CN113282984A - 一种公共场所人员应急疏散模拟方法 - Google Patents

一种公共场所人员应急疏散模拟方法 Download PDF

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CN113282984A CN202110557715.7A CN202110557715A CN113282984A CN 113282984 A CN113282984 A CN 113282984A CN 202110557715 A CN202110557715 A CN 202110557715A CN 113282984 A CN113282984 A CN 113282984A
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赵瑞峰
屈璐
李宇白
杜菁
王儒豪
韩策
蒿少旭
黄耀莹
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Abstract

本发明公开了一种公共场所人员应急疏散模拟方法，该方法包括以下步骤：一、公共场所模拟疏散区域与行人的参数设置；二、建立模拟行人在连续地场元胞自动机模型静态场下的移动模型；三、建立模拟行人在连续地场元胞自动机模型动态场下的移动模型；四、建立模拟行人移动速度模型及模拟行人位置更新；五、模拟行人位置更新直至疏散完成。本发明方法简单，设计合理，模拟准确、快速且能模拟行人与行人、行人与障碍物的交互，能够实现疏散过程中模拟行人多方位、多角度移动，更贴近真实疏散区域。

Description

一种公共场所人员应急疏散模拟方法
技术领域
本发明属于人员疏散模拟技术领域，尤其是涉及一种公共场所人员应急疏散模拟方法。
背景技术
随着经济进步，城市化过程中出现了大量的复杂城市公共场所，如地铁站、体育场、学校教学楼、大型写字楼的员工区等。这些公共场所通常存在大量的人员聚集，形成人员密集场所。人员密集场所的公共安全对行人设施和人员疏散带来很大的挑战。一旦发生公共安全事故，公共安全设施和疏散预案将对人员安全起到决定性的影响。由于现实生活中的疏散工作难以执行，因此通常采用计算机模拟来研究疏散方法。但是，目前应急疏散模拟方法存在以下问题：
第一，应急疏散模拟通常采用离散性的元胞自动机模型进行模拟，但与行人实际疏散过程存在较大差距；
第二，应急疏散模拟计算成本较大，运行速度较慢，难以实现实时疏散管控；
第三，现有应急疏散模拟难以模拟实际场景，行人与障碍物及场地的交互不准确。
因此，现缺少一种准确模拟、快速、能够控制行人与行人、行人与障碍物交互的疏散模拟方法，能够实现疏散过程中行人多方位、多角度移动，更贴近真实疏散区域。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种公共场所人员应急疏散模拟方法，其方法步骤简单，设计合理，准确模拟、快速且能够控制行人与行人、行人与障碍物交互的疏散模拟方法，能够实现疏散过程中行人多方位、多角度移动，更贴近真实疏散区域。。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种公共场所人员应急疏散模拟方法，其特征在于：
步骤一、公共场所模拟疏散区域与行人的参数设置：
步骤101、采用计算机设定公共场所的模拟疏散区域为矩形区域，并在矩形区域建立二维笛卡尔坐标系；其中，疏散区域的长度为ls，疏散区域的宽度为ws，设定疏散区域的四个边界存在Ns个疏散出口区域，且第a个疏散出口区域沿疏散区域边界的宽度为wea，a和Ns均为正整数，且1≤a≤Ns；
步骤102、采用计算机设定疏散区域中障碍物的数量为Nb；其中，第j′个障碍物为矩形区域，第j′个障碍物的长度为lbj′，第j′个障碍物的宽度为wbj′，j′和Nb均为正整数，且1≤j′≤Nb；
步骤103、采用计算机在疏散区域中未有障碍物的区域设定各个模拟行人，得到模拟疏散场景；其中，第i个模拟行人当前第t个时间步的坐标记作(xi(t),yi(t))，第i个模拟行人是(xi(t),yi(t))为圆心行人投影半径设定值rp的圆形投影区域，i为正整数，且1≤i≤Np，Np表示模拟行人总数，第i个模拟行人的坐标记作第i个模拟行人的质点，任两个模拟行人的质点的间距大于2rp；
步骤二、建立模拟行人在连续地场元胞自动机模型静态场下的移动模型：
步骤201、采用计算机将与第i个模拟行人的质心距离最短的疏散出口区域记作第i个模拟行人的待疏散出口，并将位于第i个模拟行人和第i个模拟行人的待疏散出口之间的障碍物记作待判断障碍物：
步骤202、采用计算机根据
Figure BDA0003077918100000021
得到第i个模拟行人下一时间步位置和待判断障碍物的碰撞状态；其中，dPBi表示第i个模拟行人下一时间步位置到待判断障碍物的最小间距，dB表示待判断障碍物的排斥力区域设定值；
步骤203、采用计算机将第i个模拟行人下一时间步位置与待判断障碍物判断区的四个角点之间的连线和第i个模拟行的待疏散出口所在疏散区域边界之间形成的夹角按照从小到大排序，得到第i个模拟行人和待判断障碍物之间的最小夹角θBi,min以及第i个模拟行人和待判断障碍物的最大夹角θBi,max；
步骤204、采用计算机设定第i个模拟行人与第i个模拟行人的待疏散出口之间的最短距离连线和第i个模拟行人的待疏散出口所在疏散区域边界之间形成的夹角记作θEi，根据公式
Figure BDA0003077918100000031
