CN107909190B - 一种毒气泄漏事故下人群疏散行为动态预测模拟装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种毒气泄漏事故下人群疏散行为动态预测模拟装置及其工作方法，涉及环境安全领域。结合人群疏散动力学和元胞自动机理论，确定毒气泄漏事故情景、扩散条件、人员个体特性等与人员行进的路线选择之间的定性和定量关系，建立元胞局部移动规则；根据毒物伤害模型探索出发生人员中毒、死亡事故的临界状态和临界条件，建立疏散速度随着吸入毒气剂量而变化的动态表达式；构建基于元胞自动机理论的人员动态疏散模型；利用该模型形成一个以可视化方式模拟突发毒气泄漏事故人员安全疏散的装置，完成毒气扩散与人员疏散行为同步模拟、同步显示等功能，以便更好的辅助疏散负责人决策或者帮助大众掌握正确的毒气泄漏事故时的逃生技能。

Description

一种毒气泄漏事故下人群疏散行为动态预测模拟装置及其工 作方法

技术领域

本发明涉及环境安全领域，尤其是一种毒气泄漏事故下人群疏散行为动态预测的模拟装置。

背景技术

随着工业发展、自然灾害、事故灾难和恐怖主义的盛行，突发性毒气泄漏事故的发生也呈逐步上升的趋势。在有毒有害化学品的生产、储存、运输和使用过程中，一旦发生有毒气体泄漏事故，危险物质极易挥发扩散到空气中，又由于人口激增、建筑物密集、城市规模扩大，若不及时疏散周边居民，极易造成人员伤亡和不同程度的中毒事故发生，同时，还会导致环境破坏。毒气泄漏具有速度快、影响区域大、疏散人数多的特点。当发生重大毒气泄漏事故时，必须将处于危险区域内的人员迅速及时疏散到安全地带。有毒气体环境下大规模的人员疏散是一项十分复杂的工作，涉及到人与毒性气体、人与人、人与建筑结构的相互作用等众多因素。突发毒气泄漏事件中将释放大量有毒有害气体，会对环境中人员的生理和心理产生极大的影响，造成人员心理恐慌，降低人员行为能力，进而会影响到人员对疏散路线的选择决策以及人员的行进速度等。因此，用数学方法和计算机手段对毒气扩散中人员的疏散过程进行定量研究和动态可视化模拟，为人们分析疏散过程提供强有力的工具，对应急管理辅助决策、指导居民疏散意义重大。

目前，大多数研究都是针对应急计划的设计阶段，基于经验或理想化的设计，用来确定疏散范围或优化疏散路线，未考虑人员的心理和行为特征。对于结合毒气扩散动态过程的人员疏散研究甚少。而且，没有一个装置或系统专门适用于毒气泄漏下的人员疏散，对于危险化学品毒气泄漏事故的疏散装置是一个盲点。

发明内容

考虑毒性气体对疏散人员心理和生理的影响，对突发毒气泄漏事故中疏散人员的心理行为特征进行研究，结合毒气扩散过程，开发毒气泄漏事故人员疏散模型和软件，开展毒气泄漏事故下人员疏散过程的动态模拟研究，是十分必要的，可以真实反映事故情景下的疏散过程，预测人员伤亡情况、安全疏散时间等，可以为应急计划的评估、事故情景下的人员管理、应急疏散对策的制定提供理论依据和技术支持。

本发明的目的在于提供一种毒气泄漏事故下人群疏散行为动态预测的模拟装置，它可以填补现有技术的空白，是一种结构简单、性能稳定、容易操作的毒气泄漏事故下人群疏散行为动态预测及模拟装置。同时提供了一种该装置的工作方法，更好的辅助疏散负责人决策或者帮助大众掌握正确的毒气泄漏事故时的逃生技能。

