（计算机软件与理论专业论文）基于力的虚拟人群疏散仿真模型.pdf

摘要对于人员聚集场所，人员疏散的过程l 存在很大的奠全引忠。采用虽佳疏散方案在最短时问让人员到达安全场所，才能止更多的人避免死j 、：。对公共场所的人群疏散进行计算机仿真是具有现实意义和实用价值的。m 前进行人员疏散仿真主要用到离散型模型雨i 连续型模型两种，两种模型有着各白的优缺点。经典的离散型模型规则简单，运算速度快，资源耗费小，适合用丁人员密度小的情况下，但不能描述人与人、人与环境之间的排斥力和摩擦力；连续型模型可以描述人与人、人与环境之问的社会心理和物理作用，模拟拥挤、堵塞、快即是慢等特殊现象，但计算复杂度高，耗费资源多，计算时问长，速度慢。本文提出的基于力的人群疏散仿真模型量化了摩擦力、排斥力和吸引力三力，并且引入了人群行为规律，因而可以较好的描述人与人、人与环境之间社会心理和物理作用产生的如棚挤、堵塞等现象；模型采用的是元胞自动机模型，因而规则简坼，运算速度快。从而此模型既结合了离散型模型和连续型模型两种模型的优点，又避免了其短处。从此模型开发出来的系统软件来看，此模型是切实可行并且符合疏散的基本规律。利用系统软件本文分析了两出口间距离设置规律，也分析了出口处设置障碍物对逃生的影响舰律。系统软件对安全设置、建筑物结构设置有一定的帮助。关键词：人群疏散，l 吸引力，摩檫力，排斥力a b s tr a c tw h e r et h e r ei sac r o w d ，t h e r ei sap r o b l e mo ft h ec r o w de v a c u a t i n g t h ep r o c e s so ft h ec r o w de v a c u a t i n gi sa c t u a l l yf u l lo fd e a t h t r a p s t h eb e s t - c h o s e np l a nt oe v a c u a t et h ec r o w dc o u l db r i n gt h ee v a c u a t e dt os a f e t yw i t h i nt h el e a s tt i m es oa s t os a v em o r ep e o p l e i ti ss u r e l yo fg r e a ts i g n i f i c a n c ea n dv a l u et oe x p l o i ts o f t w a r eb yc o m p u t e rt og e n e r a t eas i m u l a t i o no fa ne n v i r o n m e n to ft h ec r o w de v a c u a t i n g t h ep r e s e n ts i m u l a t i o no ft h ec r o w de v a c u a t i n gm a i n l yi n v o l v et h ed i s c r e t em o d e la n dt h ec o n t i n u o u sm o d e l ，w h i c hb o t hh a v et h e i ro w na d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h ec l a s s i c a ld i s c r e t em o d e li ss i m p l ei nr e g u l a t i o na n di h s ti nc o m p u t i n gs ot h a ti tc o n s u m e sl e s sr e s o u r c ea n ds u i t st h el o w d e n s i t yc r o w de v a c u a t i n gi n d e e d ，b u ti ti sd e f i c i e n ti nd e s c l i b i n gt h ei n t e r p e r s o n a la n db i o e n v i r o n m e n t a lr e p u l s i o na n df r i c t i o n ；t h ec o n t i n u o u sm o d e ld o e sw e l li nd e s c r i b i n gt h es o c i a lm e n t a la n dp h y s i c a lr e s p o n s ei n t e r p e r s o n a l l ya n db i o e n v i r o n m e n t a l l yb ym e a n so fr e f l e c t i n gt h er e a lw o r l do fh u s t l e ，c o n g e s t i o n ，t h s t - i s s l o wp a r t i c u l a r l yb e i n gs i m u l a t e da n dc r o w db e h a v i o rr u l e ，h o w e