CN110245403A - 一种基于元胞自动机的人员疏散模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开提供一种基于元胞自动机的人员疏散模拟方法，将整个房间离散化为有限个大小均等的元胞，建立与实际场景相似的二维元胞自动机数学模型；开始一个时间步骤的移动后；在同一时间步骤内进行多次不同起点、不同顺序的遍历；每个人员在移动前都需进行两次判定：首先每个人员在一个时间步骤内最多移动一次，在前面的遍历中已经移动过的人员在该时间步骤不再移动，其次在移动前进行随机停止机制判定，用于模拟疏散过程中意外情况的发生；对于四邻域中有空置元胞能进行移动的人员，根据距离场值与前方拥挤程度确定人员移动方向；当所有人员都已撤离后，输出疏散用时。本发明能够更真实地模拟人员在该类特定场景中的疏散过程。

Description

一种基于元胞自动机的人员疏散模拟方法

技术领域

本发明涉及人员疏散模拟方法领域，特别是一种基于元胞自动机的针对狭窄复杂场景的人员疏散模拟方法。

背景技术

近些年，伴随着经济的高速发展，城市建设呈现出复杂化、立体化发展的趋势，人民的生活娱乐方式也越来越多样，这也使得大量人员聚集在一个地方的情况越来越多。这些场所例如音乐会、电影院还有大型会议室等，一旦发生险情，人员的安全疏散至关重要。这类场所一般座位密集且通道狭窄，人口密度较大，在紧急情况(火灾、地震或是恐怖袭击等)发生时，不合理的通道、出口设置可能导致人员堵塞，从而增加疏散用时，甚至于发生严重的踩踏事故，加剧人员伤亡。

人员疏散演练可以帮助发现建筑内容易发生堵塞的瓶颈处，从而对此处进行改建或是采取必要的引导、分流措施，减少被堵塞人数，缩短疏散用时，这些在灾害来临时将会起到十分重要的作用。但是直接召集人员进行现场疏散演练，将耗费、耽误大量的人力物力以及财力，因此提出了使用计算机进行人员疏散模拟的方法。

通过使用计算机构建场景疏散模型的方式，可以对场景进行人员疏散模拟，直观的观察整个疏散进程，对容易发生堵塞的瓶颈处提供整改指导意见，科学合理的设置引导设施指引人员进行撤离，尽可能缩短疏散时间。但是，目前市面上所使用的商业人员疏散模拟软件，例如Pathfinder，针对例如电影院或是大型会议室等通道狭窄、障碍物较多的场景的模拟结果都不够真实，人员的疏散路径选择不够智能，人群移动时容易出现不合理的排队堵塞现象。

发明内容

本发明的目的是为了克服目前市面上所使用的商业人员疏散模拟软件针对例如电影院或是大型会议室等通道狭窄、障碍物较多的场景的模拟结果都不够真实，人员的疏散路径选择不够智能，人群移动时容易出现不合理的排队堵塞现象，而提供一种基于元胞自动机的针对狭窄复杂房间的人员疏散模拟方法。

本发明为实现其技术目的所采用的技术方案是一种基于元胞自动机的人员疏散模拟方法，该方法针对狭窄复杂房间的人员疏散，包括以下步骤：

步骤1，设置模型参数；

步骤2，初始化疏散场景；

步骤3，计算场景的距离场D_static；该步骤中计算每个元胞的距离场；

步骤4，放置人员；该步骤中，一个元胞最多只能放置一人；

步骤5，人员开始移动；在一个时间步骤内，一个人员按照步骤6的要求最多移动一个元胞；

步骤6，根据出口在房间内的位置以及大部分通道的朝向，从不同的起点按照不同的顺序对所有元胞进行b次遍历；遍历次数根据出口数量与位置决定，遍历顺序与大部分通道的走向一致；

