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考虑内在因素的火灾人群疏散模型摘要大型建筑物火灾人群的疏散问题是一个重大的公共安全问题，利用计算机仿真技术对火灾人群的疏散问题进行研究，可以最大限度的做好建筑物防火的设计，评估、安全培训等方面的工作利用计算机虚拟火灾建筑物中人群的疏散，国内外都提出了不少的模型，也取得了一定的成效，但目前关于火灾人群的疏散模型中，考虑人群内部的因素还很少，因为人在火灾中的行为是一个非常复杂的问题，但是，如果完全忽略火灾人群的特征，会导致模型与现实的差距更大。本文的主要工作是在积极了解国内外在群体动画、火灾人群紧急疏散模型研究现状的基础上，重新认识火灾中影响人群疏散的原因，重点是考虑了火灾中人群个体的内在因素，对人群疏散的路径进行规划，重新建立火灾人群紧急疏散模型，并在元胞自动机上加以实现从实验的数据表明，考虑了人群个体内在因素的火灾人群紧急疏散模型，更加接近现实，进一步提高了模型对实践的指导意义。关键词：虚拟人群，内因，元胞自动机，路径规划。c o n s i d e rt h ei n t e r n a if a c t o r si nt h em o d e lf i r ee v a c u a t i o na b s t r a c tw h e nf i r e so c c u ri nl a r g eb u i l d i n g , c r o w de v a c u a t i o ni sam a j o ri s s u eo fp u b l i cs a f t y u s i n gc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt os t u d yt h ei s s u eo fc r o w de v a c u a t i o n , w e 啪m a k et h ew o r ko ff i r es a f e t yd e s i g n s a f e t yt r a i n i n g , a n do t h e ra r e a sm u c hm o r eb e t t e r an u m b e ro fm o d e l sh a v eb e e nr a i s e db yu s i n gc o m p u t e rt os i m u l a t et h ee v a c u a t i o np r o c e s si nb u i l d i n g sw h e nf i r eo c c u r r e d a tp r e s e n t , h o w e v e r , t h ec r o w do nf i r ee v a c u a t i o nm o d e l , w i t hl i t t l er e g a r dt ot h ec r o w da n di n t e r n a lf a c t o r s , b o c a u s i gp e o p l ei nt h ef i r eb e h a v i o ri sav e r yc o m p l i c a t e di s s u e i fc o m p l e t e l yi g n o rt h ec r o w dc h a r a c t e r i s t i 鹤w i l ll e a dt oag r e a tg a pb e t w e e nt h em o d e la n dr e a l i t y b yu n d e r s t a n d i n gb o t hd o m e s t i ca n df o r e i g n , s t u d yo fg r o u pa n i m a t i o na n dt h ee m e r g e n c ye v a c u a t i o nm o d e l si nf i r e s ，i nt h i sp a p e r , w er e - u n d e r s t a n dt h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h ec r o w de v a c u a t i o ni nf i r e s ，m o s t l yf o c u so nt h ei n t e r n a lf a c t o r sa m o n gi n d i v i d u a l s a n dt h e nw ea l s or e b u i l dt h em o d e lo fe m e r g e n c yc r o w de v a c u a t i o n , m o s t l yc o n c c m i n gt h ei n t e r n a lf a c t o r s , a n di m p l e m e n ti tb a s e do i lc e l l u l a ra u t o m a t i c t h ee x p e r i m e n t a ld a t es h o w st h a