CN106897541A - 一种基于混合空间的室内人员疏散模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种室内人员疏散模拟方法，尤其是涉及一种基于混合空间的室内人员疏散模拟方法，包括如下步骤：步骤1、计算疏散场所的离散静态引力场；步骤2、根据行人的逃生策略计算单个行人的动态引力场；步骤3、根据每个行人的动态引力场计算候选可移动位置；步骤4、遍历每个行人，重复步骤2和步骤3，直至所有行人全部疏散完成。本发明综合利用了基于离散空间模型的规则简单性和高计算效率特性、基于连续空间模型的高仿真度的特性，适用于车站、商场、体育馆等室内大型复杂场所的人员疏散模拟。

Description

一种基于混合空间的室内人员疏散模拟方法

技术领域

本发明涉及一种室内人员疏散模拟方法，尤其是涉及一种基于混合空间的室内人员疏散模拟方法。

背景技术

随着社会经济的不断发展，车站、商场、体育馆等各种人员密集场所在不断增加。发生火灾、恐怖袭击等突发状况时的，这些室内公共场所如果人员疏散不利，极易造成人员伤亡。目前针对室内公共场所的人员疏散研究，可以分为两类：真实疏散演练和人员疏散建模。相对于真实疏散演练，人员疏散建模有着成本低、易于实施等优势。针对人员疏散建模，已涌现出很多模型和算法，如社会力模型、元胞自动机模型、场域模型、离散选择模型、蚁群算法、粒子群优化算法等。从对模拟空间的了利用方式来分，这些模型和算法可以分为两类：基于离散空间的模型、基于连续空间的模型和基于混合空间的模型。

从模拟能力、逃生规则等方面来看，基于离散空间和基于连续空间的疏散模型主要特点如下表：

对室内人群的疏散模拟，核心是建立人群行为模式，包括疏散过程中行人之间、行人和障碍物之间的碰撞问题；疏散人群中的个性和群体行为问题(出口决策、疏散路径选择)等。为了综合利用基于离散空间模型的规则简单性和高计算效率特性、基于连续空间模型的高仿真度的特性，本发明提出了基于离散和连续空间的混合疏散模型，在减少计算复杂度的同时又可提供精细化的模拟能力。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于混合空间的室内人员疏散模拟方法，提高模拟室内人员疏散时的效率和精度。

为实现上述技术目的，本发明提供的方案是：一种基于混合空间的室内人员疏散模拟方法，包括如下步骤。

步骤1、计算疏散场所的离散静态引力场。

步骤2、根据行人的逃生策略计算单个行人的动态引力场。

步骤3、根据每个行人的动态引力场计算候选可移动位置。

步骤4、遍历每个行人，重复步骤2和步骤3，直至所有行人全部疏散完成。

而且，当所述疏散场所为规则矩形的场所，且场所内没有任何障碍物时，将疏散场所进行栅格化，疏散场所的离散静态引力场的计算公式为：

式中，S表示第i个单元的静态引力场值，n表示出口的个数，X_i表示第i个单元的X坐标，Y_i表示第i个单元的Y坐标，表示第j个出口的X坐标，表示第j个出口的Y坐标。

而且，当所述疏散场所为不规则形状的场所，且场所内有障碍物时，其离散静态引力场按照种子填充法进行计算，其计算过程如下。

步骤1.1、将疏散场所P进行栅格化，得到栅格化后的疏散场所单元集合G。

步骤1.2、选定疏散场所P中的一个出口E，找到距离E最近的单元的集合B，并将集合B中的每个单元赋值为0。

步骤1.3、以集合B为种子点，使用种子填充法遍历疏散场所单元集合G中的每个单元，计算每个单元与其邻域的曼哈顿距离。

步骤1.4、遍历每一个出口，重复步骤1.2和步骤1.3，得到疏散场所P针对每个出口的静态引力场集合F。

步骤1.5、遍历疏散场所单元集合G中的每个单元，在静态引力场集合F中取最小值作为每个单元的全局静态引力场的值。

而且，所述栅格化分辨率为0.5m×0.5m。

而且，所述行人的逃生策略包括单独式逃离和亲子式逃离，亲子式逃离是先相聚在一起，然后再一起逃离。

而且，计算单个行人的动态引力场时，根据行人周围的行人密度和分布状况，行人分为可自由移动行人、移动受限行人和完全被困行人三类，判定方式如下。

假设行人Ped当前所占据的单元为Cell_currnet，Cell_currnet在行人Ped的离散静态引力场中的值为Value，在行人的最大移动步长R范围内，离散静态引力场值最小的单元为Cell_target，如果Cell_currnet到Cell_target之间不存在其他行人或障碍物，则行人Ped是可自由移动行人。

