疏散模拟软件STEPS与Pathfinder对比研究.doc

疏散模拟软件STEPS与Pathfinder对比研究杜长宝基金项目：江苏省自然科学基金（BK20131117）；江苏高校优势学科建设工程（PAPD）。,2,3，朱国庆1,2,3，李俊毅1,2,3（1. 中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；2. 中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；3. 中国矿业大学 消防工程研究所，江苏 徐州 221116）摘要：为了解两款疏散模拟软件STEPS与Pathfinder的功能差异及适用范围，本文采用理论研究与实际模拟相结合的方法进行对比分析。研究发现：STEPS软件采用元胞自动机（CA）模型，疏散规则简单，人员智能化程度低，疏散时人员行为特征与现实情况不完全相符，但路径决策系统很好地解决了上述问题，可以很真实地模拟常态下人员疏散；Pathfinder软件采用Agent-base模型，人员智能化程度高，个体可以回应环境刺激，人员可以轻松规避障碍物，人群中的个体行为特征丰富且与现实情况十分相符，但在出口选择上存在缺陷，只能选择前方的出口而忽略后方的出口，不能模拟常态下人员疏散。分析得出Pathfinder模拟结果与真实情况相符程度更高，STEPS更适合模拟常态下人员疏散。关键词：疏散；STEPS；元胞自动机；Pathfinder；Agent-baseComparative Study on Evacuation Simulation Software STEPS and PathfinderDU Chang-bao1,2,3, ZHU Guo-qing1,2,3,LI Jun-yi1,2,3(1 School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou Jiangsu 221116, China 2 Ministry of Education Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines, Xuzhou Jiangsu 221116, China3 Fire Research Institute, China University of Mining and Technology, Xuzhou Jiangsu 221116, China） Abstract: To know the different of two evacuation simulation software STEPS and Pathfinder in function and scope, this paper uses the analysis method of combining the theoretical research and practical simulation. Found that STEPS theory model is cellular automata (CA), its evacuation rules is simple and intelligence degree is low, the evacuation behavior is not completely consistent with reality, but path decision system solved the problems. In addition, STEPS can simulate the normal population. Pathfinder has a high intelligence degree, its individual can respond to environmental stimuli and also can easily avoid obstacles. Besides, the individual also has a rich attribute that strictly conform to the reality. But it has some flaws in door choice system, individuals can only choose the front direction ignoring the back, and cant simulate the normal