CN109101713B - 一种耦合洪水演进与人群疏散的建模与模拟方法 - Google Patents

Abstract

本专利“一种耦合洪水演进与人群疏散的建模与模拟方法”通过洪水灾害环境模拟的元胞自动机模型和人群疏散模拟的多智能体模型之间交互，实现洪水演进‑人群疏散的耦合建模与模拟，旨在提供一种洪水灾害场景中人群移动行为预测的方法。利用元胞自动机的建模方法对人群分布、洪水参数、人群移动中感知的环境参数等变量进行建模，实现洪水灾害环境动态变化模拟。人群疏散的模拟以邻域格网的灾害环境参数为输入，采用多智能体的方法进行实时计算，最终完成洪水演进‑人群疏散的耦合建模与模拟。

Description

一种耦合洪水演进与人群疏散的建模与模拟方法

技术领域

本发明涉及一种耦合洪水演进与人群疏散的建模与模拟方法，属于地理信息技术、水动力科学的交叉领域。

背景技术

近些年来随着城市化的快速发展,城市结构的立体化和复杂化，使其在洪水等自然灾害面前愈加的脆弱。面向个体决策的洪水灾害环境多要素实时建模与模拟，可以服务于城市防洪减灾的规划，也可以为洪灾突发情况下的人员疏散预案和救援措施提供科学依据，有助于加强城市居民的防洪安全意识和自救能力。

目前国内外关于洪水人群疏散的研究，主要关注洪水灾害中的各种社会因素和心理因素的影响，停留在问卷调查或是多因子建模分析的阶段，没有与洪水的动态演化和人群的渐进感知相结合，系统化的耦合洪水演进及人群疏散的建模与模拟方法。

发明内容

本专利是一种耦合洪水演进与人群疏散的建模与模拟方法，通过洪水灾害环境模拟的元胞自动机模型和人群疏散模拟的多智能体模型之间交互，实现洪水演进-人群疏散的耦合建模与模拟：

本发明专利通过以下技术方案予以实现。

(1)人群疏散的洪水灾害环境动态参数的计算采用元胞自动机的建模方法进行模拟；

(2)人群疏散的模拟以邻域格网的灾害环境参数为输入，采用多智能体的方法进行实时计算；

附图说明

如说明书附图中图1所示，本专利“一种耦合洪水演进与人群疏散的建模与模拟方法”的结构。

具体实施方式

本专利“一种耦合洪水演进与人群疏散的建模与模拟方法”的实施方式包括洪水灾害环境动态参数元胞自动机模拟算法、人群疏散的多智能体模拟算法两个部分组成。

1.洪水灾害环境动态参数元胞自动机模拟

(1)采用基于Von Neumann的四邻域元胞模型结构，以及基于离散化圣维南方程的转换算法，由当前时刻元胞格网的洪水状态获得新时刻的元胞格网的洪水状态。

(2)元胞自动机格网中，地面属性势能参数LF_i,j的计算分洪水淹没格网和非洪水淹没格网两种情况。对于非洪水淹没格网，由人群个体在平地最大移动速度V_max以及特定类型陆地的移动速度V_ed计算(公式1)；对于洪水淹没格网，由人群个体在平地最大移动速度V_max以及个体在水中的移动速度V_ew计算(公式1)。

人群个体在特定类型陆地的移动速度V_ed由公式2获得：

V_ed＝1.19e^{-3.5×abs(slope+0.05)}×V_Landtype (2)

式2中，slope为当前格网坡度(单位：弧度)，V_Landtype为不同地表类型平地的个体移动速度经验值。

人群个体在水中的移动速度V_ew由公式3获得：

式3中，D为当前格网水深(单位：m)，V为当前格网流速(单位：m/s)。

(3)元胞自动机格网中，疏散方向势能参数GF_i,j的计算由当前格网到疏散出口的累加距得到。

(4)元胞自动机格网中，人群密度势能参数CF_i,j的计算由公式4得到

式4中，V_e为人群个体在当前格网的最大移动速度(排除人群因素干扰)，V_ec为受不同人群密度干扰下当前格网的最大移动速度(单位：m/s)。V_ec由公式5获得:

式5中，ρ代表当前格网人群密度(m^-2),ρ_t,ρ_c,和ρ_m分别为0.8m^-2，2.8m^-2，5.0m^-2。

(5)洪水灾害环境动态参数的总势能场值F_i,j采用LF_i,j，GF_i,j和CF_i,j相加得到。

2.人群疏散的多智能体模拟

人群疏散的多智能体模拟，考虑扩展von Neumann的邻域格网的总势能场值进行计算。当前格网人群个体的移动方向θ由公式(6)计算得到：

式6中，F_i,j代表格网总势能场值,WX_i,j,WY_i,j分别为格网对个体影响在x,y方向上的权重。

当前格网人群个体的位置移动由公式(7)计算得到：

式7中，x_t,y_t分别为个体在t时刻的横坐标和纵坐标值。

Claims (1)

1.一种耦合洪水演进与人群疏散的建模与模拟方法，其特征在于：

(1)人群疏散的洪水灾害环境动态参数的计算采用元胞自动机的建模方法进行模拟；元胞自动机格网的主要参数包括人群密度势能参数、疏散方向势能参数和地面属性势能参数；

(2)人群疏散的模拟以邻域格网的灾害环境参数为输入，采用多智能体的方法进行实时计算；多智能体的主要参数包括x,y坐标、健康状态、移动速度、移动方向；

洪水灾害环境动态参数元胞自动机以及人群疏散的多智能体模拟包括：

(a)采用基于Von Neumann的四邻域元胞模型结构，以及基于离散化圣维南方程的转换算法，由当前时刻元胞格网的洪水状态获得新时刻的元胞格网的洪水状态；

(b)元胞自动机格网中，地面属性势能参数LF_i,j的计算分洪水淹没格网和非洪水淹没格网两种情况；对于非洪水淹没格网，LF_i,j由人群个体在平地最大移动速度V_max以及特定类型陆地的移动速度V_ed计算；对于洪水淹没格网，由人群个体在平地最大移动速度V_max以及个体在水中的移动速度V_ew计算，相关公式如下：

人群个体在特定类型陆地的移动速度V_ed由如下公式获得：

V_ed＝1.19e^{-3.5×abs(slope+0.05)}×V_Landtype

其中，slope为当前格网坡度，单位：弧度，V_Landtype为不同地表类型平地的个体移动速度经验值；

人群个体在水中的移动速度V_ew由如下公式获得：

其中，D为当前格网水深，单位：m，V为当前格网流速，单位：m/s；

(c)计算t+1时刻格网人口密度：

先由下式计算得到当前格网人群个体的移动方向θ：

式中，F_i,j代表t时刻格网总势能场值，WX_i,j，WY_i,j分别为格网对个体影响在x,y方向上的权重；

然后按照下式计算得到当前格网人群个体的位置移动，最后统计下一时刻的格网人群密度；

(d)t+1时刻的人群密度势能参数CF_i,j的计算由如下公式得到

式中，V_e为人群个体在当前格网的最大移动速度，排除人群因素干扰，V_ec为受不同人群密度干扰下当前格网的最大移动速度，单位：m/s；V_ec由如下公式获得:

式中，ρ代表当前格网人群密度(m^-2)，ρ_t，ρ_c，和ρ_m分别为0.8m^-2，2.8m^-2，5.0m^-2；

(e)t+1时刻洪水灾害环境动态参数的总势能场值F_i,j采用LF_i,j，GF_i,j和CF_i,j相加得到，其中GF_i,j表示疏散方向势能参数。

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