CN102646166A - 一种复杂建筑室内应急疏散模拟的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复杂建筑室内应急疏散模拟的方法。该方法自动生成复杂建筑内部空间单元的三维层次结点关系模型(EHI-NRM)，支持大型复杂建筑的动态路径更新；改进的元胞自动机模型(ICA)能较好的模拟大规模人群在疏散过程中的拥堵、避让、从众等现象；在宏观层次通过EHI-NRM的动态寻径方法，实时搜索最佳疏散路径，在局部层次运用ICA模拟人群的行为特征。本发明支持大型复杂建筑、大规模人群的疏散模拟，对保障建筑内人员的安全，以及提高应急救援部门的决策能力有重要的应用价值。

Description

一种复杂建筑室内应急疏散模拟的方法

一、技术领域

本发明涉及一种复杂建筑室内应急疏散模拟的方法，属于空间信息技术领域。

二、背景技术

目前，城市中涌现出越来越多的高层复杂建筑，它们一般处在闹市区或商业区，周围的交通网络及内部结构异常复杂，在紧急情况(火灾、恐怖袭击等)发生时，这些建筑复杂的内部结构以及底层有限的出入口将严重阻碍人员的撤离和救援工作，尤其当建筑物的主要结构损坏时，有可能造成大量人员伤亡。

为了对建筑空间中出现的紧急情况做出快速反应，有必要知道哪几个房间和楼层受到影响，当前的占用模式和楼内哪几个路径可安全到达出口。另外，高层复杂建筑往往带有几层地下室，有水、电、气等管线，这都增加了应急救援与疏散的复杂性和难度。因此应急反应系统的一个重要功能是空间支持能力，但现存的应急反应方法通常是基于二维空间环境的，缺少可导航的三维数据模型，无法很好实现三维空间的网络分析，延误了应急救援与疏散的时间。

为了解决复杂建筑内应急疏散问题，本发明首先构建了建筑内部结构的三维层次结点关系模型(EHI-NRM)，以此表达和实现建筑内各单元间的逻辑与几何关系。在上述拓扑数据模型的基础上，提出了改进的元胞自动机(ICA)，将宏观路径规划与局部疏散模拟相结合，在宏观层次基于EHI-NRM进行动态路径规划，在微观层次运用ICA模型模拟人的行为特征。本发明能极大减少疏散时间，对保障建筑内人员的安全，以及提高应急救援部门的决策能力具有重要应用价值。

三、发明内容

1、目的：本发明的目的是自动生成复杂建筑内部三维层次结点关系模型(EHI-NRM)，在宏观层次通过EHI-NRM的动态寻径方法，实时搜索最佳疏散路径；在局部层次用改进的元胞自动机(ICA)模拟人群的疏散行为特征。本发明支持大型复杂建筑内大规模人群的疏散模拟，具有良好的社会效益。

2、技术方案：

一种复杂建筑室内应急疏散模拟的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立复杂建筑内部层次结点关系模型(EHI-NRM)

对空间实体进行抽象，将房间类空间实体抽象成结点，走廊以及结点之间的拓扑关系抽象成弧段，以此表达建筑内部空间实体之间的连接、邻接、包含和相交拓扑关系。

(1)建立建筑内部空间实体的语义特征和层次特征

EHI-NRM在几何模型中添加了实体的最小外包矩形(MBR)、实体包含的门窗信息与疏散模拟和救援密切相关的几何要素。

语义特征：对建筑的实体单元按特性进行分类，走廊、门具有连接特征，窗户为半连接，其它实体表现为障碍物特征。

层次性：模型分高低两个层次，低层次包括详细的结点关系结构，高层次结构关系是对每层的结点进行抽象，只保留楼梯的连接结点作为对外的边界结点，楼层内的其它结点只在楼层子图路径分析时使用。

三维实体之间的拓扑关系用图G＝(V，E)来表达，V是单元结点的有穷非空集合；集合E描述了结点之间的拓扑关系；然后，对建筑模型进行抽象；将每层楼的所有结点用一个子图代替，高层次抽象图由若干子图组成，子图之间通过边界结点相互连接。