v e ri ti sc o m p l e xi nc o m p u t i n g ，e x p e n s i v ei nr e s o u r c ea n ds l o wi ns p e e d t h i st e x tp u t sf o r w a r dt h es i m u l a t i n gm o d e lo ft h ev i r t u a lc r o w de v a c u a t i o nb a s e do nf o r ( ? ew h i c hn o to n l ys i m u l a t e st h ev i r t u a lc r o w db u ta l s oq u a n t i z e st h ef r i c t i o n ，r e p u l s i o na n da t t r a c t i o n t h en e wm o d e lc o u l db e t t e rd e s c r i b et h es o c i a lm e n t a la n dp h y s i c a lr e s p o n s ei n t e r p e l s o n a l l ya n db i o e n v i r o n m e n t a l l yu n d e rt h ec o n d i t i o n so fh u s t l ea n dc o n g e s t i o nb e c a u s ei tc o n s i d e r st h ei n t e r p e r s o n a lb e h a v i o rn o r m s ，o w i n gt ot h ea p p l i c a t i o no ft h ec e l l e ra u t o m a t am o d e lt h en e wm o d e l ，w h i c hi ss i m p l ei nr e g u l a t i o na n df a s ti nc o m p u t i n g ，s y n t h e s i z e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s c a r d st h ed i s a d v a n t a g e sf r o mb o t ht h ed i s c r e t em o d e la n dt h ec o n t i n u o u sm o d e l 1 1 1 en e wm o d e lm e n t i o n e di nt h i st e x ti so p e r a b l ea n di sf o l l o w i n gt h eb a s i cl a wo ft h ec r o w de v a c u a t i n gd e p e n d i n go i lt h ed e v e l o p e ds y s t e ms o f t w a r e t h et e x te x p l a i n st h ed i s c i p l i n eo f l o c a t i n ge x i t sa n di n f l u e n c eo f p l a c i n go b s t a c l e st ot h ee v a c u a t o l s i th e l p sc e r t a i n l yt h ed e s i g no fs a f e t ya n dt h ea r c h i t e c t u r eo fb u i l d i n g s k e yw o r d s ：t h ec r o w de v a c u a t i n g ，a t t r a c t i o n ，f r i c t i o n , r e p u l s i o ni j第1 章综述1 1 疏散仿真系统研究的必要性在社会生活中，火灾燃气泄漏、爆炸等是威胁公共安全，危害人们生命财产的灾难。其中火灾特别是世界各国人民所面临的一个共同的灾难性问题，它给人类社会造成过不少生命、财产的严重损失。随着社会生产力的发展，社会财富闩益增加，火灾损失上升和火灾危害范围扩大这个趋势是难以避免的。据联合国“世界火灾统计中心”提供的资料介绍，发生火灾的损失，美国不到7 年翻一番，只本平均1 6 年翻一番，中国平均1 2 年翻一番。全世界每天发生火灾1 万多起，造成数百人死亡。随着经济和社会的高速发展，我国城市发展已进入快速增长时期。进入2 l 世纪，我国城市化水平节节攀升，2 0 0 0 年底达到3 3 ，2 0 0 2 年底则为3 5 ，有专家预测，到2 0 1 0 年我国城市化水平将突破5 0 。然而城市化进程的加快，使城市在聚集财富的同时也聚集了风险，人口和商业活动高度集中于狭小的城区内，市中心区人口密度过高。企业过多，城市交通、建筑和基础设施过于拥挤，这些都在一定程度上破坏了城市可持续发展的内存生源性条件，增加了城市的安全隐患。据2 0 0 5 年1 1 月召开的“中国首届城市应急联动系统建设高层论坛”透露，每年中国集中在城市的突发公共事件造成人员伤亡逾百万，总经济损失高达6 5 0 0 亿元，占中国g d p 的6 以上。