CN112364529A - 一种应急疏散场景的应急疏散方案确定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应急疏散场景的应急疏散方案确定方法及系统。该方法包括：建立传统社会力模型；利用引导员与行人间的吸引力以及恐慌因子修正所述传统社会力模型，确定修正后的传统社会力模型；对修正后的传统社会力模型中的行人自驱动力进行改进，确定改进后的行人自驱动力；根据所述改进后的行人自驱动力以及所述引导员与行人间的吸引力确定改进后的社会力模型；根据所述改进后的社会力模型确定应急疏散方案。本发明考虑引导员吸引力和行人心理状态对行人运动过程的影响，提供应急疏散场景中对行人运动轨迹的模拟仿真，为行人运动建模以及制定公共场所应急疏散预案提供参考。

Description

一种应急疏散场景的应急疏散方案确定方法及系统

技术领域

本发明涉及行人运动建模仿真领域，特别是涉及一种应急疏散场景的应急疏散方案确定方法及系统。

背景技术

行人运动建模仿真是制定应急疏散方案的重要途径，行人运动模型的性能直接决定仿真实验结果的准确性，真实世界中的行人运动是一个十分复杂的过程，这一过程容易受到多种外部因素(如路况、能见度等)和内部因素(如心理状态等)的影响，使得行人运动建模的难度较大，社会力模型借鉴力学原理，从社会力的角度提出了一个建模方案，极大地简化了行人运动建模的过程，然而传统社会力模型只考虑了行人运动的一般情况，针对应急疏散场景无法制定合理的应急疏散方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种应急疏散场景的应急疏散方案确定方法及系统，以解决传统社会力模型只考虑了行人运动的一般情况，针对应急疏散场景无法制定合理的应急疏散方案的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种应急疏散场景的应急疏散方案确定方法，包括：

建立传统社会力模型；

利用引导员与行人间的吸引力以及恐慌因子修正所述传统社会力模型，确定修正后的传统社会力模型；

对修正后的传统社会力模型中的行人自驱动力进行改进，确定改进后的行人自驱动力；

根据所述改进后的行人自驱动力以及所述引导员与行人间的吸引力确定改进后的社会力模型；

根据所述改进后的社会力模型确定应急疏散方案。

可选的，所述传统社会力模型为：

其中，m_i为行人i的质量；v_i为行人i的速度；j为另一个行人；W为运动边界；f_i ⁰为行人自驱动力；f_ij为行人间作用力；f_iw为行人与运动边界间的作用力。

可选的，所述行人自驱动力为：

其中，m_i表示行人i的质量；

表示t时刻行人i速度；

表示t时刻行人i的速度方向；v_i(t)表示t时刻行人i的期望速度；τ_i表示行人i由当前速度调整为期望速度所需的时间步长。

可选的，所述行人间作用力为：

f_ij＝{A_iexp[(r_ij-d_ij)/B_i]+kg(r_ij-d_ij)]}n_ij+κg(r_ij-d_ij)Δv_jit_ij；

其中，k为挤压系数；κ为摩擦力系数；A_i为第一位置参数；r_ij为行人i的传统社会力模型的半径与行人j的传统社会力模型的半径之和；d_ij为行人i的传统社会力模型的圆心与行人j的传统社会力模型的圆心之间的距离；B_i为第二位置参数；n_ij表示行人j的传统社会力模型的指向行人i的传统社会力模型的圆心的单位方向向量；g(r_ij-d_ij)为一个分段函数：

其中，r_ij-d_ij＞0表示行人之间存在身体接触；反之，行人间不存在身体接触；Δv_ji表示行人i的传统社会力模型与行人j的传统社会力模型间切线方向上的相对速度大小；t_ij表示行人i的传统社会力模型与行人j的传统社会力模型间的切线方向。

可选的，所述行人与运动边界间的作用力为：

f_iW＝{A_iexp[(r_i-d_iW)/B_i]+kg(r_i-d_iW)]}n_iW-κg(r_i-d_iW)(v_i·t_iW)t_iW；

其中，r_i表示行人i的的传统社会力模型的半径；d_iw表示行人i的传统社会力模型的圆心到墙体或者障碍物之间的距离；n_iw表示墙体或者障碍物指向行人i的传统社会力模型的圆心的单位方向向量；t_iw表示行人i的传统社会力模型与墙体或者障碍物接触时的切线方向的单位向量。