tt h em o d e li nw h i c ht h ei n t e r n a l 丘i c t o 墙a r ec o n s i d e r e di sm o r ec l o s et or e a l i t y , a n dc a ng i v em o r eg i l i d ct op r a c t i o e k e y w o r d s ：v i r t u a lc r o w d ，i n t e r n a lf a c t o r s , c e l l u l a ra u t o m a t i c , p a t hp l a n n m 辱1 1 计算机仿真第1 章综述计算机仿真技术是一门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术。它具有经济，可靠、实用、灵活、可多次重复使用的优点，已经成为对许多复杂系统进行分析、设计、试验、评估的必不可少的手段计算机仿真技术是以数学理论为基础，以计算机和各种物理设施为设备工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验仿真研究的一门综合技术系统仿真是二十世纪四十年代末开始兴起并逐步发展起来的一门新兴学科，随着计算机技术的发展，利用计算机对系统进行仿真越来越受到人们的重视，对系统仿真的理论方法和应用技术的研究也逐步深入系统仿真是指通过系统模型的试验去研究一个已经存在的，或者是正在研究设计中的系统的具体过程。要实现系统仿真首先要寻找一个实际系统的。替身”，这个。替身”被称为系统模型它不是系统原型的复现，而是按研究的侧重面或实际需要对系统进行简化提炼，以利于研究者抓住问题的本质或主要矛盾在计算机出现以前，人们只采用物理仿真，那时的仿真技术附属在其他有关学科之中。随着计算机技术的发展，在仿真领域提出了大量的共同性的理论、方法、和技术，所以仿真理论逐渐形成了一门独立的学科计算机仿真以计算机为工具，用仿真理论来研究系统。系统是仿真技术研究的对象，计算机是进行仿真技术研究所使用的工具而应用恰当的模型描述系统是进行仿真研究的前提与核心f 1 】1 1 1 系统我们研究系统的目的在于深入认识并掌握系统的运动规律，不仅要定性地了解系统，还要对系统进行大量的分析、综合，以便解决一些自然、社会及工程上的复杂问题，那么我们可以给系统下这样的一个定义：系统是由相互联系、相互制约，相互依存的若干部分( 要素) 结合在一起形成的具有特定功能和运动规律的有机整体系统的各个组成部分通常被称为子系统或分系统，而系统本身又可以看成它所从属的更大的系统的一个组成部分由系统的定义可知，系统具有下列性质；1 整体性系统是一个整体，它的各个部分既相对独立，又是不可分割的。2 相关性系统内部的各个部分之间按一定的规律相互联系、相互作用。3 目的性设计或者综合一个系统，是为了实现预定的目的，也就是说系统具有目的性。一个系统的目的性表现在两个方面。一是系统要完成特定的功能；二是在完成基本功能的同时要使系统达到最优化。另外，系统并不是孤立的，总是在某一个环境中工作丽环境的变化有可能影响系统的性能，系统也会产生一些作用，使系统之外的物体发生变化，因此还要明确系统的边界和环境1 1 2 系统分类系统的范围很广我们的研究对象主要是人为构成的工程系统，系统分类的方法很多：21 静态系统和动态系统2 确定系统和随机系统3 连续系统和离散系统1 1 3 系统模型系统模型是系统的某种特定的性能的一种抽象形式系统模型实质是用某种形式来近似地描述或模拟所研究的对象或过程。模型可以描述系统的本质和内在的关系，通过对模型的分析和研究，达到对原系统的了解。模型的表达形式一般分为物理模型和数学模型两大类；1 物理模型物理模型又分为缩尺模型和模拟模型两种；缩尺模型与实际系统有相似的物理性质，这些模型是按比例缩小了的实物模拟模型是用其他现象或过程来描述所研究的现象或过程，用模型的性质来代表原来系统的性质2 数学模型数学模型是系统的某种特征本质的数学表达式，即用数学公式( 如：函数式、代数方程、微分方程、微积分方程、差分方程) 来描述( 或表示，模拟) 所研究的客观对象或系统中某一方面的规律。通过对系统数学模型的研究可以揭示系统的内在运动规律数学模型可以分为静态模型和动态模型两大类。无论是静态模型还是动态模型都具有抽象性，在计算机上运行的模型还要求具有递归性31 2 计算机动画计算机动画( c o m p u t e ra n i m a t i o n ) 通常是指场景中任何随时间而发生的视觉变化除了通过平移，旋转来改变对象的位置之外，计算机生成的动画还可以随时间进展而改变对象的大小、颜色、透明性和表面纹理等 2 广告动画经常把一个对象形体变成另一个对象形体，计算机动画还可以通过改变照相机的参数( 如位置、方向和焦距) 而产生目前，计算机动画已经广泛应用于科研、影视、特技、商业广告、游戏、计算机辅助教育等领域。美国是最早发展电脑动画的地方，在上个世纪七十年代末便利用电脑模拟人物活动1 9 8 2 年。迪斯尼( d i s n e y ) 推出第一套电脑动画的电影- t r o n ( 中文片译电脑争霸) 二十世纪七十年代后期，借助于发展迅速的电脑技术，纽约技术学院的电脑绘图实验室导师丽蓓卡亚伦女士将录像带上的舞蹈员影像投射在电脑显示器上，然后利用电脑绘图记录影像的动作，再进行描摹轮廓。