本发明的技术方案：一种毒气泄漏事故下人群疏散行为动态预测模拟装置，其特征在于它包括触摸屏显示器单元、PC主机单元、第一个WiFi模块单元、第二个WiFi模块单元、ARM单元和LED大屏幕单元；其中，所述触摸屏显示器单元与PC主机单元之间呈双向连接，所述PC主机单元与第一个WiFi模块单元之间呈双向连接；所述ARM单元与第二个WiFi模块单元之间呈双向连接；所述ARM单元与LED大屏幕单元之间呈双向连接；所述第一个WiFi模块单元与第二个WiFi模块单元通过无线路由器单元进行无线通信。

一种毒气泄漏事故下人群疏散行为动态预测模拟装置的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①该装置上电后，使用者在PC主机单元和ARM单元进行WiFi无线通信的连接；

②PC主机单元根据毒气泄漏事故人员的心理行为特征、毒气泄漏事故情景，毒气扩散条件，采用元胞自动机原理、疏散动力学原理，疏散心理学，计算出元胞局部的移动规则；

③PC主机单元根据毒气泄漏事故情景，毒气扩散条件，采取高斯气体扩散模型，计算毒气扩散浓度时空动态分布，然后兼顾考虑气体危害特性，综合毒物伤害剂量反应模型，得到疏散速度动态变化的表达式；

④由疏散速度动态变化的表达式和元胞局部的移动规则，构建突发毒气泄漏事故人员疏散模型；

⑤将上述构建的模型应用于人员疏散，对PC主机单元中模拟程序初始化，主要包括输入风向、风速、所在场所布局，场所区域大小、疏散通道、障碍物位置、人员数量、人员分布、人员初始速度泄漏源位置、泄漏量、毒气种类等；

⑥待模型初始化结束后，对该模型进行数值模拟，本模型，通过对事故场所中的每个人员单独计算其运动过程，实现群体疏散运动过程的模拟；

⑦将模拟的疏散过程通过WIFI通信发送至ARM单元，ARM单元将疏散过程在LED大屏幕单元显示，以供公众掌握逃生技能；

⑧待本次疏散过程运行结束后，重复步骤⑤。

本发明的工作原理：结合人群疏散动力学和元胞自动机理论，确定毒气泄漏事故情景、扩散条件、人员个体特性等与人员行进的路线选择之间的定性和定量关系，建立元胞局部移动规则；根据毒物伤害模型探索出发生人员中毒、死亡事故的临界状态和临界条件，建立疏散速度随着吸入毒气剂量而变化的动态表达式；构建基于元胞自动机理论的人员动态疏散模型；利用该模型形成一个以可视化方式模拟突发毒气泄漏事故人员安全疏散的装置，完成毒气扩散与人员疏散行为同步模拟、同步显示等功能，以便更好的辅助疏散负责人决策或者帮助大众掌握正确的毒气泄漏事故时的逃生技能。

本发明的优越性在于：1、填补了毒气疏散模拟装置领域的空白；2、将元胞自动机理论应用于毒气疏散；3、该装置非常易于推广。

附图说明

图1为本发明所涉一种毒气泄漏事故下人群疏散行为动态预测的模拟装置的框图。

图2为本发明所涉毒气泄露人员疏散模型的构建过程图。

图3为本发明所涉疏散模型的应用流程图。

图4为本发明所涉毒气泄漏时单个人员的疏散过程图。

具体实施方式

实施例1：一种毒气泄漏事故下人群疏散行为动态预测的模拟装置(见图1)，其特征在于它包括：触摸屏显示器单元，用于与使用者进行交互操作；PC主机单元，用于动态实时计算最佳疏散路径；第一个WiFi模块单元，用于与第二个WIFI模块进行无线通信；无线路由器单元，用于第一个WIFI模块与第二个WIFI模块之间的通信路由与延长通信距离；第二个WiFi模块单元，用于与第一个WIFI模块进行无线通信；ARM单元，作为室外显示设备的核心单位；和LED大屏幕单元，用于室外实时显示最佳疏散路径。

