本發(fā)明涉及一種室內(nèi)人員疏散模擬方法，尤其是涉及一種基于混合空間的室內(nèi)人員疏散模擬方法。

背景技術：

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，車站、商場、體育館等各種人員密集場所在不斷增加。發(fā)生火災、恐怖襲擊等突發(fā)狀況時的，這些室內(nèi)公共場所如果人員疏散不利，極易造成人員傷亡。目前針對室內(nèi)公共場所的人員疏散研究，可以分為兩類：真實疏散演練和人員疏散建模。相對于真實疏散演練，人員疏散建模有著成本低、易于實施等優(yōu)勢。針對人員疏散建模，已涌現(xiàn)出很多模型和算法，如社會力模型、元胞自動機模型、場域模型、離散選擇模型、蟻群算法、粒子群優(yōu)化算法等。從對模擬空間的了利用方式來分，這些模型和算法可以分為兩類：基于離散空間的模型、基于連續(xù)空間的模型和基于混合空間的模型。

從模擬能力、逃生規(guī)則等方面來看，基于離散空間和基于連續(xù)空間的疏散模型主要特點如下表：

對室內(nèi)人群的疏散模擬，核心是建立人群行為模式，包括疏散過程中行人之間、行人和障礙物之間的碰撞問題；疏散人群中的個性和群體行為問題(出口決策、疏散路徑選擇)等。為了綜合利用基于離散空間模型的規(guī)則簡單性和高計算效率特性、基于連續(xù)空間模型的高仿真度的特性，本發(fā)明提出了基于離散和連續(xù)空間的混合疏散模型，在減少計算復雜度的同時又可提供精細化的模擬能力。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種基于混合空間的室內(nèi)人員疏散模擬方法，提高模擬室內(nèi)人員疏散時的效率和精度。

為實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明提供的方案是：一種基于混合空間的室內(nèi)人員疏散模擬方法，包括如下步驟。

步驟1、計算疏散場所的離散靜態(tài)引力場。

步驟2、根據(jù)行人的逃生策略計算單個行人的動態(tài)引力場。

步驟3、根據(jù)每個行人的動態(tài)引力場計算候選可移動位置。

步驟4、遍歷每個行人，重復步驟2和步驟3，直至所有行人全部疏散完成。

而且，當所述疏散場所為規(guī)則矩形的場所，且場所內(nèi)沒有任何障礙物時，將疏散場所進行柵格化，疏散場所的離散靜態(tài)引力場的計算公式為：

式中，S表示第i個單元的靜態(tài)引力場值，n表示出口的個數(shù)，X_i表示第i個單元的X坐標，Y_i表示第i個單元的Y坐標，表示第j個出口的X坐標，表示第j個出口的Y坐標。

而且，當所述疏散場所為不規(guī)則形狀的場所，且場所內(nèi)有障礙物時，其離散靜態(tài)引力場按照種子填充法進行計算，其計算過程如下。

步驟1.1、將疏散場所P進行柵格化，得到柵格化后的疏散場所單元集合G。

步驟1.2、選定疏散場所P中的一個出口E，找到距離E最近的單元的集合B，并將集合B中的每個單元賦值為0。

步驟1.3、以集合B為種子點，使用種子填充法遍歷疏散場所單元集合G中的每個單元，計算每個單元與其鄰域的曼哈頓距離。

步驟1.4、遍歷每一個出口，重復步驟1.2和步驟1.3，得到疏散場所P針對每個出口的靜態(tài)引力場集合F。

步驟1.5、遍歷疏散場所單元集合G中的每個單元，在靜態(tài)引力場集合F中取最小值作為每個單元的全局靜態(tài)引力場的值。

而且，所述柵格化分辨率為0.5m×0.5m。

而且，所述行人的逃生策略包括單獨式逃離和親子式逃離，親子式逃離是先相聚在一起，然后再一起逃離。

而且，計算單個行人的動態(tài)引力場時，根據(jù)行人周圍的行人密度和分布狀況，行人分為可自由移動行人、移動受限行人和完全被困行人三類，判定方式如下。

假設行人Ped當前所占據(jù)的單元為Cell_currnet，Cell_currnet在行人Ped的離散靜態(tài)引力場中的值為Value，在行人的最大移動步長R范圍內(nèi)，離散靜態(tài)引力場值最小的單元為Cell_target，如果Cell_currnet到Cell_target之間不存在其他行人或障礙物，則行人Ped是可自由移動行人。