现代化城市是一个复杂的大系统，具有生产集中、人口集中、财富集中、建筑物与构筑物集中和各种灾害集中的特点。作为城市主要组成部分的公共建筑是城市中人们生活、生产以及从事政治、文化、经济、科学活动的重要场所，在城市建设中占据着相当重要的地位。由于现代公共建筑的大规模化和外界不安全因素的增加，城市人员密集公共建筑面临的风险也不断增大。这种风险一方面表现为灾害发生的可能性比过去大大增加，除了要经受自然灾害如地震、洪水、飓风等外，还要遇到各种突发性和非突发性的人为灾窖，如火灾、爆炸、燃气泄漏、交通事故、环境污染，突发公共卫生事件及突发社会安全事件等。另方面，由于人群的聚集，灾害被放大，表现为灾害导致的后果严重程度大为增加。不仅会危及人们的生命财产安全，造成严重的群死群伤后果，而且在人们的心理会造成长期的巨大伤害，造成全社会大范围的精神恐惧，严重影响社会的安定和经济的发展。以火灾数据为例，近几年来，我国每年发生火灾约4 万起，死2 0 0 0 多人，伤3 0 0 0 - - - 4 0 0 0 人，每年火灾造成的直接财产损失1 0 多亿元，尤其是造成几十人、几百人死亡的特大恶性火灾时有发生，给国家和人民群众的生命财产造成了巨大的损失。严峻的现实证明，火灾是当今世界上多发性灾害中发生频率较高的一种灾害，也是时空跨度最大的一种灾害。出此可见，人员密集的城市公共建筑，由于它特殊的社会地位和突出的个体特征，其安全防灾研究既代表了城市灾害研究的典型特征，又集中了建筑灾害研究的所有要点，其衍生问题研究能够进一步促进城市安全系统研究发展。人类最基本的需求是对生存的需求。根据美国心理学家马斯洛的理论，在生理需求得到满足以后，对安全的需求就凸显出来。社会越束越处于安全的高期望和高风险这一对矛盾中，安全防卫能力成为政府执政能力水平的重要标志。1 9 9 4 年5 月在同本横滨召丌的联合国世界减灾大会上强调，当今衡量国家、社会进步与发展的标志，已不再单纯是经济的增长，而必须体现在综合国力多线指标特别是安全减灾的能力上。在发生的众多火灾中其中以公共场所发生火灾的危害性最大，其原因为：第一，群众对公共场所的环境不够熟悉，对逃生路线不了解：第二，公共场所装修使用大量可燃材料，如木材、塑料、纤维织品等，火灾扩散快；第三，用电设备多、着火源多、不易控制；第四，人员集中，秩序混乱，若疏散通道不畅，极易导致大量入员踩踏，造成大量人员伤亡：第五，公共场所的建筑跨度大，空扫j 高，火灾蔓延快，扑救困难。由此可见，火灾危害性是相当严重的。进行建筑结构防火设计，预先按人员的疏故方案进行充分的准备，避难人员按照事先计划好的疏散路线和疏散方案有秩序地进行紧急疏散，以免发生拥挤践踏事故是减少火灾损失的有力举措。因此对人群的疏散进行深入的研究，具有极大的现实意义和实用价值。近年来，随着图形学和虚拟现实技术迅速发展，虚拟人群技术可以被应用到消防安全领域。完全自主的虚拟人是不需要人工干涉其行为的，他能够自主地感知所处系统中的环境，根据经验和自己当时的状态做出决策，并执行这个决策，并把经验引入学习机制中，在下一次的决策中加以运用。在某些特定环境下，这种计算机仿真技术能够得到更加精确逼真的仿真结果。21 2 疏散仿真系统研究进展概述1 2 1 疏散仿真系统的国内外研究现状近年来，国外研究机构已丌发出一些高水平的人员安全疏散模型 1 ，众多的消防安全工程师利用这些分析设计工具对各类建筑中人员的安全疏散进行评估，取得了令人嘱目的效果。美国f r a n c i s 丌发的预测最小理论疏散时自j 的网络模型e v a c n e t + ；爱丁堡大学的t h o m p s o n 人成功地开发了如：e x o d u s 、s i m u l e x 、e g r e s s 、g r i p s 、e x i t 8 9 等，利用各种网络模型实现对人员疏散行为或疏散行动过程的模拟；由s t a h l 开发的火灾行为模型b f i r e s i i ：由a l v o r d 开发的疏散与救援模型b g r a f ；英国格林威治大学的g a l e s 2 ；澳大利亚国家研究j w j ( c s i r o ) 开发的w a y o u t 3 模型等。其中e v a c n e t + 、e x i t 8 9 、e g r e s s ，s i m u l e x 、g r i p s 等已受到较多关注。有些模型是针对建筑类型丌发的，其针对性和适应性较强，如e x i t 8 9 适用于高层建筑的人群疏散，b f i r e s 更适合用于医院等类型建筑的人群疏散。在我国，人员安全疏散模型的研究尚属起步阶段，迄今为止仅有一、二家研究机构在国内消防刊物上发表过有关人员安全疏散模型的论文。在这方面，东北大学在引进国外先进的研究成果的基础上，做出了一定的成绩，发表了一系列的文章。青岛海洋大学曾经在火灾科学上发表过火灾时人员安全疏散可靠性评估一文，文中给出了一个以逃生概率为评价指标的疏散可靠性计算方法。“九五”期间，国内有关科研机构开发了地下建筑的疏散模型，标志着我国在人员疏散这一领域的研究进入到计算机数值模化阶段。香港城市大学的有关研究人员提出了利用计算机虚拟现实的技术收集人员在火灾中行为量化数据的调查方法，并结合火灾后的问卷调查及疏散演习等手段收集了大量有关火灾中人员行为的数据。