CN109858090B - 基于动态视域的公共建筑引导系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明是基于动态视域的公共建筑引导系统设计方法。通过收集公共建筑室内空间和引导系统的特征参数，使用人群的基本属性及移动特征参数；基于建筑空间和引导系统的特征数据建立三维模型组，构建虚拟现实场景；在虚拟现实场景平台中，根据使用者视域特征和引导元素的属性计算引导元素的可见范围；运用启发函数计算Agent群组搜索路径，运用避障算法预测并躲避静止和移动的障碍物，模拟Agent的最优速度；对引导元素可见覆盖范围和Agent个体动态视域进行叠加计算，获得引导元素的动态可见率，对动态可见率进行数据比较分析，获得引导系统位置布局方案进行评估和指导建议。本发明成本低，更接近真实情况的设计依据，具有较强的操作性和适用性。

Description

基于动态视域的公共建筑引导系统设计方法

技术领域

本发明涉及建筑引导系统设计技术领域，是一种基于动态视域的公共建筑引导系统设计方法。

背景技术

公共建筑室内空间呈现复杂化与多样化的发展趋势，在提高使用者体验丰富性的同时，增加了寻路难度，提高了人员密集建筑的风险等级。虽然近年来导航技术已得到快速发展，但是建筑室内导航系统仍存在定位准确度较低、无法匹配楼层等问题。因此，引导系统在建筑室内的寻路过程中仍起到主导作用，其设计效果的提升对于提高使用者寻路效率和空间体验具有重要意义。

通过实地调研发现，现存建筑中的引导系统在使用过程中暴露出以下问题：由于障碍物遮挡、位置摆放不当等原因，有时使用者难以在寻路过程中找到公共场所中的引导元素，这为紧急情况下的有效疏散带来隐患，且会极大地破坏使用者的空间体验感受。现行引导系统相关规范多从易读性和可辨性方面，对其颜色、寸尺、图案或文字等做出规定。对其空间布置的规定较为匮乏，且其指导多来自经验数据，操作性较差，缺少从整体层面对使用人群移动特征和规律进行考虑，无法对现有建筑中出现的相关问题或新建建筑中引导系统的设计效果进行有效改进和预测评估。因此，从更加真实客观的角度，综合考虑使用者的动态观察行为，准确预测或评估设计的有效性，是引导系统优化设计的关键问题之一。

发明内容

本发明为上述问题，提供了一种基于动态视域的公共建筑引导系统设计方法，本发明提供了以下技术方案：

一种基于动态视域的公共建筑引导系统设计方法，包括以下步骤：

步骤一：通过实地调研收集公共建筑室内空间和引导系统的特征数据，以及使用人群的基本属性及移动特征数据；

步骤二：基于所述建筑空间和引导系统的特征数据建立三维模型组，设置相关环境和使用者Agent群组参数，构建虚拟现实场景；

步骤三：在虚拟现实场景平台中，根据使用者视域特征和引导元素的属性特征计算引导元素的可见覆盖范围；

步骤四：针对虚拟现实平台中建立的具有不同特征的所述Agent，运用启发函数A*算法计算场景中所述Agent的搜索路径，并运用RVO避障算法预测并躲避静止和移动的障碍物，模拟所述Agent的最优速度；

步骤五：对引导元素可见覆盖范围和Agent个体动态视域的模拟结果进行叠加计算，获得引导元素的可见率，对所述引导元素的可见率进行数据比较与分析，获得引导系统的位置布局的最优方案。

优选地，所述步骤一具体为：

第一步：选取人员密集的大型商业综合体为调研的公共建筑对象；

第二步：通过案例分析和实地测量记录的方式获取公共建筑的平面布局形式和空间设计尺寸的参数，以及引导系统特征数据；

第三步：采用问卷和录像的方式获得使用者的基本属性信息和移动特征数据。

优选地，所述步骤二具体为：

第一步：根据所述建筑空间和引导系统的特征数据，利用Revit和3ds Max三维建模软件创建建筑基本模型；

第二步：将所述建筑模型导入至Unity 3D虚拟现实引擎中，并设置环境参数，构建虚拟现实场景；

第三步：根据不同性别、年龄的使用者所具备的不同身高和行走速度特征，将其划分为不同模拟对比组，在虚拟现实平台中设定相应Agent群组及相关基础参数。

优选地，所述步骤三具体为：

第一步：计算使用者视域，使用者的视域为其人眼高度的扇形水平面，其高度根据使用者身高来确定，使用者在视域内的可见能力不随距离和偏角变化而改变；

第二步：计算引导元素的最大可见覆盖范围，以引导元素的几何中心点为原点，以引导元素可被观察的最大距离为半径，最大观察角度为圆锥角生成可见锥体，最大可见距离和角度根据引导元素的字体和大小来确定，通过下式表示引导元素的最大可见锥体范围V：

