CN111062615B - 一种城市区域性多尺度人员疏散模拟方法 - Google Patents

一种城市区域性多尺度人员疏散模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种城市区域性多尺度人员疏散模拟方法，包括确定模拟疏散的边界区域，获取区域边界处疏散出口信息、建筑物与人员分布信息、道路路段空间及属性信息、建筑物的内部尺寸信息，构建区域疏散的空间拓扑结构模型，划分疏散区域，规划疏散路线，建筑物内部向外部疏散时间计算，模型疏散边界层耦合，区域疏散模拟及计算，优化疏散区域划分及疏散路线规划方案，输出区域优化疏散方案疏散用时；本发明基于经典的人员疏散理论和成熟的元胞自动机模型，发展建立了适用于大范围，多尺度的城市区域性人员疏散介观模型和模拟技术，对提高城市应急管理部门的应急响应能力、危机处理能力和改善城市整体防灾减灾能力具有重要的理论意义和实践价值。

Description

一种城市区域性多尺度人员疏散模拟方法
技术领域
本发明属于公共安全技术领域，涉及一种人员疏模拟模方法，尤其涉及一种城市区域性多尺度人员疏散模拟方法。
背景技术
近年来，随着我国城市规模的扩大，城市人口数量和密度迅速攀升，以及全球气候、环境的持续恶化，频发的地震、海啸、洪水等自然灾害和火灾、爆炸、核泄漏等事故灾难已经给许多城市造成了巨大损失，城市公共安全正面临着重大挑战。城市作为人口高度集中的场所，一旦发生灾害事件必然导致大量的人员伤亡和财产损失，探讨如何在灾害发生后的短时间内进行区域性的人员疏散，实施科学的应急救灾策略，是减少灾害后果严重性的重要措施之一。
微观模型和宏观模型都被广泛用于描述行人疏散运动，但在复杂城市区域性人员疏散的场景下，精度优越的微观模型在预测上的实时性变差，效率显著的宏观模型在计算上的累积误差变大，都无法兼顾计算效率与精度。从城市区域性人员疏散研究需求的角度来看，规则简单、易于实现、客观真实的疏散介观模型是较为实用和适用的。
现有的疏散模型研究大多是在单一的时空范围内开展的局部微观仿真，未考虑在介观尺度下多时空范围内开展城市区域性疏散研究，难以有效地指导城市紧急情况下大范围的人员转移和疏散。从科学研究和现实需求的双重角度来看，城市区域性人员疏散的时空范围应该是多尺度的。当灾害的时空范围不仅仅局限于某栋建筑和火灾演化时，例如地震、洪水、有害物质泄漏等灾害发生时，为保障生命安全而进行的人员疏散在时间、空间上会包含单一建筑内的短时间、短距离、小规模的个体疏散和局部区域路网上中等时间、中等距离、中等规模的群体疏散这两种尺度。因此针对城市区域性人员疏散场景，考虑到兼顾模型的计算效率与精度，开展多尺度的人员疏散模拟方法研究是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是为了克服在城市区域性人员疏散场景下，现有的人员疏散模型在模拟时无法很好的兼顾计算精度与效率，而提出一种基于人员疏散理论与元胞自动机技术的人员疏散时空多尺度模拟方法，为城市区域性人员疏散应急管理工作中疏散决策工作提供技术支撑与决策依据。
本发明所采用的技术方案是：一种城市区域性多尺度人员疏散模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定模拟疏散区域的边界；
步骤2：获取该区域边界处疏散出口信息，包括出口位置分布信息、出口宽度信息和实际能否通行信息；
步骤3：获取该区域内建筑物与人员分布信息；
步骤4：获取该区域内道路路段空间及属性信息，包括该区域道路的空间位置分布信息、长度宽度信息和实际能否通行信息；
步骤5：获取该区域内建筑物的内部结构信息，包括总楼层数信息、单层楼梯长度信息、走廊长度信息、房间的长宽信息和房间出口宽度信息；
步骤6：构建该区域疏散的空间拓扑结构模型；