其中，所述触摸屏显示器单元与PC主机单元之间呈双向连接，所述PC主机单元与第一个WiFi模块单元之间呈双向连接；所述ARM单元与第二个WiFi模块单元之间呈双向连接；所述ARM单元与LED大屏幕单元之间呈双向连接；所述第一个WiFi模块单元与无线路由器单元之间进行无线通信。所述无线路由器单元与第二个WiFi模块单元之间进行无线通信。

一种毒气泄漏事故下人群疏散行为动态预测及模拟装置的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①该装置上电后，使用者在PC主机单元和ARM单元进行WiFi无线通信的连接；(见图1)

②PC主机单元根据毒气泄漏事故人员的心理行为特征、毒气泄漏事故情景，毒气扩散条件，采用元胞自动机原理、疏散动力学原理，疏散心理学，计算出元胞局部的移动规则；(见图2)

③PC主机单元根据毒气泄漏事故情景，毒气扩散条件，采取高斯气体扩散模型，计算毒气扩散浓度时空动态分布，然后兼顾考虑气体危害特性，综合毒物伤害剂量反应模型，得到疏散速度动态变化的表达式；(见图2)

④由疏散速度动态变化的表达式和元胞局部的移动规则，构建突发毒气泄漏事故人员疏散模型；(见图2)

⑤将上述构建的模型应用于人员疏散，对PC主机单元中模拟程序初始化，主要包括输入风向、风速、所在场所布局，场所区域大小、疏散通道、障碍物位置、人员数量、人员分布、人员初始速度泄漏源位置、泄漏量、毒气种类等；(见图3)

⑥待模型初始化结束后，对该模型进行数值模拟(见图3)。在完成⑤中相关成员类的初始化后，由用户输入运行模拟的命令。系统接收到运行模型的消息，会开始处理消息，利用嵌入的数学模型进行所模拟区域内的毒气扩散过程以及人员移动过程计算，然后根据后台的计算结果进行渲染，实现动态可视化，每迭代计算一步，系统会自动判断是否疏散完毕，如未完成疏散，自动循环计算，如果全部人员已经疏散完毕，则自动退出。如果在系统运行过程中接收到终止运行的消息，系统也将自动退出。

本模型，通过对事故场所中的每个人员单独计算其运动过程，实现群体疏散运动过程的模拟。图4中以单个人员为例：

模型运行初始时刻，计算单个人员所在自身网格和邻居网格的吸引强度P_(i,j)，方格(i,j)的吸引强度P_(i,j)计算方程为：

P_(i，j)＝(k₁P_L+k₂P_D+k₃P_θ)^αN_ij (1)

其中，P_L表示温度较高方向吸引强度；

P_D表示能见度较高方向吸引强度；

P_θ表示出口方向吸引强度；

k₁，k₂，k₃是待定参数，表示权重，k₁+k₂+k₃＝1，0≤k₁，k₂，k₃≤1。

α描述发生火灾事故时疏散人员不同的恐慌程度等心理状态，α越小，说明人员越不清楚疏散的路线，越恐慌；当α＝0时，人员处于非理性状态，其行为表现出随机行走的特点。

对比邻近几个网格，选择吸引强度最大的网格作为该人员前进的目标格点，然后判断目标格点是否为当前网络，如果是，则该人员当前时刻停留在原地，等待进入下一个时间单元的计算；如果否，那么就要判断目标网格是否有他人竞争，如果有人竞争，就随机确定该人员是否移动，不移动则停留在原地，如果无人竞争或者经过随机运动确定该人员需要移动，则计算当前格点i与目标格点j的距离D_ij，

根据毒气扩散模型计算人员暴露剂量，从而获得该人员的移动速度，具体速度计算过程如下：

暴露在有毒烟气和高温条件下，会对人的行为能力和生命造成伤害。本专利重点考虑火灾产物CO对人生理健康的损害。因此用剂量-反应模型来表达人群暴露产生某种伤害反应(如死亡、中毒等)的概率P，也即火灾烟气对人群生理健康的损害，用常数1表示人员的初始健康状态，定义经过毒气暴露的损伤后，人员的生命值为1-P，假设人员运动速度随着生命值的降低线性减小，当生命值降为0时，人员发生死亡或中毒事件，其速度也降为0，将停止运动。

