本發(fā)明屬于疏散仿真領(lǐng)域，尤其涉及一種考慮拱效應(yīng)的緩解密集人群中過度擠壓的仿真方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著世界人口的增加，在各種重要公共場(chǎng)聚集的人數(shù)也在不斷的增加。過密的人群會(huì)影響公共場(chǎng)所的服務(wù)質(zhì)量、增加管理的難度，而且當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，處于恐慌狀態(tài)下的密集行人群體會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的擁擠現(xiàn)象，導(dǎo)致人群移動(dòng)速度的降低，進(jìn)而造成傷亡事故。因此，有必要對(duì)大規(guī)模密集人群的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行研究，找出其中的規(guī)律，盡可能的避免或減少意外發(fā)生時(shí)的損失。由于人群運(yùn)動(dòng)的視頻，特別是緊急情況下的視頻往往是非常珍貴且難以獲取的，所以目前在研究行人疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)，主要通過建立人群仿真模型來對(duì)處于正常或緊急情況的人群進(jìn)行仿真。

對(duì)疏散行人的仿真研究主要包括正常行人疏散和恐慌擁擠疏散.正常行人疏散研究的內(nèi)容包括:安全出口數(shù)量、位置及系統(tǒng)內(nèi)部布局對(duì)疏散效率的影響等不同因素下的疏散過程.恐慌擁擠疏散研究的主要內(nèi)容為行人因恐慌擁擠導(dǎo)致移動(dòng)受影響和發(fā)生傷害的情況。

當(dāng)人群處于危險(xiǎn)中時(shí)，往往會(huì)發(fā)生失序行為，從而導(dǎo)致局部甚至大范圍的過度擠壓，這會(huì)對(duì)人群中個(gè)體的人身安全造成嚴(yán)重威脅。對(duì)于這種潛在的危險(xiǎn)，一般有前期疏導(dǎo)和后期處理兩種措施。前期疏導(dǎo)采用合理的路徑策略來保證人群以一種較優(yōu)的方法從場(chǎng)景中疏散，也可以理解為通過利用場(chǎng)景縱深來避免過密擁擠人群的形成。雖然前期疏導(dǎo)的出發(fā)點(diǎn)更明確、效果更明顯，但不可否認(rèn)的是：在復(fù)雜多變的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，場(chǎng)景與人群的不確定性使得前期疏導(dǎo)不能完全消除過度擠壓的產(chǎn)生。因此，通過適當(dāng)?shù)暮笃谔幚?，達(dá)到減輕因過度擠壓對(duì)行人造成的危險(xiǎn)，這種保險(xiǎn)措施仍是有必要的。當(dāng)局部人群形成過度擠壓后，通過社會(huì)性質(zhì)(比如通知新出口的位置，或險(xiǎn)情警告)的處理方法在效率與效果上都很難取得理想的結(jié)果。因此，采用更基本的物理方法來進(jìn)行后期處理會(huì)取得更明顯的效果。

由于在實(shí)際的人群疏散過程中，可能出現(xiàn)的恐慌狀態(tài)下密集人群過度積壓的現(xiàn)象，而現(xiàn)有的人群疏散仿真方法中未考慮上述密集人群過度積壓的現(xiàn)象，導(dǎo)致人群疏散仿真模型不準(zhǔn)確，這樣不能準(zhǔn)確地指導(dǎo)實(shí)際的人群疏散。因此，針對(duì)可能出現(xiàn)的恐慌狀態(tài)下密集人群過度積壓的現(xiàn)象，需要一種考慮人群物理特點(diǎn)的仿真方法，來達(dá)到根據(jù)密集人群特點(diǎn)，對(duì)已形成的過度擠壓情況實(shí)現(xiàn)擠壓緩解的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中有的人群疏散仿真方法中未考慮上述密集人群過度積壓的現(xiàn)象，導(dǎo)致人群疏散仿真模型不準(zhǔn)確的問題，本發(fā)明的第一目的是提供一種考慮拱效應(yīng)的緩解密集人群中過度擠壓的仿真方法。該方法考慮密集人群過度積壓的現(xiàn)象，能夠準(zhǔn)確仿真人群疏散仿真模型，進(jìn)而為提供相應(yīng)緩解人群中過度擠壓的措施來準(zhǔn)確地指導(dǎo)實(shí)際的人群進(jìn)行安全疏散。

