基于元胞自動(dòng)機(jī)的人員疏散仿真研究

1、孟俊仙，周淑秋，饒敏：基于元胞自動(dòng)機(jī)的人員疏散仿真研究2009,30(1 241 0引言人員聚集的大型場(chǎng)所如影劇院、體育館、商場(chǎng)、超市等具有人群密度高、流動(dòng)性大的特點(diǎn)，而且其建筑結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，一旦火災(zāi)發(fā)生，如果疏散不及時(shí)將造成嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，對(duì)人員疏散過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究，可對(duì)建筑的安全疏散性能給出合理的評(píng)估，為建筑的設(shè)計(jì)者和使用者提供一個(gè)合理的安全疏散方案。目前人員疏散的計(jì)算機(jī)仿真模型主要分為兩種類型1-4：第一類僅僅考慮建筑物及其各部分的疏散能力，這類模型通常叫做宏觀仿真模型，它以人群整體運(yùn)動(dòng)作為分析目標(biāo)，其對(duì)空間的構(gòu)造通常以節(jié)點(diǎn)和連接為單位，特點(diǎn)是計(jì)算速度快，但無(wú)法描述疏散

2、過(guò)程中人的行為細(xì)節(jié)，計(jì)算結(jié)果有較大的偏差。第二類模型不僅考慮建筑物空間的物理特性，而且考慮每個(gè)個(gè)體對(duì)火災(zāi)的響應(yīng)，通常叫做微觀仿真模型，它以人員在人群中的個(gè)體特性作為分析對(duì)象，依照一定算法來(lái)驅(qū)動(dòng)人員向出口行走，人的行為受到周圍環(huán)境、建筑物結(jié)構(gòu)等各種相互作用因素的影響。此類模型仿真度高，但計(jì)算量大，計(jì)算結(jié)果受驅(qū)動(dòng)算法的影響大。1元胞自動(dòng)機(jī)理論描述元胞自動(dòng)機(jī)(cellular automata ，CA 模型是最具代表性的微觀離散模型，最早由Von Neumann 和Ulam 提出。元胞自動(dòng)機(jī)作為一個(gè)時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散的數(shù)學(xué)模型框架，通過(guò)單元間的相互作用來(lái)構(gòu)造動(dòng)態(tài)演化系統(tǒng)，具有較強(qiáng)模擬各種物理系統(tǒng)

3、和自然現(xiàn)象的能力。這是元胞自動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、地學(xué)、生物等領(lǐng)域的原因。目前，人們已經(jīng)將元胞自動(dòng)機(jī)應(yīng)用到在交通流和行人流模型中，再現(xiàn)了真實(shí)交通流中各種現(xiàn)象的發(fā)展規(guī)律過(guò)程。元胞自動(dòng)機(jī)最基本的組成包括元胞(Cell ，元胞空間(Lattice ，鄰域(Neighbor ，規(guī)則(Rule 。元胞自動(dòng)機(jī)可以視為由一個(gè)元胞空間和定義在該空間的變換函數(shù)所組成，可以用一個(gè)四元組表示5-9(1式(1 代表一個(gè)元胞自動(dòng)機(jī)系統(tǒng)；是元胞的有限的離散的狀態(tài)集合；=(2,ÊÇÁÚÓòÄÚÔª°

4、51;µÄ¸öÊý£»ÊôÓÚ=(1,2, ,ÊDZ仯¹æÔò£¬Îª½«ÉϵÄÒ»¸ö¾Ö²¿ 作者簡(jiǎn)介：孟俊仙(1979 ，女，山西太原人，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)；周淑秋(19

5、67 ，女，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真技術(shù)；饒敏(1961 ，女，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)教學(xué)?；谠詣?dòng)機(jī)的人員疏散仿真研究孟俊仙1，周淑秋2，饒敏3(1. 首鋼工學(xué)院計(jì)算機(jī)系，北京100041；2. 中國(guó)勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院，北京100037；3. 首都師范大學(xué)，北京100037摘要：在人員聚集的大型場(chǎng)所，如果緊急事件發(fā)生則極有可能造成人員的大量傷亡，因此對(duì)人員疏散行為進(jìn)行深入研究，具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)分析已有的理論基礎(chǔ)，利用元胞自動(dòng)機(jī)原理建立了人員疏散數(shù)學(xué)模型。模型采用二維元胞自動(dòng)機(jī)技術(shù)，確定了元胞空間和元胞狀態(tài)，建立了人員疏散行為規(guī)則并著重探討了從眾行為和建筑結(jié)構(gòu)不同對(duì)疏散時(shí)