其中，v_i为人眼位置，p为引导元素的几何中心，n为引导元素朝向的方向向量，·为两向量的纯向量积，d为引导元素可被观察的最大距离，θ表示最大观察角度；

第三步：通过下式确定可见锥体与使用者视域扇形水平面的相交面即所述引导元素的可见覆盖范围：

A＝V∩G (2)

其中，A为所述引导元素的可见覆盖范围，G为使用者视域扇形水平面，V为引导元素的最大可见锥体范围。

优选地，所述步骤四具体为：

第一步：利用启发函数A*算法计算场景中Agent群组的搜索路径，通过下式确定起始节点与目标节点之间的估计移动总成本：

f(n)＝g(n)+h(n) (3)

其中，g(n)表示起始节点与当前节点之间的实际移动成本，h(n)表示当前节点与目标节点之间的估计移动成本，f(n)表示起始节点与目标节点之间的估计移动总成本；

通过曼哈顿距离计算g(n)和h(n)：

g(n)＝|x_s-x_n|+|y_s-y_n| (4)

h(n)＝|x_e-x_n|+|y_e-y_n| (5)

其中，x_s是起点横坐标，y_s是起点纵坐标，x_n是节点横坐标，y_n是节点纵坐标，x_e是目标节点横坐标，y_e是目标节点纵坐标；

第二步：利用RV0局部避障算法预测并躲避障碍物，确定Agent在移动过程中的碰撞边界，采用互惠速度和避障技术，综合考虑模拟现实场景中Agent自身矢量速度和其他Agents群组对Agent群组自身矢量速度的影响，使得每个Agent均根据所有Agents群组全局路径的最大速度来优化自身速度，模拟Agent的最优速度。

优选地，所述步骤五具体为：

第一步：通过运行仿真模拟，根据每个Agent的视平高度、视场角和运动方向，实时计算各Agent在搜索过程中的动态视域；

第二步：计算Agent动态视域暴露于引导元素可见覆盖范围的持续时间，并与Agent所需的理解时间进行比较，通过叠加计算确定引导元素动态可见率；

第三步：：根据所述引导元素动态可见率的数据比较与分析结果，获得最优的引导系统的位置布局和相应引导系统设计策略。

本发明具有以下有益效果：

本发明充分利用了虚拟现实和仿真模拟技术快速、高效地建构建筑场景和更改设计条件的特点，通过对不同使用人群路径选择的动态模拟和计算提供了一种低成本且可视化的动态视域生成方法。该方法可有效弥补现行引导系统设计规范中对使用者移动过程中观察范围变化考虑不足的问题，提供了更接近真实情况的设计依据，具有较强的操作性和适用性。

附图说明

图1是基于动态视域的公共建筑引导系统设计方法流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1所示，本发明提供一种基于动态视域的公共建筑引导系统设计方法，包括以下步骤：

步骤一：通过实地调研收集公共建筑室内空间和引导系统的特征数据，以及使用人群的基本属性及移动特征数据；

步骤二：基于所述建筑空间和引导系统的特征数据建立三维模型组，设置相关环境和使用者Agent群组参数，构建虚拟现实场景；

步骤三：在虚拟现实场景平台中，根据使用者视域特征和引导元素的属性特征计算引导元素的可见覆盖范围；

步骤四：针对虚拟现实平台中建立的具有不同特征的所述Agent，运用启发函数A*算法计算场景中所述Agent的搜索路径，并运用RVO避障算法预测并躲避静止和移动的障碍物，模拟所述Agent的最优速度；

步骤五：对引导元素可见覆盖范围和Agent个体动态视域的模拟结果进行叠加计算，获得引导元素的可见率，对所述引导元素的可见率进行数据比较与分析，获得引导系统的位置布局的最优方案。

进一步地，所述步骤一具体为：通过实地调研获取公共建筑室内空间和引导系统的特征数据，以及使用人群的基本属性及移动特征数据。

选取人员密集的大型商业综合体为对象，通过案例分析和实地测量记录方式获取调研样本的平面布局形式和空间设计尺寸等参数，以及引导系统特征数据。采用问卷和录像等方式获得使用者的基本属性信息(年龄、性别、身高等)和移动特征数据(行走速度、轨迹等)。

