在紧急情况下,供人员疏散的出口为【基于元胞自动机理论的紧急人员疏散模拟】

　　摘 要：基于元胞自动机原理，建立了紧急情况下人群疏散模型，并利用Visual Basic 6.0开发了可视化模拟仿真程序.在疏散模拟的仿真实现中，为了简化算法，使用墙体和障碍物把复杂建筑平面分割成凸多边形区域，然后利用门道把各个凸多边形区域联系起来构成一个整体的疏散平面空间.利用程序对建筑设计方案进行人员疏散模拟，可以找出建筑方案出现严重拥堵现象的临界人数，以论证建筑布局是否符合安全设计要求，并为建筑布局的改进提供参考.�
　　关键词：人员疏散;元胞自动机; 疏散模拟; 凸多边形区域�
　　中图分类号：TP391.9 文献标识码：A
　　
　　Emergency Evacuation Simulation Based on Cellular Automata Theory
　　��
　　GUO Yu-rong1,2�, GUO Lei1, XIAO Yan1,2�
　　(1. College of Civil Engineering, Hunan Univ, Changsha，Hunan 410082, China;�
　　 2. Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency, Ministry of Education, Changsha，Hunan 410082, China)
　　Abstract: An emergency evacuation simulation model was constructed on the basis of cellular automata theory, and the corresponding visual simulation program was developed by using Visual Basic6.0. In order to simplify the algorithm in the implementation of evacuation simulation, walls and obstacles were used to divide the complex building plane into convex polygon regions, and then, doorways were used to link those regions to form a whole evacuation space. The program can be used for the evacuation simulation of buildings to figure out the critical number of occupants evacuated when serous congestion happens, so as to verify whether building layout satisfies the requirement of safety design standards, and therefore to improve the building layout.�
　　Key words:evacuation; cellular automata; evacuation simulation; convex polygon region
　　��
　　
　　紧急情况下，公共场所内人群的安全疏散是建筑防灾设计的研究热点.在对人员疏散行为进行研究时，进行大规模的实际演练操作比较复杂，不易实现，因此计算机仿真成为建筑物安全疏散性能研究的主要手段.�
　　人员疏散模拟主要有两类模型［1-2］.第1类是流体动力模型［3］，仅考虑建筑物各部分的疏散能力，疏散方向和疏散速度仅由物理因素决定，比如人群密度、出口疏散能力等，忽略了人群中的个体特性，将人群的疏散作为一种整体运动.第2类是元胞自动机模型，它最早是由Neuman提出来的［4］.元胞自动机是由大量简单一致的个体通过局部联系组成的离散、分散及空间可扩展系统，元胞自动机在每一个离散的时间步进行演化，以实现对人员疏散过程的全程动态模拟.它不仅考虑了建筑物的物理特性，而且将每个人当作一个主动因素，例如考虑人与人之间的相互作用，人与建筑物之间的相互作用，以及人根据自身的位置选择出口等.该模型可以准确地表示疏散空间的几何形状及内部障碍物的位置，并在疏散的任何时刻都能将每个人员置于准确的位置.�
　　杨立中等［5-9］基于元胞自动机理论对人群疏散做了大量研究工作，并且实现了人群疏散仿真，取得了一定成效.但是他们的算法模型只适用于大型空旷建筑物的人群疏散的模拟，对具有多个房间的复杂建筑平面的人群疏散模拟则不太适用.为了解决该问题，笔者提出凸多边形区域分割法，以实现具有多个房间的复杂建筑平面的人群疏散模拟.该方法简化了元胞位置吸引力算法，而且还可以进一步添加楼梯通道，把各楼层联系起来模拟多层建筑的人群疏散.�
　　1 疏散模型的建立�
　　模型的基本框架是将建筑物平面均匀地划分为连续的元胞, 每个元胞或被墙壁占据、或被其他障碍物占据、或被人员占据、或者为空.分布在元胞中的人在每一个离散的时间步，从自身所在的元胞移动到相邻的元胞，直到建筑物内所有人成功从出口疏散出去.模型局部的运动规则在每个时间步有两个基本问题需要解决, 包括路线的选择以及如何解决当多于一人同时竞争一个元胞时产生的冲突［5］.�
　　1.1 疏散人群的路线选择�
　　人员疏散路线的选择是研究的重点.在模型中本文采用Moore型邻域［10］确定人员候选目标元胞，如图1所示，即人员只能向相邻8个方向的元胞运动.首先剔除不存在或被障碍物占领的元胞，然后用下面的公式来确定人员对元胞的选择：�
　　�P(i,j)=［Dis(i,j)Fa(m)+Dir(i,j)(1－Fa(m)］�
　　f(i,j)Pa�(m)K(i,j).�(1)�
　　式中：�P�(�i,j�)为人员向元胞(�i,j�)运动的概率；�K�(�i,j�)为元胞(�i,j�)的状态，�K�(�i,j�)=1表示该元胞已经被人占据了，�K�(�i,j�)=0表示该元胞处于空置状态；�Pa�(�m�)为人员�m�的耐心指数，取值为0.1～1.0；�Fa�(�m�)为人员�m�对环境的熟悉度，取值为0.0～1.0；�Dis�(�i,j�)为元胞(�i,j�)的位置吸引力；�Dir�(�i,j�)为从众倾向力；�f�(�i,j�)为重复走过的元胞(�i,j�)的吸引力降低系数.�
　　模型中，当人对环境的熟悉度大时，位置吸引力在选择路线时的权重就大，也就是在疏散过程中，位置吸引力占主导地位；相反，当人对环境的熟悉度小时，从众倾向力在疏散过程中就要占主导地位.�
　　位置吸引力�Dis�(�i,j�)根据元胞离最近出口的距离来确定.一般来说，离出口越近的元胞，其位置吸引力越大.位置吸引力的具体计算公式为［8］：�
　　�Dis(i,j)=D���max� －D��i,jD���max� －D���min� .�(2)�
　　式中：�D���max为候选的所有元胞到各出口最近距离的最大值；�D���min为候选的所有元胞到各出口最近距离的最小值；�D��i,j�为元胞(�i,j�)到各出口距离的最小值.�
　　从众倾向力�Dir�(�i,j�)是指当人对所处的环境不是很熟悉的时候，在紧急情况下他不能很快地找到最近的出口，这时候他就会有一种从众的心理，看到往哪个方向跑的人多，他就会往那个方向跑.其具体计算公式为［8］：�
　　�Dir(i,j)=N��i,j∑m�k=1N�k�.(3)�
　　式中:�N��i,j�为截止到目前为止，走过候选元胞(�i,j�)的人数；�∑m�k=1N�k�为截止到目前为止，所有候选元胞走过的人数之和.式（3）的意义在于，元胞经过的人数越多，则方向吸引力越大.�
　　当人不能很快地做出判断选择最近的逃逸路线，而且从众倾向力也不够的时候，他就会根据对环境有限的了解，摸索出一条逃逸路线，也就是已经走过的元胞对他的吸引力会降低.元胞吸引力降低系数�f�(�i,j�)具体计算公式为：�
　　�f(i,j)=αn��i,j� .(4)�
　　式中:�α�为降低系数，取0.5～0.9；�n��i,j�为人员走过元胞(�i,j�)的次数.�
　　1.2 疏散人群竞争同一个元胞单元的冲突处理�
　　在紧急情况下的人群疏散行为中引入人员个体竞争力［8］，解决多人竞争同一个元胞而发生的冲突，使疏散过程更符合现实情况.在对个体竞争力进行定义时需要考虑个人的身体强弱状况和体能状态、人员当前的运动方向和运动距离等因数.个体竞争力的具体计算公式如下：�
　　�Conp=HCD2�π�－β�π�� .(5)�
　　式中:�HC�为人员当前的身体强弱状况和体能状态，取值为1～10，�HC�取值越大表示身体越强壮、体能越好，那么竞争力越强；�D�为当前元胞到目标元胞的距离值，如图1所示，当目标元胞为�C，E，F，H�时，�D�=�R�，当目标元胞为�B，D，G，I�时，�D=2R� (�R�为元胞的尺寸)，从当前元胞到目标元胞的距离值�D�越大，竞争力越弱；�β�为人员当前运动方向与目标运动方向的夹角，取值为�0�~π��，运动方向调整会引起对目标元胞竞争力的下降.�
　　解决了路线选择和人员竞争冲突问题后，疏散模拟时，还需要遵循以下人员疏散行为规则：�
　　1）把时间和空间离散，人在每一个时间步只能移动一格到相邻的任意一个可进入的元胞，且每一个元胞只能同时容纳一个人.�
　　2）人会选择最短的路径走向离自己最近的�出口.�
　　3）人对环境越熟悉，越容易选择最近的路线逃离，反之就越难找到最近的路线，而且产生较强的从众倾向. �
　　4）当人通过理性判断选择的元胞被其他人暂时占有的时候，他需要考虑是选择排队等待还是绕道.�
　　5）引入个体竞争力，处理多人竞争同一个元胞单元的情况，竞争胜出的人进入元胞，失败者呆在原元胞等待.�
　　上述的人员疏散行为规则都是基于人的理性行为得出来的.在紧急情况下，人出于本能的应急反应，希望自己能尽快地从建筑物内逃出，所以每个人会选择沿最短路径逃生.�
　　2 疏散模拟仿真的实现�
　　根据上述疏散模型，笔者采用Visual Basic 6.0编制了一个可视化人群疏散模拟程序VCAES.�
　　VCAES可用于超市、地铁等大型空旷建筑物的疏散模拟，该类场地只有一级出口，没有房间分割的问题，疏散人员只需要直接往出口方向疏散.此外，该程序还可以用于办公楼等房间数目较多的复杂建筑平面的疏散模拟.该类场地中，疏散人员首先需要跑出房间的门口，进入走廊，然后从走廊的出口疏散.可以把房间的门看作一级出口，走廊的出口看作更高一级的出口.为了实现多房间复杂建筑平面的疏散模拟，笔者提出凸多边形区域分割法.该方法用墙体和障碍物把复杂建筑平面分割成凸多边形区域，把凸多边形边界无墙体和障碍物的区段作为门道，然后利用门道把各个凸多边形区域联系起来构成一个整体的疏散平面空间.由于在凸多边形区域中已经没有任何障碍物，使得元胞到该区域各门道的最短路径都是直线，因此简化了元胞位置吸引力算法.�
　　根据建筑学人体活动空间尺寸，模型中每个元胞定为0.45 m×0.45 m的规格.另根据各地区各时期观察研究得出的人员紧急情况下的步行速度�v�(m/s)，即可算出每个时间步长为0.45/�v� s.�
　　疏散模拟程序的大致流程如下.�
　　第1步：输入建筑平面布置图和疏散人数，建筑平面元胞划分；把设定数量的人员随机地分布到元胞中；�
　　第2步：依据人所处的环境，求出人移动到某个元胞的概率，然后进行概率排序，确定每个人下一步进入的元胞；�
　　第3步：当出现多人选择一个元胞时，进行个体竞争，胜出者移动，失败者留在原元胞；不存在竞争现象的人直接进入上一步选定的元胞；�
　　第4步：判断是否所有的人都从建筑物内安全疏散出去了，如果没有完成，则进入下一个时间步长，返回第2步继续进行.如果完成了，则计算出疏散的总时间.�
　　3 疏散模拟程序的算例分析�
　　利用开发的模拟程序，可以输入人数、人员属性、建筑平面布局等属性进行疏散模拟，实时地观察疏散的进程，并且得到最后疏散所需的总时间.疏散人员开始是随机布置在建筑平面内，所以会造成相同疏散人数因为分布位置不同，疏散时间也不一样.为减少疏散人员随机分布对疏散时间的影响，对同一疏散人数做7次随机布置分析，剔除其中最小疏散时间值，取剩下6次的平均值作为该疏散人数相应的疏散时间.�
　　3.1 地铁站人员疏散模拟分析�
　　地铁站台的尺寸为36 m×9 m,两个出口宽度为3.6 m，站台上有8根0.9 m×0.9 m的柱子.疏散模拟场景如图2和图3所示，图中小圆圈代表人，人数400个，步行速度1.125 m/s.分析结果如图4所示.�
　　由图4可知，当地铁站的疏散人数到达250时，曲线的曲率增大，表示疏散已经出现了排队等待现象；当疏散人数达到600时，曲线的曲率增大幅度更大，表示疏散已经开始出现严重的拥堵现象了.若地铁站使用期预期的高峰人数大于600，则要考虑增大出口的宽度，以防止出现严重的拥堵现象，避免踩踏事故的发生.�
　　3.2 办公室人员疏散模拟分析�
　　办公室的尺寸为30 m×14.25 m，两个走廊出口的宽度为1.35 m，每个房间门的宽度为0.9 m.本文进行了2种不同办公室房门布局情况的模拟分析，区别在于中间那间办公室房门位置不一样.疏散模拟场景如图5和图6所示，人数170，疏散人员的步行速度1.125 m/s.分析结果如图7所示.�
　　由图7可知，当办公室的疏散人数在70以下时，布局1的疏散时间要少于布局2的疏散时间，而当疏散人员超过90时，布局1的疏散时间要大于布局2的.因为疏散人数在70以下的时候，还未出现排队拥堵现象，而且办公室布局1的中间房间的人员全部选择往左边近的走廊出口疏散，所以这部分人疏散路径比布局2中的要短，总的疏散时间也要少.当疏散人数超过90时，办公室布局1的中间房间的人员还是会选择往左边近的走廊出口疏散，这样会造成走廊左边出口的拥堵；而布局2中间房间的人员从房间里面出来之后，到走廊左右两边出口的距离相等，所以人员会往两边的出口分流，在出口处的拥堵现象不如布局1严重，所以总的疏散时间要少于布局1.综上所述，在建筑设计时，可以根据使用期预期的最大人数，选择采用适合的办公室布局方案.�
　　4 结 论�
　　在公共场所的建筑设计中，需要考虑建筑平面布局、出口位置及尺寸对人群疏散的影响.本文基于元胞自动机理论开发了紧急情况下人员疏散模拟程序.应用该程序对建筑设计方案进行前期的人员疏散模拟，得到疏散人数对疏散时间的曲线，通过对曲线的分析，可以得到建筑布局出现轻微拥堵现象、严重拥堵现象时的疏散人数.然后对比建筑物使用期内的预期最大室内人数，判断紧急情况下人员疏散时，是否会发生严重拥挤现象，以论证建筑布局是否符合安全设计要求，并为建筑布局的改进提供参考.�
　　建筑物内人群疏散行为是一个非常复杂的问题，它不仅涉及到工程学，还涉及社会学、心理学、运动学等相关领域，而且还受突发事故性质等方面的影响.人群疏散下一步的研究重点应该考虑人群疏散的速度与人群密度的相关性，并且考虑疏散时人群中各个人员步行速度的差异性，以便更真实地模拟实际情况.此外，本文的疏散建模仅考虑单层建筑平面，对于多层建筑中的疏散模拟，还需要考虑楼梯等因素的影响.�
　　
　　参考文献�
　　［1］ ZHENG Xiao-ping, ZHONG Ting-kuan, LIU Meng-ting. Modeling crowd evacuation of a building based on seven methodological approaches［J］. Building and Environment, 2009,44(3):437-445.�
　　［2］ GWYNNE S,GALEA E R,OWEN M.A review of the methodologies used in the computer simulation of evacuation from the built environment［J］. Building and Environment, 1999,36(6):741-749.�
　　［3］ 王志刚.地下大型商场火灾时期人员疏散计算机模型［J］.火灾科学,2001,10(1):57-61.�
　　WANG Zhi-gang. An occupant evacuation model for the underground shopping mall during fire incidents［J］.Fire Safety Science, 2001,10(1):57-61.(In Chinese)�
　　［4］ NEUMAN J V. Theory of self-reproducing automata［M］. Urbana, Illinois: University of Illinois Press, 1966：1-10. �
　　［5］ 杨立中,李建,赵道亮,等.基于个体行为的人员疏散微观离散模型［J］.中国科学E辑：工程与材料科学,2004,34(11):1264-1270.�
　　YANG Li-zhong,LI-Jian,ZHAO Dao-liang,�et al�. Micro-discrete evacuation model based on individual behavior［J］. Science in China:Ser E， Engineering & Materials Science, 2004, 34(11): 1264-1270. (In Chinese)�
　　［6］ 刘真余,芮小平,董承玮,等.元胞自动机地铁人员疏散模型仿真［J］.计算机工程与应用,2009,45(27):203-205.�
　　LIU Zhen-yu,RUI Xiao-ping,DONG Cheng-wei,�et al�.Simulation of urgent evacuation in subway station based on cellular automation［J］.Computer Engineering and Application, 2009, 45(27):203-205. (In Chinese)�
　　［7］ 周淑秋,孟俊仙,刘真.大型建筑物人员疏散仿真系统及实现［J］.计算机仿真,2009,26(6):191-194.�
　　ZHOU Shu-qiu, MENG Jun-xian, LIU Zhen. Implementation of occupant evacuation simulation system in large buildings［J］.Computer Simulation, 2009, 26(6):191-194.(In Chinese)�
　　［8］ 崔喜红,李强，陈晋，等.大型公共场所人员疏散模型研究――考虑个体特性和从众行为［J］.自然灾害学报,2005,14(6):133-140.�
　　CUI Xi-hong, LI Qiang, CHEN Jin,� et al�. Study on occupant evacuation model in large public place: to consider individual character and following behavior［J］.Journal of Natural Disasters,2005,14(6):133-140.(In Chinese)�
　　［9］ YUAN J P, FANG Z, WANG Y C, �et al.�Integrated network approach of evacuation simulation for large complex buildings［J］.Fire Safety Journal, 2009, 44(2):266-275.�
　　［10］赵文杰,刘兆理.元胞自动机在环境科学中的应用［J］.东北师大学报:自然科学版,2003,35(2):87-92.�
　　ZHAO Wen-jie, LIU Zhao-li.The application of celluar automata in environmental sciences［J］.Journal of Northeast Normal University: Natural Sciences Edition, 2003,35(2):87-92.(In Chinese)
　　

推荐访问:自动机 疏散 紧急 基于元胞自动机理论的紧急人员疏散模拟 利用元胞自动机模拟生态安全格局 元胞自动机如何编写