本發(fā)明涉及一種室內(nèi)人員疏散模擬方法，尤其是涉及一種基于混合空間的室內(nèi)人員疏散模擬方法。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，車站、商場(chǎng)、體育館等各種人員密集場(chǎng)所在不斷增加。發(fā)生火災(zāi)、恐怖襲擊等突發(fā)狀況時(shí)的，這些室內(nèi)公共場(chǎng)所如果人員疏散不利，極易造成人員傷亡。目前針對(duì)室內(nèi)公共場(chǎng)所的人員疏散研究，可以分為兩類：真實(shí)疏散演練和人員疏散建模。相對(duì)于真實(shí)疏散演練，人員疏散建模有著成本低、易于實(shí)施等優(yōu)勢(shì)。針對(duì)人員疏散建模，已涌現(xiàn)出很多模型和算法，如社會(huì)力模型、元胞自動(dòng)機(jī)模型、場(chǎng)域模型、離散選擇模型、蟻群算法、粒子群優(yōu)化算法等。從對(duì)模擬空間的了利用方式來(lái)分，這些模型和算法可以分為兩類：基于離散空間的模型、基于連續(xù)空間的模型和基于混合空間的模型。

從模擬能力、逃生規(guī)則等方面來(lái)看，基于離散空間和基于連續(xù)空間的疏散模型主要特點(diǎn)如下表：

對(duì)室內(nèi)人群的疏散模擬，核心是建立人群行為模式，包括疏散過(guò)程中行人之間、行人和障礙物之間的碰撞問(wèn)題；疏散人群中的個(gè)性和群體行為問(wèn)題(出口決策、疏散路徑選擇)等。為了綜合利用基于離散空間模型的規(guī)則簡(jiǎn)單性和高計(jì)算效率特性、基于連續(xù)空間模型的高仿真度的特性，本發(fā)明提出了基于離散和連續(xù)空間的混合疏散模型，在減少計(jì)算復(fù)雜度的同時(shí)又可提供精細(xì)化的模擬能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種基于混合空間的室內(nèi)人員疏散模擬方法，提高模擬室內(nèi)人員疏散時(shí)的效率和精度。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供的方案是：一種基于混合空間的室內(nèi)人員疏散模擬方法，包括如下步驟。

步驟1、計(jì)算疏散場(chǎng)所的離散靜態(tài)引力場(chǎng)。

步驟2、根據(jù)行人的逃生策略計(jì)算單個(gè)行人的動(dòng)態(tài)引力場(chǎng)。

步驟3、根據(jù)每個(gè)行人的動(dòng)態(tài)引力場(chǎng)計(jì)算候選可移動(dòng)位置。

步驟4、遍歷每個(gè)行人，重復(fù)步驟2和步驟3，直至所有行人全部疏散完成。

而且，當(dāng)所述疏散場(chǎng)所為規(guī)則矩形的場(chǎng)所，且場(chǎng)所內(nèi)沒(méi)有任何障礙物時(shí)，將疏散場(chǎng)所進(jìn)行柵格化，疏散場(chǎng)所的離散靜態(tài)引力場(chǎng)的計(jì)算公式為：

式中，S表示第i個(gè)單元的靜態(tài)引力場(chǎng)值，n表示出口的個(gè)數(shù)，X_i表示第i個(gè)單元的X坐標(biāo)，Y_i表示第i個(gè)單元的Y坐標(biāo)，表示第j個(gè)出口的X坐標(biāo)，表示第j個(gè)出口的Y坐標(biāo)。

而且，當(dāng)所述疏散場(chǎng)所為不規(guī)則形狀的場(chǎng)所，且場(chǎng)所內(nèi)有障礙物時(shí)，其離散靜態(tài)引力場(chǎng)按照種子填充法進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算過(guò)程如下。

步驟1.1、將疏散場(chǎng)所P進(jìn)行柵格化，得到柵格化后的疏散場(chǎng)所單元集合G。

步驟1.2、選定疏散場(chǎng)所P中的一個(gè)出口E，找到距離E最近的單元的集合B，并將集合B中的每個(gè)單元賦值為0。

步驟1.3、以集合B為種子點(diǎn)，使用種子填充法遍歷疏散場(chǎng)所單元集合G中的每個(gè)單元，計(jì)算每個(gè)單元與其鄰域的曼哈頓距離。