得到第i个模拟行人到第i个模拟行人的待疏散出口经过待判断障碍物的状态；
步骤205、采用计算机根据公式
Figure BDA0003077918100000032
得到第i个模拟行人经过待判断障碍物摩擦引起的速度变化
Figure BDA0003077918100000033
其中，
Figure BDA0003077918100000034
表示
Figure BDA0003077918100000035
在第i个模拟行人和待判断障碍物之间的切线方向上的投影，
Figure BDA0003077918100000036
表示模拟疏散场景在地场元胞自动机模型静态场下第i个模拟行人的速度向量，α表示待判断障碍物摩擦力系数，ReLU(·)表示函数，dF表示待判断障碍物的摩擦区域设定值；
步骤206、采用计算机根据公式
Figure BDA0003077918100000037
得到第i个模拟行人经过待判断障碍物吸引引起的速度变化
Figure BDA0003077918100000038
其中，
Figure BDA0003077918100000039
表示
Figure BDA00030779181000000310
在第i个模拟行人和待判断障碍物之间的法线方向上的投影，β表示障碍物吸引力的系数，||·||表示2范数；
步骤207、采用计算机建立第i个模拟行人在连续地场元胞自动机模型静态场下的移动模型，如下：
Figure BDA00030779181000000311
其中，
Figure BDA00030779181000000312
表示设定的第i个模拟行人向第i个模拟行人的待疏散出口区域的移动速度向量，
Figure BDA0003077918100000041
表示第i个模拟行人在连续地场元胞自动机模型静态场下的移动速度向量；
步骤三、建立模拟行人在连续地场元胞自动机模型动态场下的移动模型：
步骤301、采用计算机设定第i个模拟行人的质点为圆心，以dP为半径的区域为第i个模拟行人的行人交互区域，并将在第i个模拟行人的行人交互区域中的各个模拟行人记作第i个模拟行人的行人交互区域中的冲突行人集合；
步骤302、采用计算机对第i个模拟行人的行人交互区域中的冲突行人集合进行判断，当第i个模拟行人的行人交互区域中的冲突行人集合为空集时，说明第i个模拟行人的移动方向不冲突，执行步骤四；否则，将第i个模拟行人的行人交互区域中的冲突行人集合元素记作第1个冲突行人，...，第b个冲突行人，...，第B个冲突行人；其中，b和B均为正整数，且1≤b≤B，B≥1；
步骤303、采用计算机对第i个模拟行人的移动方向和第b个冲突行人的移动方向进行判断，如果第i个模拟行人的移动方向和第b个冲突行人的移动方向不存在交点，执行步骤304；如果第i个模拟行人的移动方向和第b个冲突行人的移动方向存在交点，执行步骤305至步骤306；
步骤304、采用计算机按照步骤303所述的方法对第i个模拟行人的移动方向和第b+1个冲突行人的移动方向进行判断；
步骤305、采用计算机将第i个模拟行人的移动方向和第b个冲突行人的移动方向存在的交点记作第i个模拟行人和第b个冲突行人的冲突点；
步骤306、根据第i个模拟行人和第b个冲突行人的冲突点，第i个模拟行人采取让步策略，得到第i个模拟行人采取让步策略后的移动速度向量
Figure BDA0003077918100000042
步骤307、多次重复步骤303至步骤306，直至采用计算机完成对第i个模拟行人的移动方向和第B个冲突行人的移动方向的判断，得到第i个模拟行人采取让步策略得到的最终移动速度向量
Figure BDA0003077918100000051
步骤308、采用计算机获取第1个冲突行人，...，第b个冲突行人，...，第B个冲突行人与第i个模拟行人的待疏散出口区域之间的距离，并将与第i个模拟行人的待疏散出口区域之间的距离的最小值所对应的冲突行人记作被吸引行人；
步骤309、采用计算机根据公式
Figure BDA0003077918100000052
得到第i个模拟行人在行人吸引的移动速度变化
Figure BDA0003077918100000053
其中，λ表示行人吸引力系数，dEi表示第i个模拟行人到第i个模拟行人的待疏散出口区域之间的最短距离，dEx表示被吸引行人到第i个模拟行人的待疏散出口区域之间的最短距离，
Figure BDA0003077918100000054
表示设定的第i个模拟行人向被吸引行人的移动速度向量；
步骤30A、采用计算机建立第i个模拟行人在连续地场元胞自动机模型动态场下的移动模型，如下：
Figure BDA0003077918100000055
其中，
Figure BDA0003077918100000056
表示模拟疏散场景在地场元胞自动机模型动态场下第i个模拟行人的速度向量，
Figure BDA0003077918100000057
表示第i个模拟行人在连续地场元胞自动机模型动态场下的移动速度向量；TiB表示第i个模拟行人和第b个冲突行人达到冲突点的相对时间；
步骤四、建立模拟行人移动速度模型及模拟行人位置更新：
步骤401、采用计算机建立第i个模拟行人的移动速度模型，如下：
Figure BDA0003077918100000058
其中，kS表示静态场的尺度系数，kD表示动态场的尺度系数，ηi表示第i个模拟行人下一时间步所处位置和待判断障碍物的碰撞状态，εi表示第i个模拟行人下一时间步所处位置和模拟行人的碰撞状态，ηi的取值为1或者0，εi的取值为1或者0，
Figure BDA0003077918100000059