1 9 8 3 年，麻省理工的g i n s b e r g和m a x w e l l 发展了一套系统( g r a p h i c a m a r i o n e t t e ) ，利用计算机语言控制卡通的动作，但受到当时计算机硬件速度的限制，一个简单的动作往往需要花费很长的时间。随着计算机硬件及动画软件的迅速发展，计算机动画的制作水平日新月异。计算机动画的应用越来越广泛，并已经改变或正在改变人们的生活和工作的方式，计算机动画日益形成一个重要的产业。在美国、日本、英国和荷兰这些动画片的制作强国，动画产业在国民生产总值中占有非常重要的地位，日本的动画产业更是国民经济六大支柱产业之一。计算机动画技术从制作的角度看，主要涉及几何造型技术和图像处理技术。创建动画序列有两种基本方法：实时动画( r e a l - t i m ea n i m a t i o n ) 和逐帧动画( f r a m e b y - f r a m ea n i m a t i o n ) 。实时动画的每个片段在生成之后就立即播放，因此生成动画的速率必须符合刷新频率的约束。对于逐帧动画，场景中每一帧是单独生成和存储的。动画的制作，主要的技术是指模型的制作( 3 d ) 或角色、场景、道具等的绘制( 2 d ) ；材质的制作、动画中的各种运动控制和渲染技术同时，电脑动画4中针对模拟自然物理环境也有自己的特点，发展了一套新的技术，这就是基于物理模型的运动控制技术。在计算机动画发展的初期，人们进行动画制作主要采用几何造型技术，用几何学的方法来描述对象，使用计算机来产生动画。但近年来，由于这种技术制作成本太高、费工费时，就开始研究结合使用基于图像处理的制作方法，用已有的图像数据来提取、表现空间的动态对象从而生成动画当前的计算机动画技术，主要应用是二维动画、三维动画以及非线性编辑等方向，计算机动画技术的发展正在趋向于规模化、标准化、网络化首先，规模化是指应用范围广而应用水平和产生的效益高。其次，现在动画制作软件和动画技术呈现出一种百家争鸣的形势，各有特色但相互间的兼容则做得不够，不便于交流与合作因此，随着技术的日益成熟，标准化是大势所趋第三，计算机网络技术的发展为计算机动画提供了一个全新的平台，动画技术和网络技术正呈现出越来越紧密地结合从技术的发展方向看，虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 技术将会是一个热点，与一般的动画相比，虚拟现实技术的特点在于实时、交互虚拟现实中的场景会随参观者的位置、视点变化而实时动态生成，并具有人机交互的能力，这种技术在未来将大有作为1 3 人工智能人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 简称为a i ，不同的科学或学科背景的学者对a i 有不同的理解，提出不同的观点，如符号主义( s y m b o l i s n ) 、连接主义( c o n n e c t i o n i s m ) 、行为主义( c t i o n i s m ) 等，或者叫做逻辑学派( l o g i c i s m ) 、仿生学派( b i o n i c s i s m ) 、生理学派( p h y s i o l o g i s m ) ，随着科学的发展，人工智能已逐步发展成计算机科学、生理学、哲学、语言学的交叉学科，它的研究课题涵盖面很广，从机器视觉到专家系统，包括了许多不同的领域。我们把能够在各类环境中自主或交互地执行各种拟人任务的机器称为智能机器，那么人工智能就是计算机科学中涉及研究、设计和应用智能机器的一个分支，它的近期主要目标在于研究用机器来模5仿和执行人脑的某些智力功能，如判断、推理、证明、识别、感知、理解、设计、思考、学习等思维能力。现在，人工智能专家们面临的最大挑战之一是如何构造一个系统，可以模仿由上百亿个神经元组成的人脑的行为，去思考宇宙中最复杂的问题 3 对于人工智能的发展，二十世纪三十年代和四十年代的智能界，发现了两件最重要的事：数学逻辑和关于计算的新思想。科学家研究表明，推理的某些方面可以用比较简单的结构加以形式化，这样，逻辑推理的数学公式就为人们建立了计算与智能关系的概念象布尔和其他一些哲学家和数学家建立的理论原则，后来成为人工智能逻辑学的基础。丘奇( c h u r c h ) 、图灵( t u r i n g ) 等人对于计算本质的思想，提供了形式推理概念与即将发明的计算机之间的联系1 9 4 1 年，在信息的存储和处理的各个方面都发生了革命，人类第一台电子计算机诞生，第一台计算机要占用几间的大房间，仅仅为运行一个程序就要设置成千上万条的线路1 9 4 9 年改进后的能存储程序的计算机使得输入程序变得简单些，而且计算机理论的发展产生了计算机科学，并最终促使了人工智能的出现计算机这个用电子方式处理数据的发明，为人工智能的可能实现提供了一个前所未有的平台1 9 5 6 年，美国学者麦卡锡( m c c a r t h y ) 、明斯基( 1 i i n s k y ) 、朗彻斯特( l o c h e s t e r )和香侬( s h a n n o n ) 共同发起，在美国的达特茅斯( d a r t m o u t h ) 大学举办了一次长达2个月的研究会，认真讨论用机器模拟人类智能的问题会上，首次使用了人工智能这一术语这是人类历史上第一次关于人工智能研讨会，标志着人工智能学科的诞生。