Cell_currnet到Cell_target之間存在其他行人或障礙物，且在其前進方向上存在行人Ped可直接到達的候選位置，則行人Ped是在直接前行方向受限、但可向側(cè)向移動的移動受限行人。

Cell_currnet到Cell_target之間存在其他行人或障礙物，并且其前進方向兩側(cè)也被其他行人或障礙物阻擋，此時行人Ped是完全被困行人。

而且，根據(jù)行人的類別，行人在下一時刻的位置由以下公式計算獲得，

R＝V^t·Δt (4)

式中，

Ped^t+1.x是t+1時刻行人Ped的X坐標，

Ped^t+1.y是t+1時刻行人Ped的Y坐標，

Ped^t.x是t時刻行人Ped的X坐標，

Ped^t.y是t時刻行人Ped的Y坐標，

R是Δt時間內(nèi)行人Ped的運動步長，

Cell是在行人Ped最大移動步長R范圍內(nèi)引力場值最小的柵格單元，

P_candidate是以行人Ped為中心點，最大移動步長R為半徑的弧長上行人Ped可移動的候選坐標，當行人Ped位于P_candidate點時，不與其他行人或障礙物存在沖突，并且距離Cell最近，

α是行人Ped坐標點與Cell中心點連線的傾角，

β是行人Ped坐標點與P_candidate連線的傾角，

V^t是t時刻行人Ped的運動速度，

Δt是t到t+1時刻的時間間隔，

Cell.y是Cell的中心點Y坐標，

Cell.x是Cell的中心點X坐標，

P_candidate.y是P_candidate的Y坐標，

P_candidate.x是P_candidate的X坐標。

本發(fā)明的有益效果在于：適用性強，適用于教室、影院、體育場、商場等各種室內(nèi)結(jié)構(gòu)；行人在連續(xù)空間上做連續(xù)運動，模擬精度高；通過動態(tài)引力場，可擴展各類個性和群體疏散規(guī)則。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的步驟框圖。

圖2規(guī)則矩形且無障礙場所的靜態(tài)引力場。

圖3不規(guī)則且有障礙場所的靜態(tài)引力場。

圖4動態(tài)引力場。

圖5行人的疏散狀態(tài)示意圖。

圖6模擬疏散過程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。

本實施例提供一種基于混合空間的室內(nèi)人員疏散模擬方法，如圖1所示，包括如下步驟。

步驟1、計算疏散場所的離散靜態(tài)引力場。

步驟2、根據(jù)行人的逃生策略計算單個行人的動態(tài)引力場。

步驟3、根據(jù)每個行人的動態(tài)引力場計算候選可移動位置。

步驟4、遍歷每個行人，重復步驟2和步驟3，直至所有行人全部疏散完成。

進一步的，當所述疏散場所為規(guī)則矩形的場所，且場所內(nèi)沒有任何障礙物時，將疏散場所進行柵格化，疏散場所的離散靜態(tài)引力場的計算公式為：

式中，S表示第i個單元的靜態(tài)引力場值，n表示出口的個數(shù)，X_i表示第i個單元的X坐標，Y_i表示第i個單元的Y坐標，表示第j個出口的X坐標，表示第j個出口的Y坐標。

如圖2所示，為具備四個出口的一個矩形場所的靜態(tài)引力場示意圖，顏色越深表示當前位置對行人的“吸引力”越大。在模擬行人疏散時，行人向“吸引力”大(即距離出口越近)的位置移動。作為出口的柵格單元通常有兩種定義方式：(1)所有緊鄰出口的單元均被定義為出口；(2)僅緊挨出口中點的單元被定義為出口。在本發(fā)明中，出口單元選擇第一種定義方式。公式1適用于規(guī)則矩形的房間，并且房間內(nèi)沒有任何障礙物的情況。

進一步的，如圖3所示，當所述疏散場所為不規(guī)則形狀的場所，且場所內(nèi)有障礙物時，其離散靜態(tài)引力場按照種子填充法進行計算，其計算過程如下。