可选的，所述引导员与行人间的吸引力为：

f_il＝Cexp[(r_il-d_il)/B_i]n_il；

其中，f_il为引导员与行人间的吸引力；C为一个负常数，r_il表示行人i的传统社会力模型与引导员l的传统社会力模型的半径之和；d_il表示行人i的传统社会力模型的圆心与引导员l的传统社会力模型的圆心之间的距离；n_il表示引导员l的传统社会力模型的圆心指向行人i的传统社会力模型的圆心的单位向量。

可选的，所述对修正后的传统社会力模型中的行人自驱动力进行改进，确定改进后的行人自驱动力，具体包括：

根据公式

修正行人i的期望速度，确定修正后的期望速度；其中，a为行人i在t时刻的恐慌因子；

为修正后的期望速度；

表示行人i期望速度的最大值；

表示疏散发生前行人i的期望速度；

根据公式

修正行人i的期望速度方向，确定修正后的期望速度方向；其中，

为修正后的期望速度方向；e_i(t)为行人i的期望速度方向；

为行人i视野域内的行人j的平均步行方向，

为引导员的期望运动方向；a,b,c是介于0和1之间的正常数，且a+b+c＝1，b表示从众行为所占的比重；c表示引导员吸引力影响所占的比重；

根据所述修正后的期望速度以及所述修正后的期望速度方向对修正后的传统社会力模型中的行人自驱动力进行改进，确定改进后的行人自驱动力。

可选的，所述根据所述修正后的期望速度以及所述修正后的期望速度方向对修正后的传统社会力模型中的行人自驱动力进行改进，确定改进后的行人自驱动力，具体包括：

根据公式

确定改进后的行人自驱动力；其中，f_i0'为改进后的行人自驱动力。

可选的，所述改进后的社会力模型为：

一种应急疏散场景的应急疏散方案确定系统，包括：

传统社会力模型建立模块，用于建立传统社会力模型；

修正后的传统社会力模型确定模块，用于利用引导员与行人间的吸引力以及恐慌因子修正所述传统社会力模型，确定修正后的传统社会力模型；

改进后的行人自驱动力确定模块，用于对修正后的传统社会力模型中的行人自驱动力进行改进，确定改进后的行人自驱动力；

改进后的社会力模型确定模块，用于根据所述改进后的行人自驱动力以及所述引导员与行人间的吸引力确定改进后的社会力模型；

应急疏散方案确定模块，用于根据所述改进后的社会力模型确定应急疏散方案。

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：本发明提供了一种应急疏散场景的应急疏散方案确定方法及系统，通过引导员与行人间的吸引力以及恐慌因子修正传统社会力模型，并对修正后的传统社会力模型中的行人自驱动力进行改进，最终确定改进后的社会力模型，以改进后的改进后的社会力模型确定应急疏散方案。本发明从传统社会力模型出发，引入外部引导员和内部恐慌情绪的概念，对传统社会力模型进行改进，考虑引导员吸引力和行人心理状态对行人运动过程的影响，使传统社会力模型更能适应视野受限的应急疏散场景，提供应急疏散场景中对行人运动轨迹的模拟仿真，为行人运动建模以及制定公共场所应急疏散预案提供参考。

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为本发明所提供的应急疏散场景的应急疏散方案确定方法流程图；

图2为本发明所提供的应急疏散场景的应急疏散方案确定系统结构图

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应急疏散场景的应急疏散方案确定方法及系统，考虑引导员吸引力和行人心理状态对行人运动过程的影响，使传统社会力模型更能适应视野受限的应急疏散场景，提供应急疏散场景中对行人运动轨迹的模拟仿真，为行人运动建模以及制定公共场所应急疏散预案提供参考。

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。

社会力模型认为在人类的社会活动中所产生的一些群体现象可以通过构建虚拟的社会场或者社会力来进行研究。模型基于牛顿第二定律对社会力中的力学关系进行了构建，把行人看成处于连续空间内的自驱动粒子，认为行人运动受自身驱动力与周边运动环境产生的物理力的共同作用。

通过对行人运动过程中对行人运动产生影响的因素进行力学建模，社会力模型良好的模拟了真实情况下的行人运动过程，解决了由于行人运动过程所受内在因素外在因素复杂多变，难以抽象化运动模型的难题。然而传统社会力模型仍然存在以下局限性：

(1)由于社会力模型是在普通场景下对行人运动过程进行模拟的，在适应到应急疏散场景时，没有考虑到应急疏散场景中具体的现实因素，如在火灾场景下行人会存在视野受限的情况，在多数应急疏散场景下会有专门的工作人员组织行人进行疏散等。

(2)社会力模型中认为行人的期望速度是不变的，即行人运动状态在开始时就确定了。事实上，由于行人心理等内在因素和周遭环境等外部因素的影响，行人的期望速度是动态变化的，即行人的自驱动力是动态变化的。