步骤7：划分疏散区域；
步骤8：规划疏散路线；
步骤9：建筑物内部向外部疏散时间计算；
步骤10：模型疏散边界层耦合；
步骤11：区域疏散模拟及计算；
步骤12：分析初步模拟结果，优化疏散区域划分及疏散路线规划方案；
步骤13：输出该区域优化疏散方案疏散用时。
现有的城市疏散模型研究大多是在单一的时空范围内开展的局部微观仿真，未考虑在介观尺度下多时空范围内开展疏散模型研究，无法有效地指导城市紧急情况下大范围的人员转移和疏散。本发明公开了一种城市区域性多尺度人员疏散模拟方法，其基于经典的人员疏散理论和成熟的元胞自动机模拟技术，考虑兼顾模拟的精度与效率，发展建立了适用于大范围，多尺度的城市区域性人员疏散介观模型和模拟技术，可以为应急预案制定和相关应急管理工作提供模型基础与科学依据。
本发明不仅可以弥补区域性人员疏散建模理论研究的不足，而且有利于指导城市道路、建筑物的合理规划，以及道路安全基础设施的配置，对提高城市交通管理部门的应急响应能力、危机处理能力和改善城市区域性防灾减灾能力具有重要的理论意义和实践价值。
附图说明
图1为本发明实施例的流程示意图；
图2为本发明实施案例区域实景图；
图3为本发明实施案例区域要素间拓扑结构总网模型图；
图4为本发明实施案例各区域主要疏散道路简图；
图5为本发明实施案例模拟效果图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的一种城市区域性多尺度人员疏散模拟方法，包括以下步骤：
步骤1：确定模拟疏散区域的边界；
本实施例中，结合城市主要交通干道位置和城市人口聚集区的分布情况圈定了本实施例的人员疏散的边界范围。如图2所示黑色粗实线区域内为本实施例的模拟疏散区域。
步骤2：获取该区域边界处疏散出口信息，包括出口位置分布信息、出口宽度信息和实际能否通行信息；
本实施例中，实地调研该区域边界处疏散出口位置分布、出口宽度和实际能否通行。本实施例中模拟区域共7个出口，对出口进行编号，考虑到2号出口的实际通行状况故不使用2号出口来疏散，各出口分布情况如图2所示。
步骤3：获取该区域内建筑物与人员分布信息；
本实施例中，实地调研该区域内主要载人建筑物的位置分布和该建筑物的满载人数。在本实施例中，对该区域内各建筑物进行编号，调研信息可参照下表1；
表1
Figure GDA0003551105310000031
Figure GDA0003551105310000041
步骤4：获取该区域内道路路段空间及属性信息，包括该区域道路的空间位置分布信息、长度宽度信息和实际能否通行信息；
本实施例中，调研该区域道路的空间位置分布、路段长度宽度和实际能否通行。本实施例中区域道路的位置分布如图2所示。道路编号和长宽记录可参照下表2；
表2
道路编号 道路长度(m) 道路宽度(m)
L1
L2
L3
… … …
步骤5：获取该区域内建筑物的内部结构信息，包括总楼层数信息、单层楼梯长度信息、走廊长度信息、房间的长宽信息和房间出口宽度信息；
本实施例中，实地调研该区域内主要载人建筑物的总楼层数、单层楼梯长度、走廊长度、房间的长宽和房间出口宽度。调研信息可参照下表3；
表3
Figure GDA0003551105310000042
步骤6：构建该区域疏散的空间拓扑结构模型；
本实施例中，基于该区域的空间地理信息，根据区域内部各要素(建筑、道路、区域边界处疏散出口)的空间关系，分析疏散区域的空间拓扑关系，对要素进行编码(例如该区域建筑物可包括居民楼，宿舍楼，教学楼，编码可以在拓扑图上大致看到各种建筑物的分布位置，便于与实景图对应。考虑到建筑物的不同种类，所以后面用A,B,C来编号，如图3上A代表教学楼，B代表宿舍楼，C代表居民区。)，构建区域要素间拓扑结构总网模型。在本实施例中，区域要素间拓扑结构总网模型如图3所示，图上带有数字1-7的矩形框分别代表该区域1-7号疏散出口，字母编号代表各建筑物，线段代表道路，图上道路长度根据道路实际长度除以比例尺大小所求得。图3上各标识分布位置与图2中的区域内部要素分布位置一一对应。