步骤7，在该时间步骤的之前遍历中已移动的人员，在本次时间步骤中不再进行移动；

步骤8，随机停止机制判定，模拟意外的发生；对步骤7中找到的每个人员，在移动前，先进行一次随机停止机制判定，即所有人都有μ的概率在当前遍历中不移动而停留在原地，用来模拟疏散过程中人员由于各种因素而导致的停滞，被判定为原地不动的人员，结束该人员在当前遍历中的移动；

步骤9，判断各移动方向的可行性；对步骤8中通过判定没有停留在原地的人员进行移动方向的选择，有前、后、左、右和原地不动五种选择；

步骤10，根据到出口的距离与前方拥挤程度确定人员移动方向；对步骤9中找到的没有被占据的邻域与原位置，根据其对应邻域元胞的D_static(id)以及对应于不同出口在该步骤时间的拥挤程度中较小的一个值，通过公式计算得到每个邻域元胞在考虑前方拥挤程度的情况下，到出口的距离值P_Time(id)，对得出的各个P_Time(id)值进行比较，选择P_Time(id)值最小的元胞作为该人员在该时间步骤的移动选择，若存在多个P_Time(id)值最小且相等，则等概率地从中随机选择一个对应元胞作为该人员在当前时间步骤的移动选择；

步骤11，判断该人员是否已经离开房间；在步骤10确定了移动方向后，若此时该人员已经处于出口所在元胞，则认为该人员已经逃离房间，令Population＝Population-1；

步骤12，判断对于该时间步骤是否还需要进行下一次遍历；当遍历完所有元胞后，令b＝b-1，若此时b＝0，则结束该次时间步骤的移动，进入步骤13；若此时b≠0，则返回步骤6；

步骤13，完成了一个时间步骤内所有人员的移动后，疏散时间Time＝Time+1；Time的初始值为0；

步骤14，判断是否所有人都已疏散；若仍有人停留在房间内，即Population≠0，则重复步骤5～14；若人员已完全疏散，即Population＝0，则进入步骤15；

步骤15，输出疏散用时Time。

本发明通过采用不同的遍历起点与遍历顺序在同一时间步骤内进行多次遍历，可以使每个人员在每一时间步骤找到收益最大的可行方向进行移动。若是仅进行一次遍历，则所有人员在同一时间步骤的移动就会出现先后顺序差异，这会导致某些人员会因为其相邻的人员比自己后进行该次时间步骤的移动，而无法向其所处元胞进行移动。在一个时间步骤内，以不同的起点与顺序进行多次遍历就可以避免这种情况的发生：当从一个起点开始遍历时，若某人员的目标移动方向被一个还未进行该次时间步骤移动的人员占据，则在该次遍历中，该人员会选择原地不动，等待下次从不同起点开始遍历时，其目标移动方向的人员移动后，再向该方向进行移动，从而消除同一时间步骤中人员移动的先后顺序差异，实现人员的同步移动。

进一步的，上述的基于元胞自动机的人员疏散模拟方法中：所述的步骤1中，模型参数包括：包括出口数量n，出口宽度d，随机停止概率μ，人群回避系数α，待疏散人员总数Population，遍历次数b。

进一步的，上述的基于元胞自动机的人员疏散模拟方法中：所述步骤1中参数设置为：人群回避系数α＝1，随机停止概率遍历次数由出口数量与位置决定，其余参数包括人员总数、出口数量与宽度根据实际情况进行设置。

进一步的，上述的基于元胞自动机的人员疏散模拟方法中：步骤2中根据建筑物内部布局对二维元胞空间进行疏散场景模拟，根据现实场景设置障碍物的位置，并将其所处元胞设置为被占据状态，同时根据现实场景设置出口位置。

进一步的，上述的基于元胞自动机的人员疏散模拟方法中：步骤3中按照下面的规定计算场景的距离场D_static：

将出口处的D_static值设置为0，将被障碍物或墙体占据的元胞的D_static设置为一个极大的值，然后由出口处开始以四邻域模型向房间内部推进，绕开障碍物所处的网格，为每一个元胞的四邻域分配一个值，若在为某个元胞分配D_static时出现冲突，则选择较小值作为该元胞的D_static。

