CN108170995A - 一种行人运动仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种行人运动仿真方法及系统。所述仿真方法包括：获取社会力模型；所述社会力模型为圆形行人模型；对所述社会力模型进行改进，建立三圆模型；所述三圆模型是以第一半径为旋转半径的两个圆以及以大于所述第一半径的第二半径为旋转半径的圆构成的；所述第一半径与所述第二半径之和为所述社会力模型的半径；其中，中心圆是以第二半径为旋转半径的圆，中心圆的两侧分别设有一个以第一半径为旋转半径的圆且三圆的中心在同一水平面上；所述三圆模型的整体形态为椭圆，所述椭圆的长轴为行人的肩宽；根据所述三圆模型仿真行人的运动状态。采用本发明所提供的仿真方法及系统能够提高行人运动状态的仿真精度，进而提高疏散效率。

Description

一种行人运动仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及交通仿真领域，特别是涉及一种行人运动仿真方法及系统。

背景技术

人群拥堵时城市建筑安全中的一个重要问题，特别是在出口处严重的人群拥堵可能造成踩踏事故，危害人们的生命安全。因此，建立一个能够在建筑物中合理仿真出人群运动状态的仿真方法就显得尤为重要。通过系统建模，可以有效的仿真出在发生紧急情况下人群在特定位置(如出口处、拐角处)运动状态和堵塞情况，以方便进一步对建筑物中的人群疏散策略做研究。

自从2000年Helbing等人就在疏散过程中由于拥堵引起间断性人流的问题发表文章之后，许多的行人运动理论模型相继问世，如自动元胞机模型，博弈论模型机械模型等。这些模型都针对了行人运动的不同情况(如对流、湍流)和行人之间竞争或协作的关系进行了仿真。然而大多数的研究没有涉及在出口或者隧道处的人流速度，与此同时在紧急疏散期间的出口处我们观察到了一个现象，当疏散出口的剩余门宽不足以让一个人以正身姿态通过时，为了尽快离开现场，行人会主动侧身行进。从正身改变为侧身的过程中存在一个明显的躯干旋转现象，很显然，由于传统的行人模型为同向性的圆，不具备模拟该现象的功能。为了解决这个技术问题，一些研究尝试着将传统的圆模型转变为椭圆模型，这些改进后的模型在仿真存在密集人流的场景时起到了良好的效果。但这些场景都存在一个共同特点，人群中每一个人的合转矩都由与外界的接触转矩产生，这些模型忽视了人在逃生过程中为快速挤出拥挤出口的主动侧身，在判断拥堵情况下，行人是否接触计算复杂。事实上，人群中个体不仅在逃生过程中进行主动的转身，当其行进方向和目标方向不一致时，运动方向和朝向调整就势必会导致主动侧身转矩和主动动力转矩的产生，而现阶段所有的模型都不能很好的体现出行人的这种运行细节，导致在拥挤出口或隧道等场景无法更好的还原人群的运动状态，因此，现有技术中的行人运动模型的仿真精度低，以现有的行人运动模型仿真结果进行疏散人群的疏散效率低。。

发明内容

本发明的目的是提供一种行人运动仿真方法及系统，以解决现有技术中行人运动模型的仿真精度低，在紧急情况下行人疏散效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种行人运动仿真方法，包括：

获取社会力模型；所述社会力模型为圆形行人模型；

对所述社会力模型进行改进，建立三圆模型；所述三圆模型是以第一半径为旋转半径的两个圆以及以大于所述第一半径的第二半径为旋转半径的圆构成的；所述第一半径与所述第二半径之和为所述社会力模型的半径；其中，中心圆是以第二半径为旋转半径的圆，中心圆的两侧分别设有一个以第一半径为旋转半径的圆且三圆的中心在同一水平面上；所述三圆模型的整体形态为椭圆，所述椭圆的长轴为行人的肩宽；