步驟1.1、將疏散場所P進行柵格化，得到柵格化后的疏散場所單元集合G。

步驟1.2、選定疏散場所P中的一個出口E，找到距離E最近的單元的集合B，并將集合B中的每個單元賦值為0。

步驟1.3、以集合B為種子點，使用種子填充法遍歷疏散場所單元集合G中的每個單元，計算每個單元與其鄰域的曼哈頓距離。

步驟1.4、遍歷每一個出口，重復步驟1.2和步驟1.3，得到疏散場所P針對每個出口的靜態(tài)引力場集合F。

步驟1.5、遍歷疏散場所單元集合G中的每個單元，在靜態(tài)引力場集合F中取最小值作為每個單元的全局靜態(tài)引力場的值。

此種方式適用于布局結(jié)構(gòu)復雜，存在很多拐角，并且存在很多不利于行人疏散的障礙物的場所，例如寫字樓、商場等。

進一步的，為了保證模擬精度，在實際計算靜態(tài)引力場時，每個單元的大小為0.5m×0.5m(即所述柵格化分辨率為0.5m×0.5m)。

進一步的，所述行人的逃生策略包括單獨式逃離和親子式逃離，親子式逃離是先相聚在一起，然后再一起逃離。在實際疏散過程中，部分行人并不會單獨逃離，而是首先會尋找自己的親朋好友結(jié)伴而行(即親子式逃離)。在疏散模擬過程中，動態(tài)引力場用于模擬當行人采取親子行為等疏散模式時行人對其他行人的吸引力，如圖4所示。

進一步的，計算單個行人的動態(tài)引力場時，如圖5所示，根據(jù)行人周圍的行人密度和分布狀況，行人分為可自由移動行人、移動受限行人和完全被困行人三類，判定方式如下。

假設行人Ped當前所占據(jù)的單元為Cell_currnet，Cell_currnet在行人Ped的離散靜態(tài)引力場中的值為Value，在行人的最大移動步長R范圍內(nèi)，離散靜態(tài)引力場值最小的單元為Cell_target，如果Cell_currnet到Cell_target之間不存在其他行人或障礙物，則行人Ped是可自由移動行人(圖5中的行人1)。

Cell_currnet到Cell_target之間存在其他行人或障礙物，且在其前進方向上存在行人Ped可直接到達的候選位置，則行人Ped是在直接前行方向受限、但可向側(cè)向移動的移動受限行人(圖5中的行人2)。

Cell_currnet到Cell_target之間存在其他行人或障礙物，并且其前進方向兩側(cè)也被其他行人或障礙物阻擋，此時行人Ped是完全被困行人(圖5中的行人3)。

進一步的，根據(jù)行人的類別，行人在下一時刻的位置由以下公式計算獲得，

R＝V^t·Δt (10)

式中，

Ped^t+1.x是t+1時刻行人Ped的X坐標，

Ped^t+1.y是t+1時刻行人Ped的Y坐標，

Ped^t.x是t時刻行人Ped的X坐標，

Ped^t.y是t時刻行人Ped的Y坐標，

R是Δt時間內(nèi)行人Ped的運動步長，

Cell是在行人Ped最大移動步長R范圍內(nèi)引力場值最小的柵格單元，

P_candidate是以行人Ped為中心點，最大移動步長R為半徑的弧長上行人Ped可移動的候選坐標，當行人Ped位于P_candidate點時，不與其他行人或障礙物存在沖突，并且距離Cell最近，

α是行人Ped坐標點與Cell中心點連線的傾角，

β是行人Ped坐標點與P_candidate連線的傾角，

V^t是t時刻行人Ped的運動速度，

Δt是t到t+1時刻的時間間隔，

Cell.y是Cell的中心點Y坐標，

Cell.x是Cell的中心點X坐標，

P_candidate.y是P_candidate的Y坐標，

P_candidate.x是P_candidate的X坐標。

圖6為基于本發(fā)明模擬的不同時刻時人員疏散狀況，其中“step＝0”、“step＝20”、“step＝40”、“step＝60”、“step＝80”表示模擬的步數(shù)，第0步、第20步、第40步等，可令每一步等于0.1秒。

本發(fā)明綜合利用了基于離散空間模型的規(guī)則簡單性和高計算效率特性、基于連續(xù)空間模型的高仿真度的特性，適用于車站、商場、體育館等室內(nèi)大型復雜場所的人員疏散模擬。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進或變形，這些改進或變形也應視為本發(fā)明的保護范圍。