表示第i个模拟行人的移动速度向量；
步骤402、采用计算机将
Figure BDA00030779181000000510
和第i个模拟行人的速度最大值vimax判断，如果
Figure BDA00030779181000000511
大于第i个模拟行人的速度最大值vimax，则
Figure BDA00030779181000000512
校正为
Figure BDA00030779181000000513
且
Figure BDA00030779181000000514
如果
Figure BDA00030779181000000515
不大于vmax最大值，则
Figure BDA00030779181000000516
步骤403、采用计算机根据
Figure BDA0003077918100000061
得到第i个模拟行人下一个时间步的位置；其中，θi表示第i个模拟行人的移动速度向量
Figure BDA0003077918100000062
中与X轴方向的夹角；
步骤五、模拟行人位置更新直至疏散完成：
步骤501、多次重复步骤二至步骤四所述的方法，得到Np个模拟行人下一个时间步的位置，完成Np个模拟行人位置的更新；
步骤502、多次重复步骤501，直至Np个模拟行人位置均位于疏散出口区域，则完成模拟行人的疏散。
上述的一种公共场所人员应急疏散模拟方法，其特征在于：步骤306根据第i个模拟行人和第b个冲突行人的冲突点，第i个模拟行人采取让步策略，得到第i个模拟行人采取让步策略后的移动速度向量
Figure BDA0003077918100000063
具体过程如下：
步骤3061、采用计算机根据
Figure BDA0003077918100000064
得到第i个模拟行人达到冲突点的时间TTCPi,c；其中，
Figure BDA0003077918100000065
表示第i个模拟行人和第b个冲突行人的冲突点的位置向量，
Figure BDA0003077918100000066
表示第i个模拟行人的位置向量，
Figure BDA0003077918100000067
表示第i个模拟行人的移动速度向量；
步骤3062、采用计算机根据
Figure BDA0003077918100000068
得到第b个冲突行人达到冲突点的时间TTCPb,c；其中，
Figure BDA0003077918100000069
表示第b个冲突行人的位置向量，
Figure BDA00030779181000000610
表示第b个冲突行人的移动速度向量；
步骤3063、采用计算机根据
Figure BDA00030779181000000611
and TTCPb,c＞0，得到第i个模拟行人和第b个冲突行人达到冲突点的相对时间Tib；
步骤3064、采用计算机判断Tib＜2秒是否成立，当Tib＜2s时，执行步骤3065；否则，执行步骤304；
步骤3065、采用计算机根据公式
Figure BDA00030779181000000612
得到第i个模拟行人采取让步策略得到的移动速度向量
Figure BDA0003077918100000071
其中，ω(ψ)表示逆时针旋转算子，且
Figure BDA0003077918100000072
ψ表示第i个模拟行人采取让步策略的偏转角，且
Figure BDA0003077918100000073
dib表示i个模拟行人和第b个冲突行人之间的距离，且ψ位于-π/2到π/2之间。
上述的一种公共场所人员应急疏散模拟方法，其特征在于：步骤402中第i个模拟行人的速度最大值vimax的获取过程如下：
步骤A、采用计算机根据ρi＝Bi/Si，得到第i个模拟行人的行人交互区域的人群密度ρi；其中，Si表示第i个模拟行人的行人交互区域的面积，Bi表示第i个模拟行人的行人交互区域内模拟行人的数量；
步骤B、采用计算机根据
Figure BDA0003077918100000074
得到第i个模拟行人的速度最大值vimax；其中，γ表示行人摩擦力系数。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明方法步骤简单，设计合理，实现疏散过程中模拟行人多方位、多角度移动，确保模拟疏散场景中各个模拟行人全部疏散至疏散出口区域，更贴近真实疏散区域，便于真实疏散区域的指导。
2、本发明方法实现方便且使用效果好，首先是公共场所模拟疏散区域与行人的参数设置，然后是建立模拟行人在连续地场元胞自动机模型静态场下的移动模型和建立模拟行人在连续地场元胞自动机模型动态场下的移动模型，根据静态场下的移动模型和动态场下的移动模型，得到模拟行人移动速度模型，并根据模拟行人移动速度模型实现模拟行人位置更新，直至模拟行人位置均位于疏散出口区域，则完成模拟行人的疏散，通过其疏散模拟确保公共场所人员应急疏散模拟准确。
3、本发明建立模拟行人在连续地场元胞自动机模型静态场下的移动模型的过程中，模拟行人与障碍物交互中综合考虑模拟行人和障碍物的碰撞状态、经过障碍物的状态、障碍物摩擦引起的速度变化和障碍物吸引力引起的速度变化，从而提高了静态场下的移动模型准确。
4、本发明建立模拟行人在连续地场元胞自动机模型动态场下的移动模型的过程中，模拟行人与行人交互中不仅考虑模拟行人的行人交互区域中的冲突行人，以便于模拟行人采取让步策略，而且考虑模拟行人在行人吸引的移动速度变化，从而提高了动态场下的移动模型准确。
5、本发明在其他条件均相同前提下，连续地场元胞自动机模型中行人的疏散轨迹更加合理。与传统的元胞自动机得到有限移动方向不同，连续地场元胞自动机模型能够控制行人向任意方向移动，并能实现复杂的人与障碍物间交互作用。