根据所述三圆模型仿真行人的运动状态；所述运动状态包括行人自身旋转运动。

可选的，所述对所述社会力模型进行改进，建立三圆模型，具体包括：

根据所述社会力模型确定行人i与行人j之间的心理斥力以及接触斥力；i和j大于0，且i不等于j；

根据所述心理斥力以及所述接触斥力确定所述行人i的自身斥力转矩；

将所述行人i的质心指向所述行人i的右肩膀建立二维向量；所述二维向量在空间中的角度作为所述行人i的转动标准；

以所述二维向量为转动标准，确定所述行人i所处的当前旋转角度；

获取所述行人i的肩宽投影到出口的投影宽度；

以所述二维向量为转动标准，根据所述投影宽度确定所述行人i的期望旋转角度；

获取所述行人i的转动惯量、主动动力转矩系数以及阻尼转矩系数；

根据所述当前旋转角度、所述期望旋转角度以及所述主动动力转矩系数确定所述行人i的主动动力转矩；

根据所述转动惯量以及所述阻尼转矩系数确定所述行人i的阻尼转矩；

根据所述当前旋转角度、所述期望旋转角度以及所述转动惯量确定所述行人i的主动侧身转矩；

根据所述自身斥力转矩、所述主动动力转矩、所述阻尼转矩以及所述主动侧身转矩建立三圆模型。

可选的，所述根据所述心理斥力以及所述接触斥力确定所述行人i的自身斥力转矩，具体包括：

利用公式确定所述行人i的自身斥力转矩；其中，为自身斥力转矩，为单位向量，为接触斥力，为心理斥力。

可选的，所述根据所述当前旋转角度、所述期望旋转角度以及所述主动动力转矩系数确定所述行人i的主动动力转矩，具体包括：

利用公式确定所述行人i的主动动力转矩；其中，为主动动力转矩，λ₁为主动动力转矩系数，θ_i为所述行人i的当前旋转角度，θ_i ^D为所述行人i的期望旋转角度，Δθ＝θ_i-θ_i ^D。

可选的，所述根据所述转动惯量以及所述阻尼转矩系数确定所述行人i的阻尼转矩，具体包括：

利用公式确定所述行人i的阻尼转矩；其中，为阻尼转矩，λ₂为阻尼转矩系数，τ为所述三圆模型惯性的特征时间，ω^D＝0，为所述行人i的当前角速度，I_i为转动惯量。

可选的，所述根据所述当前旋转角度、所述期望旋转角度以及所述转动惯量确定所述行人i的主动侧身转矩，具体包括：

利用公式确定所述行人i的主动侧身转矩；其中，为主动侧身转矩，I_i为转动惯量，d为出口的宽度，f(Δθ_i)为加速度方程，Δθ＝θ_i-θ_i ^D，dt为求导运算。

可选的，所述根据所述自身斥力转矩、所述主动动力转矩、所述阻尼转矩以及所述主动侧身转矩建立三圆模型，具体包括：

利用公式确定所述三圆模型；其中，为合转矩，I_i为转动惯量，为主动动力转矩，为阻尼转矩，为自身斥力转矩，为主动侧身转矩，为对当前角速度的求导运算。

一种行人运动仿真系统，包括：

社会力模型获取模块，用于获取社会力模型；所述社会力模型为圆形行人模型；

三圆模型建立模块，用于对所述社会力模型进行改进，建立三圆模型；所述三圆模型是以第一半径为旋转半径的两个圆以及以大于所述第一半径的第二半径为旋转半径的圆构成的；所述第一半径与所述第二半径之和为所述社会力模型的半径；其中，中心圆是以第二半径为旋转半径的圆，中心圆的两侧分别设有一个以第一半径为旋转半径的圆且三圆的中心在同一水平面上；所述三圆模型的整体形态为椭圆，所述椭圆的长轴为行人的肩宽；