进一步的，上述的基于元胞自动机的人员疏散模拟方法中：所述步骤10中根据到出口的距离与前方拥挤程度确定人员移动方向按如下步骤获得：

步骤10.1，仅对步骤9中找到的没有被占据的邻域与原位置所对应的id进行以下操作；

步骤10.2，人员到不同出口的拥挤程度按下列公式获得：

其中，表示比邻域id更靠近出口A、出口B的人数； 表示与邻域id到出口A、出口B的距离相等的人数；d_A、d_B表示出口A、出口B的宽度；

步骤10.3，对于每一个邻域id，根据步骤10.2中确定的对应不同门的拥挤程度 取其中较小的值作为该邻域id的拥挤程度C_Time(id)，按照下列公式计算各邻域元胞在考虑前方拥挤程度的情况下，到出口的距离值P_Time(id)：

P_Time(id)＝D_static(id)+α·C_Time(id)；

其中，D_static(id)是每个邻域id到出口的距离度量，α是人群回避系数；

步骤10.4，对步骤10.3中得到的各邻域id对应元胞在考虑前方拥挤程度的情况下，到出口的距离值P_Time(id)进行比较，选择其中距离值最小的对应的id作为该人员在第Time个时间步骤的移动选择，若存在多个P_Time(id)值最小且相等，则等概率地从中随机选择一个对应元胞作为该人员在当前时间步骤的移动方向选择。

本发明的有益效果在于：

1.通过采用不同的遍历起点与遍历顺序在同一时间步骤内进行多次遍历，可以消除同一时间步骤中人员移动的先后顺序差异，使每个人员在每一时间步骤找到收益最大的可行方向进行移动，而不会被还未进行该次时间步骤移动方向选择的人员所阻挡，从而实现人员的同步移动；

2.在通道狭窄、障碍物较多的复杂房间这种场景中，通过对每一个网格的赋值来体现每个网格距离出口的远近程度，配合每一个时间步骤都不断更新的人员拥挤程度，进行模拟得到的结果，相较于Pathfinder软件的模拟结果，本发明的人员疏散路径选择更加智能，能够更真实地还原人员在该特定场景中的疏散过程。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的说明。

附图说明

附图1是本发明流程图。

附图2是本发明使用距离场赋值演示图。

附图3四邻域示意图。

具体实施方式

实施例1，如图1所示，本实施例是基于元胞自动机的人员疏散模拟方法，包括以下步骤：

步骤1，设置模型参数；包括出口数量n，出口宽度d，随机停止概率μ，人群回避系数α，待疏散人员总数Population，遍历次数b；本发明采用的参数设置为：人群回避系数α＝1，随机停止概率遍历次数由出口数量与位置决定，其余参数例如人员总数、出口数量与宽度等根据实际情况进行设置。

步骤2，初始化疏散场景；根据建筑物内部布局对二维元胞空间进行疏散场景模拟，根据现实场景设置障碍物的位置，并将其所处元胞设置为被占据状态，被障碍物占据的元胞人员将无法通过，同时根据现实场景设置出口位置。

步骤3，计算场景的距离场D_static，用于体现各元胞距离出口的远近程度；将出口处的D_static值设置为0，将被障碍物或墙体占据的元胞的D_static设置为一个极大的值，然后由出口处开始以四邻域模型向房间内部推进，绕开障碍物所处的网格，为每一个元胞的四邻域分配一个值，例如，一个元胞的D_static＝N，则它的四邻域的D_static＝N+1，若在为某个元胞分配D_static时出现冲突，即可能该元胞由A出口得到的D_static值与由B出口得到的值不等，则选择较小值作为该元胞的D_static，例如附图2。

步骤4，放置人员；人员的位置可以是随机的，也可以根据特定场景人为地进行放置，每一个元胞(i,j)在同一时间只能被一个人员或障碍物所占据，障碍物所处元胞默认为不可跨越、不可移动的区域；