(2)建立建筑内部空间单元间拓扑与逻辑语义关系

单元间拓扑关系主要分为：单元与门窗的包含关系、水平层面的连接关系、垂直层面的连接关系。

(3)自动构建EHI-NRM模型

EHI-NRM由中轴线计算，结点、更新拓扑关系，楼层抽象、结点的属性分配及区域划分过程组成。

将走廊进行简化，曲折的走廊用多条直线走廊代替，进而比较走廊的顶点距离，求出中轴线；若走廊与多个房间相连，通过求走廊中心点与房间中心点的第三点，作为走廊和房间的连接点；结点排序是通过对走廊的所有结点按x，y，z顺序进行增序排列，用于后面的拓扑连接。更新拓扑关系主要操作有结点排序，拓扑连接和冗余结点清除。新的结点属性继承原结点的属性，如果一个走廊结点划分为若干子结点，则新结点的基本属性包括结点类型等与原走廊相同，但结点的MBR需要重新计算。楼层抽象是对三维结点关系结构进行简化，将关系结构图抽象为一个高层次的图，它由多个低层次子图组成，子图之间通过边界结点进行连接；对关系结构图进行简化的关键是子图的划分和边界连接结点的确定。每层作为一个子图，每层的楼梯作为连接其它子图的边界结点。

步骤二：建立应急疏散模型

集成EHI-NRM模型与改进的元胞自动机来实现人员的应急疏散模拟。改进的元胞自动机模型(ICA)包含了人之间的排斥力、吸引力和人的趋众心理因素以及人对建筑内部的熟悉程度。在宏观层面上，通过层次寻径算法实时协调路径出口，实现疏散过程中动态最优路径的选择；在微观层面上，通过使用ICA，实现疏散过程中个体特征的模拟。

(1)层次图寻径算法

通过层次图寻径算法进行子图内部结点到边界结点的最佳路径计算、子图间的最佳路径计算以及结点间成本距离的确定。

(2)基于改进的元胞自动机(ICA)实现局部空间人员运动模拟

1)ICA模型设计的方法

在传统元胞自动机的基础上，加入人的环境熟悉程度对目标吸引力的影响，同时加入元胞之间交流作用，根据元胞自动机模型的设计原则，疏散相关参数为：

网格划分：将建筑物的每一层平面进行均匀的网格划分，每个网格或被障碍物占据，或被人员占据，否则为空；网格属性：每个网格的属性包括占据属性和归属属性，占据属性表吸网格是否被占据、占据它的人或其他物体特性；归属属性表明网格在建筑结点结构中的所属结点。

2)基于移动窗口人群相互作用力的计算方法

●定义一个移动窗口矩阵，矩阵的每个元素有吸引力和排斥力两个属性；

●初始化移动矩阵，计算矩阵不同网格对中心网格的吸引力；

●确定人移动目的地：人的移动目的地由其所在结点的最佳疏散路径确定；

●在更新周围网格对中心网格的作用力时，根据每个网格所在个体可能的特性，计算力的矢量和；

3)更新规则

●每个人员向左、向右、向上、向下四个方向的移动权重由前面描述的运动模式确定；

●如果某个方向最近邻域的元胞被障碍物或别人占据，该方向的移动权重设为0；

●人员在某个时间内向移动权重最大的方向移动一格，如果权重最大的方向无法移动，则取权重次大的方向移动，仍无法移动，则等待对于速度较慢的个体，要在2个或3个时间步长，才能移动一格；

●如果某个元胞有几个人同时向它运动，取权重最大的人进入此元胞；

●在同一时间步长内，同步更新所有元胞；

(3)EHI-NRM模型与ICA集成进行整个建筑空间内部的疏散模拟

在宏观层面上，以结点为单元用层次路径算法寻找最佳路径；在微观层面上，以每个元胞为单元，用元胞自动机模拟人的局部运动特征。运用元胞自动机模拟要生成元胞、确定元胞运动目标和综合作用力。元胞自动机生成网格，网格的结点属性由EHI-NRM模型决定，元胞的运动目标由所在结点的最佳路径及元胞在结点中的位置共同决定。