本發(fā)明的一種考慮拱效應(yīng)的緩解密集人群中過度擠壓的仿真方法，該方法在仿真服務(wù)器內(nèi)完成，包括：

步驟1：構(gòu)建疏散場(chǎng)景，進(jìn)而搭建出人群疏散仿真模型，獲取人群在當(dāng)前疏散場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)包括人群中所有個(gè)體的當(dāng)前位置、速度以及所受合力；

步驟2：根據(jù)人群在當(dāng)前疏散場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，利用合理拱軸線理論計(jì)算人群中形成拱效應(yīng)時(shí)受到的外層壓力；其中，人群中形成拱效應(yīng)時(shí)受到的外層壓力等于拱效應(yīng)的行人粒子所受合力的縱向分力；

步驟3：將求取的人群中形成拱效應(yīng)時(shí)受到的外層壓力代入考慮拱效應(yīng)的間距公式，獲取障礙物的間距；

步驟4：根據(jù)合理拱軸線理論，在當(dāng)前疏散場(chǎng)景的出口處根據(jù)求取的障礙物的間距來布局障礙物，以障礙物作為新的拱腳而構(gòu)建出新疏散場(chǎng)景，重新執(zhí)行人群疏散仿真且獲取新疏散場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證新疏散場(chǎng)景對(duì)于緩解密集人群中過度擠壓的有效性。

進(jìn)一步地，在所述步驟1中，人群中所有個(gè)體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)由社會(huì)力模型決定。利用社會(huì)力模型來決定人群中所有個(gè)體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，該運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)可以作為判斷行人擠壓程度的有效依據(jù)。

進(jìn)一步地，在所述步驟1中，人群中所有個(gè)體的初始位置隨機(jī)均勻分布在當(dāng)前疏散場(chǎng)景中。在仿真的初始狀態(tài)下，將人群中所有個(gè)體的初始位置隨機(jī)均勻分布到當(dāng)前疏散場(chǎng)景中。其中，場(chǎng)景中行人群體的疏散效率與行人在場(chǎng)景中初始位置分布有一定關(guān)系，本方法旨在研究密集人群中的擠壓，將行人的初始位置隨機(jī)均勻分布到場(chǎng)景中，可以避免因疏散效率差異過大而對(duì)人群擠壓程度造成影響，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

進(jìn)一步地，在所述步驟2中，根據(jù)合理拱軸線理論，人群中形成拱效應(yīng)時(shí)受到的外層壓力看作均勻受力，本方法利用考慮拱效應(yīng)的合理間距設(shè)置公式，由于拱效應(yīng)的一個(gè)特性是將作用在拱體上的壓力均勻傳遞到拱腳，因此在計(jì)算時(shí)可以假定拱效應(yīng)收到的是均勻壓力。

進(jìn)一步地，本方法所述障礙物的大小相等且形狀相同，本方法設(shè)置拱腳依據(jù)的是直接拱腳，將障礙物設(shè)置為對(duì)稱等大可以降低干擾，使拱效應(yīng)的效果更加可控。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中有的人群疏散仿真方法中未考慮上述密集人群過度積壓的現(xiàn)象，導(dǎo)致人群疏散仿真模型不準(zhǔn)確的問題，本發(fā)明的第二目的是提供一種考慮拱效應(yīng)的緩解密集人群中過度擠壓的仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)考慮密集人群過度積壓的現(xiàn)象，能夠準(zhǔn)確仿真人群疏散仿真模型，進(jìn)而為提供相應(yīng)緩解人群中過度擠壓的措施來準(zhǔn)確地指導(dǎo)實(shí)際的人群進(jìn)行安全疏散。

本發(fā)明的一種考慮拱效應(yīng)的緩解密集人群中過度擠壓的仿真系統(tǒng)，包括仿真服務(wù)器，所述仿真服務(wù)器包括：

運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)獲取模塊，其用于構(gòu)建疏散場(chǎng)景，進(jìn)而搭建出人群疏散仿真模型，獲取人群在當(dāng)前疏散場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)包括人群中所有個(gè)體的當(dāng)前位置、速度以及所受合力；