比较详细地研究了建筑物防火通道内的标识( 如灯光、张贴、指引、广播等) 对人员疏散行为的影响，得出了一些有价值的结论，建立了网络疏散模型( s g e m ) 4 。该模型在几何空间上将建筑物划分成能反映人员具体位置的细网络，并利用拉格朗日方法分析每个人员在建筑物内的移动速度。采用此模型对香港的一些实际工程进行了较为成功的疏散模拟。31 2 2 疏散仿真系统的宏观仿真模型宏观仿真模型又有人将其称为“粗略网络模型”，仅仅考虑建筑物及其各部分的疏散能力，把流动人群模化为管中的水，而把建筑结构根据其特性模化为蓄水池和水管。人群运动的研究丌始于对人群前进速度的统计，1 9 7 1 年，j f r u i n 在其具有丌创性的著作“p e d e s t r i a np l a n n i n gd e s i g n ”中给出了由统计得出的人群的平均行进速度与人群密度的关系曲线，继f r u i n 之后，有大量的研究统计了不同的状态下人群的速度，得到了不同宽度及结构的门，房间及走廊等的最大通过能力。在这一基础上，提出了“排队网络”这一建筑物疏散的仿真模型。其中心思想是：把建筑物的平面转换成网络图，每一1 日j 房屋为网络图中的一个节点( 若房屋很大，可以对应网络中的多个节点) ，而连接房屋问的门、楼梯等则对应圈中的边。节点能够容纳的人数为对应的房间的容量，边的通过能力为对应的门或楼梯的通过能力。任意时刻，一条边只能容许一人通过，若同时还有人想通过这条边，则必须等到占用这条边的人离丌后才可通过。因此，每一条边可以理解为一个服务，而节点中想使用该条边的人可理解为该服务的顾客。这种以排队论的知识建立的模型称为m g c c模型，其中m 代表马尔可夫过程，排队论g 表示一般服务，c 表示服务的编号，c 表示节点数 5 。排队网络仿真模型因为其构造简单，理论难度较小，需要的计算机能力也较少，计算速度快，在七八十年代成为了疏散仿真模型研究的重点。这种模型包括c r i s p 、e v a c e n t 、e x i t 8 9 和比较著名的模型有澳大利亚国家研究局( c s i r o ) 开发的w a y o u t 模型，近期的则有e v a c s i m 模型。排队网络模型也存在一如下不足：首先，排队网络要求将建筑物的平面布局抽象为一个连通图。在这一抽象过程中，丢失了大量的空白j 信息。同样大小，但形状、结构等不同的房问、通道、出口对疏散的过程造成的影响是不同的，但是在网络图中它们都对应同样的一个节点或边。显然，在这种情况下，仿真的结果肯定会与实际状况产生不小的偏差。其次，研究对象是人群的移动，即把众多的人群作为一个整体来考虑，群体中的每个个体具有相同的移动特性，通过考察建筑物每个单元内的群体人员的移动，进而确定建筑物发生火灾时的安全疏散时间。这一方法的缺点是不能够考虑不同人员对火灾的心理反映、不同人员的个性特点、个体间的相互关系( 如摩擦与排斥) 等因素，这也造成了模型仿真结果的应用性不强。41 2 3 疏散仿真系统的微观仿真模型由于宏观仿真模型有如上的不足之处，而且随着计算机技术的迅速发展，计算机能力的制约因素影响减少，微观仿真模型逐渐成为了研究的热点。微观仿真模型与宏观仿真模型不同主要体现在以下两点：在描述建筑空间上，将建筑平面空间划分为网格或网点，因此又将其称之为“精细网络模型”，它可准确地表示疏散空i 日j 的几何形状及内部障碍物的位置，并且可以准确地描述在疏散过程中的任何时刻每个人员的位置；其次将研究的重点放在个体上，个体也被称为a g e n t ，而不将人群作为一个整体来考虑，每一个人都用一个计算对象来表示，人群中不同的个体可以有不同的参数及行为规则，且在模型中个体的具体行为是依照他所处的环境动态决定的。因此a g e n t 不需要人工干涉其行为，他能够自主地感知所处系统中的环境，根据经验和自己当时的状态做出决策，并执行这个决策。基于“a g e n t ”技术的微观仿真模型克服了宏观仿真模型的缺点，具有基于个体特性的建模、个体行为随环境发生动态变化及模型中参数描述简单而准确的优点。目前已建立了大量基于此技术的模型，国外的有e x o s u s 、s i m u l e x 、e g r l e s s 等模型，国内以中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室研究的元胞自动机( c e l l u l a ra u t o m a t a ) 和人员运动格子气( l a t t i c e g a s ) 模型为代表。基于“a g e n t ”技术的微观仿真模型大体上以分为两类：离散型模型和连续型模型。离散型模型以元胞自动机模型和格子气模型为代表，其特点是规则简单，运算速度快。建筑物的平面空问被划分为网格，每个格点为一个基本单位，只有“有人”和“无人”两种状念，且一个格点只能容纳一个人。1 2 。3 1 元胞自动机元胞自动机最基本的组成包括元胞、元胞空间、邻居及规则四部分。简单讲，元胞自动机可以视为由一个元胞空间和定义于该空间的变换函数所组成c 6 。图卜1 元胞自动机的组成1 元胞元胞又可称为单元或基元，是元胞自动机的最基本的组成部分。元胞分布在离散的一维、二维或多维欧几里德空间的晶格点上。