在本专利中，用下面方程进行概率P的求解：

式中erf是误差函数；

Y＝a+blnV (3)

a，b是系数，V为暴露负荷，对于CO暴露：

a＝-37.98，b＝3.7，V＝ΣC^1.0T。

也就是说，疏散过程中，人员的累积暴露剂量不仅与危险区域内的CO浓度有关，而且与受到烟气伤害的时间有关。人员在疏散过程中所遭受的烟气伤害剂量可用下式表示：

式中，V为人员从受到烟气伤害作用开始到疏散至当前时刻所遭受的烟气伤害剂量；P₀、P分别为人员初始疏散地(x₀,y₀,z₀)和当前位置(x,y,z)，坐标以火源位置为坐标原点，风向方向为x轴正方向；t₀为人员受到火灾烟气伤害的起始时间，即火灾蔓延至受害人的时间，t为当前时刻。

在火灾事故情景下，随着事故发展，毒物CO浓度是变化的。在模型中每隔dt的时间更新一次CO浓度数据，所以处于危害区域内的每个人员附近的CO浓度每隔dt的时间更新一次。对于某一个人员，在第i次更新模型中的CO浓度数据后，其附近的CO浓度值为C_i，经过N次更新时，该人员的累积暴露剂量用

表示。根据式(2)、(3)、(4)可以计算得到该人员发生中毒死亡的概率，设该行人初始行走速度为v₀，则此时其速度更新为v₀(1-P)。

根据距离和速度计算到达目标格点需要的时间：

然后在t＝t₀+Δdt时更新人员位置，判断更新后的位置是否达到了疏散重点，如果是，则表示该个体成功疏散，退出循环；如果否，则进入下一个循环，重新计算当前时刻所在的网格与邻居网格的吸引强度，如此往复，直到成功疏散为止。

⑦将模拟的疏散过程通过WIFI通信发送至ARM单元，ARM单元将疏散过程在LED大屏幕单元显示，以供公众掌握逃生技能；

⑧待本次疏散过程运行结束后，重复步骤⑤。

Claims (1)

1.一种毒气泄漏事故下人群疏散行为动态预测模拟装置的工作方法，该装置包括触摸屏显示器单元、PC主机单元、第一个WiFi模块单元、第二个WiFi模块单元、ARM单元和LED大屏幕单元；其中，所述触摸屏显示器单元与PC主机单元之间呈双向连接，所述PC主机单元与第一个WiFi模块单元之间呈双向连接；所述ARM单元与第二个WiFi模块单元之间呈双向连接；所述ARM单元与LED大屏幕单元之间呈双向连接；所述第一个WiFi模块单元与第二个WiFi模块单元通过无线路由器单元进行无线通信；其特征在于工作方法包括以下步骤：

①该装置上电后，使用者在PC主机单元和ARM单元进行WiFi无线通信的连接；

②PC主机单元根据毒气泄漏事故人员的心理行为特征、毒气泄漏事故情景，毒气扩散条件，采用元胞自动机原理、疏散动力学原理，疏散心理学，计算出元胞局部的移动规则；

③PC主机单元根据毒气泄漏事故情景，毒气扩散条件，采取高斯气体扩散模型，计算毒气扩散浓度时空动态分布，然后兼顾考虑气体危害特性，综合毒物伤害剂量反应模型，得到疏散速度动态变化的表达式；

④由疏散速度动态变化的表达式和元胞局部的移动规则，构建突发毒气泄漏事故人员疏散模型；

⑤将上述构建的模型应用于人员疏散，对PC主机单元中模拟程序初始化，主要包括输入风向、风速、所在场所布局，场所区域大小、疏散通道、障碍物位置、人员数量、人员分布、人员初始速度泄漏源位置、泄漏量、毒气种类；