步骤7：划分疏散区域；
本实施例中，在地图上测量该区域内各建筑物到区域边界各疏散出口的距离，按照就近疏散原则，分配每个建筑物对应的区域边界疏散出口，从而将整个研究区域按照各个建筑物对应的区域边界疏散出口划分为几个疏散子区域。本实施例中研究区域共划分为6个疏散子区域，如图3中矩形框线所示。
步骤8：规划疏散路线；
本实施例中，针对初步划分完疏散区域，按照各建筑物到所属疏散子区域疏散出口的最短疏散路线，重新合并和分割疏散道路，绘制区域疏散路线图与各疏散子区域疏散道路简图。本实施例中，图2中箭头表示区域疏散路线，图4为各疏散子区域疏散道路简图，各子区域疏散道路合并分割后记录形式可参照下表4；
表4
Figure GDA0003551105310000051
步骤9：建筑物内部向外部疏散时间计算；
本实施例中，将建筑物内最后一个人疏散出建筑物的时间作为该建筑物内部人员的总体疏散时间。建筑物内部可划分为房间、通道和楼梯三个部分。其中房间内人员疏散时间T1按照公式(1)来计算。走廊和楼梯区域的人员疏散时间则按照总路程除以各区域特定的疏散速度来计算。本实施例中v1取1.2m/s，Nr取1.5人/(m·s)，走廊和楼梯上人员疏散速度分别取1.5m/s和1.2m/s。根据上一步调研的各建筑物内部尺寸，容易得到建筑物内距离建筑物安全出口最远的路线长度，进一步可求得该建筑物内部向外部疏散的时间。
Figure GDA0003551105310000061
其中a、b、d1分别为房间的长、宽和房间出口宽度，单位均为：m；p1为房间内总人数，单位为：人；v1为房间内人员疏散速度，单位为：m/s；Nr为人员流动系数，单位为：人/(m·s)；T1单位为s。
步骤10：模型疏散边界层耦合；
本实施例中，用建筑物内的总人数除以建筑物内部向外部疏散的时间得到建筑物出口的平均流量，用流量对接的方式来实现建筑物内部向外部疏散和路网疏散的耦合。
步骤11：区域疏散模拟及计算；
本实施例中，基于元胞自动机技术结合调研得到的道路路段空间及属性信息(包括分割合并后的道路路段的长宽信息)，将路网划分为一个个长度为10m，宽度与所在路段宽度相等的元胞，忽略每个元胞内人与人之间的交互作用，在介观尺度下建立各子区域的区域疏散模型。采用如下公式来更新元胞的位置和状态，其中vf取为2m/s，ρm取为5人/m2。
Figure GDA0003551105310000062
pout(i)＝d·ρ(i)·v(i) (3)
pin(i)＝pout(i-1) (4)
p(i_new)＝p(i)+pin(i)-pout(i) (5)
Figure GDA0003551105310000063
其中v(i)表示第i个元胞内行人流动速度，vf是行人自由移动速度，单位均为：m/s；p(i)表示第i个元胞内的人数，pout(i)表示从第i个元胞出来的人数，pin(i)表示进入第i个元胞的人数，单位均为：人；ρ(i)表示第i个元胞内行人密度，ρm是阻塞密度，单位均为：人/m2；d表示元胞宽度，单位为：m；N表示最后一个元胞；p(i_new)表示对变量p(i)进行一次更新操作后获得的新的p(i)值。
步骤12：分析初步模拟结果，优化疏散区域划分及疏散路线规划方案；
本实施例中，根据初步得到各子区域的疏散清空时间，观察各子区域的疏散清空时间是否大于预设时间；若是，则对相关建筑物的归属子区域进行调整，并优化疏散路线，以期达到该区域整体疏散用时最短。
步骤13：输出该区域优化疏散方案疏散用时。