运动状态仿真模块，用于根据所述三圆模型仿真行人的运动状态；所述运动状态包括行人自身旋转运动。

可选的，所述三圆模型建立模块具体包括：

斥力确定单元，用于根据所述社会力模型确定行人i与行人j之间的心理斥力以及接触斥力；i和j大于0，且i不等于j；

自身斥力转矩确定单元，用于根据所述心理斥力以及所述接触斥力确定所述行人i的自身斥力转矩；

二维向量建立单元，用于将所述行人i的质心指向所述行人i的右肩膀建立二维向量；所述二维向量在空间中的角度作为所述行人i的转动标准；

当前旋转角度确定单元，用于以所述二维向量为转动标准，确定所述行人i所处的当前旋转角度；

投影宽度获取单元，用于获取所述行人i的肩宽投影到出口的投影宽度；

期望旋转角度确定单元，用于以所述二维向量为转动标准，根据所述投影宽度确定所述行人i的期望旋转角度；

参数获取单元，用于获取所述行人i的转动惯量、主动动力转矩系数以及阻尼转矩系数；

主动动力转矩确定单元，用于根据所述当前旋转角度、所述期望旋转角度以及所述主动动力转矩系数确定所述行人i的主动动力转矩；

阻尼转矩确定单元，用于根据所述转动惯量以及所述阻尼转矩系数确定所述行人i的阻尼转矩；

主动侧身转矩确定单元，用于根据所述当前旋转角度、所述期望旋转角度以及所述转动惯量确定所述行人i的主动侧身转矩；

三圆模型建立单元，用于根据所述自身斥力转矩、所述主动动力转矩、所述阻尼转矩以及所述主动侧身转矩建立三圆模型。

可选的，所述自身斥力转矩确定单元具体包括：

自身斥力转矩确定子单元，用于利用公式确定所述行人i的自身斥力转矩；其中，为自身斥力转矩，为单位向量，为接触斥力，为心理斥力。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提出了一种行人运动仿真方法及系统，在传统的社会力模型的基础上，建立一个三圆模型，通过该三圆模型的中心圆的中心坐标进行位置定位，再根据中心圆两侧的圆的直径所在轴线仿真行人的运动状态，由于三圆模型的形态变换，因此，行人在旋转时，按照三圆模型所规划的弧度进行旋转，相比于传统的社会力模型来说，更利于行人通过拥挤、狭窄的空间。

此外，现有技术所公开的模型中忽视了人在逃生过程中为快速挤出拥挤出口的主动侧身，导致在判断拥堵情况下，行人是否接触计算复杂的问题，本发明所提供的三圆模型模拟出了行人在转身时所受的力和力矩，其中包括自身的主动侧身转矩以及主动动力转矩，从而能够更逼真的模拟出行人的逃离路线及旋转状态，从而提高行人运动模型(三圆模型)的仿真精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的三圆模型一种基本形状示意图；

图2为本发明所提供的三圆模型另一种基本形状示意图；

图3为本发明所提供的两行人之间的心理斥力示意图；

图4为本发明所提供的两行人之间的接触斥力示意图；

图5为本发明所提供的三圆模型穿过狭窄路径转矩分析图；

图6为本发明所提供的行人运动仿真方法流程图；

图7为本发明所提供的主动侧身转矩触发条件的一种示意图；

图8为本发明所提供的主动侧身转矩出发条件的另一种示意图；

图9为本发明所提供的应用三圆模型的行人疏散仿真视频示意图；

图10为本发明所提供的应用三圆模型的真人疏散视频示意图；

图11为本发明所提供的行人转向过程中角速度与角加速度的关系曲线图；

图12为本发明所提供的在非紧急情况下不同模型即真实值对应不同出口宽度的疏散仿真数据折线图；

图13为本发明所提供的在紧急情况下不同模型即真实值对应不同出口宽度的疏散仿真数据折线图；

图14为本发明所提供的行人运动仿真系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种行人运动仿真方法及系统，能够提高行人运动的仿真精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明中首先给出如下基本概念：

(1)社会力模型：由Helbing于2000年提出的一种基于力学模型对人群中个体进行有效分析的行人模型，后受到越来越多的关注，并在微观人流和疏散逃生领域得到了广泛应用。

(2)自我驱动力：在行人行进过程中，不受外界情况影响，只由人群中该个体本身产生的力。主动动力转矩和主动侧身转矩都由其产生，自我驱动力是个体主观行为的一种体现。

(2)自我驱动转矩：伴随自我驱动力的产生而产生的一种转矩，是主动动力转矩和主动侧身转矩的合转矩。

由于圆形行人模型在任何方向上旋转都会占据相同大小的空间，其不能很好的在拥挤人群中描述个体的真实情况和细节行为，同时这种模型不能描述出行人在穿越狭小空间时明显的身体旋转现象。为解决这些问题，椭圆行人模型和多球面行人模型相继被开发出来，但这两种模型在判断拥堵情况下行人是否接触仍然存在计算复杂，难于实施的问题。因此我们提出将个体模型定义为三圆模型，该模型由一个大圆以及两个小圆重合构成如图1-图2所示，在该模型下个体通过中间圆的中心坐标进行位置定位，使用贯穿三圆所形成的椭圆长轴和两圆直径的轴线与x轴的夹角确定个体的侧身角度。

本发明在力学方面借鉴了传统的社会力模型用于描述行人之间的相互作用。传统的社会力模型的力学公式如下所示：

其中代表行人i所受的合力，m_i代表行人i的质量，代表行人i此时的加速度，为一矢量。代表行人i与行人j之间的心理斥力，代表行人i与行人j接触之后产生的接触斥力。表示行人i由自身产生的自我驱动力。