本发明从传统社会力模型出发，探究模型中影响行人运动行为的主要因素，考虑在紧急情况发生时，行人视野受限情况下的行人运动问题。在应急疏散场景中引入引导员的概念，分析场景外部因素对行人运动的影响。在行人自驱动力方面引入恐慌因子的概念，分析行人内在心理因素对行人自驱动力的影响。模拟场景中行人将受引导员、自身的意愿、周围行人的共同影响，综合多种因素决定运动状态。

图1为本发明所提供的应急疏散场景的应急疏散方案确定方法流程图，如图1所示，一种应急疏散场景的应急疏散方案确定方法，包括：

步骤101：建立传统社会力模型。

社会力模型中行人运动过程的受力情况如下：

其中，f_i ⁰表示行人自身的意愿，称为自驱动力，它反应了行人运动过程中期望到达的目的地的自身动力；f_ij表示行人间作用力，即行人受到的周边其他行人影响的作用力；f_iw表示行人与运动边界间的作用力，即行人运动过程中与环境边界(如墙体)或道路障碍物等的作用力。

所述行人自驱动力为：

其中，m_i表示行人i的质量；

表示t时刻行人i速度；

表示t时刻行人i的速度方向；v_i(t)表示t时刻行人i的期望速度；τ_i表示行人i由当前速度调整为期望速度所需的时间步长。

所述行人间作用力为：f_ij＝{A_iexp[(r_ij-d_ij)/B_i]+kg(r_ij-d_ij)]}n_ij+κg(r_ij-d_ij)Δv_jit_ij；其中，k为挤压系数；κ为摩擦力系数；A_i为第一位置参数；r_ij为行人i的传统社会力模型的半径与行人j的传统社会力模型的半径之和；d_ij为行人i的传统社会力模型的圆心与行人j的传统社会力模型的圆心之间的距离；B_i为第二位置参数；第一位置参数以及第二位置参数为不同的设定常数；n_ij表示行人j的传统社会力模型的指向行人i的传统社会力模型的圆心的单位方向向量；g(r_ij-d_ij)为一个分段函数：

其中，r_ij-d_ij表示挤压程度，r_ij-d_ij＞0表示行人之间存在身体接触；反之，行人间不存在身体接触；Δv_ji表示行人i的传统社会力模型与行人j的传统社会力模型间切线方向上的相对速度大小；t_ij表示行人i的传统社会力模型与行人j的传统社会力模型间的切线方向。

所述行人与运动边界间的作用力为：f_iW＝{A_iexp[(r_i-d_iW)/B_i]+kg(r_i-d_iW)]}n_iW-κg(r_i-d_iW)(v_i·t_iW)t_iW；其中，r_i表示行人i的的传统社会力模型的半径；d_iw表示行人i的传统社会力模型的圆心到墙体或者障碍物之间的距离；n_iw表示墙体或者障碍物指向行人i的传统社会力模型的圆心的单位方向向量；t_iw表示行人i的传统社会力模型与墙体或者障碍物接触时的切线方向的单位向量。

步骤102：利用引导员与行人间的吸引力以及恐慌因子修正所述传统社会力模型，确定修正后的传统社会力模型。

引导员与行人间的吸引力：

由于紧急状况发生时，多数行人不了解建筑物的布局结构，同时受到视野受限的影响，使得疏散过程不能有序快速地进行。本发明在疏散过程中引入引导员的概念，引导员多数为场景中的工作人员或预先设置的安全人员，了解场景的结构、设施布局和出入口位置等信息，引导行人撤离事故现场。

在视野受限的疏散过程中，行人一旦在视野域内发现引导员，其会跟随引导员撤离现场，即行人会倾向于引导员的方向运动，从而在行人和引导员之间产生了吸引力。具体公式如下：

f_il＝Cexp[(r_il-d_il)/B_i]n_il；其中，C为一个负常数，r_il表示行人i与引导员l模型半径之和；d_il表示行人i与引导员l模型圆心之间的距离；n_il表示引导员l指向行人i的单位向量，与原始模型的作用力方向相反。

步骤103：对修正后的传统社会力模型中的行人自驱动力进行改进，确定改进后的行人自驱动力。

恐慌程度对期望速度的影响：

紧急情况发生时，行人出于生理本能会产生恐慌情绪，本发明引入恐慌因子的概念来描述应急疏散场景下行人的心理状态(恐慌程度)，恐慌因子是行人恐慌程度的量化表现，恐慌因子为0时行人为冷静状态，恐慌因子为1时行人为完全恐慌状态。