evacuation. Finally, concluded that the intelligence degree of Pathfinder is high and its simulation results match the real better, STEPS is more suitable for simulating normal evacuation.Keywords: Evacuation, STEPS, Cellular Automata, Pathfinder, Agent-base1引言以往人员疏散的研究主要集中在对火灾现场的观察分析，对幸存者的访谈记录，对统计数据的拟合整理。近年来随着计算机技术的飞速发展，人们对火灾中人员逃生行为的研究，逐渐由人工数据分析转变为计算机仿真模拟分析。根据原理的不同，目前国内外已经提出了多种疏散仿真模型，主要分为离散模型和连续模型两大类。离散模型能很好研究人员的逃生时间和路线选择问题，连续模型重点研究了人的心理对逃生过程的影响1-6。本文选取基于离散模型（元胞自动机）的疏散软件STEPS和基于连续模型（Agent-base）的疏散软件Pathfinder进行对比分析，研究人员疏散时的运动规律，给出疏散软件使用的不同场景，为从业者提供选择软件的依据。2疏散模型的分类研究疏散模型是研究人员疏散的基础。依据模型中对人描述详细程度的不同，将模型分为运动模型、部分行为模型和行为模型。依据对物理平面模化方法的不同，将模型分为离散模型和连续模型7。依据对人员特征表示方法的不同，将模型分为个体分析模型和群体分析模型8。目前国内外学者对疏散模型的研究主要集中在离散模型和连续性模型，如元胞自动机模型（离散模型）、Agent-base模型（连续性模型）。2.1元胞自动机模型元胞自动机（Cellular Automata，简称CA）是定义在一个具有离散、有限状态的元胞组成的元胞空间上，并按照一定的局部规则，在离散的时间维度上演化的动力学系统。该模型最早由冯诺依曼提出9。CA模型主要由元胞状态集、邻域和局部映射函数构成。元胞自动机模型将平面均匀地划分为一个个独立的矩形网格，每个网格视为平面的基本单位，被称为元胞。每个元胞只有两个元素0，1，被称为元胞的状态集，每个元胞都有对应的积分值如图1所示。CA模型的邻域通常分为两种，von Neumann模型和Moore模型，如图2所示。元胞的所有状态同步更新，更新规则如公式（1）所示。 为邻域元胞在t时刻的状态，f为映射规则。图1 网格积分von Neumann邻域Moore邻域图2 元胞邻域2.2 Agent-base模型目前，关于Agent的定义有许多种，国外学者Wooldridge给出的弱定义被广泛的接受，即：Agent是具有主动性、自治性、社会性和反应性的计算机系统10。Agent-based便是基于Agent概念建立的一种模型。Agent-based模型利用Agent表示系统中的个体，并利用Agent的不同属性及其之间的交互关系，来描述系统的行为。结合简单的行为规则和Agent之间的交互关系，复杂系统便呈现出了群体的智能性。系统中的个体不但能够在环境中生存，而且具有自适应性，能够很好地适应环境并优化它们的行为。Agent-based模型中个体行为由Agent间两两相互作用来决定，在大规模人群疏散过程中与真实情况符合程度不太理想10。3疏散软件介绍目前，国内外已提出50多种疏散仿真软件7。根据对物理空间模化方式的不同，将软件分为三类。精细网格模型，如CRISP、EVACNET、EXIT89等11 ；粗糙网格模型，如Building EXODUS、STEPS、SIMULEX等12 ；连续模型，如Legion、Pathfinder、MOMAD等13。本文选取STEPS和Pathfinder两款疏散软件进行对比研究。3.1基于离散模型的STEPS软件STEPS是基于经典元胞自动机理论的大型三维疏散模拟软件14。由英国Mott MacDonald公司设计编写，目前广泛应用于地铁、飞机场、办公楼、大型购物中心等场所的人员疏散模拟。STEPS人员疏散过程主要包括以下五个方面：绘制建筑几何模型，设定人员参数，将平面网格化，计算网格积分，人员路径选择决策。其中，平面网格化和计算网格积分在本文2.1中已有论述，在此不再赘述，本节重点介绍STEPS中人员如何进行路径决策。STEPS提供了丰富的建模工具，如Shapes , Planes , Exits , Stairs , Lifts , Blockage , Location等。