行人自我驱动力公式如下所示：

其中v₀为行人i的期望速度，行人i的期望速度方向。为该行人当前的运动速度和运动方向，为一矢量。τ定义为在自我驱动力的作用下由当前速度转变为期望速度所消耗的时间，我们称其为特征时间，τ是行人在改变行进方向时自身惯性的体现。

为了避免冲撞，行人与行人之间，行人与其他障碍物之间存在一个心理作用力，我们称其为心理斥力，它作用在两个人未发生身体接触时，且随着双方距离减小而指数级增加。该斥力与行人之间的距离有着直接的关系，所以我们定义d'_ij为行人i与行人j之间的距离。当i和j未接触时，d'_ij＞0,当i和j接触时d'_ij＜0,心理斥力和距离公式如下所示：

其中为由i指向j的方向向量，A_i、B_i为两个常量，在第二个公式中，下标ik和jk分别表示行人i和行人j的第k个圆k∈[1,2,3],d'i_j为行人i和行人j之间的最小距离，它为这两个行人模型中各任意选出一个进行距离计算结果得出的最小值。为了更清晰的进行说明，以上变量均表示在图3中。

当两个行人发生身体接触之后，接触斥力不可避免的形成，其公式如下：

公式中，参数k₁＝1.2×10⁵kg·s^-2，参数k₂＝2.4×10⁵kg·m^-1s^-1，k₁和k₂决定了两人在冲撞过程中的阻尼效应。当两行人没有相互接触(d'_ij＞0,)的时候g(x)＝0，当两个行人接触(d'_ij＜0)的时候g(x)＝x。代表接触斥力的切向方向，代表接触之后行人i相对行人j的速度变化量。为了更清晰的进行说明，以上变量均表示在图4中。

传统的社会力模型中行人被建模为圆形对象，其旋转或不旋转产生的结果区别不大。本发明的一个主要创新点就是将行人建模为三圆模型，其旋转有利于通过拥挤、狭窄的空间。进一步地，本发明提出一组转矩方程(公式(6)-(13))加入到改进的三圆模型中，用于模拟行人在转身时所受的力和力矩，以便更真实的还原在拥堵出口、窄过道等场景的人群运动状态。当行人的当前行进速度方向发生转变或者身体朝向发生转变时，则必然会形成自我驱动转矩，具体如图5所示。图中的行人i企图通过行人j和障碍物之间的间隙，行人i拥有的转动惯量为I_i。将行人质心指向其右肩膀建立二维向量，该向量在空间中的角度作为描述行人的转动姿态的标准。由于主动侧身转矩的作用，行人i会由当前姿态方向向着期望姿态方向转动。在正常的前进的运动过程中，行人的面部朝向与运动速度方向会趋于一致。在改进的社会力模型中，行人i受到主动动力转矩的影响，会使当前面部朝向转向期望速度的方向。在一般运动过程中，由于每个人都有不让自己转动的主观愿望，即行人i会通过阻尼转矩使自己的角速度趋向于0。

图6为本发明所提供的行人运动仿真方法流程图，如图6所示，一种行人运动仿真方法，包括：

步骤601：获取社会力模型；所述社会力模型为圆形行人模型。

步骤602：对所述社会力模型进行改进，建立三圆模型；所述三圆模型是以第一半径为旋转半径的两个圆以及以大于所述第一半径的第二半径为旋转半径的圆构成的；所述第一半径与所述第二半径之和为所述社会力模型的半径；其中，中心圆是以第二半径为旋转半径的圆，中心圆的两侧分别设有一个以第一半径为旋转半径的圆且三圆的中心在同一水平面上；所述三圆模型的整体形态为椭圆，所述椭圆的长轴为行人的肩宽；其中，在建立三圆模型时，中心圆的第二半径与第一半径成倍数关系，具体的，第二半径是第一半径的两倍。

步骤603：根据所述三圆模型仿真行人的运动状态；所述运动状态包括行人自身旋转运动。

本发明提出行人在旋转时所受的合转矩公式如下所示：

再根据合转矩公式确定三圆模型，行人在通过拥挤的人群时，按照所提供合转矩方式进行运动，拟成的行人运行轨迹即为本发明所提供的三圆模型。

其中，为行人在日常行进时自身的主动动力转矩，为行人提供了由当前速度转向期望速度方向的转矩。换句话说，该转矩是行人在正常运动状态下使其面朝期望运动方向(目的地方向)的转矩，其公式如下：