1 9 6 9 年召开了第一届国际人工智能联合会议( i n t e r n a t i o n a lj o i n tc o n f e r e n c eo na i ) ，此后每两年召开一次，1 9 7 0 年人工智能国际杂志( i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f a i 创刊，所有这些国际学术活动，都有力地促进人工智能的研究和发展，并使人工智能在全世界的科学领域中独具一格。d a r t m o u t h 会议后的几年中，a i 研究开始快速发展。虽然这个领域还没明确定义，会议中的一些思想已被重新考虑和使用了。c a r n e g i em e l l o n 大学和m i t 开始组建a i研究中心。1 9 5 7 年一个新程序通用解题机( g p s ) 的第一个版本进行了测试。这个程6序是由制作逻辑专家的同一个组开发的。g p s 扩展了w i e n e r 的反馈原理，可以解决很多常识问题。两年以后，i 删成立了一个a i 研究组当越来越多的程序涌现时，m c c a r t h y 正忙于一个a i 史上的突破。1 9 5 8 年m c c a r t h y 宣布了他的新成果：l i s p 语言l i s p 的意思是表处理( l i s tp r o c e s s i n g ) ，它很快就为大多数a i 开发者采纳，l i s p 至今还在用经过几十年的发展，人工智能的研究和应用取得了巨大的成就，特别是七十年代前后的专家系统，为企业矿产数据分析处理、医疗诊断、符号运算、辅助设计等提供强有力的帮助。1 9 6 8 年，被誉为“专家系统和知识工程之父”的费根鲍姆( f e i g e n b a u m ) 领导的研究小组成功开发出第一个专家系统d e n d r a l ，该系统用于质谱仪分析有机化合物的分子结构几年后，费根鲍姆小组又开发出n y c i n 医疗专家系统，该系统用于抗生素药物治疗。后来人工智能专家还开发出一系列的专家系统，如地质勘探专家系统p r o s p e c t o r 、青光眼诊断治疗专家系统c a s n e t 、计算机结构设计专家系统r i 、符号积分与定理证明专家系统姒c s y 姒、电话电缆维护专家系统a c e 、钻井数据分析专家系统e l a s 等。八十年代，随着专家系统和知识工程在全世界的迅速发展，智能届已经将人工智能系统定位为一个知识处理系统，而知识表示、知识利用和知识获取就成为人工智能系统的三个基本问题 4 其它一些a i 领域也在八十年代进入市场。其中一项就是机器视觉。m i n s k y 和r r的成果现在用到了生产线上的相机和计算机中，进行质量控制到1 9 8 5 年美国有一百多个公司生产机器视觉系统，销售额共达8 千万美元但八十年代对a i t 业来说也不全是好年景，八十年代中后期年对a i 系统的需求下降，象t e k n o w l e d g e 和i n t e l l i c o r p 两家共损失超过6 百万美元，大约占利润的三分之一巨大的损失迫使许多研究领导者削减经费人工智能的应用遇到了困难，人工智能的研究步伐也慢了下来近年来，a i 仍在慢慢恢复发展，在美国首创的模糊逻辑，它可以从不确定的条件作出决策，还有神经网络，被视为实现人工智能的可能途径总之，八十年代人工智能被引入了市场，就已经显示出其应用的价值。人工智能技术被用于导弹系统和预警显示以及其它先进武器，人工智能技术也进入了家庭，智能电脑的出现也引起了人7们的兴趣，与实现生活紧密联系的语音和文字识别软件已投入使用，智能性的摄像设备也开始走入家庭，可以肯定的是，人工智能的技术已经改变并即将更大的改变人类的生活。1 4 虚拟人群1 4 1 群体运动模拟群体动画是群体行为采用计算机动画来模拟的结果1 9 8 7 年，c r a i g 矾r e y n o l d s提出行为动画的基本原理：一个群体的复杂图像可以通过每个个体的简单行为和个体之间的交互行为来自动生成，群体中的个体遵循以下规则结合成群体：分离规则，即个体和邻近个体及障碍物之间保持一定的距离；结合规则，即各个个体在特定的场所组成一个群体，是问题研究的对象群体运动的模拟在计算机动画领域中，已经越来越受到各界的重视。特别的是，虚拟人群可用于公共场所紧急灾难( 如火灾)发生时，人群疏散过程的仿真，而这对于人员避灾的培谰、场所应急能力的评估都具有重要的作用。群体运动模拟的研究，可以通过多种方式来实现，有些虚拟群体的方法也取得了较大的成功。当前群体虚拟的方法主要可分为以下3 类：粒子系统( p a r t i c l es y s t e m ) 、群集系统( f l o c k i n gs y s t e m ) 和行为系统( b e h a v i o r a ls y s t e m ) r e n y n o l d 5 以简单的区分法则，应用在群体中每一个个体上，个体在区域空间中互相影响，产生出自然界生物群聚的现象，例如空中飞行的雁群针对驱使人群的移动的动机通常较为复杂，b o u v i e r 6 、b r o g a n 与h o d g i n s 7 使用了以物理法则为主的粒子系统，通过物理法则来构画出虚拟人物，再由满足一定规则的大量的虚拟人物反映群体运动的效果。