进一步地，所述步骤二具体为：基于所述建筑空间和引导系统特征数据建立三维模型组，设置相关环境和使用者Agent群组参数，构建虚拟现实场景。

运用Revit、3ds Max等三维建模软件创建建筑基本模型，所述模型中的引导元素应包含其种类、形状、尺寸、字体、颜色等属性信息以及坐标、朝向角度等位置信息，将模型导入至Unity 3D虚拟现实引擎中，并设置环境参数，构建虚拟现实场景。根据不同性别、年龄(成人或儿童)的使用者所具备的不同身高和行走速度特征，可将其划分为不同模拟对比组，在虚拟现实平台中设定相应Agent群组及相关基础参数。

进一步地，所述步骤三具体为：

在虚拟现实平台中，根据使用者视域特征和引导元素的属性特征计算引导元素的可见覆盖范围；

(1)计算使用者视域时遵循以下假设：使用者的视域为其人眼高度的扇形水平面，其高度根据使用者身高来确定；使用者在视域内的可见能力不随距离和偏角变化而改变。

(2)计算引导元素的最大可见覆盖范围时，以引导元素的几何中心点为原点，以其可被观察的最大距离为半径，最大观察角度为圆锥角生成可见锥体，最大可见距离和角度根据引导元素的字体和大小来确定。

其中，A表示所述引导元素的可见覆盖范围；G表示使用者视域扇形水平面；V＝{v_i}表示引导元素的最大可见锥体范围，其数学表达式为：

式中，v_i为人眼位置，p为引导元素的几何中心，n为引导元素朝向的方向向量，·为两向量的纯向量积，d为引导元素可被观察的最大距离，θ表示最大观察角度。

(3)所述可见锥体与使用者视域扇形水平面的相交面即为所述引导元素的可见覆盖范围，即：

A＝V∩G

其中，A表示所述引导元素的可见覆盖范围；G表示使用者视域扇形水平面；V＝{v_i}表示引导元素的最大可见锥体范围，其数学表达式为：

进一步地，所述步骤四具体为：针对虚拟现实平台中建立的具有不同特征的所述Agent群组，运用启发函数A*算法计算场景中所述Agent群组的搜索路径，并运用RVO避障算法预测并躲避静止和移动障碍物，模拟所述Agent躲避碰撞的动态搜索过程；

进行Agent群组路径模拟时，所述A*算法基于启发式搜索原理，其思路是寻路时在状态空间中对每一个搜索位置进行评估，得到最好的位置，再从这个位置进行搜索直到目标。该方法可以省略大量无效的搜索路径，提高效率，其核心在于对空间位置的代价估算。相比于Dijkstra算法，A*算法可以通过筛选邻居在很大程度上减少冗余节点，提升效率，在理论上可以实现时间最优和路径最短，其基本原理是：

f(n)＝g(n)+h(n)

其中，g(n)表示起始节点与当前搜索节点之间的实际移动成本，h(n)表示当前节点到目标节点之间的估计移动成本，f(n)表示起始节点与目标节点之间的估计移动总成本，f(n)越小，则该路径被搜索的可能性越大。

这里用曼哈顿距离计算估计成本，即

g(n)＝|x_s-x_n|+|y_s-y_n| (4)

h(n)＝|x_e-x_n|+|y_e-y_n| (5)

其中x_s是起点横坐标，y_s是起点纵坐标，x_n是节点横坐标，y_n是节点纵坐标，x_e是目标节点横坐标，y_e是目标节点纵坐标。

在避免碰撞的模拟实验中，利用RVO局部避障算法预测并躲避移动障碍物，确定Agent在移动过程中的碰撞边界，采用互惠速度和避障技术，综合考虑场景中Agent自身矢量速度和其他Agents对其速度的影响，且保证每个Agent均根据所有Agents全局路径的最大速度来优化自身速度，根据此来模拟Agent的最优速度。

进一步地，所述步骤5具体为：对引导元素可见覆盖范围和Agent个体动态视域的模拟结果进行叠加计算，获得引导元素的可见率，对所述可见率进行数据比较与分析，获得引导系统位置布局的最优方案，进而对引导系统设计方案进行评估和指导建议。

通过运行仿真模拟，根据每个Agent的视平高度、视场角(FOV)和运动方向，实时计算各Agent在搜索过程中的动态视域；计算Agent动态视域暴露于引导元素可见覆盖范围的持续时间，并与其所需的理解时间进行比较，超过理解时间时记为所述引导元素对Agent可见，超过理解时间的Agents人数与所述引导元素的目标对象Agents总数之比即为其动态可见率；根据所述动态可见率的数据比较与分析结果，获得最优的引导系统的位置布局，获得公共建筑中引导系统布局设计方案的评估和指导建议，提升方案效率。

以上所述仅是基于动态视域的公共建筑引导系统设计方法的优选实施方式，基于动态视域的公共建筑引导系统设计方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于动态视域的公共建筑引导系统设计方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一：通过实地调研收集公共建筑室内空间和引导系统的特征数据，以及使用人群的基本属性及移动特征数据；