3、优点及功效：大型建筑某楼层发生应急事件时，传统的应急反应系统由于缺少可导航的三维数据模型，无法可视化建筑内部三维结构关系，导致应急指挥人员难以做出正确的疏散决策，延误了救援和撤离的时间。本发明提供了层次结点关系模型(EHI-NRM)自动抽象和表达大型建筑物内的拓扑与逻辑关系，实现对建筑内部三维结构空间疏散路线选择与规划。在上述数据模型的基础上，本发明提出了改进的元胞自动机(ICA)，将宏观路径规划与局部疏散模拟相结合，在宏观层次基于EHI-NRM进行动态路径规划，在微观层次运用ICA模型模拟人的行为特征，能较好的模拟大规模人群在复杂建筑内疏散过程中的拥堵、避让、从众等现象。

四、附图说明

图1.EHI-NRM模型构建流程示意图

图2.节点及其逻辑几何关系的生成流程示意图

图3.应急疏散流程示意图

图4.EHI-NRM结点路径查询示意图(竖轴单位：秒)

图5.不同楼层数量的层次路径和普通路径效率对比示意图(竖轴单位：秒)

图6.多层建筑不设置障碍结点的人员模拟疏散结果示意图(竖轴单位：秒)

图7.单层建筑设置障碍结点的人员疏散模拟结果示意图(竖轴单位：秒)

五、具体实施方式

本发明涉及一种复杂建筑室内应急疏散模拟的方法，该方法的具体步骤如下：

步骤一：建立复杂建筑内部层次结点关系模型(EHI-NRM)

本发明对空间实体进行抽象，将房间等实体抽象成结点，走廊以及结点之间的拓扑关系抽象成弧段，以此表达建筑内部空间实体之间的连接、邻接、包含和相交等拓扑关系。传统的这类模型表达复杂建筑的空间关系时，没有考虑一个房间由多个出口，走廊由若干子部分组成，以及房间内的套间和窗户等实体的作用，在三维网络分析难以得到最佳疏散路径。

(1)建立建筑内部空间实体的语义特征和层次特征

本发明提出了层次结点关系模型(EHI-NRM)，它由逻辑模型和几何模型组成。几何模型包括实体类型、实体的抽象坐标点等属性特征；逻辑模型用来表达结点间的拓扑关系，是由抽象结点和结点间关系弧段构成的三维网络结构。EHI-NRM在传统结点关系模型的基础上，具有语义特征、扩展性和层次性。一方面，EHI-NRM在几何模型中添加了实体的最小外包矩形(MBR)、实体包含的门窗信息等与疏散模拟和救援密切相关的几何要素，使得模型在进行交互和属性查询时，能得到更详细的实体信息。另一方面，删除了逻辑模型不需要的邻接关系，并对走廊、房间结点进行细化，使之更好的满足路径分析的需求。EHI-NRM主要组成如图1所示。

语义特征：对建筑的实体单元按特性进行分类，房间为ROOM、走廊为HALLWAY、楼梯为STAIRWAY、门为DOOR、窗户为WINDOW、其他物体为OTHER。走廊，门具有连接特征，窗户为半连接，其它实体表现为障碍物特征。

层次性：层次图模型在动态场景中具有更高路径分析能力。模型分高低两个层次，低层次包括详细的结点关系结构，高层次结构关系是对每层的结点进行抽象，只保留楼梯的连接结点作为对外的边界结点，楼层内的其它结点只在楼层子图路径分析时使用。这样，实时路径更新时，只对有突发情况的子图和相关结点的路径重新计算，提高了最佳路径的计算效率。

三维实体之间的拓扑关系用图G＝(V，E)来表达，V是单元结点的有穷非空集合；集合E描述了结点之间的拓扑关系。接下去，对建筑模型进行抽象。以多边形作为最小单元，按语义模型进行分类。根据抽象出的面和点，初步构建单元结点关系结构。对每层的单元多边形进行一维抽象得到单元结点。多边形用结点表示，结点坐标取多边形的中心坐标，多边形之间的连接包含关系用连接弧段表示。在此基础上，对结点进行细化和抽象，将每层楼的所有结点用一个子图代替，高层次抽象图由若干子图组成，子图之间通过边界结点(楼梯)相互连接。本发明使用邻接多重表作为图的存储结构，邻接多重表是对邻接表进行了一定修改，更适宜解决无向图的路径分析等问题。