6、間的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，該疏散仿真模型更具真實(shí)性和合理性。關(guān)鍵詞：元胞自動(dòng)機(jī); 人群疏散; 疏散仿真; 仿真模型; 行為規(guī)則中圖法分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-7024(2009 01-0241-03Study on occupant evacuation simulation based on cellular automataMENG Jun-xian 1,ZHOU Shu-qiu 2,RAO Min 3(1. Shougang Institute of Technology, Beijing 100041, China; 2. China Institute of

7、Industrial Relations, Beijing 100037, China; 3. Capital Normal University, Beijing 100037, China Abstract ：When accidents occur in a large building of many people, it is very likely to cause injury or death. This makes the study of evacuation dynamics very necessary. Basic principle and structure of

8、 cellular automata (CA is analyzed, and occupant evacuation simulation model in big building is established by using CA rule. Based on math structure model, adopting the two-dimensional CA technology, the cellular space and cellular states are established, and the rule for person behavior is made. T

9、he influence of the following movement and different structures on the occupant behavior and evacuation time in several cases is mainly discussed. The results show that the evacuation simulation model is more real and reasonable.Key words ：CA; crowd evacuation; evacuation simulation; simulation mode

10、l; behavior rule計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)Computer Engineering and Design2422009,30(1 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)Computer Engineering and Design轉(zhuǎn)換函數(shù)。所有的元胞位于來(lái)確定。本文在已有模型理論的基礎(chǔ)上，將進(jìn)一步模擬同一疏散場(chǎng)所中不同人員可以根據(jù)自身情況采取不同的疏散行為模式，并著重探討了不同建筑結(jié)構(gòu)以及從眾心理對(duì)疏散產(chǎn)生的影響，從而使該模型更具合理性，模擬能力更強(qiáng)，為大型建筑的疏散方案提出合理的評(píng)估意見(jiàn)。2人員疏散模型的建立人員疏散模型的建立需要考慮眾多因素，如疏散空間的虛擬化，疏散路徑的選擇，疏散過(guò)程中人員行為的研究以及

11、各種影響因素的仿真，其中對(duì)人員行為進(jìn)行研究是疏散仿真研究的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。2.1疏散空間火災(zāi)發(fā)生在一定的區(qū)域，把疏散區(qū)域設(shè)定在一個(gè)二維的 在元胞空間中，每個(gè)元胞可以有以下幾種狀態(tài)：一被建筑或障礙物占據(jù)，二被人員占據(jù)，三為空。另外給元胞設(shè)定一個(gè)特殊的屬性來(lái)描述火災(zāi)場(chǎng)景的蔓延情況。如果該元胞的煙霧達(dá)到一定濃度仍有人員處于其中則會(huì)對(duì)人的生命造成一定的 威脅。所有元胞(除被建筑物占據(jù) 的狀態(tài)都在不斷的發(fā)生變化，t+1時(shí)刻的元胞狀態(tài)與t 時(shí)刻的狀態(tài)以及其周圍相鄰元胞的狀態(tài)相關(guān)?？梢圆捎肰on Neumann 或Moore 兩種狀態(tài)10，如圖1所示，其中黑色的元胞為中心元胞，灰色元胞為其鄰居。 2.2人員模

12、型的基本假定 (1 人員初始位置：人員處于元胞自動(dòng)機(jī)的某個(gè)單元格中，可以隨機(jī)產(chǎn)生或根據(jù)實(shí)際情況預(yù)先設(shè)定。(2 移動(dòng)方向：每個(gè)人員可以移動(dòng)到周圍4個(gè)或8個(gè)元胞 中，如果某個(gè)元胞被建筑物或人員占據(jù)，則不能移入。當(dāng)某個(gè)元胞的煙霧達(dá)到一定密度時(shí)，如果移入則有生命危險(xiǎn)。 (3 沖突檢測(cè)：當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)人員都選擇同一個(gè)單元格時(shí)則需要進(jìn)行沖突檢測(cè)。在此引入個(gè)體競(jìng)爭(zhēng)能力C來(lái)解決沖突問(wèn)題。表示疏散人員的個(gè)體特性，當(dāng)疏散人員為青壯年時(shí)，其 表示人員距該目 標(biāo)點(diǎn)的方向值，一般認(rèn)為目標(biāo)點(diǎn)處于人員的前后左右時(shí)其值大于處于4個(gè)對(duì)角線的方向距離值。如果競(jìng)爭(zhēng)力相同，則隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)順序進(jìn)行疏散。2.3人員疏散的基本行為規(guī)則火災(zāi)發(fā)生