⑥待模型初始化结束后，对该模型进行数值模拟，本模型，通过对事故场所中的每个人员单独计算其运动过程，实现群体疏散运动过程的模拟；

⑦将模拟的疏散过程通过WIFI通信发送至ARM单元，ARM单元将疏散过程在LED大屏幕单元显示，以供公众掌握逃生技能；

⑧待本次疏散过程运行结束后，重复步骤⑤；

步骤⑥中，对该模型进行数值模拟是在完成⑤中相关成员类的初始化后，由用户输入运行模拟的命令，系统接收到运行模型的消息，会开始处理消息，利用嵌入的数学模型进行所模拟区域内的毒气扩散过程以及人员移动过程计算，然后根据后台的计算结果进行渲染，实现动态可视化，每迭代计算一步，系统会自动判断是否疏散完毕，如未完成疏散，自动循环计算，如果全部人员已经疏散完毕，则自动退出；或在系统运行过程中接收到终止运行的消息，系统自动退出；

步骤⑥中，通过对事故场所中的每个人员单独计算其运动过程，实现群体疏散运动过程的模拟，包括以下步骤：

1)模型运行初始时刻，计算单个人员所在自身网格和邻居网格的吸引强度P_(i,j)，网格(i,j)的吸引强度P_(i,j)计算方程为：

P_(i,j)＝(k₁P_L+k₂P_D+k₃P_θ)^αN_ij (1)

其中，P_L表示温度较高方向吸引强度；

P_D表示能见度较高方向吸引强度；

P_θ表示出口方向吸引强度；

k₁，k₂，k₃是待定参数，表示权重，k₁+k₂+k₃＝1，0≤k₁，k₂，k₃≤1；

α描述发生火灾事故时疏散人员不同的恐慌程度等心理状态；

2)对比邻近几个网格，选择吸引强度最大的网格作为该人员前进的目标格点，然后判断目标格点是否为当前网络，如果是，则该人员当前时刻停留在原地，等待进入下一个时间单元的计算；如果否，那么就要判断目标网格是否有他人竞争，如果有人竞争，就随机确定该人员是否移动，不移动则停留在原地，如果无人竞争或者经过随机运动确定该人员需要移动，则计算当前格点i与目标格点j的距离D_ij，

3)根据毒气扩散模型计算人员暴露剂量，从而获得该人员的移动速度，过程如下：

用剂量-反应模型来表达人群暴露产生某种伤害反应的概率P，用常数1表示人员的初始健康状态，经过毒气暴露的损伤后，人员的生命值为1-P，假设人员运动速度随着生命值的降低线性减小，当生命值降为0时，人员发生死亡或中毒事件，其速度也降为0，将停止运动；

其中概率P的求解方程为：

式中erf是误差函数；

Y＝a+b ln V (3)

a，b是系数，V为暴露负荷，V＝ΣC^1.0T；

人员在疏散过程中所遭受的烟气伤害剂量可用下式表示：

式中，V为人员从受到烟气伤害作用开始到疏散至当前时刻所遭受的烟气伤害剂量；P₀、P分别为人员初始疏散地(x₀,y₀,z₀)和当前位置(x,y,z)，坐标以火源位置为坐标原点，风向方向为x轴正方向；t₀为人员受到火灾烟气伤害的起始时间，即火灾蔓延至受害人的时间，t为当前时刻；

4)根据火灾事故情景下毒物浓度变化更新速度：在模型中每隔dt的时间更新一次毒物浓度数据，对于某一个人员，在第i次更新模型中的毒物浓度数据后，其附近的毒物浓度值为C_i，经过N次更新时，该人员的累积暴露剂量用

C_idt表示，根据式以上步骤中公式(2)、(3)、(4)计算得到该人员发生中毒死亡的概率，设该人员初始行走速度为v₀，则此时其速度更新为v₀(1-P)；

5)根据距离和速度计算到达目标格点需要的时间：

然后在t＝t₀+Δdt时更新人员位置，判断更新后的位置是否达到了疏散重点，如果是，则表示该人员成功疏散，退出循环；如果否，则进入下一个循环，重新计算当前时刻所在的网格与邻居网格的吸引强度，如此往复，直到成功疏散为止。

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