(2)建立建筑内部空间单元间拓扑与逻辑语义关系

单元间拓扑关系主要分为：单元与门窗的包含关系、水平层面的连接关系、垂直层面的连接关系。单元与门窗的包含关系：通过判断单元与门窗的最小外包矩形(MBR)来进行计算。门的包含处理同理可得。水平层面的连接关系：对三维实体单元进行二维抽象后，得到每层的平面结构图。水平层面的连接关系主要有下面几种：

房间之间，如果房间R1与房间R2邻接，并且R1和R2有相同的门，则R1与R2连接。

房间与走廊之间，如果房间R与走廊HW邻接，R的门与H相交，则R与HW连接。走廊之间，如果走廊HW1与走廊HW2邻接，则HW1与走廊HW2连接。走廊与楼梯之间，如果走廊HW与楼梯SW邻接，则HW与SW连接。大厅与走廊之间，如果走廊HW与大厅H邻接，则HW与H连接。大厅与房间之间，如果大厅H与房间R邻接，并且H与房间的门相交，则H与R连接。垂直层面的连接关系；垂直层面的连接主要是楼梯、电梯对上下楼层进行连接，如果楼梯SW1与SW2重合，并且S1与S2的高度相差不超过1层楼的高度值FH，则S1与S2连接。

(3)自动构建EHI-NRM模型

EHI-NRM由中轴线计算，结点、更新拓扑关系，楼层抽象、结点的属性分配及区域划分等过程组成，构建流程如图2所示。

将走廊进行简化，曲折的走廊用多条直线走廊代替，进而比较走廊的顶点距离，求出中轴线。若走廊与多个房间相连，通过求走廊中心点与房间中心点的第三点，作为走廊和房间的连接点。结点排序是通过对走廊的所有结点按x，y，z顺序进行增序排列，用于后面的拓扑连接。更新拓扑关系主要操作有结点排序，拓扑连接和冗余结点清除。新的结点属性继承原结点的属性，如果一个走廊结点划分为若干子结点，则新结点的基本属性包括结点类型等与原走廊相同，但结点的MBR需要重新计算。楼层抽象是对三维结点关系结构进行简化，将关系结构图抽象为一个高层次的图，它由多个低层次子图组成，子图之间通过边界结点进行连接。对关系结构图进行简化的关键是子图的划分和边界连接结点的确定。每层作为一个子图，每层的楼梯作为连接其它子图的边界结点。

步骤二：建立应急疏散模型

本发明集成EHI-NRM模型与元胞自动机(cellular automaton，CA)来实现人员的应急疏散模拟。根据个体特性，在CA中加入了人之间的排斥力、吸引力和人的趋众心理等因素以及人对建筑内部的熟悉程度，构造一种改进的元胞自动机模型(ICA)。ICA模型能较好的模拟大规模人群疏散中出现的堵塞、躲避、从众等现象。将EHI-NRM与ICA模型相结合，在宏观层面上，通过层次寻径算法实时协调路径出口，实现疏散过程中动态最优路径的选择；在微观层面上，通过使用ICA，实现疏散过程中个体特征的模拟。疏散流程如图3所示。

(1)层次寻径算法

基本思想是：把原始图分解成一系列更小的子图和一个边界图(由子图间的连接结点构成)，把原图的最短路径查询分解为对更小图的最短路径查询。层次图寻径算法主要解决的问题有：子图内部结点到边界结点的最佳路径计算，子图间的最佳路径计算以及结点间成本距离的确定。

结点间成本距离：它包括详细结点间的成本距离和边界结点间的成本距离。边界结点间的成本距离用结点间的最短路径之和表示，采用危险度、通行度、欧式距离三个因子共同决定详细结点之间的成本距离。结点的通行成本表达如下：

其中，R为结点内当前人数与最大可容人数之比。假设两个相邻结点V_i，V_j之间的空间距离是D，结点V_i，V_j的通行成本分别为C_i，C_j，则假设V_i到V_j的过程中，前半段在V_i中行进，后半段在V_j中进行，则相邻结点的成本距离CD_ij＝D×(C_i+C_j)/2。