6、本发明能够更加准确地模拟复杂疏散场景和复杂疏散背景下行人与行人以及行人与障碍物之间的交互，还能够通过更改参数实现多种疏散背景下的疏散模拟，具有更强的拓展性与适应性。
7、本发明根据静态场下的移动模型和动态场下的移动模型，得到模拟行人移动速度模型，连续地场元胞自动机模型能够准确计算行人周围人群密度，进而得到行人移动速度的精度更高，能够更加准确的控制每个行人的速度，更符合实际疏散过程。
综上所述，本发明方法简单，设计合理，模拟准确、快速且能模拟行人与行人、行人与障碍物的交互，能够实现疏散过程中模拟行人多方位、多角度移动，更贴近真实疏散区域。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程框图。
图2为本发明θBi和θEi的结构示意图。
图3为本发明第i个模拟行人采取让步策略的结构示意图。
图4为本发明实施例1中的模拟疏散场景图。
图5为本发明实施例2中的模拟疏散场景图。
具体实施方式
如图1所示的一种公共场所人员应急疏散模拟方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、公共场所模拟疏散区域与行人的参数设置：
步骤101、采用计算机设定公共场所的模拟疏散区域为矩形区域，并在矩形区域建立二维笛卡尔坐标系；其中，疏散区域的长度为ls，疏散区域的宽度为ws，设定疏散区域的四个边界存在Ns个疏散出口区域，且第a个疏散出口区域沿疏散区域边界的宽度为wea，a和Ns均为正整数，且1≤a≤Ns；
步骤102、采用计算机设定疏散区域中障碍物的数量为Nb；其中，第j′个障碍物为矩形区域，第j′个障碍物的长度为lbj′，第j′个障碍物的宽度为wbj′，j′和Nb均为正整数，且1≤j′≤Nb；
步骤103、采用计算机在疏散区域中未有障碍物的区域设定各个模拟行人，得到模拟疏散场景；其中，第i个模拟行人当前第t个时间步的坐标记作(xi(t),yi(t))，第i个模拟行人是(xi(t),yi(t))为圆心行人投影半径设定值rp的圆形投影区域，i为正整数，且1≤i≤Np，Np表示模拟行人总数，第i个模拟行人的坐标记作第i个模拟行人的质点，任两个模拟行人的质点的间距大于2rp；
步骤二、建立模拟行人在连续地场元胞自动机模型静态场下的移动模型：
步骤201、采用计算机将与第i个模拟行人的质心距离最短的疏散出口区域记作第i个模拟行人的待疏散出口，并将位于第i个模拟行人和第i个模拟行人的待疏散出口之间的障碍物记作待判断障碍物：
步骤202、采用计算机根据
Figure BDA0003077918100000091
得到第i个模拟行人下一时间步位置和待判断障碍物的碰撞状态；其中，dPBi表示第i个模拟行人下一时间步位置到待判断障碍物的最小间距，dB表示待判断障碍物的排斥力区域设定值；
步骤203、采用计算机将第i个模拟行人下一时间步位置与待判断障碍物判断区的四个角点之间的连线和第i个模拟行的待疏散出口所在疏散区域边界之间形成的夹角按照从小到大排序，得到第i个模拟行人和待判断障碍物之间的最小夹角θBi,min以及第i个模拟行人和待判断障碍物的最大夹角θBi,max；
步骤204、采用计算机设定第i个模拟行人与第i个模拟行人的待疏散出口之间的最短距离连线和第i个模拟行人的待疏散出口所在疏散区域边界之间形成的夹角记作θEi，根据公式
Figure BDA0003077918100000101
得到第i个模拟行人到第i个模拟行人的待疏散出口经过待判断障碍物的状态；
步骤205、采用计算机根据公式
Figure BDA0003077918100000102
得到第i个模拟行人经过待判断障碍物摩擦引起的速度变化
Figure BDA0003077918100000103
其中，
Figure BDA0003077918100000104
表示
Figure BDA0003077918100000105
在第i个模拟行人和待判断障碍物之间的切线方向上的投影，
Figure BDA0003077918100000106
表示模拟疏散场景在地场元胞自动机模型静态场下第i个模拟行人的速度向量，α表示待判断障碍物摩擦力系数，ReLU(·)表示函数，dF表示待判断障碍物的摩擦区域设定值；
步骤206、采用计算机根据公式
Figure BDA0003077918100000107
得到第i个模拟行人经过待判断障碍物吸引引起的速度变化
Figure BDA0003077918100000108
其中，
Figure BDA0003077918100000109
表示
Figure BDA00030779181000001010
在第i个模拟行人和待判断障碍物之间的法线方向上的投影，β表示障碍物吸引力的系数，||·||表示2范数；
步骤207、采用计算机建立第i个模拟行人在连续地场元胞自动机模型静态场下的移动模型，如下：
Figure BDA00030779181000001011
其中，
Figure BDA00030779181000001012
表示设定的第i个模拟行人向第i个模拟行人的待疏散出口区域的移动速度向量，
Figure BDA00030779181000001013
表示第i个模拟行人在连续地场元胞自动机模型静态场下的移动速度向量；
步骤三、建立模拟行人在连续地场元胞自动机模型动态场下的移动模型：
步骤301、采用计算机设定第i个模拟行人的质点为圆心，以dP为半径的区域为第i个模拟行人的行人交互区域，并将在第i个模拟行人的行人交互区域中的各个模拟行人记作第i个模拟行人的行人交互区域中的冲突行人集合；