2 状态状态可以是 0 ，1 ) 的二进制形式，或是 s 0 ，s 2 。s i s k 整数形式的离散集。严格意义上，元胞自动机的元胞只能有一个状态变量，但在实际应用中，往往将其进行了扩展，例如每个元胞可以拥有多个状态变量。根据元胞当自订状念及其邻居状况确定下一时刻该元胞状念的动力学函数，简单地讲，就是一个状态转移函数。我们将一个元胞的所有可能状态连同负责该元胞的状态变换的规则一起称为一个变换函数。3 元胞空间( l a t t i c e )元胞所分布在的空问网点集合就是元胞空间。( 1 ) 元胞空间的几何划分：理论上，它可以是任意维数的欧几星德空问规则划分。目日口研究多集中在一维和二维元胞自动机上。对于一维元胞自动机，元胞空间的划分只有一种；而高维的元胞自动机，元胞空间的划分则可能有多种形式。对于最为常见的二维元胞自动机，元胞空间通常可按三角、四边或六边形三种网格排列 7 。a ) 一霸髑臻c b ) 魏磨潮格( c ) 式边弼格图卜2二维元胞自动机的三种网格划分6这三种规则的元胞空问划分在建模时各有优缺点。三角网格的优点是猢有相对较少的邻居数目，这在某些时候很有用；其缺点是计算机的表达与显示不方便，需要转换为四方网格。四方网格的优点是直观而简单，而且特别适合于在现有计算机环境下进行表达显示；其缺点是不能较好地模拟各向同性的现象。六边形网格的优点是能较好地模拟各向同性的现象，因此，模型能更加自然而真实，如格气模型中的f h p 模型；其缺点同三角网格一样，在表达显示上较为困难，复杂。( z ) 边界条件：在理论上，元胞空瞄通常是在各维方向上是无限延展的，这有利于在理论上的推理和研究，但是在实际应用过程中，我们无法在计算机上实现这理想条件，因此，我们需要定义不同的边界条件。归纳起来，边界条件主要有三种类型：周期型、反射型和定值型。有时在应用中，为了更加客观、自然地模拟实际现象，还有可能采用随机型，即在边界实时产生随机值。周期型( p e b o d i cb o u n d a r y ) 是指相对边界连接起来的元胞空矧。对于一维空闻。元胞空问表现为一个首尾相接的“圈“。对于二维空问，上下相接，左右相接，形成一个拓扑圆环面( t o r u s ) ，形似车胎或甜点圈。周期型空问与无限空间最为接近，因而在理论探讨时，常以此类空剃型作为试验。反射型( r e f l e c t i v eb o u n d a r y ) 指在边界外邻居的元胞状态是以边界为轴的镜薤反射。侈；妇在一维空阍中。当r = t 时的边界情形：i图卜3反射型的边界情形定值型( c o n s t a n tb o u n d a r y ) 指所有边界外元胞均取某一固定常量，如0 ，l 等。，需要指出的是，这三种边界类型在实际应用中，尤其是二维或更高维数筋建模时，可以幅互结合。如在二维空闻中，上下边界采用反射型，左右边界可采用周期型( 相对边界中，不能一方单方面采用周期型) 。( 3 ) 构形：在这个元胞、状态、元胞空间的概念基础上，引入另外一个非常重要的概念，构形( c o n f i g u r a t i o n ) 。构形是在某个时刻在元胞空问上所有元胞状态的空问分布组合。通常，在数学上，它可以表示为一个多维的整数矩阵。4 邻居( n e i g h b o r )以上的元胞及元胞空间只表示了系统的静态成分，为将“动态”引入系统，必须加入演化规则。在元胞自动机中，这些规则是定义在空间局部范围内的。即一个元胞下一时刻的状态决定于本身状态和它的邻居元胞的状态。因而，在指定规则之前，必须定义一定的邻居规则，明确哪些元胞属于该元胞的邻居。在一维元胞自动机中，通常以半径来确定邻居。二维元胞自动机的邻居定义较为复杂，但通常有以下几种形式( 以最常用的规则四方网格划分为例) ，见下图，黑色元胞为中心元胞，狄色元胞为其邻居，它们的状念一起来计算中心元胞在下一时刻的状态。t # ，蓼觚k i 疆啊l 孳 h ，钕蝴磺c 扩辫辨i o o r 型图卜4元胞自动机的邻居类型元胞自动机是在均匀一致的网格上由有限状态的元胞变量构成的离散的动力系统，其特点是空间、时问和状念的离散，每一个元胞只取有限多个状态，每个人每次只能运动一格。它具有以下特征要素：1 元胞( c e l l )元胞是元胞自动机的基本元素，每个时问步每个元胞只取有限多个状态中的一个。2 网格( l a t t i c e )所有元胞都排列在空间上均匀划分的网格上。3 领域( i g h b o r h o o d )每个元胞的下一时间步的状态是由其领域内所有元胞及它自身当前时刻的共同状态决定的。下图为v o nn e u m a n n 和m o o r e 两种领域的定义。( a ) r = l( b ) r = l( c ) r = 2图卜5v o nn e u m a n n 和m o o r e 的领域4 时间步( t i m e s t e p )所有元胞的状态同时发生变化的时间步长。b5 规则( r u l e )在时刻t 第i 个元胞的状态为a ，则它在时刻t * l 的状态a 。是由t时刻的第i 个元胞及领域内的所有元胞的状念共同决定的。1 2 3 2 格子气自动机离散型模型另一个代表就是格子气自动机了。应当说，格子气自动机是一种特殊的元胞自动机模型，或者说是一个扩展的元胞自动机模型( e x t e n d e dc e l l u l a ra u t o r n a t 8 ) 。