最佳路径用Dijkstra算法计算，用层次结点关系图表示建筑的拓扑结构。

(2)基于改进的元胞自动机(ICA)实现局部空间人员运动模拟

1)ICA模型设计的方法

本发明在传统元胞自动机的基础上，加入人的环境熟悉程度对目标(由EHI-NRM路径计算获得)吸引力的影响。将人对建筑内部环境的熟悉程度分非常熟悉、基本熟悉、不熟悉三个层次，在非常熟悉情况，目标吸引力为邻域元胞总数N的开根方，在中等熟悉的情况，目标吸引力为

在不熟悉环境的情况，目标吸引力为

同时加入元胞之间交流作用，如不熟悉环境的人碰到非常熟悉环境的人，则变成对环境熟悉的人，但它不能将自己邻域里的人变成熟悉环境的人；中等熟悉或非常熟悉环境的人对不熟悉环境的人有吸引力。通过对元胞自动机进行上述改进，能较好的模拟大规模人群疏散的拥堵、避让、从众。根据元胞自动机模型的设计原则，对疏散相关参数做如下规定：

网格划分：将建筑物每一层进行均匀的网格划分，每个网格或被障碍物占据，或被人员占据，否则为空。根据密集人流中典型人员空间分配标准，每个元胞对应大小为0.5m×0.5m。

网格属性：每个网格的属性包括占据属性和归属属性，占据属性表明网格是否被占据、占据它的人或其他物体特性；归属属性表明网格在建筑结点结构中的所属结点。

人员特性：按人对环境的熟悉程度分为非常熟悉、较熟悉和不熟悉三个等级。其中熟悉的人对邻域内其他人有吸引力，反之有排斥力。

2)基于移动窗口人群相互作用力的计算方法

在紧急疏散环境下，人可能受各种因素的影响，主要包括：人与人之间的排斥力、人与人之间的吸引力、人与障碍物(包括墙)之间的排斥力、目标对人的吸引力。

●排斥力：

$F_{\mathrm{ab}}=\left\{\begin{array}{c}\frac{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{ab}}}{{\left|\mathrm{ab}\right|}^2}d<s\\ 0d\&GreaterEqual;s\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中Fab代表元胞a与元胞b的排斥力；

表示a与b之间的排斥力矢量，注意的是，这里排斥力的方向应该与a、b连线的方向垂直；d表示a与b之间的距离，s表示影响半径，s设置为3。

●人与人之间的吸引力：

$F_{\mathrm{mn}}=\left\{\begin{array}{c}\frac{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{mn}}}{\left|\mathrm{mn}\right|}\mathrm{coeld}<s\\ 0d\&GreaterEqual;s\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中F_mn代表元胞m与元胞n之间的吸引力；

表示mn之间的吸引力矢量，方向为mn的连线方向；|mn|表示m、n之间的空间距离；coel表示人与人吸引力的校正系数，实验表明取邻域总元胞数的开根方能有较好的结果。d、s含义与公式(3)中相同。

●目标对人的吸引力：

$F_{\mathrm{pt}}=\frac{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{pt}}}{\left|\mathrm{pt}\right|}\mathrm{coe}2---\left(5\right)$

其中F_pt表示目标对人的吸引力，

表示目标对人吸引力的矢量，|pt|表示目标与人的空间距离，coe2表示目标对人吸引力参数。

除目标吸引力之外，其它作用力是在有共同邻域范围进行计算的，用移动窗口来计算各种作用力的矢量和，每次计算邻域对中心元胞的影响力，只需做矢量求和，明显提高了格网的更新效率。具体方法如下：

(1)定义一个7×7的移动窗口矩阵，矩阵的每个元素有吸引力和排斥力两个属性。

(2)初始化移动矩阵，由公式(3)和(4)计算矩阵不同网格对中心网格的吸引力。

(3)确定人移动目的地：人的移动目的地由其所在结点的最佳疏散路径确定。

(4)在更新周围网格对中心网格的作用力时，根据每个网格所在个体可能的特性(吸引力或排斥力)，计算力的矢量和。

注意的是，出现在走廊上的元胞对房间内的元胞产生了作用力，但实际上之间有墙壁，不会有相互作用力，所以，如果邻域网格与中心网格分别属于不同类型的单元结点时，其之间的作用力为0。