步骤302、采用计算机对第i个模拟行人的行人交互区域中的冲突行人集合进行判断，当第i个模拟行人的行人交互区域中的冲突行人集合为空集时，说明第i个模拟行人的移动方向不冲突，执行步骤四；否则，将第i个模拟行人的行人交互区域中的冲突行人集合元素记作第1个冲突行人，...，第b个冲突行人，...，第B个冲突行人；其中，b和B均为正整数，且1≤b≤B，B≥1；
步骤303、采用计算机对第i个模拟行人的移动方向和第b个冲突行人的移动方向进行判断，如果第i个模拟行人的移动方向和第b个冲突行人的移动方向不存在交点，执行步骤304；如果第i个模拟行人的移动方向和第b个冲突行人的移动方向存在交点，执行步骤305至步骤306；
步骤304、采用计算机按照步骤303所述的方法对第i个模拟行人的移动方向和第b+1个冲突行人的移动方向进行判断；
步骤305、采用计算机将第i个模拟行人的移动方向和第b个冲突行人的移动方向存在的交点记作第i个模拟行人和第b个冲突行人的冲突点；
步骤306、根据第i个模拟行人和第b个冲突行人的冲突点，第i个模拟行人采取让步策略，得到第i个模拟行人采取让步策略后的移动速度向量
Figure BDA0003077918100000112
步骤307、多次重复步骤303至步骤306，直至采用计算机完成对第i个模拟行人的移动方向和第B个冲突行人的移动方向的判断，得到第i个模拟行人采取让步策略得到的最终移动速度向量
Figure BDA0003077918100000111
步骤308、采用计算机获取第1个冲突行人，...，第b个冲突行人，...，第B个冲突行人与第i个模拟行人的待疏散出口区域之间的距离，并将与第i个模拟行人的待疏散出口区域之间的距离的最小值所对应的冲突行人记作被吸引行人；
步骤309、采用计算机根据公式
Figure BDA0003077918100000121
得到第i个模拟行人在行人吸引的移动速度变化
Figure BDA0003077918100000122
其中，λ表示行人吸引力系数，dEi表示第i个模拟行人到第i个模拟行人的待疏散出口区域之间的最短距离，dEx表示被吸引行人到第i个模拟行人的待疏散出口区域之间的最短距离，
Figure BDA0003077918100000123
表示设定的第i个模拟行人向被吸引行人的移动速度向量；
步骤30A、采用计算机建立第i个模拟行人在连续地场元胞自动机模型动态场下的移动模型，如下：
Figure BDA0003077918100000124
其中，
Figure BDA0003077918100000125
表示模拟疏散场景在地场元胞自动机模型动态场下第i个模拟行人的速度向量，
Figure BDA0003077918100000126
表示第i个模拟行人在连续地场元胞自动机模型动态场下的移动速度向量；
步骤四、建立模拟行人移动速度模型及模拟行人位置更新：
步骤401、采用计算机建立第i个模拟行人的移动速度模型，如下：
Figure BDA0003077918100000127
其中，kS表示静态场的尺度系数，kD表示动态场的尺度系数，ηi表示第i个模拟行人下一时间步所处位置和待判断障碍物的碰撞状态，εi表示第i个模拟行人下一时间步所处位置和模拟行人的碰撞状态，ηi的取值为1或者0，εi的取值为1或者0，
Figure BDA0003077918100000128
表示第i个模拟行人的移动速度向量；
步骤402、采用计算机将
Figure BDA00030779181000001217
和第i个模拟行人的速度最大值vimax判断，如果
Figure BDA0003077918100000129
大于第i个模拟行人的速度最大值vimax，则
Figure BDA00030779181000001210
校正为
Figure BDA00030779181000001211
且
Figure BDA00030779181000001212
如果
Figure BDA00030779181000001213
不大于vmax最大值，则
Figure BDA00030779181000001214
步骤403、采用计算机根据
Figure BDA00030779181000001215
得到第i个模拟行人下一个时间步的位置；其中，θi表示第i个模拟行人的移动速度向量
Figure BDA00030779181000001216
中与X轴方向的夹角；
步骤五、模拟行人位置更新直至疏散完成：
步骤501、多次重复步骤二至步骤四所述的方法，得到Np个模拟行人下一个时间步的位置，完成Np个模拟行人位置的更新；
步骤502、多次重复步骤501，直至Np个模拟行人位置均位于疏散出口区域，则完成模拟行人的疏散。
如图3所示，本实施例中，步骤306根据第i个模拟行人和第b个冲突行人的冲突点，第i个模拟行人采取让步策略，得到第i个模拟行人采取让步策略后的移动速度向量
Figure BDA0003077918100000131
具体过程如下：
步骤3061、采用计算机根据
Figure BDA0003077918100000132
得到第i个模拟行人达到冲突点的时间TTCPi,c；其中，
Figure BDA0003077918100000133
表示第i个模拟行人和第b个冲突行人的冲突点的位置向量，
Figure BDA0003077918100000134
表示第i个模拟行人的位置向量，
Figure BDA0003077918100000135