由于STEPS可以模拟地铁的人员疏散，因此还提供了vehicles工具。软件中对人员几何特征的描述有身高、肩宽和胸厚。软件提供了8种不同特征的人员类型，如乘坐轮椅、携带手提包、携带拉杆箱等。软件提供了两种定义人员步行速度的方法，一是由用户设定，二是随机正态分布。STEPS中给出了一套复杂的行人路径决策过程，包括以下步骤：1) 计算直接到达出口的时间和在出口处的排队时间 式中，D为积分潜力表中到达出口的最短路径的距离；v为人员行走速度，由用户设定；N为在当前用户之前到达出口的人数；F为出口人流量，由用户设定。2) 计算步行调整时间和排队调整时间 式中，D2为队尾距出口的距离，由紧挨着当前用户前面一个人员的潜力积分表得到；v为人员行走速度，由用户设定；N2为当前用户到达队尾时已经离开出口的人数；F为出口人流量，由用户设定。3) 计算实际步行时间和实际排队时间 4) 计算结合耐心指数后的预计排队时间 式中，为排队系数；Patience为耐心指数，由用户设定，取值范围0,1。5) 计算到达出口的最终用时3.2基于连续模型的Pathfinder软件Pathfinder是由美国Thunderhead Engineering公司开发的基于Agent技术的疏散模拟软件。软件中人员运动模式包括SFPE模式和Steering模式15-16两种。SFPE模式以人员流量为基础，人员会自动转移到最近的出口，人员不会相互影响，但列队将符合SFPE假设。Steering模式是路径规划、指导机制、碰撞处理相结合控制人员运动。如果人员间的距离或最近点的路径超过某一阈值，可以再生新的路径，以适应新的形式。Pathfinder软件模拟疏散过程包括以下三个方面：绘制建筑几何模型，设定人员参数，人员路径选择决策。Pathfinder提供了实用的建模工具，如Polygonal Room , Rectangular Room , Thin Wall , Thick Wall , Stairs , Ramp , Door等。软件中对人员特征的描述有肩宽和身高。用户可以设定出口对行人的吸引程度、行人可以通过的最小宽度、人员最大步行速度等。疏散过程中实际步行速度由公式（11）计算确定。Steering模式中人员路径决策系统步骤如下：1）计算当前期望速度和加速度大小 式中，k为疏散速度常数，平面和坡道取1.4 m/s，楼梯则按表1取值；为最大步行速度，由用户设定；为加速时间，由用户设定。踏面高度/m踏面宽度/mk0.190.241.000.180.271.080.170.301.160.170.331.23表1 疏散速度常数k图3 人员运动方向2）计算每个方向的权值，最小权值的方向为实际运动的方向 式中，为各方向上的权值；为各个方向与seek曲线在该点切线的夹角，seek曲线已内置于软件内，Pathfinder中人员可能选择的方向为图3所示的180度范围。3）计算最小权值方向期望速度和加速度大小 式中，为0或，由系统根据人员当前位置判断得到；为最小权值方向向量；为当前路线上最大加速度；为当前方向的速度大小。4）移动到下一个位置 式中，为下一时刻的速度；为下一时刻的位置；为更新步长，由用户设定。重复上述步骤，直到人员离开出口。4疏散模拟场景对比场景一：单室双门模型（平面尺寸：20 m40 m，门宽1.7 m）由图4可以看出：Pathfinder中，人员直接涌向附近出口，没有人员在两个出口之间来回走动现象。STEPS中，人员先移动到出口正前方直线区域，然后向出口移动，并且存在部分人员在两个出口之间来回走动现象。Pathfinder假设行人知道整个房间所有信息，包括出口方位、路况好坏等，系统为每个行人计算一个seek曲线，由初始位置指向出口方向。图4(a)中房间没有障碍物遮挡，所以人员直接走向出口。因为Pathfinder中人员只会在正前方180度视野范围内修正方向，所以不会出现人员在中途转向另一个出口现象。STEPS中人员按照网格积分值由高到低的方向移动，由本文1.1节图2知，人员走向出口正前方直线的积分差值为-1，走向出口积分差值为1，沿对角线走向出口积分差值为。所以，人员倾向于先走向出口正前方的直线，再走向出口。由于出口对人的吸引作用，导致人员路径有一个向出口方向的倾角。由于STEPS的路径决策系统会实时计算当前出口的疏散时间，当该出口的疏散时间较大时，人员会放弃当前出口转向新出口。由于新出口的疏散时间增大，原出口疏散时间减小，又会有人放弃新的出口，如此反复直到疏散结束，因此出现有部分人员在两个出口之间反复来回走动现象。