在公式(7)中，为主动动力转矩，λ₁为主动动力转矩系数，且是通过实验进行校准的常量，θ_i为所述行人i的当前旋转角度，θ_i ^D为所述行人i的期望旋转角度，Δθ＝θ_i-θ_i ^D。

为行人自身的阻尼转矩，代表着当行人正在接近目标位置时抑制行人躯干旋转的转矩。在正常人行走过程中倾向于上半身不去旋转，所以期望角速度ω^D＝0。所以我们可以对阻尼转矩公式进行化简：

在公式(8)中，为阻尼转矩，λ₂为阻尼转矩系数，τ为所述三圆模型惯性的特征时间，一般取值为0.5s，且是在实验中进行校准的常量；ω^D＝0，为所述行人i的当前角速度，I_i为转动惯量。

为行人自身的斥力转矩，该转矩由心理(身体未接触)斥力和(身体)接触斥力的合力产生，其公式如下所示：

其中，为自身斥力转矩，为受力行人椭圆中心指向和接触点相近的模型一侧圆心的单位向量，为接触斥力，为心理斥力。

为行人自身的主动侧身转矩，该转矩是行人在穿越窄过道或者拥挤出口时主动将身体朝向转变至与运动方向不同的转矩。我们可以观察到行人在做出这种身体朝向调整时的动作十分迅速。f(Δθ_i)代表该行人在旋转过程中的加速度方程，该方程的唯一变量为Δθ_i，其公式如下所示：

其中为期望旋转角度，θ_i为当前旋转角度。

行人期望转身角度的计算公式如下：

主动侧身转矩的表达如下所示，加速度方程f(Δθ_i)将在第三部分给出。

其中，为主动侧身转矩，I_i为转动惯量，d为出口的宽度，f(Δθ_i)为加速度方程，Δθ＝θ_i-θ_i ^D，dt为求导运算。

在影响行人运动状态的四种转矩之中，斥力转矩在人运动的过程中一直存在，阻尼转矩在行人结束转向并将身体期望的角速度重置为0时起作用，而主动动力转矩是为行人提供改变速度方向的转矩。这三种转矩的触发条件只由人群中个体本身所处的状态决定，与其所处的场景无关。但是主动侧身转矩不同，其只在特定的环境(如拥挤、穿过较小缝隙)才会发挥作用，所以在将行人转矩模型建立结束之后，我们具体分析了其中主动侧身转矩的触发条件。

如图7-图8所示，主动侧身转矩的作用范围为以出口为直径的一个半圆，当一个行人进入该区域之后，他会计算自己通过该出口所需的宽度。例如行人i想要穿过该出口，但是行人j(1)和行人j(2)也在穿越这个出口，此时行人计算出的其成功穿过出口所需的有效距离即为图8中的l₃，即l₃为行人i投影到出口的投影宽度，由此我们可以总结出以下公式：

l_i＝d-∑_j≠il_j (13)

公式(13)能够计算出行人成功穿越出口有效距离l_i为行人i投影到出口的投影宽度，l_j为行人j投影到出口的投影宽度。当行人成功离开之后主动侧身转矩消失，同时主动动力转矩和阻尼转矩会出现使行人直面速度方向。

在基于社会力的转矩建模完成之后，我们需要通过多次实验获得并校正该模型中的参数，通过比较图9所示的仿真视频与图10所示的真人实验视频，λ₁＝200，λ₂＝4时仿真行人行进姿态最接近真实视频。为了测算实验中拥挤过门时每个行人的主动旋转角度，我们开发了一个使用智能手机中霍尔元件记录行人躯干旋转角度的安卓应用程序。实验的志愿者们安装了该程序，并会在场景模拟过程中将相关实验数据全部通过无线网发送到笔记本电脑。

实验设置为单房间单出口疏散场景，出口门宽从0.5m变化到1.4m。对每一种门宽，我们分别对人群紧急疏散场景和正常场景进行了5次实验。实验中我们可以获得志愿者们的在穿越出口时的躯干旋转角度.在本实验中，θ_i的旋转角度采样间隔为0.076s，我们可以用这些离散的时间点和对应的角度值求解出在转身过程中的角速度和角加速度的关系如图11所示，图中横坐标表示角速度，纵坐标表示角加速度。