表示第i个模拟行人的移动速度向量；
步骤3062、采用计算机根据
Figure BDA0003077918100000136
得到第b个冲突行人达到冲突点的时间TTCPb,c；其中，
Figure BDA0003077918100000137
表示第b个冲突行人的位置向量，
Figure BDA0003077918100000138
表示第b个冲突行人的移动速度向量；
步骤3063、采用计算机根据
Figure BDA0003077918100000139
and TTCPb,c＞0，得到第i个模拟行人和第b个冲突行人达到冲突点的相对时间Tib；
步骤3064、采用计算机判断Tib＜2秒是否成立，当Tib＜2s时，执行步骤3065；否则，执行步骤304；
步骤3065、采用计算机根据公式
Figure BDA00030779181000001310
得到第i个模拟行人采取让步策略得到的移动速度向量
Figure BDA00030779181000001311
其中，ω(ψ)表示逆时针旋转算子，且
Figure BDA00030779181000001312
ψ表示第i个模拟行人采取让步策略的偏转角，且
Figure BDA00030779181000001313
dib表示i个模拟行人和第b个冲突行人之间的距离，且ψ位于-π/2到π/2之间。
本实施例中，步骤402中第i个模拟行人的速度最大值vimax的获取过程如下：
步骤A、采用计算机根据ρi＝Bi/Si，得到第i个模拟行人的行人交互区域的人群密度ρi；其中，Si表示第i个模拟行人的行人交互区域的面积，Bi表示第i个模拟行人的行人交互区域内模拟行人的数量；
步骤B、采用计算机根据
Figure BDA0003077918100000141
得到第i个模拟行人的速度最大值vimax；其中，γ表示行人摩擦力系数。
本实施例中，
Figure BDA0003077918100000142
和
Figure BDA0003077918100000143
的大小可设定为第i个模拟行人的速度最大值。
如图2所示，待判断障碍物判断区包括待判断障碍物、待判断障碍物的排斥力区域和待判断障碍物的排斥力区域周侧rp范围区域；待判断障碍物的排斥力区域是指待判断障碍物周侧dB范围区域，待判断障碍物判断区为矩形区域。
本实施例中，行人投影半径设定值rp的取值为0.2m。
本实施例中，实际使用时，可根据公共场所人员应急疏散模拟要求进行调整。
如图4所示，本实施例中，当疏散背景为地震、疏散场景为工厂时，存在一个疏散出口区域，1个障碍物，即Ns＝1，Nb＝1，公共场所模拟疏散区域与行人的参数设置，如表1所示。
表1公共场所模拟疏散区域与行人的参数设置
Figure BDA0003077918100000144
本实施例中，待判断障碍物的排斥力区域设定值dB的取值为0.3m。
本实施例中，待判断障碍物摩擦力系数α为1.224。
本实施例中，待判断障碍物的摩擦区域设定值dF的取值为0.15m。
本实施例中，障碍物吸引力的系数β为1。
本实施例中，第i个模拟行人和待判断障碍物之间的法线方向是指第i个模拟行人和待判断障碍物最短距离的方向，
第i个模拟行人和待判断障碍物之间的切线方向是指第i个模拟行人和待判断障碍物最短距离的方向的垂直方向。
本实施例中，行人交互半径dP＝2m，行人吸引力系数λ为0.038。
本实施例中，静态场的尺度系数kS为0.741，动态场的尺度系数kD为0.076，行人摩擦力系数γ为0.053。
本实施例中，相邻两个时间步的间隔Δ＝0.2s。
本实施例中，利用本发明模拟方法的疏散时间为16.17s。
实施例2
如图5所示，与实施例1中不同的是：疏散背景为火灾、疏散场景为教室。存在2个疏散出口区域，1个障碍物，即Ns＝2，Nb＝11，公共场所模拟疏散区域与行人的参数设置，如表2所示。
表2公共场所模拟疏散区域与行人的参数设置
Figure BDA0003077918100000151
本实施例中，待判断障碍物的排斥力区域设定值dB的取值为0.1m，待判断障碍物摩擦力系数α为1.115，障碍物吸引力的系数β为0，行人吸引力系数λ为0.012，行人摩擦力系数γ为0.047。
本实施例中，利用本发明模拟方法的疏散时间为16.64s
综上所述，本发明设计合理，模拟准确，符合实际，切合实际疏散模拟需要，不仅便于真实疏散区域的指导，而且能获取不同灾害背景下，不同灾害场景中最佳出口的位置，也为公共建筑与民用建筑的安全出口位置设置提供指导。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种公共场所人员应急疏散模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、公共场所模拟疏散区域与行人的参数设置：
步骤101、采用计算机设定公共场所的模拟疏散区域为矩形区域，并在矩形区域建立二维笛卡尔坐标系；其中，疏散区域的长度为ls，疏散区域的宽度为ws，设定疏散区域的四个边界存在Ns个疏散出口区域，且第a个疏散出口区域沿疏散区域边界的宽度为wea，a和Ns均为正整数，且1≤a≤Ns；
步骤102、采用计算机设定疏散区域中障碍物的数量为Nb；其中，第j′个障碍物为矩形区域，第j′个障碍物的长度为lbj′，第j′个障碍物的宽度为wbj′，j′和Nb均为正整数，且1≤j′≤Nb；