外層壓力計(jì)算模塊，其用于根據(jù)人群在當(dāng)前疏散場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，利用合理拱軸線理論計(jì)算人群中形成拱效應(yīng)時(shí)受到的外層壓力；其中，人群中形成拱效應(yīng)時(shí)受到的外層壓力等于拱效應(yīng)的行人粒子所受合力的縱向分力；

障礙物間距計(jì)算模塊，其用于將求取的人群中形成拱效應(yīng)時(shí)受到的外層壓力代入考慮拱效應(yīng)的間距公式，獲取障礙物的間距；

障礙物布局模塊，其用于根據(jù)合理拱軸線理論，在當(dāng)前疏散場(chǎng)景的出口處根據(jù)求取的障礙物的間距來布局障礙物，以障礙物作為新的拱腳而構(gòu)建出新疏散場(chǎng)景，重新執(zhí)行人群疏散仿真且獲取新疏散場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證新疏散場(chǎng)景對(duì)于緩解密集人群中過度擠壓的有效性。

進(jìn)一步地，在所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)獲取模塊中人群中所有個(gè)體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)由社會(huì)力模型決定。該運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，可以作為判斷行人擠壓程度的有效依據(jù)。

進(jìn)一步地，在所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)獲取模塊中，人群中所有個(gè)體的初始位置隨機(jī)均勻分布在當(dāng)前疏散場(chǎng)景中。其中，場(chǎng)景中行人群體的疏散效率與行人在場(chǎng)景中初始位置分布有一定關(guān)系，本方法旨在研究密集人群中的擠壓，將行人的初始位置隨機(jī)均勻分布到場(chǎng)景中，可以避免因疏散效率差異過大而對(duì)人群擠壓程度造成影響，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

進(jìn)一步地，在所述外層壓力計(jì)算模塊中，根據(jù)合理拱軸線理論，人群中形成拱效應(yīng)時(shí)受到的外層壓力看作均勻受力。本發(fā)明利用考慮拱效應(yīng)的合理間距設(shè)置公式，由于拱效應(yīng)的一個(gè)特性是將作用在拱體上的壓力均勻傳遞到拱腳，因此在計(jì)算時(shí)可以假定拱效應(yīng)收到的是均勻壓力。

進(jìn)一步地，所述障礙物的大小相等且形狀相同。本發(fā)明設(shè)置拱腳依據(jù)的是直接拱腳，將障礙物設(shè)置為對(duì)稱等大可以降低干擾，使拱效應(yīng)的效果更加可控。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)大量行人聚集在出口時(shí)，形成一個(gè)密集的人群，人群中的擠壓程度從外向內(nèi)逐漸增加，最內(nèi)層的行人擠壓程度最高，也就是處于最危險(xiǎn)的情況。當(dāng)出口處的行人形成拱效應(yīng)時(shí)，形成拱效應(yīng)的行人擠壓程度會(huì)進(jìn)一步增加，而且形成的拱效應(yīng)阻礙了整個(gè)人群的疏散，降低了疏散效率，增加了危險(xiǎn)程度。通過設(shè)置新的拱腳，把形成拱效應(yīng)的位置外擴(kuò)后，在較外層的形成的拱可以承擔(dān)外層粒行人傳遞的壓力，保護(hù)最靠近出口處，原本擠壓程度最高的行人。同時(shí)，在較外層形成的拱與在最內(nèi)層形成時(shí)相比，受到的壓力更小，也就是說此時(shí)形成拱的行人的擠壓程度要比原先成拱的行人低。因此，本發(fā)明根據(jù)合理拱軸線理論，在當(dāng)前疏散場(chǎng)景的出口處根據(jù)求取的障礙物的間距來布局障礙物，以障礙物作為新的拱腳而構(gòu)建出新疏散場(chǎng)景，重新執(zhí)行人群疏散仿真且獲取新疏散場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證新疏散場(chǎng)景對(duì)于緩解密集人群中過度擠壓的有效性。