3)更新规则

ICA模型按以下规则进行更新：

1)四个方向(向左、向右、向上、向下)的移动权重由前面描述的运动模式确定；

2)如果某个方向最近邻域的元胞被障碍物或别人占据，该方向的移动权重设为0；

3)人员在某个时间内向移动权重最大的方向移动一格，如果权重最大的方向无法移动，则取权重次大的方向移动，仍无法移动，则等待对于速度较慢的个体，要在2个或3个时间步长，才能移动一格；

4)如果某个元胞有几个人同时向它运动，取权重最大的人进入此元胞；

5)在同一时间步长内，同步更新所有元胞。

(3)EHI-NRM模型与ICA集成进行整个建筑空间内部的疏散模拟

在宏观层面上，以结点为单元用层次路径算法寻找最佳路径，在微观层面上，以每个元胞为单元，用元胞自动机模拟人的局部运动特征。运用元胞自动机模拟要生成元胞、确定元胞运动目标和综合作用力。元胞自动机生成网格，网格的结点属性有EHI-NRM模型决定，如果网格有人占据，存储该人的标识号。元胞的运动目标由所在结点的最佳路径及元胞在结点中的位置共同决定。

如果从个体所在的位置到出口无可行路径，则先运动到一个临时安全房间。同时根据灾害蔓延和疏散最新状况，动态更新疏散路径，提前避让危险区域。在疏散过程中，根据最新信息，动态调整最佳疏散路线。根据危险度等级和人员发布状况，快速计算最优疏散路径、分配疏散次序和疏散出口，给出最优疏散方案。尽量减少疏散过程中各通道和出口出现拥堵现象。当通道内特别是高危区发生拥堵时重新进行最佳疏散路径计算和疏散次序分配，使高危区的人能在最短的时间内疏散到更安全的区域。

实施例1：

通过如下实施例对本发明作进一步的说明：

(1)建筑的三维可视化

首先，借助3DMAX软件(计算机配置：Intel Core2 Quad Q8200(2.33GHz)，2.0G RAM，NVIDIA GeForce 240GT，512MB video Memory)用真实建筑数据进行三维场景建模，待研究的建筑内包括门、楼梯、走廊、房间、大厅及窗户等。用到的人物模型采用在Quake2中广泛使用的md2文件格式(一种关键帧动画)，进行渲染和动画。

(2)EHI-NRM应用分析

导入3DS建筑模型后，生成该建筑的EHI-NRM。下面对EHI-NRM进行结点属性查询、结点路径查询和路径计算效率分析。

1)结点属性查询

通过鼠标在三维可视化模块中，选择相应的结点，或者在属性查询栏里输入结点编号，即可查询结点对应建筑模型的属性，包括该结点对应建筑单元的单元编号、单元类型、大小、空间位置等相关属性信息、以及与之相关联的结点编号。

2)结点路径查询

根据EHI-NRM的拓扑关系，计算结点之间的最短可达路径。输入起点和终点后，点击路径查询按钮，即可得到两点之间的最佳可达路径，如图4所示。

3)层次模型效率分析

静态场景：为比较EHI-NRM与文献“Lee，J.and Kwan，M.P.，2005，A combinatorial datamodel for representing topological relations among 3D geographical features in micro-spatialenvironments.International Journal of Geographical Information Science，19(10)，1039-1056.”提供的方法(简称：CDM)在静态场景的运行效率，分别对结点数为500、1500、2500、5000、7500、10000，层数为5、15、25、50、75、100的建筑EHI-NRM进行实验，每种情况均进行多次实验，将实验的平均效率作为该情况下的运行效率。随着结点数的增加，实验效率发生明显的变化，如图5所示。结果表明，在结点数较少时，两种算法的效率相当，但随着结点数的增加，特别是25层、1000个结点之后，EHI-NRM的时间代价明显比CDM小。楼层数到100时，EHI-NRM运行一次只需0.45s，而CDM运行一次需2.68s。因为EHI-NRM的层次路径时间复杂度为O(N×F)，而CDM的普通路径时间复杂度为O(N×F×F)，其中N为单层路径计算的时间代价，F为层数。