Cell_currnet到Cell_target之间存在其他行人或障碍物，且在其前进方向上存在行人Ped可直接到达的候选位置，则行人Ped是在直接前行方向受限、但可向侧向移动的移动受限行人。

Cell_currnet到Cell_target之间存在其他行人或障碍物，并且其前进方向两侧也被其他行人或障碍物阻挡，此时行人Ped是完全被困行人。

而且，根据行人的类别，行人在下一时刻的位置由以下公式计算获得，

R＝V^t·Δt (4)

式中，

Ped^t+1.x是t+1时刻行人Ped的X坐标，

Ped^t+1.y是t+1时刻行人Ped的Y坐标，

Ped^t.x是t时刻行人Ped的X坐标，

Ped^t.y是t时刻行人Ped的Y坐标，

R是Δt时间内行人Ped的运动步长，

Cell是在行人Ped最大移动步长R范围内引力场值最小的栅格单元，

P_candidate是以行人Ped为中心点，最大移动步长R为半径的弧长上行人Ped可移动的候选坐标，当行人Ped位于P_candidate点时，不与其他行人或障碍物存在冲突，并且距离Cell最近，

α是行人Ped坐标点与Cell中心点连线的倾角，

β是行人Ped坐标点与P_candidate连线的倾角，

V^t是t时刻行人Ped的运动速度，

Δt是t到t+1时刻的时间间隔，

Cell.y是Cell的中心点Y坐标，

Cell.x是Cell的中心点X坐标，

P_candidate.y是P_candidate的Y坐标，

P_candidate.x是P_candidate的X坐标。

本发明的有益效果在于：适用性强，适用于教室、影院、体育场、商场等各种室内结构；行人在连续空间上做连续运动，模拟精度高；通过动态引力场，可扩展各类个性和群体疏散规则。

附图说明

图1是本发明的步骤框图。

图2规则矩形且无障碍场所的静态引力场。

图3不规则且有障碍场所的静态引力场。

图4动态引力场。

图5行人的疏散状态示意图。

图6模拟疏散过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

本实施例提供一种基于混合空间的室内人员疏散模拟方法，如图1所示，包括如下步骤。

步骤1、计算疏散场所的离散静态引力场。

步骤2、根据行人的逃生策略计算单个行人的动态引力场。

步骤3、根据每个行人的动态引力场计算候选可移动位置。

步骤4、遍历每个行人，重复步骤2和步骤3，直至所有行人全部疏散完成。

进一步的，当所述疏散场所为规则矩形的场所，且场所内没有任何障碍物时，将疏散场所进行栅格化，疏散场所的离散静态引力场的计算公式为：

式中，S表示第i个单元的静态引力场值，n表示出口的个数，X_i表示第i个单元的X坐标，Y_i表示第i个单元的Y坐标，表示第j个出口的X坐标，表示第j个出口的Y坐标。

如图2所示，为具备四个出口的一个矩形场所的静态引力场示意图，颜色越深表示当前位置对行人的“吸引力”越大。在模拟行人疏散时，行人向“吸引力”大(即距离出口越近)的位置移动。作为出口的栅格单元通常有两种定义方式：(1)所有紧邻出口的单元均被定义为出口；(2)仅紧挨出口中点的单元被定义为出口。在本发明中，出口单元选择第一种定义方式。公式1适用于规则矩形的房间，并且房间内没有任何障碍物的情况。