t u 与t e r z o p o u l o s 8 以行为法则为基础，利用有限状态机构建出认知模型，成功地模拟出“人工鱼”利用有限状态机构建出认知模型，面对人的复杂行为8表现时，则受限于行为法则设计无法穷举，因而难以完整模拟智能人。s a i w a k i ，k o m a t u s ，y o s h i d a 和n i s h i d a 9 则以物理法则中c h a o s 的特性来设计虚拟人群不过由于人群移动轨迹的多样性，使得人群轨迹控制的精确度仍然相当低，缺乏人群的社会性。p d i 1 0 以物理力学( p h y s i c a lf o r c e ) 与程序性法则( p r o c e d u r a lr u l e )想结合的方法来虚拟人p i x a r 1 1 则是针对虚拟人物设计4 4 6 6 种独立单元，用以来组合描述出2 2 8 种不同的行为，如行走、奔走、紧张、惊慌等行为运动规划的研究领域中。l i 、j e n g 和c h a n g 以路径规划的方式，来讨论群体运动，并提出领导者一跟随者( l e a d e r - f o l l o w e r ) 模式：群体中有一个领导者，负责带领群体往设定的目标位置移动，群体中其余的个体都是跟随者，跟着领导者移动，领导者针对场所作出路径规划，跟随者以驱动力方式进行模拟1 4 2 人群的内部关系虚拟人群最大的特性之一，体现在群体内个体与个体的关系上。个体之间的各种关系会触发自己的行动，进而影响整个群体的发展这个关系的范围很广，涉及到了心理学和社会学的内容，包括领导与跟随，群聚，协作，避碰等虚拟人群的另外一个特性，体现在群体的个体上，个体的特性很大程度上决定了群体的特点，个体的行为影响着整个群体的发展个体的特性包括个体的人种、年龄特征、性别特征、文化素质、心理素质等在人群的虚拟过程中，如果将以上人群的二个特性考虑得越全面，则仿真的效果越接近现实。91 4 3 火灾现场疏散模型最早的疏散模型为基于单位出口宽度概念的模型，根据疏散实验或实际观测得到通过单位出口的流量值，然后计算所有人通过出口所需的时间。后来，p a u l s 1 2 提出了。有效宽度模型”，认为疏散流量与通道宽度是线性关系，而与单位宽度上的疏散人员数则是非线性关系在上述基础上，p r e d t e c h e n s k i 和m i l i n s k i i 1 3 研究了人员密度对流量的影响，并考虑了疏散过程中的某些具体现象，比如人流的堵塞，人流的汇合及分流，至此疏散理论得到了进一步的完善但是由上述模型计算得出的疏散时间与实际的疏散时间仍存在一定的差别，这主要因为上述模型尚没有考虑火灾对人员疏散的影响以及火灾时期人员的反应时间所以近期的研究主要集中在火灾时期人员的反应上，包括人员的生理及心理等因素对疏散的影响，以及火和烟雾等对人群疏散的影响由于人的因素较为复杂，在这一方面的研究目前进展不是很大国内外的研究人员在人员疏散方面进行了大量的研究与探索，开发出了许多各具特色的人员疏散模型，这些模型有其各自的适用场所，比如f i f 比a h f i m 适用于办公楼及公寓楼式建筑，e ) a t 8 9 适用于高层建筑，b f i r e s 主要针对医疗类型的建筑，还有适用于其他类型建筑的疏散模型。1 5 火灾安全疏散模型研究意义体育馆、歌剧院、商场、超市等大型公共建筑物是人员高度集中、建筑面积和空间结构较大的公共场所，此类建筑物一旦发生火灾，火势和烟气蔓延较快，人员疏散困难，容易造成严重的人员伤亡火灾发生时，建筑物内人群按照事先计划好的疏散路线和疏散方案有秩序的进行紧急疏散，是否能全部安全的疏散到避难空间或成功逃生，这是评价建筑物防火设计安全性的重要指标。评价建筑物紧急情况下人群疏散安全性的指标包括建筑空间出口及楼梯等处群集滞留人数、滞留持续的时间、疏散全部结束所需的时间及可用的安全疏散时间等，这些指标与建筑空间形式、空间内人员分布、人群的结构、火灾现场等因素有关我国的建筑火灾一直比较严重，2 0 0 5 年全国共发生火灾2 3 万起，死亡2 4 9 6 人，受伤2 5 0 6 人，直接财产损失1 3 6 亿元火灾产生的巨大危害一方面与大量烟雾及烟雾中的有毒有害气体对人体有极大的伤害有关，另一方面火灾人群的组成结构如性别、年龄等以及人群的心理素质也是决定逃生成功率的一个重要原因所以，开展火灾安全疏散模型研究，开发人群疏散仿真系统，对改善建筑物防火设计、建筑物防火评估、人员安全培训等方面具有重大的意义1 6 国内外研究现状早期的研究人员如b h i l l i e r 等人系统地观察和分析行人流模式，r e y n o l d s 研究了行为动画，n o s e r 等人发展了控制集体行为动画的局部规则，b o u v i e r 和b r o g a n 等人分别在仿真中使用粒子系统和动力学方法模拟组的运动，m u s s e 等人描述了一个由，群、组和个体构成的分层模型近年来，国外研究机构开发出一些高水平的人员安一佥疏散模型，如由美国的f r a n c i s 开发的预测最小理论疏散时间的网络模型e v a c ne t + 、由s t a b 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等。