步骤5，开始第Time个时间步骤的移动；在一个时间步骤内，一个人员最多移动一步，即移动一个元胞，可以选择+不进行移动；

步骤6，根据出口在房间内的位置以及大部分通道的朝向，从不同的起点按照不同的顺序对所有元胞进行b次遍历；每次遍历的起点位于每个出口所在墙体的两侧，若n个出口分别位于不同侧或不同墙壁时，遍历次数b＝2n，若其中有多个出口位于同一侧或同一墙壁，则对于这些出口仅需要进行两次遍历，遍历顺序与大部分障碍物摆放方向一致。例如，若某矩形房间内出口数量为n＝3个，其中2个出口位于西侧墙壁，另一个位于南侧墙壁，且大多数通道都是横向排列即东西走向的，则需要进行的遍历次数b＝4次，第一次与第二次遍历是从西侧的最上与最下面元胞开始，第三次与第四次遍历从南侧的最左与最右侧元胞开始，遍历顺序都是横向遍历。

该步骤6中通过采用不同的遍历起点与遍历顺序在同一时间步骤内进行多次遍历，可以使每个人员在每一时间步骤找到收益最大的可行方向进行移动。若是仅进行一次遍历，则所有人员在同一时间步骤的移动就会出现先后顺序差异，这会导致某些人员会因为其相邻的人员比自己后进行该次时间步骤的移动，而无法向其所处元胞进行移动。在一个时间步骤内，以不同的起点与顺序进行多次遍历就可以避免这种情况的发生：当从一个起点开始遍历时，若某人员的目标移动方向被一个还未进行该次时间步骤移动的人员占据，则在该次遍历中，该人员会选择原地不动，等待下次从不同起点开始遍历时，其目标移动方向的人员移动后，再向该方向进行移动，从而消除同一时间步骤中人员移动的先后顺序差异，实现人员的同步移动。

步骤7，在该时间步骤的之前遍历中已移动的人员，在本次时间步骤中不再进行移动；若遍历到的元胞中的人员在同一个时间步骤中已进行过移动，则在该次遍历中不对其进行操作并跳过该人员继续对后续元胞进行遍历，仅对在该时间步骤中尚未进行移动的人员继续执行下列操作，以保证每一个人员在每一个时间步骤都能找到最恰当的移动方向。

步骤8，随机停止机制判定，模拟意外的发生；对步骤7中找到的每个人员，在移动前，先进行一次随机停止机制判定，即所有人都有μ的概率在当前遍历中不移动而停留在原地，用来模拟疏散过程中人员由于各种因素而导致的停滞，被判定为原地不动的人员，结束该人员在当前遍历中的移动，其中μ的值与遍历次数相关，由公式计算得到。

步骤9，判断各移动方向的可行性；对步骤8中通过判定没有停留在原地的人员进行移动方向的选择，在狭窄场景中人员的移动模式采用四邻域模式，如附图3，即每个人的移动方向选项共有五个：前、后、左、右和原地不动，使用id＝1、2、3、4、5来表示这五个元胞，即id＝1表示该人员此时所处元胞(i,j)前方的元胞(i-1,j)，id＝3表示该人员此时所处元胞(i,j)左边的元胞(i,j-1)；依次对id＝1、2、3、4的元胞进行判断，找到没有被占据的元胞，若四邻域都已被占据，则该人员只能选择原地不动，即id＝5，并结束该人员在当前时间步骤的移动。

步骤10，根据到出口的距离与前方拥挤程度确定人员移动方向；对步骤9中找到的没有被占据的邻域与原位置，根据其对应邻域元胞的D_static(id)以及对应于不同出口A、B在第Time步的拥挤程度中较小的一个值，通过公式计算得到每个邻域元胞在考虑前方拥挤程度的情况下，到出口的距离值P_Time(id)，对得出的各个P_Time(id)值进行比较，选择P_Time(id)值最小的元胞作为该人员在第Time个时间步骤的移动选择，若存在多个P_Time(id)值最小且相等，则等概率地从中随机选择一个对应元胞作为该人员在当前时间步骤的移动选择；