以早期的格子气模型为例，描述其特征如下：1 由于流体粒子不会轻易从模型空问中消失，这个特征要求格子气自动机是一个可逆元胞自动机模型。2 格子气自动机的邻居模型通常采用m a r g u l o s 类型，即它的规则是基于一个2 2 的网格空问的。它的规则形似如下：业啼芈芈，芈芈啼芈o l o0 j 0l o0 i 0 i l o图1 - 6 格子气自动机规则这里黑色球代表流体粒子，白色球代表空的元胞。可以看出，格子气自动机不同于其它的元胞自动机模型以一个元胞( 常被称为中心元胞) 为研究对象考虑其状态的转换，而是考虑包含四个元胞的一个四方块。3 依照上述规则和邻居模型在计算完一次后，需要将这个2x2 的模板沿对角方向滑动，再计算一次。那么，一个流体粒子的运动需要两步t t + 1一t + 2 才能完成。从时间和空自j 的角度看，格子气自动机相对其他的元胞自动机模型具有较为独特的特征。格子气自动机作为一种特殊类型的元胞自动机已成为流体动力学中的一个重要领域，几乎独立于元胞自动机研究之外了。以上是离散型模型的代表元胞自动机和格子气自动机，此类模型的核心问题是用概率的方法确定出个体移动到邻格或留在本格的概率。假设行人i 在t 时刻的位罨l l - ( i ，j ) ，则在t + l 时刻该行人移到单元格( i ，j ) 的概率为p u 8 。用数学描述为：p 。，= p ( 1 。”i _ ( i ，j ) 1 7 = ( i 。，j 。) )( 1 1 )9当然，如果单元格( i ，j ) 被别的行人或障碍物占据，则p i j ：o ；如果为空则行人有可能走向该单元格，若该单元格离出口越近，则概率就越大，反之，概率越小。p ；，除考虑离出口的距离外，还会有许多的影响因素，如烟火的扩散、行人自j 的作用力、人的心理因素等，考虑哪些因素及如何综合起来就是确定p 。，的关键了。1 2 3 3 连续型模型连续型模型又称为社会力模型，属于多粒子模型，是一种多主体模型。社会力的概念由h e l b i n g 在1 9 9 5 年首先提出，而基于它的人群疏敝模型由h e l b i n g 在2 0 0 0 年进行了归纳和实现。一个质量为卅。的行人i ，期望以速度v ? 向方向e ? 疏散，行人与墙和其他行人闯具有排斥力和摩擦力，距离越近排斥力越大，切向相对速度越大摩擦力越大。人与人、人与墙f j 的作用力分别用五和厶来表示。则模型中的人员速度随时问f 变化的公式可以由以下的动力学方程来描述 9 ：豫扣地掣+ 驴等厶小：，在某个时刻下，个体主要受到三部分力的作用。第一部分是个体的“期望力”。表示质量嘲的行人i ，期望以谚的速度向方向辞逃生。虚拟人会在时问段内不断调整到自己的实际速度以使其接近期望的速度和方向。在这种心理期望下，个体受到一个从物理学来说并不存在的“期望力”。第二部分是个体受到其他个体作用力的合力厶之和。当行人i 和，之向欲保留一定的距离，表现出一种心理上的排斥力4e x p 【r # i - d 一9 】，l f ，4 ，局为常量系数。吒为两个行人重心间的距离，为标准化的向量从行人，指向i ，嗜为两行人身体半径之和吩2 + l o当行人i 和j 问达到了物理上的接触，则会有两个另外的作用力产生。一个是身体问的挤压作用力姆( 勺- d # ) ，k 为常量系数。另一个是滑动摩擦力豫( 一九) v ，阻碍两人的相对运动。白表示两人的切线方向，唁为两人的切线速度差。综上所述，得如下式子：= 4 e x p ( ! 宁】+ 堙( 一如) + 喀( 吩一毛) v ：勺( 1 3 )。，r0当吒 o ，表示两人无挤压其中函数g c x ) = _。l 一哝当吒白，表示两人有接触或挤压第三部分是个体受到房问内所有墙壁的合力之和。个体与每一面墙之问的受力分析类似个体与其他个体问的受力分析。厶= 4 e x p 【兰】撑* + 姆( 巧“珈m + 喀( r f “m 地f m ( 1 q )不同的是表示的是人与墙闻的距离，和分别表示的是个体与墙壁的法线和切线方向。1 2 3 4 疏散仿真系统的微观仿真模型不同的适用性离散型模型规则简单，运算速度快，资源耗费小，适合用于人员密度小的情况下，不能描述人与入、人与环境之白j 的排斥力和摩擦力。连续型模型可以描述人与人、人与环境之间社会心理和物理作用，模拟拥挤、堵塞、快即是慢等特殊现象，但计算复杂度高，耗费资源多，计算时间长，速度慢。1 3 本文研究的内容本文研究的主要内容是虚拟人群疏散的计算机仿真，考虑的主要是摩擦力和排斥力对逃生的影响。安全疏散的研究是安全工程学的一个重要分支，人群疏散行为规律是建筑物的物理特性、人群密度、人群心理、出口条件等各方面因素的综合作用。以往的模型适用于将大量的人群作为一个共同特性的整体来考虑，最近的研究越来越趋向于对个体差异的考虑，如人体反应时问、人群心理、个人逃生能力值等。在逃生过程当中，每个个体受到的力的影响因个体在的周边环境是不同的，如人与人、人与墙间会有排斥与摩擦的现象，从而影响逃生的速度。以往的模型中，对吸引力有较好的描述，但对排斥力和摩擦力的影响定量描述还不完善。用计算机仿真的方法研究人群疏散，考虑周边环境的排斥力和摩擦力对逃生的定量影响，是本文研究的中心问题。