图11可以看作是二次多项式方程f(Δθ_i)的曲线图，在出口宽度变化的情况下我们针对不同的情景让10名志愿者进行了反复实验，在采集大量的f(Δθ_i)数据之后，使用MATLAB的回归工具对其中的三个主要变量进行了校准，表1为本发明所提供的f(Δθ_i)参数拟合结果表，结果如表1所示。

表1

参数	估计值	置信区间
			c0	-3.2743	[-4.3268,-2.2218]
c1	-0.1051	[-0.2214,0.0112]
			c2	0.0061	[0.0040,0.0082]

根据表1可知，

回归结果显示，拟合优度R²＝0.9687，显著性水平F＝185.8381。假设否定的概率p＜0.000001且假设的方差为S²＝0.1073。其中对于c₁变量来说，其置信区间中包括0，这意味着它可以忽略不计。但是由于c₂不可忽略，所以我们仍然保留c₁。在收集并处理完所有的实验数据之后我们将与转矩相关的参数计入表2中，表2为本发明所提供的建立三圆模型相关参数表，如表2所示。

表2

参数	名称	取值
			r1	中心圆的半径	(0.135,0.165)m
r2	左右圆的半径	(0.0825±0.0685)m
			m	质量	(63,77)kg
I	转动惯量	4kg·m2
			τ	特征时间	0.5s
k1	法向接触系数	1.2×105kg·s-2
			k2	切向接触系数	2.4×105kg·m-1·s-1
A	心理斥力系数一	2000N
			B	心理斥力系数二	0.08m
λ2	阻尼转矩系数	4
			λ1	主动动力转矩系数	200

到这里，我们研究给出了转矩方程6-13中所有参数值，也得到了三圆行人运动模型的力和力矩方程，从而可以基于这些方程进行多次仿真推演。

为了进一步体现三圆模型是更好的仿真模型，我们将所提出的三圆模型与传统的社会力圆模型进行了对比实验。实验内容为，在不同出口宽度和不同的情境下(有无危险发生)，计算每一种模型其仿真的疏散时间和真实值之间的差别。结果显示如下。

表3为在非紧急情况下不同模型及真实值对应不同出口宽度的疏散仿真数据表，如表3所示：

表3

表4为在紧急情况下不同模型及真实值对应不同出口宽度的疏散仿真数据表，如表4所示：

表3和图12给出了当没有危机情况发生时的仿真结果和真实值，表4和图13给出了危急情况下的仿真结果和真实值，从这些图表中我们可以明显看出使用三圆模型进行人群运动仿真更加真实。

实验研究了传统社会力模型对人群动态的影响，针对传统的行人模型无法描述人群中个体主动侧身转矩和主动动力转矩的问题，创造性的提出了一种基于社会力的行人运动改进模型，来进一步提高在出口、窄过道等特殊位置的仿真效果，方法在传统模型的基础上引入主动动力转矩和主动侧身转矩，以此来描述人体躯干的旋转运动，包括模型形状及其力学分析、模型转矩及主动侧身转矩的触发条件分析和三圆模型参数校正及仿真。充分考虑到行人之间复杂的思想交互，并依托实际场景进行了仿真。实验结果表明，本发明提出的模型相比于传统的社会力人群仿真模型有更好的仿真效果。

图14为本发明所提供的行人运动仿真系统结构图，如图14所示，一种行人运动仿真系统，包括：

社会力模型获取模块1401，用于获取社会力模型；所述社会力模型为圆形行人模型.

三圆模型建立模块1402，用于对所述社会力模型进行改进，建立三圆模型；所述三圆模型是以第一半径为旋转半径的两个圆以及以大于所述第一半径的第二半径为旋转半径的圆构成的；所述第一半径与所述第二半径之和为所述社会力模型的半径；其中，中心圆是以第二半径为旋转半径的圆，中心圆的两侧分别设有一个以第一半径为旋转半径的圆且三圆的中心在同一水平面上；所述三圆模型的整体形态为椭圆，所述椭圆的长轴为行人的肩宽。