步骤10.1，仅对步骤9中找到的没有被占据的邻域与原位置所对应的id进行以下操作；

步骤10.2，人员到不同出口的拥挤程度按下列公式获得：

其中，表示比邻域id更靠近出口A、出口B的人数； 表示与邻域id到出口A、出口B的距离相等的人数；d_A、d_B表示出口A、出口B的宽度；

步骤10.3，对于每一个邻域id，根据步骤10.2中确定的对应不同门的拥挤程度 取其中较小的值作为该邻域id的拥挤程度C_Time(id)，按照下列公式计算各邻域元胞在考虑前方拥挤程度的情况下，到出口的距离值P_Time(id)：

P_Time(id)＝D_static(id)+α·C_Time(id)；

其中，D_static(id)是每个邻域id到出口的距离度量，α是人群回避系数；

步骤10.4，对步骤10.3中得到的各邻域id对应元胞在考虑前方拥挤程度的情况下，到出口的距离值P_Time(id)进行比较，选择其中距离值最小的对应的id作为该人员在第Time个时间步骤的移动选择，若存在多个P_Time(id)值最小且相等，则等概率地从中随机选择一个对应元胞作为该人员在当前时间步骤的移动方向选择。

步骤11，判断该人员是否已经离开房间；在步骤10确定了移动方向后，若此时该人员已经处于出口所在元胞，则认为该人员已经逃离房间，令Population＝Population-1；

步骤12，判断对于该时间步骤是否还需要进行下一次遍历；当遍历完所有元胞后，令b＝b-1，若此时b＝0，则结束该次时间步骤的移动，进入步骤13；若此时b≠0，则返回步骤6；

步骤13，完成了一个时间步骤内所有人员的移动后，疏散时间Time＝Time+1；Time的初始值为0；

步骤14，判断是否所有人都已疏散；若仍有人停留在房间内，即Population≠0，则重复步骤5～14；若人员已完全疏散，即Population＝0，则进入步骤15；

步骤15，输出疏散用时Time。

本实施例中，在通道狭窄、障碍物较多的复杂房间这种场景中，通过对每一个网格的赋值来体现每个网格距离出口的远近程度，配合每一个时间步骤都不断更新的人员拥挤程度，进行模拟得到的结果，相较于Pathfinder软件的模拟结果，本实施例能够更真实地还原人员在该特定场景中的疏散过程。

Claims (6)

1.一种基于元胞自动机的人员疏散模拟方法，该方法针对狭窄复杂房间的人员疏散，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，设置模型参数；

步骤2，初始化疏散场景；

步骤3，计算场景的距离场D_static；该步骤中计算每个元胞的距离场；

步骤4，放置人员；该步骤中，一个元胞最多只能放置一人；

步骤5，人员开始移动；在一个时间步骤内，一个人员按照步骤6的要求最多移动一个元胞；

步骤6，根据出口在房间内的位置以及大部分通道的朝向，从不同的起点按照不同的顺序对所有元胞进行b次遍历；遍历次数根据出口数量与位置决定，遍历顺序与大部分通道的走向一致；

步骤7，在该时间步骤的之前遍历中已移动的人员，在本次时间步骤中不再进行移动；

步骤8，随机停止机制判定，模拟意外的发生；对步骤7中找到的每个人员，在移动前，先进行一次随机停止机制判定，即所有人都有μ的概率在当前遍历中不移动而停留在原地，用来模拟疏散过程中人员由于各种因素而导致的停滞，被判定为原地不动的人员，结束该人员在当前遍历中的移动；