研究人员还( 如e g o f f m a n ) 研究了行人避免碰撞的技术。伦敦大学开展的相关研究工作较早，b h i l l i e r 等人系统地观察和分析行人流模式为了模拟聚集运动，r e y n o l d s 研究了行为动画，并且引入了聚集系统，其中群的行为是由组内个体的行为构成的，这些行为包括避碰，速度匹配和中心聚集等为了创造人工生命，n o s e r等人 1 4 发展了控制集体行为动画的局部规则，其中虚拟智能体能够被赋予合成视觉和对环境的感知能力b o u v i e r 和b r o g a n 等人分别在仿真中使用粒子系统和动力学方法模拟组的运动，其中每一个体被强迫移动到新计算的位置，这个新计算的位置是基于组的速度、邻居和可见障碍物计算的。m u s s e 等人描述了一个由群、组和个体1 l构成的分层模型v i c r o w d m u s s e 等人通过检测个体前进方向上是否有其他个体存在，判断是否有碰撞发生，并且采用两种避碰策略：等待避碰策略和绕行避碰策略h 瓦k i m 等人采用了分割区域的方法，并为每个人设置一个触角圆柱体用于探测其所在方形内其他的个体( 邻居) 。s u l l i v a n 等人提出了一个虚拟人动画自适应层次细节模型框架，该模型不仅包括几何和运动的层次细节模型，还包括复杂的行为等级j o h n j f r u i n 研究了步行者的规划和设计，提出了服务层概念( l e v e lo f s e r v i c e ) ，给出了人体的基本尺寸( a n t h r o p o m o r p h i ct a b l e s ) ，描述了人群密度和速度之间的关系等。g i ( s t i l l 1 5 以w e m b l e y 大型体育场为例对入口点、接近体育场的路线和十字转门等问题进行了研究人群动力学模型大致可分为两大类：原子模型和连续统模型，其中原子模型是通过对个体步行者的离散仿真来研究人群的运动的。人群研究的最新进展是将人群当作一个连续统，所谓连续统模型，就是将人群表示成流体，并将流体的运动描述为起源于特定目的的方程，这是一个令人振奋的进展r i c h a r d 1 6 等人将这种方法应用于阿金库尔战役( 1 4 1 5 年英王亨利五世在法国北郎阿金库尔村重创兵力数倍于己的法军) 的仿真实验，实验的结果是拥有重兵的法罩失败，并且还纠正了有关这一战役的历史纪录中的一个错误目前国外较有影响的人群疏散模型有：基于人员行为的火灾时期紧急疏散模拟模型b f i r e s ，该模型应用于医疗类型的建筑中；适用于大型建筑的疏散模型e x i t 磅9 ，它能跟踪单个人的行走轨迹；典型的网络人员流动模型e v a c n e t ，该模型确定人员m疏散路线以使疏散的时间最小应该说，虚拟人群，研究人群疏散模型，是一个复杂的课题，随着研究的深入，还有很多问题可以进一步挖掘在我国，对安全疏散模型研究起步较晚，大都停留在定性分析阶段。目前从事人员疏散计算机仿真研究的高校和科研机构有：中科大火灾科学国家重点实验室、东北大学、香港城市大学、武汉大学、公安部天津消防所、中国建筑科学院建筑防火研究所、浙江大学、西南交大和北京仿真中心等近年来，国内在安全疏散模型有了较大进展，“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目前，国内外在研究人群紧急疏散模型时，通常采用粒子系统和动力学方法模拟群体的行为，近年来也提出了自主虚拟人的概念，不管是采用哪种模型，没有考虑人群的内因是一个共同的问题人群的内因，如年龄，性别、心理素质、人群对环境的熟悉程度等，是对紧急疏散模型产生重大影响的一个因素本文的主要工作是在积极了解国内外在群体动画、火灾人群紧急疏散模型研究现状的基础上，重新认识火灾中影响人群疏散的原因，重点是考虑了火灾中人群个体的内在因素，对人群疏散的路径进行规划，对火灾人群紧急疏散模型重新进行建模，并在元胞自动机上加以实现第2 章人群疏散仿真理论系统模型的建立是系统仿真的基础，而建立系统模型是以系统之间相似性原理为基础的相似性原理指出，对于自然界的任一系统，都存在另一系统，它们在某种意义上可以建立相似的数学描述或存在相似的物理属性一个系统可以用模型在某种意义上来近似，这是系统仿真的理论基础。本章内容主要是分析人群疏散仿真的基础理论，包括系统仿真，h e l b i n g 模型，元胞自动机、行为规则、运动控制技术和路径规划等。2 1 系统仿真1 9 6 6 年，t h n a y l a r 在其专著中对仿真做了如下的定义：仿真是在数字计算机上进行试验的数字化技术，它包括数字与逻辑模型的某些模式，这些模型描述了某一事件或经济系统( 或它们的某些部分) 在若干周期内的特征在各种仿真的定义中，可以归纳出，系统仿真实质上包括了三个基本要素：系统、系统模型、计算机。而这三个要素是通过模型建立、仿真模型建立和仿真实验来联系和实现的。图2 - 1 系统仿真三要素1 4由此可见，系统仿真是对系统进行试验研究的综合性技术，通常系统的仿真实验是为特定的目的而设计的，是为仿真用户服务的。系统仿真的一般过程应该包括以下几个阶段的工作。