运动状态仿真模块1403，用于根据所述三圆模型仿真行人的运动状态；所述运动状态包括行人自身旋转运动。

在实际应用中，所述三圆模型建立模块1402具体包括：斥力确定单元，用于根据所述社会力模型确定行人i与行人j之间的心理斥力以及接触斥力；i和j大于0，且i不等于j；自身斥力转矩确定单元，用于根据所述心理斥力以及所述接触斥力确定所述行人i的自身斥力转矩；二维向量建立单元，用于将所述行人i的质心指向所述行人i的右肩膀建立二维向量；所述二维向量在空间中的角度作为所述行人i的转动标准；当前旋转角度确定单元，用于以所述二维向量为转动标准，确定所述行人i所处的当前旋转角度；投影宽度获取单元，用于获取所述行人i的肩宽投影到出口的投影宽度；期望旋转角度确定单元，用于以所述二维向量为转动标准，根据所述投影宽度确定所述行人i的期望旋转角度；参数获取单元，用于获取所述行人i的转动惯量、主动动力转矩系数以及阻尼转矩系数；主动动力转矩确定单元，用于根据所述当前旋转角度、所述期望旋转角度以及所述主动动力转矩系数确定所述行人i的主动动力转矩；阻尼转矩确定单元，用于根据所述转动惯量以及所述阻尼转矩系数确定所述行人i的阻尼转矩；主动侧身转矩确定单元，用于根据所述当前旋转角度、所述期望旋转角度以及所述转动惯量确定所述行人i的主动侧身转矩；三圆模型建立单元，用于根据所述自身斥力转矩、所述主动动力转矩、所述阻尼转矩以及所述主动侧身转矩建立三圆模型。

在实际应用中，所述自身斥力转矩确定单元具体包括：自身斥力转矩确定子单元，用于利用公式确定所述行人i的自身斥力转矩；其中，为自身斥力转矩，为单位向量，为接触斥力，为心理斥力。

本发明为了解决传统的行人模型无法描述人群中个体主动侧身转矩和动力转矩的问题，提供了一种基于社会力模型的行人运动改良模型，即：三圆模型。在三圆模型搭建的过程中，充分考虑到行人在一些特定拥挤场合的主观能动性，并使用新的模型与传统模型进行了对比实验，结果显示通过该模型来仿真人群运动更加的准确、真实，通过仿真推演帮助建筑设计师给出更合理的疏散方案，同时也可以提供拥挤出口处更准确的人群密度预测和踩踏警告。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种行人运动仿真方法，其特征在于，包括：

获取社会力模型；所述社会力模型为圆形行人模型；

对所述社会力模型进行改进，建立三圆模型；所述三圆模型是以第一半径为旋转半径的两个圆以及以大于所述第一半径的第二半径为旋转半径的圆构成的；所述第一半径与所述第二半径之和为所述社会力模型的半径；其中，中心圆是以第二半径为旋转半径的圆，中心圆的两侧分别设有一个以第一半径为旋转半径的圆且三圆的中心在同一水平面上；所述三圆模型的整体形态为椭圆，所述椭圆的长轴为行人的肩宽；

根据所述三圆模型仿真行人的运动状态；所述运动状态包括行人自身旋转运动。

2.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述对所述社会力模型进行改进，建立三圆模型，具体包括：

根据所述社会力模型确定行人i与行人j之间的心理斥力以及接触斥力；i和j大于0，且i不等于j；

根据所述心理斥力以及所述接触斥力确定所述行人i的自身斥力转矩；

将所述行人i的质心指向所述行人i的右肩膀建立二维向量；所述二维向量在空间中的角度作为所述行人i的转动标准；

以所述二维向量为转动标准，确定所述行人i所处的当前旋转角度；

获取所述行人i的肩宽投影到出口的投影宽度；

以所述二维向量为转动标准，根据所述投影宽度确定所述行人i的期望旋转角度；

获取所述行人i的转动惯量、主动动力转矩系数以及阻尼转矩系数；

根据所述当前旋转角度、所述期望旋转角度以及所述主动动力转矩系数确定所述行人i的主动动力转矩；

根据所述转动惯量以及所述阻尼转矩系数确定所述行人i的阻尼转矩；

根据所述当前旋转角度、所述期望旋转角度以及所述转动惯量确定所述行人i的主动侧身转矩；

根据所述自身斥力转矩、所述主动动力转矩、所述阻尼转矩以及所述主动侧身转矩建立三圆模型。

3.根据权利要求2所述的仿真方法，其特征在于，所述根据所述心理斥力以及所述接触斥力确定所述行人i的自身斥力转矩，具体包括：

利用公式确定所述行人i的自身斥力转矩；其中，为自身斥力转矩，为单位向量，为接触斥力，为心理斥力。

4.根据权利要求2所述的仿真方法，其特征在于，所述根据所述当前旋转角度、所述期望旋转角度以及所述主动动力转矩系数确定所述行人i的主动动力转矩，具体包括：

利用公式确定所述行人i的主动动力转矩；其中，为主动动力转矩，λ₁为主动动力转矩系数，θ_i为所述行人i的当前旋转角度，θ_i ^D为所述行人i的期望旋转角度，Δθ＝θ_i-θ_i ^D。