（a）Pathfinder模拟结果（b）STEPS模拟结果图4 单室双门模型疏散过程图场景二：障碍物模型（平面尺寸：20 m40 m，障碍物间缝隙均为1.0 m，门宽1.7 m）由图5可以看出：Pathfinder中，人员会绕过障碍物选择新的路径继续疏散。STEPS中，人员大多拥堵在积分值较低的障碍物缝隙前面，大部分人员不会绕过障碍物选择新的路径进行疏散。Pathfinder中，当障碍物阻挡了人员seek曲线时，系统会重新计算所有方向的权值，人员会沿着最小权值方向不断修正路线，最终绕过障碍物继续疏散。STEPS中，人员仅仅按照网格积分值由高到低的顺序移动，障碍物缝隙处积分值较低，所以拥堵在该缝隙附近。(a) Pathfinder模拟结果(b) STEPS模拟结果图5 障碍物模型疏散过程图场景三：长廊模型（长廊尺寸：30 m1 m，门宽1.7 m）由图6可以看出：Pathfinder中，长廊入口处人员无序的拥挤在一起，长廊内存在人员试图超越现象。STEPS中，长廊入口处人员按照几何形状有序地排列，长廊内人员沿直线顺序前进。Pathfinder中，走廊前人员无序拥挤更符合真实情况。虽然走廊宽度为1.0 m人员肩宽为0.45 m，宽度上允许两人并排行走。但软件中人与人、人与墙之间的碰撞处理系统，使得人与人、人与墙之间存在最小距离和边缘效应。所以，后面人员无法超过前面行人。STEPS中，人员的移动严格按照网格积分值的高低顺序，所以才会出现人员拥挤时人群形状为严格的几何形状且横竖方向队列整齐。（a）Pathfinder模拟结果(b) STEPS模拟结果图6 长廊模型疏散过程图5结论1）Pathfinder是基于Agent-base的疏散软件，物理空间连续，模型中个体有着丰富的属性和接近实际的能力，人与人、人与墙之间有着一套完整的碰撞处理机制，与真实情况较为接近。STEPS是基于元胞自动机的疏散软件，物理空间离散，模型中个体为无意识粒子按照积分值由高到低的方向移动，规则简单，与真实情况接近程度较差。2）Pathfinder中人员选择出口、规避障碍物、排队超越等现象展现了个体丰富的属性，突出了人群中个体特征。软件假设人员知道房间所有出口信息，人员选择出口都是最合理的，忽略了人群中个体的从众心理。小规模疏散人群效应较小，模拟结果与真实较为接近，大规模疏散结果相对差一些。STEPS中人为无意识的粒子，疏散过程仅由积分值决定，没有人员应有的特征。但软件的路径决策系统使得人员在选择出口时与真实情况较为接近，在一定程度上弥补了前面的不足，大规模人群疏散时能表现出部分人群特征，较符合真实场景。3）STEPS可以模拟常态下的人员疏散，可以给定人员特定动作，如在某处停留特定时间、在某处排队等，还可以指定人员从哪里进入建筑物、从哪里离开、疏散过程途经哪些地方。可以模拟常态下大型场所人群的分布、运动等规律。而Pathfinder仅能模拟紧急状态下人员疏散，人员只能由当前位置向出口方向移动。参考文献1 Helbing D, Molnar P. Social force model for pedestrian dynamicsJ. Physical review E, 1995, 51(5): 4282.2 宋卫国, 于彦飞, 范维澄, 等. 一种考虑摩擦与排斥的人员疏散元胞自动机模型J. 中国科学: E 辑, 2005, 35(7): 725-736.3 黄丽丽, 朱国庆, 张国维, 等. 地下商业建筑人员疏散时间理论计算与软件模拟分析J. 中国安全生产科学技术, 2012, 8(2): 69-73.4 陈涛, 应振根, 申世飞, 等. 相对速度影响下社会力模型的疏散模拟与分析J. 自然科学进展, 2007, 16(12): 1606-1612.5 Burstedde C, Klauck K, Schadschneider A, et al. Simulation of pedestrian dynamics using a two-dimensional cellular automatonJ. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 2001, 295(3): 507-525. 6 Kirchner A, Schadschneider A. Simulation of evacuation processes using a bionics-inspired cellular automaton model for pedestrian dynamicsJ. Physica A: Statistical Mecha