步骤103、采用计算机在疏散区域中未有障碍物的区域设定各个模拟行人，得到模拟疏散场景；其中，第i个模拟行人当前第t个时间步的坐标记作(xi(t),yi(t))，第i个模拟行人是(xi(t),yi(t))为圆心行人投影半径设定值rp的圆形投影区域，i为正整数，且1≤i≤Np，Np表示模拟行人总数，第i个模拟行人的坐标记作第i个模拟行人的质点，任两个模拟行人的质点的间距大于2rp；
步骤二、建立模拟行人在连续地场元胞自动机模型静态场下的移动模型：
步骤201、采用计算机将与第i个模拟行人的质心距离最短的疏散出口区域记作第i个模拟行人的待疏散出口，并将位于第i个模拟行人和第i个模拟行人的待疏散出口之间的障碍物记作待判断障碍物：
步骤202、采用计算机根据
Figure FDA0003077918090000011
得到第i个模拟行人下一时间步位置和待判断障碍物的碰撞状态；其中，dPBi表示第i个模拟行人下一时间步位置到待判断障碍物的最小间距，dB表示待判断障碍物的排斥力区域设定值；
步骤203、采用计算机将第i个模拟行人下一时间步位置与待判断障碍物判断区的四个角点之间的连线和第i个模拟行的待疏散出口所在疏散区域边界之间形成的夹角按照从小到大排序，得到第i个模拟行人和待判断障碍物之间的最小夹角θBi,min以及第i个模拟行人和待判断障碍物的最大夹角θBi,max；
步骤204、采用计算机设定第i个模拟行人与第i个模拟行人的待疏散出口之间的最短距离连线和第i个模拟行人的待疏散出口所在疏散区域边界之间形成的夹角记作θEi，根据公式
Figure FDA0003077918090000021
得到第i个模拟行人到第i个模拟行人的待疏散出口经过待判断障碍物的状态；
步骤205、采用计算机根据公式
Figure FDA0003077918090000022
得到第i个模拟行人经过待判断障碍物摩擦引起的速度变化
Figure FDA0003077918090000023
其中，
Figure FDA0003077918090000024
表示
Figure FDA0003077918090000025
在第i个模拟行人和待判断障碍物之间的切线方向上的投影，
Figure FDA0003077918090000026
表示模拟疏散场景在地场元胞自动机模型静态场下第i个模拟行人的速度向量，α表示待判断障碍物摩擦力系数，ReLU(·)表示函数，dF表示待判断障碍物的摩擦区域设定值；
步骤206、采用计算机根据公式
Figure FDA0003077918090000027
得到第i个模拟行人经过待判断障碍物吸引引起的速度变化
Figure FDA0003077918090000028
其中，
Figure FDA0003077918090000029
表示
Figure FDA00030779180900000210
在第i个模拟行人和待判断障碍物之间的法线方向上的投影，β表示障碍物吸引力的系数，||·||表示2范数；
步骤207、采用计算机建立第i个模拟行人在连续地场元胞自动机模型静态场下的移动模型，如下：
Figure FDA00030779180900000211
其中，
Figure FDA00030779180900000212
表示设定的第i个模拟行人向第i个模拟行人的待疏散出口区域的移动速度向量，
Figure FDA00030779180900000213
表示第i个模拟行人在连续地场元胞自动机模型静态场下的移动速度向量；
步骤三、建立模拟行人在连续地场元胞自动机模型动态场下的移动模型：
步骤301、采用计算机设定第i个模拟行人的质点为圆心，以dP为半径的区域为第i个模拟行人的行人交互区域，并将在第i个模拟行人的行人交互区域中的各个模拟行人记作第i个模拟行人的行人交互区域中的冲突行人集合；
步骤302、采用计算机对第i个模拟行人的行人交互区域中的冲突行人集合进行判断，当第i个模拟行人的行人交互区域中的冲突行人集合为空集时，说明第i个模拟行人的移动方向不冲突，执行步骤四；否则，将第i个模拟行人的行人交互区域中的冲突行人集合元素记作第1个冲突行人，...，第b个冲突行人，...，第B个冲突行人；其中，b和B均为正整数，且1≤b≤B，B≥1；
步骤303、采用计算机对第i个模拟行人的移动方向和第b个冲突行人的移动方向进行判断，如果第i个模拟行人的移动方向和第b个冲突行人的移动方向不存在交点，执行步骤304；如果第i个模拟行人的移动方向和第b个冲突行人的移动方向存在交点，执行步骤305至步骤306；
步骤304、采用计算机按照步骤303所述的方法对第i个模拟行人的移动方向和第b+1个冲突行人的移动方向进行判断；
步骤305、采用计算机将第i个模拟行人的移动方向和第b个冲突行人的移动方向存在的交点记作第i个模拟行人和第b个冲突行人的冲突点；
步骤306、根据第i个模拟行人和第b个冲突行人的冲突点，第i个模拟行人采取让步策略，得到第i个模拟行人采取让步策略后的移动速度向量
Figure FDA0003077918090000031
步骤307、多次重复步骤303至步骤306，直至采用计算机完成对第i个模拟行人的移动方向和第B个冲突行人的移动方向的判断，得到第i个模拟行人采取让步策略得到的最终移动速度向量
Figure FDA0003077918090000032
步骤308、采用计算机获取第1个冲突行人，...，第b个冲突行人，...，第B个冲突行人与第i个模拟行人的待疏散出口区域之间的距离，并将与第i个模拟行人的待疏散出口区域之间的距离的最小值所对应的冲突行人记作被吸引行人；
步骤309、采用计算机根据公式
Figure FDA0003077918090000041
得到第i个模拟行人在行人吸引的移动速度变化
Figure FDA0003077918090000042