(2)密集人群疏散時(shí)形成的拱效應(yīng)，在行人數(shù)量足夠時(shí)，是一個(gè)形成-維持-塌陷-形成的周期性過程，當(dāng)拱形形成并維持時(shí)，會(huì)嚴(yán)重阻礙疏散的進(jìn)行。由于拱形的穩(wěn)定性與受到的壓力以及拱的大小有關(guān)，當(dāng)在較外層形成拱時(shí)，拱形的穩(wěn)定性更差，即可以更快的塌陷，減少阻礙疏散的時(shí)間。因此，本發(fā)明還提高了人群疏散的真實(shí)性與準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1是出口附近行人形成拱形的示例。

圖2通過加入障礙物將原本位于出口的拱形外擴(kuò)的示意圖。

圖3黑框區(qū)域是本方法設(shè)定的保護(hù)區(qū)域。

圖4是原場(chǎng)景。

圖5是設(shè)置障礙物后的改進(jìn)場(chǎng)景。

圖6(a)是一個(gè)行人與另外一個(gè)行人的擠壓值計(jì)算的說明。

圖6(b)是一個(gè)行人與另外兩個(gè)行人的擠壓值計(jì)算的說明。

圖7是考慮拱效應(yīng)的合理間距公式的圖解。

圖8是兩種場(chǎng)景中保護(hù)空間內(nèi)行人平均擠壓值隨著疏散過程的變化。

圖9是一種考慮拱效應(yīng)的緩解密集人群中過度擠壓的仿真方法流程圖。

圖10是一種考慮拱效應(yīng)的緩解密集人群中過度擠壓的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。

合理拱軸線理論為：

拱橋上拱圈截面只受軸向壓力而無彎矩作用的拱軸線；

拱軸線上的豎向坐標(biāo)與相同跨度相同荷載作用下的簡支梁的彎矩值成比例，即可使拱的截面內(nèi)只受軸力而沒有彎矩，滿足這一條件的拱軸線稱為合理拱軸線。

如圖9所示，一種考慮拱效應(yīng)的緩解密集人群中過度擠壓的仿真方法，包括以下步驟：

步驟1：構(gòu)建疏散場(chǎng)景，進(jìn)而搭建出人群疏散仿真模型，獲取人群在當(dāng)前疏散場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)包括人群中所有個(gè)體的當(dāng)前位置、速度以及所受合力。

應(yīng)用疏散仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得出行人從當(dāng)前場(chǎng)景疏散完成的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)文件。我們采用的仿真平臺(tái)是自行搭建的以vs2012結(jié)合OSG的實(shí)時(shí)渲染場(chǎng)景，表示行人的顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)根據(jù)社會(huì)力模型決定。行人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要包括當(dāng)前位置、當(dāng)前速度以及所受合力(包括方向)。

步驟2：根據(jù)人群在當(dāng)前疏散場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，利用合理拱軸線理論計(jì)算人群中形成拱效應(yīng)時(shí)受到的外層壓力；其中，人群中形成拱效應(yīng)時(shí)受到的外層壓力等于拱效應(yīng)的行人粒子所受合力的縱向分力。

步驟3：將求取的人群中形成拱效應(yīng)時(shí)受到的外層壓力代入考慮拱效應(yīng)的間距公式，獲取障礙物的間距。

分析行人運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)拱效應(yīng)理論，有針對(duì)性的設(shè)置場(chǎng)景中障礙物的布局，實(shí)現(xiàn)對(duì)人群中過度擠壓狀況的緩解。

本方法在出口處合適的位置設(shè)置的障礙物，以障礙物作為新的拱腳，將原本在出口處形成的拱效應(yīng)外擴(kuò)，通過在較外層位置形成的拱形，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)人群擠壓的緩解。

當(dāng)大量行人通過單一出口離開場(chǎng)景時(shí)，出口處有限的疏散速度會(huì)使得人群在出口處聚集，最終會(huì)在出口處形成一個(gè)大拱形，如圖一。隨著聚集人群數(shù)量的增加，整個(gè)人群拱形的擠壓程度也隨之，在人群內(nèi)部最靠近出口處的行人會(huì)形成一個(gè)小的拱形，如圖1所示。與整個(gè)人群組成的大拱形相比，出口處小拱形是人群內(nèi)部擠壓程度的體現(xiàn)，本文所指拱形中主要指這種出口處的小拱形。