步骤9，判断各移动方向的可行性；对步骤8中通过判定没有停留在原地的人员进行移动方向的选择，有前、后、左、右和原地不动五种选择；

步骤10，根据到出口的距离与前方拥挤程度确定人员移动方向；对步骤9中找到的没有被占据的邻域与原位置，根据其对应邻域元胞的D_static(id)以及对应于不同出口在该步骤时间的拥挤程度中较小的一个值，通过公式计算得到每个邻域元胞在考虑前方拥挤程度的情况下，到出口的距离值P_Time(id)，对得出的各个P_Time(id)值进行比较，选择P_Time(id)值最小的元胞作为该人员在该时间步骤的移动选择，若存在多个P_Time(id)值最小且相等，则等概率地从中随机选择一个对应元胞作为该人员在当前时间步骤的移动选择；

步骤11，判断该人员是否已经离开房间；在步骤10确定了移动方向后，若此时该人员已经处于出口所在元胞，则认为该人员已经逃离房间，令Population＝Population-1；

步骤12，判断对于该时间步骤是否还需要进行下一次遍历；当遍历完所有元胞后，令b＝b-1，若此时b＝0，则结束该次时间步骤的移动，进入步骤13；若此时b≠0，则返回步骤6；

步骤13，完成了一个时间步骤内所有人员的移动后，疏散时间Time＝Time+1；Time的初始值为0；

步骤14，判断是否所有人都已疏散；若仍有人停留在房间内，即Population≠0，则重复步骤5～14；若人员已完全疏散，即Population＝0，则进入步骤15；

步骤15，输出疏散用时Time。

2.根据权利要求1所述的基于元胞自动机的人员疏散模拟方法，其特征在于：所述的步骤1中，模型参数包括：包括出口数量n，出口宽度d，随机停止概率μ，人群回避系数α，待疏散人员总数Population，遍历次数b。

3.根据权利要求2所述的基于元胞自动机的人员疏散模拟方法，其特征在于：所述步骤1中参数设置为：人群回避系数α＝1，随机停止概率遍历次数由出口数量与位置决定，其余参数包括人员总数、出口数量与宽度根据实际情况进行设置。

4.根据权利要求1所述的基于元胞自动机的人员疏散模拟方法，其特征在于：步骤2中根据建筑物内部布局对二维元胞空间进行疏散场景模拟，根据现实场景设置障碍物的位置，并将其所处元胞设置为被占据状态，同时根据现实场景设置出口位置。

5.根据权利要求1所述的基于元胞自动机的人员疏散模拟方法，其特征在于：步骤3中按照下面的规定计算场景的距离场D_static：

将出口处的D_static值设置为0，将被障碍物或墙体占据的元胞的D_static设置为一个极大的值，然后由出口处开始以四邻域模型向房间内部推进，绕开障碍物所处的网格，为每一个元胞的四邻域分配一个值，若在为某个元胞分配D_static时出现冲突，则选择较小值作为该元胞的D_static。

6.根据权利要求1所述的基于元胞自动机的人员疏散模拟方法，其特征在于：所述步骤10中根据到出口的距离与前方拥挤程度确定人员移动方向按如下步骤获得：

步骤10.1，仅对步骤9中找到的没有被占据的邻域与原位置所对应的id进行以下操作；

步骤10.2，人员到不同出口的拥挤程度按下列公式获得：

其中，表示比邻域id更靠近出口A、出口B的人数； 表示与邻域id到出口A、出口B的距离相等的人数；d_A、d_B表示出口A、出口B的宽度；

步骤10.3，对于每一个邻域id，根据步骤10.2中确定的对应不同门的拥挤程度 取其中较小的值作为该邻域id的拥挤程度C_Time(id)，按照下列公式计算各邻域元胞在考虑前方拥挤程度的情况下，到出口的距离值P_Time(id)：

P_Time(id)＝D_static(id)+α·C_Time(id)；

其中，D_static(id)是每个邻域id到出口的距离度量，α是人群回避系数；

步骤10.4，对步骤10.3中得到的各邻域id对应元胞在考虑前方拥挤程度的情况下，到出口的距离值P_Time(id)进行比较，选择其中距离值最小的对应的id作为该人员在第Time个时间步骤的移动选择，若存在多个P_Time(id)值最小且相等，则等概率地从中随机选择一个对应元胞作为该人员在当前时间步骤的移动方向选择。