步驟1.4、遍歷每一個(gè)出口，重復(fù)步驟1.2和步驟1.3，得到疏散場(chǎng)所P針對(duì)每個(gè)出口的靜態(tài)引力場(chǎng)集合F。

步驟1.5、遍歷疏散場(chǎng)所單元集合G中的每個(gè)單元，在靜態(tài)引力場(chǎng)集合F中取最小值作為每個(gè)單元的全局靜態(tài)引力場(chǎng)的值。

而且，所述柵格化分辨率為0.5m×0.5m。

而且，所述行人的逃生策略包括單獨(dú)式逃離和親子式逃離，親子式逃離是先相聚在一起，然后再一起逃離。

而且，計(jì)算單個(gè)行人的動(dòng)態(tài)引力場(chǎng)時(shí)，根據(jù)行人周圍的行人密度和分布狀況，行人分為可自由移動(dòng)行人、移動(dòng)受限行人和完全被困行人三類，判定方式如下。

假設(shè)行人Ped當(dāng)前所占據(jù)的單元為Cell_currnet，Cell_currnet在行人Ped的離散靜態(tài)引力場(chǎng)中的值為Value，在行人的最大移動(dòng)步長(zhǎng)R范圍內(nèi)，離散靜態(tài)引力場(chǎng)值最小的單元為Cell_target，如果Cell_currnet到Cell_target之間不存在其他行人或障礙物，則行人Ped是可自由移動(dòng)行人。

Cell_currnet到Cell_target之間存在其他行人或障礙物，且在其前進(jìn)方向上存在行人Ped可直接到達(dá)的候選位置，則行人Ped是在直接前行方向受限、但可向側(cè)向移動(dòng)的移動(dòng)受限行人。

Cell_currnet到Cell_target之間存在其他行人或障礙物，并且其前進(jìn)方向兩側(cè)也被其他行人或障礙物阻擋，此時(shí)行人Ped是完全被困行人。

而且，根據(jù)行人的類別，行人在下一時(shí)刻的位置由以下公式計(jì)算獲得，

R＝V^t·Δt (4)

式中，

Ped^t+1.x是t+1時(shí)刻行人Ped的X坐標(biāo)，

Ped^t+1.y是t+1時(shí)刻行人Ped的Y坐標(biāo)，

Ped^t.x是t時(shí)刻行人Ped的X坐標(biāo)，

Ped^t.y是t時(shí)刻行人Ped的Y坐標(biāo)，

R是Δt時(shí)間內(nèi)行人Ped的運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)，

Cell是在行人Ped最大移動(dòng)步長(zhǎng)R范圍內(nèi)引力場(chǎng)值最小的柵格單元，

P_candidate是以行人Ped為中心點(diǎn)，最大移動(dòng)步長(zhǎng)R為半徑的弧長(zhǎng)上行人Ped可移動(dòng)的候選坐標(biāo)，當(dāng)行人Ped位于P_candidate點(diǎn)時(shí)，不與其他行人或障礙物存在沖突，并且距離Cell最近，

α是行人Ped坐標(biāo)點(diǎn)與Cell中心點(diǎn)連線的傾角，

β是行人Ped坐標(biāo)點(diǎn)與P_candidate連線的傾角，

V^t是t時(shí)刻行人Ped的運(yùn)動(dòng)速度，

Δt是t到t+1時(shí)刻的時(shí)間間隔，

Cell.y是Cell的中心點(diǎn)Y坐標(biāo)，

Cell.x是Cell的中心點(diǎn)X坐標(biāo)，

P_candidate.y是P_candidate的Y坐標(biāo)，

P_candidate.x是P_candidate的X坐標(biāo)。

本發(fā)明的有益效果在于：適用性強(qiáng)，適用于教室、影院、體育場(chǎng)、商場(chǎng)等各種室內(nèi)結(jié)構(gòu)；行人在連續(xù)空間上做連續(xù)運(yùn)動(dòng)，模擬精度高；通過(guò)動(dòng)態(tài)引力場(chǎng)，可擴(kuò)展各類個(gè)性和群體疏散規(guī)則。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的步驟框圖。