通過對(duì)人群拱形疏散的過程進(jìn)行分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)在疏散過程中，出口處的拱形主要有以下危害：

(1)拱形形成后，會(huì)阻礙拱形外層行人的疏散，使整個(gè)人群的疏散陷入停頓；

(2)形成拱形的行人會(huì)處于嚴(yán)重?cái)D壓的狀態(tài)，這對(duì)于行人是十分危險(xiǎn)的。

分析拱形的成因，可能是因?yàn)樵谀硞€(gè)時(shí)刻，出口附近的粒子所體現(xiàn)的行為同步性(即同時(shí)向出口運(yùn)動(dòng))與粒子之間摩擦力所致，屬于一種疏散過程中顆粒群體的自組織行為。想要通過分析單個(gè)或幾個(gè)粒子來實(shí)現(xiàn)對(duì)這種行為的解釋是比較困難的，因此需要一種整體性的分析方法。

拱效應(yīng)是顆粒流運(yùn)動(dòng)中的一種常見現(xiàn)象，是由于介質(zhì)中的不均勻位移引起的，效果是改變了介質(zhì)中的應(yīng)力狀態(tài)，引起應(yīng)力的重新分布，體現(xiàn)為形成一個(gè)作為承力結(jié)構(gòu)的拱，把作用于拱上的壓力(壓力應(yīng)該足夠大)傳遞到拱腳或周圍穩(wěn)定介質(zhì)中去。由于在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用(比如建筑學(xué))中拱是可證明存在但不可觀測(cè)的，所以現(xiàn)實(shí)中往往用顆粒流實(shí)驗(yàn)來模擬拱的形成?？紤]到疏散仿真模型同樣是類顆粒實(shí)驗(yàn)，因此我們認(rèn)為可以用相應(yīng)的拱效應(yīng)理論來分析解釋疏散人群中的拱現(xiàn)象。

根據(jù)拱效應(yīng)，出口處小型拱可以看作在外層壓力達(dá)到一定閾值時(shí)自然形成的承力結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)承擔(dān)閾值以上的壓力，這也說明了成拱的行人粒子確實(shí)存在危險(xiǎn)，因此在人群疏散時(shí)應(yīng)該避免這種拱的形成。這也是以往研究者們對(duì)于但是要注意的是，首先成拱可以看作顆粒群體對(duì)于壓力過大的一種自組織反應(yīng)，在人群密度很大時(shí)想要消除難度較大；同時(shí)，即使在人群中沒有拱的形成(比如說用元胞自動(dòng)機(jī)等模型模擬仿真的人群行為)，出口附近的行人粒子仍然處于過度擠壓的危險(xiǎn)當(dāng)中，因此對(duì)于人群成拱的現(xiàn)象，有必要從更實(shí)用的角度來分析。需要說明的是，目前對(duì)于人群運(yùn)動(dòng)中拱效應(yīng)的研究主要目的都在于如何避免或減弱，而本方法是從對(duì)拱效應(yīng)的正面應(yīng)用來考慮的。

對(duì)于仿真中人群內(nèi)部出現(xiàn)的拱效應(yīng)，應(yīng)當(dāng)看到它既有阻礙疏散的負(fù)面作用，也有可以作為承力結(jié)構(gòu)分擔(dān)外層壓力的正面作用。如圖1所示，此時(shí)成拱的是距離出口最近的粒子，這樣的拱只有阻礙疏散的負(fù)面作用。如果能夠使拱在較外層的位置形成，如圖2。這樣的好處有：

(1)外層拱形作為承力結(jié)構(gòu)可以保護(hù)內(nèi)層粒子不會(huì)因整體壓力而過度擠壓，起到了保護(hù)作用。

(2)外層拱所承受的外部壓力要比內(nèi)層拱小，成拱的行人粒子危險(xiǎn)程度更低。

(3)外層拱由于拱跨過大，整個(gè)拱的穩(wěn)定性要比內(nèi)層拱差，也就是說更容易塌陷，這樣相比內(nèi)層拱的情況，疏散效率會(huì)提高。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)行人粒子形成的拱的控制，需要先了解拱效應(yīng)的相關(guān)特性。拱效應(yīng)的存在條件：