1 建模阶段在这一个阶段，首先是要将现实的系统进行数学建模，分块建立子系统的模型，并采用计算机语言将数学模型变为可以在仿真计算机上运行的模型，将予系统的模型集成为全系统的仿真实验模型。乏模型实验阶段这一阶段的主要工作是根据实验计划和实验大纲，选定待测量变量和相应的测量点，进行仿真实验并记录结果。3 结果分析阶段在这一阶段需要对实验数据进行去粗取精、去伪存真的科学分析，并根据分析的结果做出正确的判断和决策。对于一般意义上的系统仿真，采用如下的流程：2 2h e l b i n g 模型图2 - 2 系统仿真流程图从八十年代开始，利用计算机模拟紧急情况下人群的疏散过程，成为计算机仿真技术的重要应用领域之一到目前为止，国外已开发了多种紧急情况下人群的疏散模型，比较典型的有美国n i s t r 的e x i t t 模型，英国格林威治大学的b u i l d i n ge x o d u s 模型、英国爱丁堡大学的s i m u l e x 模型等。根据研究方法的不同，可以分为网络模型、网格模型、流体模型。网络模型是根据人群所处的地理进行空间分割模拟，以群体为研究对象，忽略群体中个体的特征和个体间的相互作用。网格模型则是把人群所处的地理分割成形状和面积相同的单元格，以利于对个体和环境中的障碍物进行准确定位，并实现对个体行为的模拟和控制。流体模型是采用已有的流体力学的成果，将疏散的人群看成是流动的液体进行研究的方法在人群疏散仿真中，由h e l b i n g 1 7 等人提出来的基于社会力学的模型，成为一个成功的典型h e l b i n g 模型使用了一个粒子系统，将人群中的个体抽象为粒子来进行研究，个体粒子m i 在某时刻具有速度v i o ，方向为e i o ，经过一定的时间间隔t 。，个体粒子啦在t 时速度如下式：啊鲁砚半+ 荟厶+ 艺，-( 2 _ )其中f 。，为个体粒子m i 与其他个体的交互力，f i - 为个体粒子毗与墙壁w 保持一定的距离的作用力h e l b i n g 模型成功的模拟了人群疏散的真实现象，在预先设定的出口出现了拱形图2 - 3h e l b i n g 模型人群疏散图1 72 3 元胞自动机元胞自动机最早是由v o n n e u m a n 和u l 锄 1 8 提出的，它将人群中的个体抽象成一个个简单的元胞，个体通过群体内部的相互作用从而构成了一种离散空间可扩展的动力系统。元胞自动机按照一定的规则来模拟非线性的运动，特别是在复杂的群体运动中，可以省去了很多繁琐的非线性数值的计算，也使虚拟现实得以实现在元胞自动机中，首先要设定系统中元胞的初始状态，然后定义元胞更新的规则，利用初始状态和更新规则来研究元胞的状况变化的规律。在人群疏散元胞自动机模型中，首先是定义场所以及人群的初始状态，然后是定义基本的更新规则：第i 个元胞( 个体) 在t + l 时刻的状态是由第i 个元胞在t 时刻的状态及其邻域内的有限个元胞在t 时刻的状态来决定第i 个元胞在t + l 时刻的状态表示为：s 1 = f ( s 。，n )( 2 - 2 )s _ 元胞的有限状态集n _ 邻域内所有元胞的状态集，假设第i 个元胞其邻域包含了n 个元胞，则n为1 1 个元胞的状态和，表示为n - - - - ( a 。，a 。， i ) f _ - 一是更新规则，是从s 。到s 。上的一个映射函数图2 - 4 元胞自动机守一在元胞自动机中，规则是定义在空间局部范围内的，即一个元胞在下一时刻的状态决定于本身状态和它的邻域元胞的状态。因而，在指定规则之前，必须定义一定的邻域规则，明确哪些元胞属于该元胞的邻域。在二维元胞自动机的邻域定义中，通常采用m o o r e 型邻域，如图2 - 5 2 4 人群疏散行为规律图2 5m o o r e 型邻域在各种紧急的场合中，人群总是尽可能地往安全的地带疏散，而人群在疏散的过程中，总是要遵循一定的行为规律。人群疏散的行为规律，主要包括目标行为、从众行为和避碰行为2 4 1 目标行为在紧急情况下，人群逃生过程中的最终目标是走向出口位置，也就是说，人群中的个体从主观上根据周围环境的具体状况，主动克服遇到的各种障碍，选取最佳路径，并及时调整自己的逃生路线，以最快的个人期望速度从最初位置到达目标位置，这就是人群的目标行为。2 4 2 从众行为人在很多场合中都会因某一诱因而采取相同的行为导向的心理因素，如聚集、模仿、跟随等，这就是我们常说的从众j d 理在紧急的环境中，如发生火灾等，人群中的个体会出现相互跟随的情况，特别是随着火灾蔓延，险情不断增强，人群中的个体处在火灾现场的时间越长，就会变得越来越焦虑，个体的自主能力不断减弱，相对从众行为会不断加重2 4 3 避碰行为个体在疏散的过程中，会遇到障碍物( 如场所中的柱子、墙壁等) 或其他人，人的避害心理使得个体会采取避碰的行为当个体的行走路径出现障碍物时，个体的行为会与障碍物保持最小距离的心理，如采取绕过等行为；当两个个体向同一个目标格行走时，就意味着有一人留在原处或改变路径，另一人占据目标格。在虚拟人群运动仿真过程中，由于虚拟人以及人群的运动，物体之间经常会发生碰撞现象，此时为了保证真实性，就要及时的检测到这些碰撞，也就是要有碰撞检测的功能，否则人与人或人与障碍物之间就会发生穿透现象，破坏虚拟环境的真实感。