圖2規(guī)則矩形且無(wú)障礙場(chǎng)所的靜態(tài)引力場(chǎng)。

圖3不規(guī)則且有障礙場(chǎng)所的靜態(tài)引力場(chǎng)。

圖4動(dòng)態(tài)引力場(chǎng)。

圖5行人的疏散狀態(tài)示意圖。

圖6模擬疏散過(guò)程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

本實(shí)施例提供一種基于混合空間的室內(nèi)人員疏散模擬方法，如圖1所示，包括如下步驟。

步驟1、計(jì)算疏散場(chǎng)所的離散靜態(tài)引力場(chǎng)。

步驟2、根據(jù)行人的逃生策略計(jì)算單個(gè)行人的動(dòng)態(tài)引力場(chǎng)。

步驟3、根據(jù)每個(gè)行人的動(dòng)態(tài)引力場(chǎng)計(jì)算候選可移動(dòng)位置。

步驟4、遍歷每個(gè)行人，重復(fù)步驟2和步驟3，直至所有行人全部疏散完成。

進(jìn)一步的，當(dāng)所述疏散場(chǎng)所為規(guī)則矩形的場(chǎng)所，且場(chǎng)所內(nèi)沒(méi)有任何障礙物時(shí)，將疏散場(chǎng)所進(jìn)行柵格化，疏散場(chǎng)所的離散靜態(tài)引力場(chǎng)的計(jì)算公式為：

式中，S表示第i個(gè)單元的靜態(tài)引力場(chǎng)值，n表示出口的個(gè)數(shù)，X_i表示第i個(gè)單元的X坐標(biāo)，Y_i表示第i個(gè)單元的Y坐標(biāo)，表示第j個(gè)出口的X坐標(biāo)，表示第j個(gè)出口的Y坐標(biāo)。

如圖2所示，為具備四個(gè)出口的一個(gè)矩形場(chǎng)所的靜態(tài)引力場(chǎng)示意圖，顏色越深表示當(dāng)前位置對(duì)行人的“吸引力”越大。在模擬行人疏散時(shí)，行人向“吸引力”大(即距離出口越近)的位置移動(dòng)。作為出口的柵格單元通常有兩種定義方式：(1)所有緊鄰出口的單元均被定義為出口；(2)僅緊挨出口中點(diǎn)的單元被定義為出口。在本發(fā)明中，出口單元選擇第一種定義方式。公式1適用于規(guī)則矩形的房間，并且房間內(nèi)沒(méi)有任何障礙物的情況。

進(jìn)一步的，如圖3所示，當(dāng)所述疏散場(chǎng)所為不規(guī)則形狀的場(chǎng)所，且場(chǎng)所內(nèi)有障礙物時(shí)，其離散靜態(tài)引力場(chǎng)按照種子填充法進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算過(guò)程如下。

步驟1.1、將疏散場(chǎng)所P進(jìn)行柵格化，得到柵格化后的疏散場(chǎng)所單元集合G。

步驟1.2、選定疏散場(chǎng)所P中的一個(gè)出口E，找到距離E最近的單元的集合B，并將集合B中的每個(gè)單元賦值為0。

步驟1.3、以集合B為種子點(diǎn)，使用種子填充法遍歷疏散場(chǎng)所單元集合G中的每個(gè)單元，計(jì)算每個(gè)單元與其鄰域的曼哈頓距離。

步驟1.4、遍歷每一個(gè)出口，重復(fù)步驟1.2和步驟1.3，得到疏散場(chǎng)所P針對(duì)每個(gè)出口的靜態(tài)引力場(chǎng)集合F。

步驟1.5、遍歷疏散場(chǎng)所單元集合G中的每個(gè)單元，在靜態(tài)引力場(chǎng)集合F中取最小值作為每個(gè)單元的全局靜態(tài)引力場(chǎng)的值。

此種方式適用于布局結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在很多拐角，并且存在很多不利于行人疏散的障礙物的場(chǎng)所，例如寫字樓、商場(chǎng)等。

進(jìn)一步的，為了保證模擬精度，在實(shí)際計(jì)算靜態(tài)引力場(chǎng)時(shí)，每個(gè)單元的大小為0.5m×0.5m(即所述柵格化分辨率為0.5m×0.5m)。