13、后人員在疏散過(guò)程中的行為模擬包括如何避免碰撞、繞行、排隊(duì)、折返等各種復(fù)雜現(xiàn)象，對(duì)這些現(xiàn)象的模擬是疏散仿真研究的難點(diǎn)問(wèn)題之一。本文從人員在虛擬平面內(nèi)位置變化出發(fā)，提出了人員疏散遵循的基本規(guī)則，并在此基礎(chǔ)上模擬疏散過(guò)程中的復(fù)雜現(xiàn)象。首先，所有人員將根據(jù)其所處網(wǎng)格的狀態(tài)和鄰域內(nèi)所有網(wǎng)格的狀態(tài)來(lái)選擇領(lǐng)域網(wǎng)格吸引力概率最大的一個(gè)網(wǎng)格作為下一時(shí)間步的目標(biāo)網(wǎng)格，其次在疏散時(shí)人員總是以尋找距離自己最近的出口為目標(biāo)，這是最基本的行為模式；在考慮到火災(zāi)發(fā)生時(shí)，疏散過(guò)程中人員從眾心理的影響，趨向于選擇和別人相同的路線進(jìn)行逃離; 當(dāng)遇到火災(zāi)時(shí)，人員選擇繞行。圖2為人員下一步可能的移動(dòng)方向和概率。在此引入幾個(gè)概念參數(shù)作

14、為個(gè)體選擇疏散路線的主要依據(jù)。(1網(wǎng)格位置吸引力概率, ,(3式中：,網(wǎng)格,距離出口最大的網(wǎng)格距離值，min ,距離出口最小的網(wǎng)格距離值。距離疏散出口越近的網(wǎng)格，其位置吸引力概率越大，反之距離疏散出口越遠(yuǎn)，其位置吸引力概率越小。(2 網(wǎng)格方向吸引力概率：人員模擬過(guò)程中，個(gè)體每一步移動(dòng)都要先根據(jù)其視野范圍內(nèi)的所有人員的運(yùn)動(dòng)方向來(lái)做出決策，選擇一個(gè)最優(yōu)路徑。(4式中：一定范圍內(nèi)=(0, ,8 9個(gè)單元格人員移動(dòng)數(shù)量總和，0當(dāng)前人員所在位置。(3 火災(zāi)場(chǎng)景排斥力：火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員盡量選擇遠(yuǎn)離火源的路徑疏散，如果煙霧達(dá)到一定濃度，將對(duì)人員的生命造成威脅。1,×ʱ¿

15、;ÌÍø¸ñ,1,11,1,+1+1孟俊仙，周淑秋，饒敏：基于元胞自動(dòng)機(jī)的人員疏散仿真研究2009,30(1 243 實(shí)驗(yàn)中主要從以下幾種情形進(jìn)行對(duì)比分析：一是建筑內(nèi)結(jié)構(gòu)不同情況下人員的疏散狀況；二是在考慮出口吸引力和位置吸引力時(shí)，從眾行為的權(quán)重設(shè)定對(duì)疏散時(shí)間的影響。表1為相同時(shí)間步長(zhǎng)結(jié)構(gòu)不同時(shí)已疏散人數(shù)對(duì)照表。圖5為結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2兩種建筑結(jié)構(gòu)下人員疏散的過(guò)程圖。表1和圖5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在疏散初期，兩種建筑結(jié)構(gòu)下同一時(shí)間疏散人數(shù)相當(dāng)，到了疏散后期在結(jié)構(gòu)2中部分人員由于緊張慌亂迷失了方向，導(dǎo)致疏散時(shí)間延長(zhǎng)?？梢?jiàn)，建筑物內(nèi)的結(jié)構(gòu)特征對(duì)疏散效率有一