动态场景：在EHI-NRM与CDM随机动态分布障碍的情况下，比较楼层数10和楼层数50，获取5、25、50、100、500、1000次路径计算的累积时间，实验结果如表1所示。随着层数的增加和路径计算次数的积累，EHI-NRM下的路径计算优势逐步凸显。因为在EHI-NRM中，某个子图有障碍结点时，只需对该子图的路径及抽象图的路径进行更新，而在CDM中，如果某个结点不能通行，所有结点的路径都要重新计算，进行了很多重复计算。

表1.动态障碍下路径计算的累积时间

(3)疏散模拟分析

用2组实验来说明本发明疏散模拟的效率，第一组实验主要反应高层建筑疏散的瓶颈问题，第二组实验主要对比应用决策支持与不应用决策支持的疏散效率。

1)对一栋20层、每层楼有48个房间、98个结点、两个楼梯、两个出口的建筑，进行疏散模拟。本组实验在建筑内部不设置任何障碍，比较人对环境不熟悉、人对环境中等熟悉和人对环境非常熟悉(即通过本发明的方法提供的决策支持)三种情况下，人员全部疏散需要的时间。所有的人员分布均是随机生成，所以这里疏散时间是多次实验得到的平均时间，实施结果如图6示。

在人数较少时，不熟悉建筑结构的人员疏散情况时间明显比后两者多，但随着人数的增加，特别是总人数超过5000时，前两者的疏散时间已经非常接近，因为人数增加到一定程度，疏散的瓶颈主要是楼梯。在人数太多、楼梯不足的情况下，尽管熟悉环境的人能快速到达楼梯口，但由于楼梯发生拥堵，必须在楼梯口等待、而不熟悉环境的人即使到达楼梯口较晚，但由于楼梯一直拥堵，所以不会增加总的疏散时间。同时也可发现，在没有障碍、出口较少的情况下，决策支持跟中等熟悉建筑结构情况的疏散效率相当。

2)对单层建筑进行模拟，建筑包括48个房间、98个结点、两个出口。本组实验在建筑内部设置一个障碍结点，比较不同数量(100、200、300、400、500、750、1000)的人，在对环境不熟悉、对环境中等熟悉、和决策支持这三种情况下，人员全部疏散需要的时间，实施结果如图7所示。

根据第二组实验结果可以发现，当建筑内部某处存在障碍结点(如发生火灾，无法通行)，应用本发明提供的动态路径方法可以极大的节约疏散时间。当人数较少(＜200人)时，中等熟悉的疏散模式和决策支持的疏散模式效率差异不大，但随着人数增加，动态寻径方法优势非常明显，因为熟悉环境的人并不具备避开拥堵路径和障碍结点的能力，只有到了障碍结点附近，才重新返回，这样就会跟后面的人发生碰撞，乃至拥堵。

Claims (1)

1.一种复杂建筑室内应急疏散模拟的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立复杂建筑内部层次结点关系模型(EHI-NRM)

对空间实体进行抽象，将房间类空间实体抽象成结点，走廊以及结点之间的拓扑关系抽象成弧段，以此表达建筑内部空间实体之间的连接、邻接、包含和相交拓扑关系；

(1)建立建筑内部空间实体的语义特征和层次特征

EHI-NRM在几何模型中添加了实体的最小外包矩形(MBR)、实体包含的门窗信息与疏散模拟和救援密切相关的几何要素；

语义特征：对建筑的实体单元按特性进行分类，走廊、门具有连接特征，窗户为半连接，其它实体表现为障碍物特征；

层次性：模型分高低两个层次，低层次包括详细的结点关系结构，高层次结构关系是对每层的结点进行抽象，只保留楼梯的连接结点作为对外的边界结点，楼层内的其它结点只在楼层子图路径分析时使用；

三维实体之间的拓扑关系用图G＝(V，E)来表达，V是单元结点的有穷非空集合；集合E描述了结点之间的拓扑关系；然后，对建筑模型进行抽象，将每层楼的所有结点用一个子图代替，高层次抽象图由若干子图组成，子图之间通过边界结点相互连接；