1 4 本文研究的意义人群疏散进行实验是不容易的，首先要聚集数千人进行模拟演习不容易，要对每个人进行属性和行为进行跟踪也不可能；在逃生演习中人群的心理状念和真实发生火灾时人群的心理状念是不同的，导致人的行为也会具有很大的随意性，不能完全真实地反映出入的疏散行为：逃生演习也不能对逃生场景进行改变，实验结果具有局限性，不具备通用性；在逃生过程中的很多动态事件难以实验，如停电、恐慌等，这些因素模拟得太真实对实验人员也会造成一定伤害。基于上述因素，从人力、物力、财力和可操作性来讲，要掌握疏散规律，进行实地演习不是最好的选择。人群行为规律关系到很多综合因素，也很难用几个数学式子来描述清楚。随着计算机仿真技术的发展，用仿真的方法可以克服上述因难。根据研究人员的研究重点，用软件来实现研究人员考虑的各种因素，提示人群行为规律，可以帮助找到建筑物设计中的不利因素，为设计紧急情况下的疏散预案提供参考。公共安全是每个国家关注的焦点，如车站、超市、地铁等，特别我国是一个人口密度集中的国家，对公共安全的疏散仿真具有巨大的经济效益和社会效益。1 5 本文的结构本文是对人群疏散的计算机仿真，主要完成以下主要工作：第一、归纳目前国内外同类研究现状，描述了几种基本模型的基本思想、优缺点、不同适用性；1 2第二、在前面分析的基础上，研究考虑摩擦力与排斥力的逃生模型，分析一些特殊环境对吸引力、摩擦力和排斥力的影响程度。在该模型的基础上，开发了相应的仿真软件；第三、对仿真软件进行测试，对具体的环境进行逃生仿真，从而揭示逃生的一些基本规律；第四、对两出口的距离进行探讨，对出口附近的障碍物的设置进行分析；第五、提出模型中需要完善的地方及下一步研究工作的重点。为阐述以上几项工作，本文主要结构如下：第1 章，阐述了疏散仿真的国内、外研究现状，指出了本文研究的必要性和意义；描述了几种基本模型的基本思想、优缺点、不同适用性。第2 章，展述疏散仿真研究所涉及到的计算机仿真技术、疏散模型建模原则、人群行为规律、逃生过程中存在的三个作用力等理论。第3 章，在经典元胞自动机基础上，考虑一种自主虚拟人的逃生行为，且量化由于拥挤产生的吸引力、摩擦力和排斥力。第4 章，介绍仿真软件所用到的开发工具，软件的主要结构及细节处理、软件运行实验结果和分析等。第5 章：归纳本文所完成的主要工作及积极意义，本文存在的不足。1 6 小结在本章中，阐述了疏散仿真的国内、外研究现状，指出了进行疏散仿真研究的必要性和意义。1 2 j2 和1 2 3 两节详细描述了宏观仿真模型和微观仿真模型的基本思想和优缺点。1 2 4 节中指出了现在流行使用的离散型模型和社会力模型的不同适用性。这一章节内容为后述挚定了理论依据。第2 章疏散仿真系统的理论2 1 计算机仿真理论“仿真”一词译自英文s i m u l a t i o n ，另一个曾用的译名是“模拟”。1 9 6 1年g w m o r g e n t h l e r 首次对仿真一词作了技术性的解释，认为“仿真”是指在实际系统尚不存在的情况下，对系统或活动本质的复现。任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价个仿真系统的优劣。所谓计算机仿真是指在实体尚不存在、或者不易在实体上进行实验的情况下，先通过对考察对象进行建模，用数学方程式表达出其物理特性，然后编制计算机程序，并通过计算机运算出考察对象在系统参数以及内外环境条件改变的情况下，其主要参数如何变化，从而达到全面了解和掌握考察对象特性的目的。计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础，以计算机及其软件为工具。已成为分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法。它是根据系统试验的目的，建立系统模型，并在不同条件下，选用计算机对模型进行动念运行( 实验) 的一门综合性技术。近年来，随着系统科学研究的深入、控制理论、计算技术、计算机科学与技术的发展，计算机仿真技术已发展成一门新的学科。信息处理技术的突飞猛进，更使得仿真技术得到迅速发展。计算机仿真技术的发展大体归纳为仿真计算机、仿真软件和建模仿真方法学三个重要课题。仿真计算机是用于系统仿真的计算机，它是计算机的一个子集；仿真软件是指一类面向仿真应用的专用计算机软件，其特点为面向问题、面向用户。系统、模型、计算机则是构成计算机仿真的三个基本要素。它们之间的关系如下 1 0 ：建立叶结果分析建立仿真模型图2 1计算机仿真三要素关系图相应的，计算机仿真就有三项基本工作 1 0 。首先，从系统中抽出主要的框架，建立数学模型；其次，基于数学模型，在计算机上建立计算机仿真模型，这一次又称为二次建模；再次，在计算机仿真模型上进行仿真实验，以此来研究系统。围绕着三个要素进行计算机仿真时的基本步骤如下图：图2 2 计算机仿真流程图其中包括三个基本内容：建模、仿真实验、结果分析。2 2 人群疏散行为规律智能体是自驱动的，他会根据周围实体及环境的刺激做出自己的反应，根据每一个时间步上每一个智能体的外部感知和内部状态，为个体产生一个行为。公共聚集场所人员进行疏散时一般会产生以下行为：2 2 1 目标行为人员在逃生过程中的最终目标是走向出口位置，行人会根据周围环境的具体状况克服遇到的各种障碍，及时调整自己的路径规划，以最快的个人期望速度从最初位置到目标位置 1 1 ，在浓烟弥漫可见度低的情况下，人们往往会奔向窗户等具有光线的地方。