进一步的，如图3所示，当所述疏散场所为不规则形状的场所，且场所内有障碍物时，其离散静态引力场按照种子填充法进行计算，其计算过程如下。

步骤1.1、将疏散场所P进行栅格化，得到栅格化后的疏散场所单元集合G。

步骤1.2、选定疏散场所P中的一个出口E，找到距离E最近的单元的集合B，并将集合B中的每个单元赋值为0。

步骤1.3、以集合B为种子点，使用种子填充法遍历疏散场所单元集合G中的每个单元，计算每个单元与其邻域的曼哈顿距离。

步骤1.4、遍历每一个出口，重复步骤1.2和步骤1.3，得到疏散场所P针对每个出口的静态引力场集合F。

步骤1.5、遍历疏散场所单元集合G中的每个单元，在静态引力场集合F中取最小值作为每个单元的全局静态引力场的值。

此种方式适用于布局结构复杂，存在很多拐角，并且存在很多不利于行人疏散的障碍物的场所，例如写字楼、商场等。

进一步的，为了保证模拟精度，在实际计算静态引力场时，每个单元的大小为0.5m×0.5m(即所述栅格化分辨率为0.5m×0.5m)。

进一步的，所述行人的逃生策略包括单独式逃离和亲子式逃离，亲子式逃离是先相聚在一起，然后再一起逃离。在实际疏散过程中，部分行人并不会单独逃离，而是首先会寻找自己的亲朋好友结伴而行(即亲子式逃离)。在疏散模拟过程中，动态引力场用于模拟当行人采取亲子行为等疏散模式时行人对其他行人的吸引力，如图4所示。

进一步的，计算单个行人的动态引力场时，如图5所示，根据行人周围的行人密度和分布状况，行人分为可自由移动行人、移动受限行人和完全被困行人三类，判定方式如下。

假设行人Ped当前所占据的单元为Cell_currnet，Cell_currnet在行人Ped的离散静态引力场中的值为Value，在行人的最大移动步长R范围内，离散静态引力场值最小的单元为Cell_target，如果Cell_currnet到Cell_target之间不存在其他行人或障碍物，则行人Ped是可自由移动行人(图5中的行人1)。

Cell_currnet到Cell_target之间存在其他行人或障碍物，且在其前进方向上存在行人Ped可直接到达的候选位置，则行人Ped是在直接前行方向受限、但可向侧向移动的移动受限行人(图5中的行人2)。

Cell_currnet到Cell_target之间存在其他行人或障碍物，并且其前进方向两侧也被其他行人或障碍物阻挡，此时行人Ped是完全被困行人(图5中的行人3)。

进一步的，根据行人的类别，行人在下一时刻的位置由以下公式计算获得，

R＝V^t·Δt (10)

式中，

Ped^t+1.x是t+1时刻行人Ped的X坐标，

Ped^t+1.y是t+1时刻行人Ped的Y坐标，

Ped^t.x是t时刻行人Ped的X坐标，

Ped^t.y是t时刻行人Ped的Y坐标，

R是Δt时间内行人Ped的运动步长，

Cell是在行人Ped最大移动步长R范围内引力场值最小的栅格单元，

P_candidate是以行人Ped为中心点，最大移动步长R为半径的弧长上行人Ped可移动的候选坐标，当行人Ped位于P_candidate点时，不与其他行人或障碍物存在冲突，并且距离Cell最近，

α是行人Ped坐标点与Cell中心点连线的倾角，

β是行人Ped坐标点与P_candidate连线的倾角，

V^t是t时刻行人Ped的运动速度，

Δt是t到t+1时刻的时间间隔，

Cell.y是Cell的中心点Y坐标，

Cell.x是Cell的中心点X坐标，

P_candidate.y是P_candidate的Y坐标，

P_candidate.x是P_candidate的X坐标。

图6为基于本发明模拟的不同时刻时人员疏散状况，其中“step＝0”、“step＝20”、“step＝40”、“step＝60”、“step＝80”表示模拟的步数，第0步、第20步、第40步等，可令每一步等于0.1秒。

本发明综合利用了基于离散空间模型的规则简单性和高计算效率特性、基于连续空间模型的高仿真度的特性，适用于车站、商场、体育馆等室内大型复杂场所的人员疏散模拟。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进或变形，这些改进或变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于混合空间的室内人员疏散模拟方法，包括如下步骤：

步骤1、计算疏散场所的离散静态引力场；

步骤2、根据行人的逃生策略计算单个行人的动态引力场；

步骤3、根据每个行人的动态引力场计算候选可移动位置；

步骤4、遍历每个行人，重复步骤2和步骤3，直至所有行人全部疏散完成。

2.根据权利要求1所述的一种基于混合空间的室内人员疏散模拟方法，其特征在于：当所述疏散场所为规则矩形的场所，且场所内没有任何障碍物时，将疏散场所进行栅格化，疏散场所的离散静态引力场的计算公式为式中，S表示第i个单元的静态引力场值，n表示出口的个数，X_i表示第i个单元的X坐标，Y_i表示第i个单元的Y坐标，表示第j个出口的X坐标，Y₀ ^j表示第j个出口的Y坐标。