16、定的影響作用，建議在大型建筑物內(nèi)設(shè)置隔段或擺放大型物品貨架時(shí)其位置最好與出口位置相對(duì)，當(dāng)火災(zāi)或緊急事件發(fā)生時(shí)人員能夠快速對(duì)出口位置做出判斷。如果無(wú)法重新設(shè)置建筑物內(nèi)結(jié)構(gòu)，可以增加引導(dǎo)措施，便于人員找到出口位置。表2為從眾行為權(quán)重設(shè)定不同情況下所用疏散時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)照表。表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，s2=0.0時(shí)，只考慮出口吸引力單一因素其疏散過(guò)程所用時(shí)間較長(zhǎng)，通過(guò)增加從眾行為權(quán)重s2所占比值，疏散時(shí)間減小，疏散效率提高，當(dāng)s2=0.9時(shí)，由于大多數(shù)人員的盲目從眾，導(dǎo)致疏散效率下降，疏散所用時(shí)間變長(zhǎng)。試驗(yàn)結(jié)果表明從眾行為在疏散過(guò)程中具有一定的影響作用，是人員疏散行為研究必須考慮的一個(gè)主要因素，在從眾行為權(quán)重

17、設(shè)置得當(dāng)情況下可真實(shí)再現(xiàn)人員疏散的全過(guò)程。4結(jié)束語(yǔ)本文提出的基于元胞自動(dòng)機(jī)技術(shù)的大型建筑內(nèi)人員疏散行為模型，利用CA 在模擬復(fù)雜物理現(xiàn)象方面的優(yōu)勢(shì)，引入方向吸引力和火災(zāi)場(chǎng)景排斥力等因素，使得模型在模擬緊急情況下人員疏散路徑的選擇上更具合理性和真實(shí)性，但緊急狀況下的人員疏散仍是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，會(huì)受到周圍環(huán)境、人員心理和生理等多方面因素的影響，本文不可能全部涉及，許多相關(guān)問(wèn)題需要更深層次的探討和完善。參考文獻(xiàn):1張培紅, 陳寶智. 火災(zāi)時(shí)人員疏散行為規(guī)律J . 東北大學(xué)學(xué)報(bào), 2001,22(1 :54-56.2Helbing D.A fluid dynamic model for the m

18、ovement of pedes-trians J .Complex Systems, 1992(6 :391-415.(下轉(zhuǎn)第246頁(yè)圖3人員疏散仿真流程結(jié)束疏散結(jié)果分析與反饋顯示疏散所用時(shí)間人員是否疏散完畢建筑物內(nèi)疏散人員移動(dòng)到新的位置Time+對(duì)于建筑物內(nèi)的每個(gè)人員選擇下一步疏散位置人員是否疏散完畢YN N是否有火源Time=0輸入火源位置坐標(biāo)輸入人員位置和屬性參數(shù)初始化建筑空間位置開(kāi)始按照火勢(shì)蔓延趨勢(shì)計(jì)算下一步擴(kuò)散位置初始化火源位置信息YYN90725334175疏散結(jié)束圖5兩種建筑結(jié)構(gòu)下人員疏散過(guò)程(a t=0人數(shù)=90(b t=30人數(shù)=67(c t=70人數(shù)=26(d t=0人數(shù)

19、=90(e t=30人數(shù)=65(f t=70人數(shù)=36表2從眾行為權(quán)重設(shè)定不同所用疏散時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)照出口吸引力權(quán)重(s1從眾行為權(quán)重(s2疏散結(jié)束所用時(shí)間步長(zhǎng)S1=1.0S1=0.5S1=0.3S1=0.2S1=0.1S2=0.0S2=0.5S2=0.7S2=0.8S2=0.92462009,30(1 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)Computer Engineering and Design足P2P-IPTV 的應(yīng)用需求。對(duì)P2P-IPTV 體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究分析后，采用的搜索技術(shù)是基于Small World 理論的非結(jié)構(gòu)化搜索算法和DHT 的結(jié)構(gòu)化搜索算法。小世界重疊網(wǎng)協(xié)議(SWOP 旨在有效地尋找任何網(wǎng)