(1)顆粒之間產(chǎn)生不均勻位移或相對(duì)位移。

(2)作為支撐的拱腳的存在。

(3)拱體形成處土體中的剪應(yīng)力小于其抗剪強(qiáng)度。在模擬仿真的人群粒子運(yùn)動(dòng)中，行人的運(yùn)動(dòng)以及受力規(guī)則由特定模型決定，對(duì)于經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證的模型參數(shù)，通過修改模型來實(shí)現(xiàn)成拱的條件并沒有太大意義，因此本方法主要的關(guān)注點(diǎn)在于拱腳的設(shè)置，在人群運(yùn)動(dòng)中表示為行人移動(dòng)中遇到的障礙物。

本方法采用建筑學(xué)中合理拱軸線方法，假設(shè)人群中的拱效應(yīng)會(huì)滿足(或近似滿足)合理拱軸線，那么對(duì)于本方法，想要控制拱效應(yīng)的形成時(shí)，需要將拱腳間距控制在一定距離內(nèi)。

步驟4：根據(jù)合理拱軸線理論，在當(dāng)前疏散場(chǎng)景的出口處根據(jù)求取的障礙物的間距來布局障礙物，以障礙物作為新的拱腳而構(gòu)建出新疏散場(chǎng)景，重新執(zhí)行人群疏散仿真且獲取新疏散場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證新疏散場(chǎng)景對(duì)于緩解密集人群中過度擠壓的有效性。

對(duì)于拱效應(yīng)的相關(guān)研究，一般都采用設(shè)定靜態(tài)平衡條件的方法，本方法同樣假設(shè)人群疏散過程形成的拱效應(yīng)同樣會(huì)滿足一個(gè)暫時(shí)的靜態(tài)平衡條件—合理拱軸線理論，根據(jù)考慮合理拱軸線的間隔公式求得人群中形成拱效應(yīng)的間隔，從而設(shè)置障礙物的間隔。

仿真對(duì)比實(shí)施例：

(1)設(shè)置原場(chǎng)景。本方法使用大小為200*300像素的單一出口房間，疏散行人的個(gè)數(shù)為500，行人粒子的大小為4像素。行人的初始位置隨機(jī)均勻分布在場(chǎng)景中。原場(chǎng)景如圖4所示。

(2)在原場(chǎng)景中進(jìn)行一次疏散仿真。一次完整的仿真過程是指所有行人從初始位置到疏散離開場(chǎng)景。

(3)獲取在原場(chǎng)景中仿真中所有行人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)文件。文件中包括整個(gè)過程中每一幀所有行人的當(dāng)前位置，速度以及所受合力。

(4)根據(jù)疏散過程分解圖，選擇幾組具有代表性的形成拱效應(yīng)的分解圖。過程分解圖指根據(jù)行人群體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)文件，將每一幀中人群的位置單獨(dú)繪制。具有代表性的形成拱效應(yīng)的分解圖指類似于圖1這種可以明確觀測(cè)到有拱形形成的圖示。

(5)計(jì)算人群中形成拱效應(yīng)時(shí)受到的外層壓力q。根據(jù)合理拱軸線理論，可將拱形外側(cè)所受壓力看作均勻受力，如圖7所示。本方法根據(jù)疏散過程分解圖，選取形成拱效應(yīng)的行人粒子所受外力的縱向分力作為整個(gè)拱形受到的外力，并對(duì)幾組分解圖取平均值，得到外層壓力q。

(6)根據(jù)在出口處形成拱效應(yīng)的行人受到的平均擠壓，代入考慮拱效應(yīng)的間距公式：

y＝(4r/S²)(Sx-x²)

根據(jù)相關(guān)研究，合理拱軸線如上式，其中，x和y在出口處形成拱效應(yīng)的行人的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；分別為r是拱的高度。

F_y＝qS/2,F_x＝λqS²/(8r)