其中，λ表示行人吸引力系数，dEi表示第i个模拟行人到第i个模拟行人的待疏散出口区域之间的最短距离，dEx表示被吸引行人到第i个模拟行人的待疏散出口区域之间的最短距离，
Figure FDA0003077918090000043
表示设定的第i个模拟行人向被吸引行人的移动速度向量；
步骤30A、采用计算机建立第i个模拟行人在连续地场元胞自动机模型动态场下的移动模型，如下：
Figure FDA0003077918090000044
其中，
Figure FDA0003077918090000045
表示模拟疏散场景在地场元胞自动机模型动态场下第i个模拟行人的速度向量，
Figure FDA0003077918090000046
表示第i个模拟行人在连续地场元胞自动机模型动态场下的移动速度向量；
步骤四、建立模拟行人移动速度模型及模拟行人位置更新：
步骤401、采用计算机建立第i个模拟行人的移动速度模型，如下：
Figure FDA0003077918090000047
其中，kS表示静态场的尺度系数，kD表示动态场的尺度系数，ηi表示第i个模拟行人下一时间步所处位置和待判断障碍物的碰撞状态，εi表示第i个模拟行人下一时间步所处位置和模拟行人的碰撞状态，ηi的取值为1或者0，εi的取值为1或者0，
Figure FDA0003077918090000048
表示第i个模拟行人的移动速度向量；
步骤402、采用计算机将
Figure FDA0003077918090000049
和第i个模拟行人的速度最大值vimax判断，如果
Figure FDA00030779180900000410
大于第i个模拟行人的速度最大值vimax，则
Figure FDA00030779180900000411
校正为
Figure FDA00030779180900000412
且
Figure FDA00030779180900000413
如果
Figure FDA00030779180900000414
不大于vmax最大值，则
Figure FDA00030779180900000415
步骤403、采用计算机根据
Figure FDA00030779180900000416
得到第i个模拟行人下一个时间步的位置；其中，θi表示第i个模拟行人的移动速度向量
Figure FDA00030779180900000417
中与X轴方向的夹角；
步骤五、模拟行人位置更新直至疏散完成：
步骤501、多次重复步骤二至步骤四所述的方法，得到Np个模拟行人下一个时间步的位置，完成Np个模拟行人位置的更新；
步骤502、多次重复步骤501，直至Np个模拟行人位置均位于疏散出口区域，则完成模拟行人的疏散。
2.按照权利要求1所述的一种公共场所人员应急疏散模拟方法，其特征在于：步骤306根据第i个模拟行人和第b个冲突行人的冲突点，第i个模拟行人采取让步策略，得到第i个模拟行人采取让步策略后的移动速度向量
Figure FDA0003077918090000051
具体过程如下：
步骤3061、采用计算机根据
Figure FDA0003077918090000052
得到第i个模拟行人达到冲突点的时间TTCPi,c；其中，
Figure FDA0003077918090000053
表示第i个模拟行人和第b个冲突行人的冲突点的位置向量，
Figure FDA0003077918090000054
表示第i个模拟行人的位置向量，
Figure FDA0003077918090000055
表示第i个模拟行人的移动速度向量；
步骤3062、采用计算机根据
Figure FDA0003077918090000056
得到第b个冲突行人达到冲突点的时间TTCPb,c；其中，
Figure FDA0003077918090000057
表示第b个冲突行人的位置向量，
Figure FDA0003077918090000058
表示第b个冲突行人的移动速度向量；
步骤3063、采用计算机根据
Figure FDA0003077918090000059
得到第i个模拟行人和第b个冲突行人达到冲突点的相对时间Tib；
步骤3064、采用计算机判断Tib＜2秒是否成立，当Tib＜2s时，执行步骤3065；否则，执行步骤304；
步骤3065、采用计算机根据公式
Figure FDA00030779180900000510
得到第i个模拟行人采取让步策略得到的移动速度向量
Figure FDA00030779180900000511
其中，ω(ψ)表示逆时针旋转算子，且
Figure FDA00030779180900000512
ψ表示第i个模拟行人采取让步策略的偏转角，且
Figure FDA0003077918090000061
dib表示i个模拟行人和第b个冲突行人之间的距离，且ψ位于-π/2到π/2之间。
3.按照权利要求1所述的一种公共场所人员应急疏散模拟方法，其特征在于：步骤402中第i个模拟行人的速度最大值vimax的获取过程如下：
步骤A、采用计算机根据ρi＝Bi/Si，得到第i个模拟行人的行人交互区域的人群密度ρi；其中，Si表示第i个模拟行人的行人交互区域的面积，Bi表示第i个模拟行人的行人交互区域内模拟行人的数量；
步骤B、采用计算机根据
Figure FDA0003077918090000062
得到第i个模拟行人的速度最大值vimax；其中，γ表示行人摩擦力系数。
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