進(jìn)一步的，所述行人的逃生策略包括單獨(dú)式逃離和親子式逃離，親子式逃離是先相聚在一起，然后再一起逃離。在實(shí)際疏散過(guò)程中，部分行人并不會(huì)單獨(dú)逃離，而是首先會(huì)尋找自己的親朋好友結(jié)伴而行(即親子式逃離)。在疏散模擬過(guò)程中，動(dòng)態(tài)引力場(chǎng)用于模擬當(dāng)行人采取親子行為等疏散模式時(shí)行人對(duì)其他行人的吸引力，如圖4所示。

進(jìn)一步的，計(jì)算單個(gè)行人的動(dòng)態(tài)引力場(chǎng)時(shí)，如圖5所示，根據(jù)行人周圍的行人密度和分布狀況，行人分為可自由移動(dòng)行人、移動(dòng)受限行人和完全被困行人三類，判定方式如下。

假設(shè)行人Ped當(dāng)前所占據(jù)的單元為Cell_currnet，Cell_currnet在行人Ped的離散靜態(tài)引力場(chǎng)中的值為Value，在行人的最大移動(dòng)步長(zhǎng)R范圍內(nèi)，離散靜態(tài)引力場(chǎng)值最小的單元為Cell_target，如果Cell_currnet到Cell_target之間不存在其他行人或障礙物，則行人Ped是可自由移動(dòng)行人(圖5中的行人1)。

Cell_currnet到Cell_target之間存在其他行人或障礙物，且在其前進(jìn)方向上存在行人Ped可直接到達(dá)的候選位置，則行人Ped是在直接前行方向受限、但可向側(cè)向移動(dòng)的移動(dòng)受限行人(圖5中的行人2)。

Cell_currnet到Cell_target之間存在其他行人或障礙物，并且其前進(jìn)方向兩側(cè)也被其他行人或障礙物阻擋，此時(shí)行人Ped是完全被困行人(圖5中的行人3)。

進(jìn)一步的，根據(jù)行人的類別，行人在下一時(shí)刻的位置由以下公式計(jì)算獲得，

R＝V^t·Δt (10)

式中，

Ped^t+1.x是t+1時(shí)刻行人Ped的X坐標(biāo)，

Ped^t+1.y是t+1時(shí)刻行人Ped的Y坐標(biāo)，

Ped^t.x是t時(shí)刻行人Ped的X坐標(biāo)，

Ped^t.y是t時(shí)刻行人Ped的Y坐標(biāo)，

R是Δt時(shí)間內(nèi)行人Ped的運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)，

Cell是在行人Ped最大移動(dòng)步長(zhǎng)R范圍內(nèi)引力場(chǎng)值最小的柵格單元，

P_candidate是以行人Ped為中心點(diǎn)，最大移動(dòng)步長(zhǎng)R為半徑的弧長(zhǎng)上行人Ped可移動(dòng)的候選坐標(biāo)，當(dāng)行人Ped位于P_candidate點(diǎn)時(shí)，不與其他行人或障礙物存在沖突，并且距離Cell最近，

α是行人Ped坐標(biāo)點(diǎn)與Cell中心點(diǎn)連線的傾角，

β是行人Ped坐標(biāo)點(diǎn)與P_candidate連線的傾角，

V^t是t時(shí)刻行人Ped的運(yùn)動(dòng)速度，

Δt是t到t+1時(shí)刻的時(shí)間間隔，

Cell.y是Cell的中心點(diǎn)Y坐標(biāo)，

Cell.x是Cell的中心點(diǎn)X坐標(biāo)，

P_candidate.y是P_candidate的Y坐標(biāo)，

P_candidate.x是P_candidate的X坐標(biāo)。

圖6為基于本發(fā)明模擬的不同時(shí)刻時(shí)人員疏散狀況，其中“step＝0”、“step＝20”、“step＝40”、“step＝60”、“step＝80”表示模擬的步數(shù)，第0步、第20步、第40步等，可令每一步等于0.1秒。

本發(fā)明綜合利用了基于離散空間模型的規(guī)則簡(jiǎn)單性和高計(jì)算效率特性、基于連續(xù)空間模型的高仿真度的特性，適用于車站、商場(chǎng)、體育館等室內(nèi)大型復(fù)雜場(chǎng)所的人員疏散模擬。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)或變形，這些改進(jìn)或變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。