3.根据权利要求1所述的一种基于混合空间的室内人员疏散模拟方法，其特征在于：当所述疏散场所为不规则形状的场所，且场所内有障碍物时，其离散静态引力场按照种子填充法进行计算，其计算过程为，

步骤1.1、将疏散场所P进行栅格化，得到栅格化后的疏散场所单元集合G；

步骤1.2、选定疏散场所P中的一个出口E，找到距离E最近的单元的集合B，

并将集合B中的每个单元赋值为0；

步骤1.3、以集合B为种子点，使用种子填充法遍历疏散场所单元集合G中的每个单元，计算每个单元与其邻域的曼哈顿距离；

步骤1.4、遍历每一个出口，重复步骤1.2和步骤1.3，得到疏散场所P针对每个出口的静态引力场集合F；

步骤1.5、遍历疏散场所单元集合G中的每个单元，在静态引力场集合F中取最小值作为每个单元的全局静态引力场的值。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于混合空间的室内人员疏散模拟方法，其特征在于：所述栅格化分辨率为0.5m×0.5m。

5.根据权利要求1所述的一种基于混合空间的室内人员疏散模拟方法，其特征在于：所述行人的逃生策略包括单独式逃离和亲子式逃离，亲子式逃离是先相聚在一起，然后再一起逃离。

6.根据权利要求2或3或5所述的一种基于混合空间的室内人员疏散模拟方法，其特征在于：计算单个行人的动态引力场时，根据行人周围的行人密度和分布状况，行人分为可自由移动行人、移动受限行人和完全被困行人三类，判定方式为，

假设行人Ped当前所占据的单元为Cell_currnet，Cell_currnet在行人Ped的离散静态引力场中的值为Value，在行人的最大移动步长R范围内，离散静态引力场值最小的单元为Cell_target，如果Cell_currnet到Cell_target之间不存在其他行人或障碍物，则行人Ped是可自由移动行人；

Cell_currnet到Cell_target之间存在其他行人或障碍物，且在其前进方向上存在行人Ped可直接到达的候选位置，则行人Ped是在直接前行方向受限、但可向侧向移动的移动受限行人；

Cell_currnet到Cell_target之间存在其他行人或障碍物，并且其前进方向两侧也被其他行人或障碍物阻挡，此时行人Ped是完全被困行人。

7.根据权利要求6所述的一种基于混合空间的室内人员疏散模拟方法，其特征在于：根据行人的类别，行人在下一时刻的位置由以下公式计算获得，

R＝V^t·Δt，

$\mathrm{\α}=arctan\frac{Cell.y-{\mathrm{Ped}}^t.y}{Cell.x-{\mathrm{Ped}}^t.x},$

$\mathrm{\β}=arctan\frac{P_{candiate}.y-{\mathrm{Ped}}^t.y}{P_{candiate}.x-{\mathrm{Ped}}^t.x},$

式中，

Ped^t+1.x是t+1时刻行人Ped的X坐标，

Ped^t+1.y是t+1时刻行人Ped的Y坐标，

Ped^t.x是t时刻行人Ped的X坐标，

Ped^t.y是t时刻行人Ped的Y坐标，

R是Δt时间内行人Ped的运动步长，

Cell是在行人Ped最大移动步长R范围内引力场值最小的栅格单元，

P_candidate是以行人Ped为中心点，最大移动步长R为半径的弧长上行人Ped可移动的候选坐标，当行人Ped位于P_candidate点时，不与其他行人或障碍物存在冲突，并且距离Cell最近，

α是行人Ped坐标点与Cell中心点连线的倾角，

β是行人Ped坐标点与P_candidate连线的倾角，

V^t是t时刻行人Ped的运动速度，

Δt是t到t+1时刻的时间间隔，

Cell.y是Cell的中心点Y坐标，

Cell.x是Cell的中心点X坐标，

P_candidate.y是P_candidate的Y坐标，

P_candidate.x是P_candidate的X坐标。