步骤二：基于所述建筑空间和引导系统的特征数据建立三维模型组，设置相关环境和使用者Agent群组参数，构建虚拟现实场景；

步骤三：在虚拟现实场景平台中，根据使用者视域特征和引导元素的属性特征计算引导元素的可见覆盖范围；

所述步骤三具体为：

第一步：计算使用者视域，使用者的视域为其人眼高度的扇形水平面，其高度根据使用者身高来确定，使用者在视域内的可见能力不随距离和偏角变化而改变；

第二步：计算引导元素的最大可见覆盖范围，以引导元素的几何中心点为原点，以引导元素可被观察的最大距离为半径，最大观察角度为圆锥角生成可见锥体，最大可见距离和角度根据引导元素的字体和大小来确定，通过下式表示引导元素的最大可见锥体范围V：

其中，v_i为人眼位置，p为引导元素的几何中心，n为引导元素朝向的方向向量，-为两向量的纯向量积，d为引导元素可被观察的最大距离，θ表示最大观察角度；

第三步：通过下式确定可见锥体与使用者视域扇形水平面的相交面即所述引导元素的可见覆盖范围：

A＝V∩G (2)

其中，A为所述引导元素的可见覆盖范围，G为使用者视域扇形水平面，V为引导元素的最大可见锥体范围；

步骤四：针对虚拟现实平台中建立的具有不同特征的所述Agent，运用启发函数A*算法计算场景中所述Agent的搜索路径，并运用RVO避障算法预测并躲避静止和移动的障碍物，模拟所述Agent的最优速度；

步骤五：对引导元素可见覆盖范围和Agent个体动态视域的模拟结果进行叠加计算，获得引导元素的可见率，对所述引导元素的可见率进行数据比较与分析，获得引导系统的位置布局的最优方案；

所述步骤五具体为：

第一步：通过运行仿真模拟，根据每个Agent的视平高度、视场角和运动方向，实时计算各Agent在搜索过程中的动态视域；

第二步：计算Agent动态视域暴露于引导元素可见覆盖范围的持续时间，并与Agent所需的理解时间进行比较，通过叠加计算确定引导元素动态可见率；

第三步：根据所述引导元素动态可见率的数据比较与分析结果，获得最优的引导系统的位置布局和相应引导系统设计策略。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态视域的公共建筑引导系统设计方法，其特征是：所述步骤一具体为：

第一步：选取人员密集的大型商业综合体为调研的公共建筑对象；

第二步：通过案例分析和实地测量记录的方式获取公共建筑的平面布局形式和空间设计尺寸的参数，以及引导系统特征数据；

第三步：采用问卷和录像的方式获得使用者的基本属性信息和移动特征数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于动态视域的公共建筑引导系统设计方法，其特征是：所述步骤二具体为：

第一步：根据所述建筑空间和引导系统的特征数据，利用Revit和3ds Max三维建模软件创建建筑基本模型；

第二步：将所述建筑模型导入至Unity 3D虚拟现实引擎中，并设置环境参数，构建虚拟现实场景；

第三步：根据不同性别、年龄的使用者所具备的不同身高和行走速度特征，将其划分为不同模拟对比组，在虚拟现实平台中设定相应Agent群组及相关基础参数。

4.根据权利要求1所述的一种基于动态视域的公共建筑引导系统设计方法，其特征是：所述步骤四具体为：

第一步：利用启发函数A*算法计算场景中Agent群组的搜索路径，通过下式确定起始节点与目标节点之间的估计移动总成本：

f(n)＝g(n)+h(n) (3)

其中，g(n)表示起始节点与当前节点之间的实际移动成本，h(n)表示当前节点与目标节点之间的估计移动成本，f(n)表示起始节点与目标节点之间的估计移动总成本；

通过曼哈顿距离计算g(n)和h(n)：

g(n)＝|x_s-x_n|+|y_s-y_n| (4)

h(n)＝|x_e-x_n|+|y_e-y_n| (5)

其中，x_s是起点横坐标，y_s是起点纵坐标，x_n是节点横坐标，y_n是节点纵坐标，x_e是目标节点横坐标，y_e是目标节点纵坐标；

第二步：利用RVO局部避障算法预测并躲避障碍物，确定Agent在移动过程中的碰撞边界，采用互惠速度和避障技术，综合考虑模拟现实场景中Agent自身矢量速度和其他Agents对Agent自身矢量速度的影响，使得每个Agent均根据所有Agents全局路径的最大速度来优化自身速度，模拟Agent的最优速度。

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