针对城市区域性疏散场景，相较于其它模型方法，本实施例中用到的模拟方法能够兼顾模拟效率与精度。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种城市区域性多尺度人员疏散模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定模拟疏散区域的边界；
步骤2：获取该区域边界处疏散出口信息，包括出口位置分布信息、出口宽度信息和实际能否通行信息；
步骤3：获取该区域内建筑物与人员分布信息；
步骤4：获取该区域内道路路段空间及属性信息，包括该区域道路的空间位置分布信息、长度宽度信息和实际能否通行信息；
步骤5：获取该区域内建筑物的内部结构信息，包括总楼层数信息、单层楼梯长度信息、走廊长度信息、房间的长宽信息和房间出口宽度信息；
步骤6：构建该区域疏散的空间拓扑结构模型；
基于该区域的空间地理信息，根据区域内要素的空间关系，分析疏散区域的空间拓扑关系，构建区域内要素间拓扑结构总网模型；所述区域内要素包括建筑、道路、区域边界处疏散出口；
步骤7：划分疏散区域；
按照就近疏散原则，初步分配每栋建筑物对应的区域边界疏散出口，从而将整个研究区域按照各建筑物对应的区域边界疏散出口划分为若干疏散子区域；
步骤8：规划疏散路线；
按照各建筑物到所属疏散子区域疏散出口的最短疏散路线，重新合并和分割疏散道路，获得区域疏散路线图与各疏散子区域疏散道路图；
步骤9：建筑物内部向外部疏散时间计算；
将建筑物内最后一个人疏散出建筑物的时间作为该建筑物内部人员的总体疏散时间；建筑物内部划分为房间、走廊通道和楼梯通道三个部分，其中房间内人员疏散时间T1按照公式(1)来计算，走廊和楼梯区域的人员疏散时间则按照总路程除以各区域特定的疏散速度来计算；
Figure FDA0003557600100000011
其中，a、b、d1分别为房间的长、宽和房间出口宽度，单位均为：m；p1为房间内总人数，单位为：人；v1为房间内人员疏散速度，单位为：m/s；Nr为人员流动系数，单位为：人/(m·s)；T1单位为s；
步骤10：模型疏散边界层耦合；
用建筑物内的总人数除以建筑物内部向外部疏散的时间得到建筑物出口的平均流量，用流量对接的方式来实现建筑物内部向外部疏散和路网疏散的耦合；
步骤11：区域疏散模拟及计算；
基于元胞自动机技术结合道路路段空间分布位置及道路路段的长宽信息，将路网划分为若干长度为L、宽度与所在路径宽度相等的元胞，忽略每个元胞内人与人之间的交互作用，在介观尺度下建立各子区域的区域疏散模型；用以下公式(2)～(6)来更新元胞的位置和状态；
Figure FDA0003557600100000021
pout(i)＝d·ρ(i)·v(i) (3)
pin(i)＝pout(i-1) (4)
p(i_new)＝p(i)+pin(i)-pout(i) (5)
Figure FDA0003557600100000022
其中，v(i)表示第i个元胞内行人流动速度，vf是行人自由移动速度，单位均为：m/s；p(i)表示第i个元胞内的人数，pout(i)表示从第i个元胞出来的人数，pin(i)表示进入第i个元胞的人数，单位均为：人；ρ(i)表示第i个元胞内行人密度，ρm是阻塞密度，单位均为：人/m2；d表示元胞宽度，单位为：m；N表示最后一个元胞；p(i_new)表示对变量p(i)进行一次更新操作后获得的新的p(i)值；
步骤12：分析初步模拟结果，优化疏散区域划分及疏散路线规划方案；
步骤13：输出该区域优化疏散方案疏散用时。
2.根据权利要求1所述的城市区域性多尺度人员疏散模拟方法，其特征在于：步骤12中，根据初步得到各子区域的疏散清空时间，观察各子区域的疏散清空时间是否大于预设时间；若是，则对相关建筑物的归属子区域进行调整，并优化疏散路线，以期达到该区域整体疏散用时最短。
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