(2)建立建筑内部空间单元间拓扑与逻辑语义关系

单元间拓扑关系主要分为：单元与门窗的包含关系、水平层面的连接关系、垂直层面的连接关系；

(3)自动构建EHI-NRM模型

EHI-NRM由中轴线计算，结点、更新拓扑关系，楼层抽象、结点的属性分配及区域划分过程组成；

将走廊进行简化，曲折的走廊用多条直线走廊代替，进而比较走廊的顶点距离，求出中轴线；若走廊与多个房间相连，通过求走廊中心点与房间中心点的第三点，作为走廊和房间的连接点；结点排序是通过对走廊的所有结点按x，y，z顺序进行增序排列，用于后面的拓扑连接；更新拓扑关系主要操作有结点排序，拓扑连接和冗余结点清除；新的结点属性继承原结点的属性，如果一个走廊结点划分为若干子结点，则新结点的基本属性包括结点类型等与原走廊相同，但结点的MBR需要重新计算；楼层抽象是对三维结点关系结构进行简化，将关系结构图抽象为一个高层次的图，它由多个低层次子图组成，子图之间通过边界结点进行连接；对关系结构图进行简化的关键是子图的划分和边界连接结点的确定，每层作为一个子图，每层的楼梯作为连接其它子图的边界结点；

步骤二：建立应急疏散模型

集成EHI-NRM模型与改进的元胞自动机来实现人员的应急疏散模拟，改进的元胞自动机模型(ICA)包含了人之间的排斥力、吸引力和人的趋众心理因素以及人对建筑内部的熟悉程度；在宏观层面上，通过层次寻径算法实时协调路径出口，实现疏散过程中动态最优路径的选择；在微观层面上，通过使用ICA，实现疏散过程中个体特征的模拟；

(1)层次图寻径算法

通过层次图寻径算法进行子图内部结点到边界结点的最佳路径计算、子图间的最佳路径计算以及结点间成本距离的确定；

(2)基于ICA实现局部空间人员运动模拟

1)ICA模型设计的方法

在传统元胞自动机的基础上，加入人的环境熟悉程度对目标吸引力的影响，同时加入元胞之间交流作用，根据元胞自动机模型的设计原则，疏散相关参数为：

网格划分：将建筑物的每一层平面进行均匀的网格划分，每个网格或被障碍物占据，或被人员占据，否则为空；网格属性：每个网格的属性包括占据属性和归属属性，占据属性表明网格是否被占据、占据它的人或其他物体特性；归属属性表明网格在建筑结点结构中的所属结点；

2)基于移动窗口人群相互作用力的计算方法

●定义一个移动窗口矩阵，矩阵的每个元素有吸引力和排斥力两个属性；

●初始化移动矩阵，计算矩阵不同网格对中心网格的吸引力；

●确定人移动目的地：人移动目的地由其所在结点的最佳疏散路径确定；

●在更新周围网格对中心网格的作用力时，根据每个网格所在个体可能的特性，计算力的矢量和；

3)更新规则

●每个人员向左、向右、向上、向下四个方向的移动权重由前面描述的运动模式确定；

●如果某个方向最近邻域的元胞被障碍物或别人占据，该方向的移动权重设为0；

●人员在某个时间内向移动权重最大的方向移动一格，如果权重最大的方向无法移动，则取权重次大的方向移动，仍无法移动，则等待对于速度较慢的个体，要在2个或3个时间步长，才能移动一格；

●如果某个元胞有几个人同时向它运动，取权重最大的人进入此元胞；

●在同一时间步长内，同步更新所有元胞；

(3)EHI-NRM模型与ICA集成进行整个建筑空间内部的疏散模拟

在宏观层面上，以结点为单元用层次路径算法寻找最佳路径；在微观层面上，以每个元胞为单元，用元胞自动机模拟人的局部运动特征；运用元胞自动机模拟要生成元胞、确定元胞运动目标和综合作用力；元胞自动机生成网格，网格的结点属性由EHI-NRM模型决定，元胞的运动目标由所在结点的最佳路径及元胞在结点中的位置共同决定。

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