空间剖分法是碰撞检测最简单的一种方法，这种方法将空间剖分成均匀的单元，每个物体对应到一个或多个单元中，碰撞检测时只对处于同一单元中的物体进行最常用的碰撞检测方法就是包围盒算法，这种方法的基本思路是使用个简单的包围盒将复杂的几何形体围住，当对两个物体进行碰撞检测时，首先检测两者的包围盒是否相交，如果包围盒不相交，则说明两个物体未相交，否则进一步对两个物体作检测。由于包围盒的求交运算比物体的求交运算简单的多，所以可以快速的排除很多不相交的物体，但这实际上是一种保守的方法，可能将事实上并没有发生碰撞的物体对作为发生碰撞的情况进行处理2 5 虚拟人运动控制技术在人群动画设计过程中，应用一些已经发展的技术来实现使虚拟人的运动，使运动更加自然和真实这些技术主要包括：参数化关键帧技术、过程动画技术、运动学技术和运动捕获技术等 1 9 2 5 1 参数化关键帧技术关键帧技术是人们进行虚拟人运动控制的最早方法，其概念源于早期w a l td i s n e y 公司卡通画的制作在早期的动画制作过程中，先由高级动画师设计关键画面也即所谓的关键帧，然后由助理动画师设计中间帧关键帧技术最初仅仅用来插值帧与帧之间卡通画的形状，后来该技术发展成可以用插值影响运动的任何参数，因此也称其为参数关键帧2 5 2 过程动画技术过程动画是指用一个过程去控制人体的运动 2 0 过程动画技术在解决一些特殊类型的运动( 例如行走、跑步等) 时是十分有效的通过使用这种方法，动画师只需要明确一小部分的参数( 例如速度，行走的步长等) ，通过一个具体的过程就可以计算出每一时刻的姿势。2 5 3 运动学技术运动学技术是通过运动学的方程来计算并生成运动动画的技术。运动学技术可以分为正运动学技术和逆运动学技术正运动学技术主要是通过设定运动人体在特定时刻的位置与转角来生成人体动画的技术逆运动学方法则与之相反，它通过给定末端效应器的位置与方向计算出关节链中各个关节的位置与方向由于逆运动学方法大大减轻了用户的工作量，它在人体动画的交互式设计和自动生成算法中获得了广泛应用2 5 4 运动捕获技术运动捕获技术是通过使用专门的传感器来记录运动者的运动信息，然后利用所记录下来的数据来重新构建虚拟人的动作模型，从而生成运动动画运动捕获技术是目前相当流行的一种技术。2 6 路径规划基于元胞自动机的人群疏散模型，个体在疏散时的路径由个体本身和周围环境及其它个体的状态来决定的人群中的个体在逃生的路径选择中，相对于出口，总是尽可能的选择最短的路径来逃生，即在每次进行目标两格选择时，总是选择最优网格同时，在进行路径选择的过程中，会遇到碰撞的状况，也就是要解决避碰的问题在本文中，避碰的问题由个体的竞争力来解决图2 - 6 路径选择示意图从图2 - 6 路径选择示意图可以看出，任何一个个体的移动路径，是一个不停的搜索最优网格和个体竞争能力的不断比较的过程。1 某一个体在t 时刻的位置：2 搜索个体在t + l 时刻的最优网格；3 判断t 时刻是否有二个以上的个体将同一网格作为t + l 时刻的目标网格；4 如果“3 ”成立，进行个体竞争力的比较：如果是最强者，转。5 ”；否则，选择次优网格作为目标网格，转“3 ”如果“3 ”不成立，直接转“5 ”5 成功移动。2 7 人群疏散模型的基本结构虚拟火灾中人群的疏散是在特定场所来进行的，人群疏散模型主要是由场所定义、人群属性和场所附加条件来构成的。图2 7 表示了人群疏散模型的基本框架和流程具体地，描述模型的各组成部分的要素如下：图2 _ 7 人群疏散模型结构场所：包括场所的大小、空间格局；障碍物的位置、大小；安全出1 ：3 的位置、大小等人群：包括人群个体的数量、个体所在位置、个体属性等场所的附加条件：包括火焰、烟雾等。2 8 本章小结本章主要的内容是阐述了系统仿真的理论基础系统仿真实质上包括了三个基本要素：系统、系统模型和计算机，这三个要素是通过模型建立、仿真模型建立和仿真实验来联系和实现的在人群疏散仿真模型中，基于社会力学的h e l b i n g 模型成为一个成功的典型。元胞自动机将人群中的个体抽象成一个个简单的元胞，个体通过群体内部的相互作用从而构成了一种离散空间可扩展的动力系统元胞自动机按照一定的规则来模拟非线性的运动，特别是在复杂的群体运动中，可以省去很多繁琐的非线性数值的计算，使虚拟现实得以实现本文的模型也会在合理化场合的基础上，吸收元胞自动机的成功做法进行人群的仿真本章还探讨了人群在疏散的过程中遵循的行为规律，并从目标行为、从众行为和避碰行为三个方面进行了分析同时，也对虚拟人运动的有关技术进行了描述基于元胞自动机的人群疏散模型，个体在疏散时的路径规划是由个体的状态及其领域和其它个体的状态来决定的本章最后分析了人群疏散模型的基本结构，并给出了模型的结构图第3 章考虑个体内在因素的火灾人群疏散模型本章对影响火灾人群的疏散因素重新进行了考虑，并认为人群中的个体的内因是影响人群疏散结果的一个重要方面。我们以人群个体的内因为基础，对人群疏散的路径重新进行了规划，定义了个体移动的规则，并形成了基于个体内在因素的火灾人群疏散模型3 1 个体内因的定义现实生活中，处于任何一个公共场所的人群，都是由具有个性特点的各个个体所组成的在已往的人群疏散仿真模型中，都充分强调群体的特点，而很少考虑或根本就忽略了个体的内在因素，从而导致模型的仿真效果与现实出现了较大的偏差因为不同的个体群在同样的危险环境中所表现出来的逃生结果是有很大的区别的，如一个由消防员组成的群体和一个由普通老百姓组成的群体，在相同的环境下，他们的逃生效果是有明显的差异的本文