系数，表示行人i 和行人，自身的半径之和，以表示行人i 和行人，质心之间的距离， 嘞表示从行人，指向行人i 的方向。当两个人的距离小于二者半径之和，即乃一呜 u 时，假设两人之间 会产生额外的接触力。这种接触力既包括两人之间产生的身体压力，用绍i 一d ，j 来表示；又包括 切线方向上产生的摩擦力，用7 曙【芬一呜j 哆弓来表示。其中，岛表示切线方向，即与垂直的方向， 叫，表示两人的速度差在切线方向( 即如方向) 上的投影，k 和r 是常量。这两种接触力对于理解惊慌群 体内部人与人之间的相互作用很有必要。综合起来，行人i 和行人，之间的相互作用力可以表示为式2 ： r 单， 乃= ia , e 马+ 船【勺一d u ) i + x g ( r o 一吃) v 二勺 ( 2 ) ll 其中，函数g ( x ) = 之三三三 类似的，人与墙之间的相互作用力可以用式3 表示： 7 东南大学硕士学位论文 厶= a ，e 丛b , 蚓似) 卜毗砒。 厶= i+ 堙( ，；一丸) i 一增( ，；一九) ( b - k ) o ( 3 ) 其中，；表示行人f 的半径，如表示行人f 到墙w 的距离，、屯分别表示法线和切线方向，( 哆) 表示行人i 的速度在切线方向( 即方向) 上的投影。在每一个时间步，模型根据每一个行人的受力情况 决定其下一步的行走速度和方向【4 1 。 2 1 2 s i m 【，e x 英国爱丁堡大学的t h o m p s o n 和m a r c h a n t 等开发了大型建筑物人员疏散模型s i m u l e x 。s i m u l e x 能 模拟大空间、复杂几何结构的建筑物中大量人员的疏散过程，用户可以看到每个人在建筑物中的任意一点、 任意时刻的移动。s i m u l e x 使用三个圆形来近似表示个体，在路径查找时引入了“距离图”的方法。 s i m u l e x 通过计算人员与障碍物之间的距离来调整人员的移动速度，还使用了算法来表现人员的超越现 象。由于s i m u l e x 软件的易用性以及它能够较为真实地反映出疏散过程中可能出现的各种情况，几乎所 有类型建筑物的整体疏散策略都能被完全测试，它已经被越来越多地应用于工程设计、评估工作中，成为 性能化设计、评估的重要辅助工具。 ( d s d m n , e x 疏散模型中对于建筑物的定义和空间分析： s i m u l e x 拥有专门的绘图模块( d r a w p l a n ) ，用户通过绘制一系列的墙体来描述建筑物的平面结构。 每面墙体都被绘制成矩形，用户可以自定义墙体的长宽和方向。这种方法使用户能够方便、快捷的输入 疏散模拟的建筑环境。 s m u l e x 通过定义“距离图”来完成查找最短路径的空间分析功能。s i m u l e x 中的g r i d f o r m 模 块首先将上一步绘制的建筑结构平面图划分成o 2 5 0 2 5 米的方格；然后定义每个方格的状态( 障碍物或 空) ；接下来设置出口处的网格值为0 ，其余网格都被赋予与出口的最短距离值；最后将每个网格的属性值 保存成数据文件。 s i m u l e x 运行前的初始化工作： s i m u l e x 根据“距离图”生成最佳疏散路线。首先s i m u l e x 允许用户用鼠标选择疏散起始网格，然 后使用路径查找算法找到最佳疏散路线：从起始网格到出口网格生成一条折线，每段长度为0 2 5 米，每段 折线的方向为垂直于等距离线指向出口网格的方向。但是这条疏散路线只用来提供当前的最佳疏散方向， 把它作为真正的疏散路径是不够精确的。s i m u l e x 使用浮点数来表示个体所在位置的横纵坐标，以精确 的计算疏散路径。 接下来用户定义建筑物内待疏散人群的分布状况：用鼠标单击某一区域中的任意点，然后输入这一 区域的人员密度，人员就被均匀的分布到该区域，并被赋予一个随机的初始方向和初始速度。 最后用户需要定义待疏散人员的身体形状：f m i n ，p r e d t e c h e n s k i i 和m i l l i r t s k i i 使用椭圆形来表示个体， 但是这样计算两个人是否相撞就很麻烦，要用到牛顿迭代求解法。考虑到椭圆形只是人的身体形状的一个