由結(jié)構(gòu)力學(xué)中的知識(shí)，可以得到拱腳反力，如上式。

2(F_x tanΦ+c·a·1)≥qS

要保證相鄰兩障礙物間拱效應(yīng)正常發(fā)揮作用，就需要滿足障礙物間的靜力平衡條件，即障礙物與行人間的摩阻力不小于作用在拱上的壓力，如上式。其中，c是建筑學(xué)中顆粒間的粘聚力。

在合理的樁間距條件下，拱形應(yīng)該發(fā)揮最大的傳力作用，拱形頂點(diǎn)近似于單向受力狀況，根據(jù)摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，在人群疏散仿真中，行人粒子間不存在粘聚力，因此本方法用(q-f)來代替。

其中，S是設(shè)置障礙物的間距，q是行人形成的拱形受到的平均圧力，f是形成拱效應(yīng)的粒子之間摩擦力沿縱向分力，a是障礙物的邊長，障礙物大小根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置為邊長為2d的正方形，d為行人粒子直徑，β和Φ分別是起始切向角和內(nèi)摩擦角，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，β設(shè)置為45度，Φ設(shè)置為13度-15度，因此可以根據(jù)公式求出障礙物間距S。

(7)根據(jù)合理間距公式重新設(shè)置場(chǎng)景。本方法需要在場(chǎng)景中加入作為新拱腳的障礙物。障礙物的設(shè)置屬性有以下特征：

(7.1)本方法參考的是直接拱腳這種較易設(shè)置的形式，因此障礙物是對(duì)稱放置的。表現(xiàn)為需要兩個(gè)大小，形狀一樣，位置對(duì)稱的障礙物。

(7.2)位置。

障礙物的位置主要是兩障礙物之間的距離，這個(gè)距離也就是由間隔公式求得的距離s；還有障礙物與出口之間的縱向距離，本方法設(shè)置為一個(gè)行人的直徑：即4個(gè)像素，這是為了保證形成的拱效應(yīng)更靠外，可以保護(hù)更多的內(nèi)側(cè)行人。

(7.3)大小。

本方法障礙物設(shè)置為邊長為8個(gè)像素的正方形。加入障礙物后的改進(jìn)場(chǎng)景如圖5所示。

(8)重新進(jìn)行疏散仿真，獲取改進(jìn)場(chǎng)景中行人群體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)文件。

(9)針對(duì)兩次仿真獲得的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，說明方法的有效性。

(9.1)計(jì)算每個(gè)行人的擠壓值。本方法中，每個(gè)行人粒子的擠壓值是指該行人粒子與其他有接觸的行人粒子的重疊部分之和，如圖6(a)和圖6(b)所示。

(9.2)劃分保護(hù)區(qū)域。本方法通過設(shè)置障礙物將人群中形成的拱效應(yīng)外擴(kuò)來保護(hù)原先處于危險(xiǎn)的行人，因此，在比較時(shí)，我們主要比較原先處于高危狀態(tài)的行人粒子的擠壓程度。如圖3所示，將黑框區(qū)域稱為保護(hù)區(qū)域。用保護(hù)區(qū)域內(nèi)行人粒子的平均擠壓程度來說明本方法的效果。

(10)比較效果說明。

圖8給出了在兩次疏散仿真中，同一保護(hù)區(qū)域內(nèi)行人的平均擠壓值，隨著疏散仿真進(jìn)行的變化?？梢钥吹?，改進(jìn)場(chǎng)景中保護(hù)空間內(nèi)行人粒子的平均擠壓值相比原場(chǎng)景有了明顯的降低，這說明外擴(kuò)的拱形起到了保護(hù)作用。同時(shí)，從圖中也可以看到相比原場(chǎng)景，該機(jī)場(chǎng)景中總的疏散時(shí)間也有了下降。因此我們認(rèn)為本方法可以起到有效的保護(hù)作用并提高總體的疏散效率。

圖10是一種考慮拱效應(yīng)的緩解密集人群中過度擠壓的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖10所示的本發(fā)明的一種考慮拱效應(yīng)的緩解密集人群中過度擠壓的仿真系統(tǒng)，包括仿真服務(wù)器，所述仿真服務(wù)器包括：