在应急疏散场景下，行人若在视野域内未发现引导员，其会自行寻找距离自己最近的出口，但受限于视野受限的场景，行人无法准确判断出口位置，因此行人会不断调整自身的期望速度，这一过程受到行人心理状态的影响，设疏散过程中行人i在时刻t的恐慌因子为a，则时刻t行人的期望速度可由如下公式计算：

其中，0≤a≤1；

表示行人i期望速度的最大值，即行人在完全恐慌状态下的期望速度；

表示在疏散发生前行人的期望速度。

期望速度方向修正：

行人在视野受限的疏散场景中会受到引导员和自身恐慌程度的共同作用，行人的期望速度方向也会受到影响，因此需要对期望速度方向进行修正。本发明考虑了三个对行人期望速度方向产生影响的因素：心理状态、从众行为和引导员吸引力。设行人i视野域内其他行人的平均步行方向为

引导员的期望运动方向为

则t时刻行人i的期望速度方向可由如下公式表示：

其中，

a,b,c是介于0和1之间的正常数，且a+b+c＝1，a表示行人i在t时刻的恐慌因子，即：心理状态(恐慌程度)影响所占的比重，b表示从众行为所占的比重，c表示引导员吸引力影响所占的比重。

考虑引导员吸引力和恐慌程度影响后的行人自驱动力可由如下公式表示：

步骤104：根据所述改进后的行人自驱动力以及所述引导员与行人间的吸引力确定改进后的社会力模型。

所述改进后的社会力模型为：

步骤105：根据所述改进后的社会力模型确定应急疏散方案。

图2为本发明所提供的应急疏散场景的应急疏散方案确定系统结构图，图2所示，一种应急疏散场景的应急疏散方案确定系统，包括：

传统社会力模型建立模块201，用于建立传统社会力模型。

修正后的传统社会力模型确定模块202，用于利用引导员与行人间的吸引力以及恐慌因子修正所述传统社会力模型，确定修正后的传统社会力模型。

改进后的行人自驱动力确定模块203，用于对修正后的传统社会力模型中的行人自驱动力进行改进，确定改进后的行人自驱动力。

改进后的社会力模型确定模块204，用于根据所述改进后的行人自驱动力以及所述引导员与行人间的吸引力确定改进后的社会力模型。

应急疏散方案确定模块205，用于根据所述改进后的社会力模型确定应急疏散方案。

本发明以行人运动建模领域经典的社会力模型为基础，针对应急疏散场景的特点对模型进行改进，以提高模型对行人运动的模拟效果，真实世界中的行人运动是一个十分复杂的过程，这一过程容易受到多种外部因素(如路况、能见度等)和内部因素(如心理状态等)的影响，使得行人运动建模的难度较大。社会力模型借鉴力学原理，从社会力的角度提出了一个建模方案，极大地简化了行人运动建模的过程，然而传统社会力模型考虑行人运动的一般情况，不针对应急疏散场景，存在一定的限制。本发明从社会力模型出发，引入外部引导员和内部恐慌情绪的概念，对模型进行改进，考虑引导员吸引力和行人心理状态对行人运动过程的影响，使模型更能适应视野受限的应急疏散场景，提供应急疏散场景中对行人运动轨迹的模拟仿真，为行人运动建模以及制定公共场所应急疏散预案提供参考。

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。

本发明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)

1.一种应急疏散场景的应急疏散方案确定方法，其特征在于，包括：

建立传统社会力模型；

利用引导员与行人间的吸引力以及恐慌因子修正所述传统社会力模型，确定修正后的传统社会力模型；

对修正后的传统社会力模型中的行人自驱动力进行改进，确定改进后的行人自驱动力；

根据所述改进后的行人自驱动力以及所述引导员与行人间的吸引力确定改进后的社会力模型；

根据所述改进后的社会力模型确定应急疏散方案。

2.根据权利要求1所述的应急疏散场景的应急疏散方案确定方法，其特征在于，所述传统社会力模型为：

其中，m_i为行人i的质量；v_i为行人i的速度；j为另一个行人；W为运动边界；f_i ⁰为行人自驱动力；f_ij为行人间作用力；f_iw为行人与运动边界间的作用力。