2 2 2 从众行为在紧急的环境中，发生火灾等灾害，人一般喜欢跟随他人，特别是随着时问的推移，火灾不断蔓延及危险增加，入员会变得越来越焦虑，相对从众行为会加重，失去自主的能力。2 2 3 避碰行为当障碍物( 如其他人、墙壁等) 出现在周围时，人员会有与障碍物保持最小距离的心理。当两个行人向同一个目标格行走时，就意味着有一人留在原处，另一人占据目标格。2 3 人群疏散时的三种基本作用力由于人群疏散行为所表现出的三种基本力的作用如下：1 62 3 1 吸引力在疏散过程中，人员都是向疏散出口逃生，表现出来的就是出口位置对人员的目标位置吸引力，而且离他最近的出口吸引力最大。如果在逃生情况下有若干个对周围环境熟知的人员作领导者，那么这种逃生方式肯定比无领导的逃生机率大。领导者对周围人员所表现出来的是人与人问的吸引力。2 3 2 摩擦力当人与人、人与障碍物之白j 已经接触，他们问会产生一种摩擦的减速行为，这就体现在人员过于密集的地所，摩擦力大增，逃生速度受到影响，逃生效率随之下降。2 3 3 排斥力当人与入，人与障碍物之间的距离达到会产生危险或碰撞时，行人就会产生与周围物体的一种排斥力，表现出的是避让行为。2 4 疏散仿真建模的原则近期仿真模型的研究重点是微观仿真模型，微观仿真模型是基于a g e n t技术的。自主虚拟人( a g e n t ) ，是在虚拟的环境中能够主动地感知周围环境参数的变化，做出相应决策并实行该类决策的虚拟个体。完全自主的自主虚拟人不需要人工干涉其行为，他能够自主地感知所处系统中的环境，根据经验和自己当时的状念做出决策，并执行这个决策，并把经验引入到学习机制中，在下一次的决策中加以运用。但是由于人的认知是一个很复杂的过程，其中包括很多心理学、社会学的因素，要能够创造出一个完全自主地虚拟人，是相当困难的，我们的工作，就是使虚拟人向着更智能的方向发展。建立微观仿真模型的重点问题是：一是建立个人的行为模型；二是将大量的个体行为综合为人群群体行为。1 7部分参考崔喜红等的模型结构及建模流程图 1 2 ，笔者归纳出图2 3基于元胞自动机的人员疏散模型结构图。( 虚线表示对其的影响)图2 3 基于元胞自动机的人员疏散模型结构图每个人都在根据自己所处的环境和感知周边的状况，作出判断及改变自己的行为，他们之间的行为又相互影响，以及物理环境的影响，就形成1 8了整个人群的群体行为。当然，群体行为也不是个体行为的简单叠加，它是个人之间的非线性的相互作用，群体问会表现出丰富的行为。同时，群体的行为和环境的随时变化会由于信息的传播又被个体感知，影晌个人的下一步行为。2 5 小结在本章中，主要论述了进行人群疏散仿真研究的理论基础。进行计算机仿真的三个要素，主要的流程图；2 2 和2 3 节分别指出了公共场所人群疏散的行为规律和三个基本作用力；2 4 节归纳出基于元胞自动机的人员疏散模型结构图。通过这章的内容，为下一章建立基于力的虚拟人群在灾难现场的逃生模型提供了依据和框架。第3 章人群在灾难现场的逃生模型中国科技技术大学火灾科学国家重点实验室的宋卫国等人提出了一种新的元胞自动机模型 1 3 ，该模型是在经典元胞自动机模型中加入了摩擦力和排斥力的规则和参数，可望在速度与准确性f b j 取得平衡。本文在该模型的基础上作了如下改进：将疏散人员的行走方向由原先的四个方向扩展为八个方向，更加符合真实逃生情景：在原来的摩擦力和排斥力的基础上，增加了吸引力，使力的考虑更加的全面；将几个力可能会同时出现的情形进行考虑，得出新的公式；将几个公式进行综合，得出一个基于力的概率公式。3 1 人员疏散模型的基本假设本文的人员疏散模型是在元胞自动机的基础上提出的。元胞自动机是一种自生的机器，由一些特定规则的格子组成，可以将每个格子看成是一个元胞，而每个元胞都会具有一些状态，但在某个时刻中每一个元胞只可能处于一种状态。每个元胞会根据与它帽邻的其它元胞的状态来决定自己的状态。随着时问的变化，每个元胞都会根据相同的法则去改变自己的状态。因此，当设计好元胞自动机中各个元胞的初始状态后，它们便可按照所设定的相同规则进行演化了。( 1 ) 网格的划分建筑物的平面空问被划分为网格，每个格点为一个基本单位对应一个元胞，根据国家技术监督局发行的中国成年人人体尺寸一书中的数据，9 9 的中国人肩宽为o 4 1 c m ，为了让模型更适合于中国的情形，每个元胞应对应0 4 m x 0 4 m 的空间。由于整个空间采用二维的四方网格的元胞自动机表示，网格的位置表示就可以用一个二维数组来表示。( 2 ) 网格属性一个格点只能容纳一个人，只有“有人”和“无人”两种状态。“无人”的网格可能是被墙壁、障碍物占据，也可能是出口、为空等几种情形。如果有人走向该网格，网格状态由“为空”变为“有人”；如果有人离开该网格，该网络的状态由“有人”变“为空”；代表墙的元胞的状态在一次逃生过程中不发尘改变。( 3 ) 人员属性包括人员的位置、移动速度等几方面，可以根据自己模型的需要进行设定。人员根据模型中的舰则以一定的速度向出v i 位置移动，人员的仞始位置可以人为设定也可随机产生。( 4 ) 移动方向模型采用m o o r e 型邻域，疏散人员有如下的可能移动方向。弋fa一，、1 pl-图3 - 1 模型中人员可能的移动方向( 5 ) 时间步长模型中网格状态的更新是并行的，每个