運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)獲取模塊，其用于構(gòu)建疏散場(chǎng)景，進(jìn)而搭建出人群疏散仿真模型，獲取人群在當(dāng)前疏散場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)包括人群中所有個(gè)體的當(dāng)前位置、速度以及所受合力；

外層壓力計(jì)算模塊，其用于根據(jù)人群在當(dāng)前疏散場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，利用合理拱軸線理論計(jì)算人群中形成拱效應(yīng)時(shí)受到的外層壓力；其中，人群中形成拱效應(yīng)時(shí)受到的外層壓力等于拱效應(yīng)的行人粒子所受合力的縱向分力；

障礙物間距計(jì)算模塊，其用于將求取的人群中形成拱效應(yīng)時(shí)受到的外層壓力代入考慮拱效應(yīng)的間距公式，獲取障礙物的間距；

障礙物布局模塊，其用于根據(jù)合理拱軸線理論，在當(dāng)前疏散場(chǎng)景的出口處根據(jù)求取的障礙物的間距來布局障礙物，以障礙物作為新的拱腳而構(gòu)建出新疏散場(chǎng)景，重新執(zhí)行人群疏散仿真且獲取新疏散場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證新疏散場(chǎng)景對(duì)于緩解密集人群中過度擠壓的有效性。

進(jìn)一步地，在所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)獲取模塊中人群中所有個(gè)體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)由社會(huì)力模型決定。該運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，可以作為判斷行人擠壓程度的有效依據(jù)。

進(jìn)一步地，在所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)獲取模塊中，人群中所有個(gè)體的初始位置隨機(jī)均勻分布在當(dāng)前疏散場(chǎng)景中。其中，場(chǎng)景中行人群體的疏散效率與行人在場(chǎng)景中初始位置分布有一定關(guān)系，本方法旨在研究密集人群中的擠壓，將行人的初始位置隨機(jī)均勻分布到場(chǎng)景中，可以避免因疏散效率差異過大而對(duì)人群擠壓程度造成影響，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

進(jìn)一步地，在所述外層壓力計(jì)算模塊中，根據(jù)合理拱軸線理論，人群中形成拱效應(yīng)時(shí)受到的外層壓力看作均勻受力。本發(fā)明利用考慮拱效應(yīng)的合理間距設(shè)置公式，由于拱效應(yīng)的一個(gè)特性是將作用在拱體上的壓力均勻傳遞到拱腳，因此在計(jì)算時(shí)可以假定拱效應(yīng)收到的是均勻壓力。

進(jìn)一步地，所述障礙物的大小相等且形狀相同。本發(fā)明設(shè)置拱腳依據(jù)的是直接拱腳，將障礙物設(shè)置為對(duì)稱等大可以降低干擾，使拱效應(yīng)的效果更加可控。

本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本發(fā)明的實(shí)施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用硬件實(shí)施例、軟件實(shí)施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實(shí)施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個(gè)或多個(gè)其中包含有計(jì)算機(jī)可用程序代碼的計(jì)算機(jī)可用存儲(chǔ)介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲(chǔ)器和光學(xué)存儲(chǔ)器等)上實(shí)施的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式。

本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應(yīng)理解可由計(jì)算機(jī)程序指令實(shí)現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計(jì)算機(jī)程序指令到通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)、嵌入式處理機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個(gè)機(jī)器，使得通過計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的裝置。

這些計(jì)算機(jī)程序指令也可存儲(chǔ)在能引導(dǎo)計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中，使得存儲(chǔ)在該計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能。

這些計(jì)算機(jī)程序指令也可裝載到計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的處理，從而在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的步驟。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例方法中的全部或部分流程，是可以通過計(jì)算機(jī)程序來指令相關(guān)的硬件來完成，所述的程序可存儲(chǔ)于一計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中，該程序在執(zhí)行時(shí)，可包括如上述各方法的實(shí)施例的流程。其中，所述的存儲(chǔ)介質(zhì)可為磁碟、光盤、只讀存儲(chǔ)記憶體(Read-Only Memory，ROM)或隨機(jī)存儲(chǔ)記憶體(Random AccessMemory，RAM)等。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。