3.根据权利要求2所述的应急疏散场景的应急疏散方案确定方法，其特征在于，所述行人自驱动力为：

其中，m_i表示行人i的质量；

表示t时刻行人i速度；

表示t时刻行人i的速度方向；v_i(t)表示t时刻行人i的期望速度；τ_i表示行人i由当前速度调整为期望速度所需的时间步长。

4.根据权利要求3所述的应急疏散场景的应急疏散方案确定方法，其特征在于，所述行人间作用力为：

f_ij＝{A_iexp[(r_ij-d_ij)/B_i]+kg(r_ij-d_ij)]}n_ij+κg(r_ij-d_ij)Δv_jit_ij；

其中，k为挤压系数；κ为摩擦力系数；A_i为第一位置参数；r_ij为行人i的传统社会力模型的半径与行人j的传统社会力模型的半径之和；d_ij为行人i的传统社会力模型的圆心与行人j的传统社会力模型的圆心之间的距离；B_i为第二位置参数；n_ij表示行人j的传统社会力模型的指向行人i的传统社会力模型的圆心的单位方向向量；g(r_ij-d_ij)为一个分段函数：

其中，r_ij-d_ij＞0表示行人之间存在身体接触；反之，行人间不存在身体接触；Δv_ji表示行人i的传统社会力模型与行人j的传统社会力模型间切线方向上的相对速度大小；t_ij表示行人i的传统社会力模型与行人j的传统社会力模型间的切线方向。

5.根据权利要求4所述的应急疏散场景的应急疏散方案确定方法，其特征在于，所述行人与运动边界间的作用力为：

f_iW＝{A_iexp[(r_i-d_iW)/B_i]+kg(r_i-d_iW)]}n_iW-κg(r_i-d_iW)(v_i·t_iW)t_iW；

其中，r_i表示行人i的的传统社会力模型的半径；d_iw表示行人i的传统社会力模型的圆心到墙体或者障碍物之间的距离；n_iw表示墙体或者障碍物指向行人i的传统社会力模型的圆心的单位方向向量；t_iw表示行人i的传统社会力模型与墙体或者障碍物接触时的切线方向的单位向量。

6.根据权利要求5所述的应急疏散场景的应急疏散方案确定方法，其特征在于，所述引导员与行人间的吸引力为：

f_il＝Cexp[(r_il-d_il)/B_i]n_il；

其中，f_il为引导员与行人间的吸引力；C为一个负常数，r_il表示行人i的传统社会力模型与引导员l的传统社会力模型的半径之和；d_il表示行人i的传统社会力模型的圆心与引导员l的传统社会力模型的圆心之间的距离；n_il表示引导员l的传统社会力模型的圆心指向行人i的传统社会力模型的圆心的单位向量。

7.根据权利要求6所述的应急疏散场景的应急疏散方案确定方法，其特征在于，所述对修正后的传统社会力模型中的行人自驱动力进行改进，确定改进后的行人自驱动力，具体包括：

根据公式

修正行人i的期望速度，确定修正后的期望速度；其中，a为行人i在t时刻的恐慌因子；

为修正后的期望速度；

表示行人i期望速度的最大值；

表示疏散发生前行人i的期望速度；

根据公式

修正行人i的期望速度方向，确定修正后的期望速度方向；其中，

为修正后的期望速度方向；e_i(t)为行人i的期望速度方向；

为行人i视野域内的行人j的平均步行方向，

为引导员的期望运动方向；a,b,c是介于0和1之间的正常数，且a+b+c＝1，b表示从众行为所占的比重；c表示引导员吸引力影响所占的比重；

根据所述修正后的期望速度以及所述修正后的期望速度方向对修正后的传统社会力模型中的行人自驱动力进行改进，确定改进后的行人自驱动力。

8.根据权利要求7所述的应急疏散场景的应急疏散方案确定方法，其特征在于，所述根据所述修正后的期望速度以及所述修正后的期望速度方向对修正后的传统社会力模型中的行人自驱动力进行改进，确定改进后的行人自驱动力，具体包括：

根据公式

确定改进后的行人自驱动力；其中，

为改进后的行人自驱动力。

9.根据权利要求8所述的应急疏散场景的应急疏散方案确定方法，其特征在于，所述改进后的社会力模型为：

10.一种应急疏散场景的应急疏散方案确定系统，其特征在于，包括：

传统社会力模型建立模块，用于建立传统社会力模型；

修正后的传统社会力模型确定模块，用于利用引导员与行人间的吸引力以及恐慌因子修正所述传统社会力模型，确定修正后的传统社会力模型；

改进后的行人自驱动力确定模块，用于对修正后的传统社会力模型中的行人自驱动力进行改进，确定改进后的行人自驱动力；

改进后的社会力模型确定模块，用于根据所述改进后的行人自驱动力以及所述引导员与行人间的吸引力确定改进后的社会力模型；

应急疏散方案确定模块，用于根据所述改进后的社会力模型确定应急疏散方案。

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