5.根据权利要求2所述的仿真方法，其特征在于，所述根据所述转动惯量以及所述阻尼转矩系数确定所述行人i的阻尼转矩，具体包括：

利用公式确定所述行人i的阻尼转矩；其中，为阻尼转矩，λ₂为阻尼转矩系数，τ为所述三圆模型惯性的特征时间，ω^D＝0，为所述行人i的当前角速度，I_i为转动惯量。

6.根据权利要求2所述的仿真方法，其特征在于，所述根据所述当前旋转角度、所述期望旋转角度以及所述转动惯量确定所述行人i的主动侧身转矩，具体包括：

利用公式确定所述行人i的主动侧身转矩；其中，为主动侧身转矩，I_i为转动惯量，d为出口的宽度，f(Δθ_i)为加速度方程，Δθ＝θ_i-θ_i ^D，dt为求导运算。

7.根据权利要求2所述的仿真方法，其特征在于，所述根据所述自身斥力转矩、所述主动动力转矩、所述阻尼转矩以及所述主动侧身转矩建立三圆模型，具体包括：

利用公式确定所述三圆模型；其中，为合转矩，I_i为转动惯量，为主动动力转矩，为阻尼转矩，为自身斥力转矩，为主动侧身转矩，为对当前角速度的求导运算。

8.一种行人运动仿真系统，其特征在于，包括：

社会力模型获取模块，用于获取社会力模型；所述社会力模型为圆形行人模型；

三圆模型建立模块，用于对所述社会力模型进行改进，建立三圆模型；所述三圆模型是以第一半径为旋转半径的两个圆以及以大于所述第一半径的第二半径为旋转半径的圆构成的；所述第一半径与所述第二半径之和为所述社会力模型的半径；其中，中心圆是以第二半径为旋转半径的圆，中心圆的两侧分别设有一个以第一半径为旋转半径的圆且三圆的中心在同一水平面上；所述三圆模型的整体形态为椭圆，所述椭圆的长轴为行人的肩宽；

运动状态仿真模块，用于根据所述三圆模型仿真行人的运动状态；所述运动状态包括行人自身旋转运动。

9.根据权利要求8所述的仿真系统，其特征在于，所述三圆模型建立模块具体包括：

斥力确定单元，用于根据所述社会力模型确定行人i与行人j之间的心理斥力以及接触斥力；i和j大于0，且i不等于j；

自身斥力转矩确定单元，用于根据所述心理斥力以及所述接触斥力确定所述行人i的自身斥力转矩；

二维向量建立单元，用于将所述行人i的质心指向所述行人i的右肩膀建立二维向量；所述二维向量在空间中的角度作为所述行人i的转动标准；

当前旋转角度确定单元，用于以所述二维向量为转动标准，确定所述行人i所处的当前旋转角度；

投影宽度获取单元，用于获取所述行人i的肩宽投影到出口的投影宽度；

期望旋转角度确定单元，用于以所述二维向量为转动标准，根据所述投影宽度确定所述行人i的期望旋转角度；

参数获取单元，用于获取所述行人i的转动惯量、主动动力转矩系数以及阻尼转矩系数；

主动动力转矩确定单元，用于根据所述当前旋转角度、所述期望旋转角度以及所述主动动力转矩系数确定所述行人i的主动动力转矩；

阻尼转矩确定单元，用于根据所述转动惯量以及所述阻尼转矩系数确定所述行人i的阻尼转矩；

主动侧身转矩确定单元，用于根据所述当前旋转角度、所述期望旋转角度以及所述转动惯量确定所述行人i的主动侧身转矩；

三圆模型建立单元，用于根据所述自身斥力转矩、所述主动动力转矩、所述阻尼转矩以及所述主动侧身转矩建立三圆模型。

10.根据权利要求9所述的仿真系统，其特征在于，所述自身斥力转矩确定单元具体包括：

自身斥力转矩确定子单元，用于利用公式确定所述行人i的自身斥力转矩；其中，为自身斥力转矩，为单位向量，为接触斥力，为心理斥力。