20、絡(luò)中的對(duì)象，特別是在嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況下，它可以采取高效率的方式進(jìn)入動(dòng)態(tài)的對(duì)象中。SWOP 是構(gòu)建在P2P 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最頂層，它并沒(méi)有影響P2P 網(wǎng)絡(luò)層所提供的功能，反而改善了查找對(duì)象的性能?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)采用基于DHT 的結(jié)構(gòu)化的搜索算法，但因其體系結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出高內(nèi)聚性，故可以把這些網(wǎng)絡(luò)分為一個(gè)個(gè)的小世界網(wǎng)絡(luò)，再通過(guò)超級(jí)節(jié)點(diǎn)把這些網(wǎng)絡(luò)資源聯(lián)接起來(lái)了。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中查找資源，每條文件索引都被表示成一個(gè)(K,V 對(duì)，K 稱為關(guān)鍵字，可以是文件名(或文件的其它描述信息 的哈希值，V 是實(shí)際存儲(chǔ)文件的節(jié)點(diǎn)的IP 地址(或節(jié)點(diǎn)的其它描述信息 和該信息來(lái)自相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)(是本地的，還是外部的小世界網(wǎng)絡(luò) 。而在超

21、級(jí)節(jié)點(diǎn)上還是采用了P2P 網(wǎng)絡(luò)，把這些超級(jí)節(jié)點(diǎn)連接形成一個(gè)環(huán)狀。在SWOP 網(wǎng)絡(luò)中8，用一個(gè)圓環(huán)作為合乎邏輯的代表，而它正是P2P 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)代表模型，并且通過(guò)SWOP 有利于揭示小世界(small world 對(duì)P2P 網(wǎng)絡(luò)的影響。定義SWOP 的一些參數(shù)如下：簇大小G ：簇中數(shù)最多節(jié)點(diǎn)數(shù)；簇距離d ：一個(gè)簇中相鄰節(jié)點(diǎn)間最大的Hash 間距離；在群集中k 距離連接的數(shù)量。SWOP 網(wǎng)絡(luò)中有兩種類型的節(jié)點(diǎn)(頭節(jié)點(diǎn)和內(nèi)節(jié)點(diǎn) 和兩種類型的鏈接(長(zhǎng)鏈接和簇鏈接 。長(zhǎng)鏈接連接兩個(gè)不同簇中的不同節(jié)點(diǎn)，簇鏈接連接同一簇中兩個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)。每個(gè)簇中只有一個(gè)頭節(jié)點(diǎn)，至少k 條長(zhǎng)鏈接和簇鏈接連接簇中的所有

22、節(jié)點(diǎn)。在簇中，一個(gè)內(nèi)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)連接頭節(jié)點(diǎn)的鏈接和一些連接簇中的其它節(jié)點(diǎn)的簇鏈接。在以上的設(shè)置中，一個(gè)內(nèi)節(jié)點(diǎn)i 能與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)j 通信指在簇中簇鏈接(假設(shè)i 和j 是連通的 和節(jié)點(diǎn)i 都能發(fā)送消息給它的頭節(jié)點(diǎn)，并且頭節(jié)點(diǎn)通過(guò)簇鏈接轉(zhuǎn)發(fā)該信息給節(jié)點(diǎn)j 。為了在不同的簇中的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)能夠互相的通信，節(jié)點(diǎn)i 首先發(fā)送消息給頭節(jié)點(diǎn)，然后頭節(jié)點(diǎn)通過(guò)長(zhǎng)鏈接(比較靠近目標(biāo)節(jié)點(diǎn)j 發(fā)送消息給節(jié)點(diǎn)j 。節(jié)點(diǎn)j 也是采用這種方式通信的。這個(gè)處理過(guò)程一直反復(fù)，直到消息被轉(zhuǎn)發(fā)到同一簇中和節(jié)點(diǎn)j 相同的節(jié)點(diǎn)。小世界網(wǎng)絡(luò)具有高度聚集的特性，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)的大部分的連接都連向附近的節(jié)點(diǎn)。基于小世界模型的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)也具備了該特性。因此，

23、如果能夠使邏輯環(huán)上鄰近的節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇臻g也是鄰近的，就可以保證大量應(yīng)用層鏈路限制在底層網(wǎng)絡(luò)的局部區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湟庾R(shí)。3結(jié)束語(yǔ)本文提出的基于P2P 的DHT 算法和基于Small World 理論的非結(jié)構(gòu)化搜索算法相結(jié)合的一種P2P-IPTV 體系結(jié)構(gòu)的模型，該模型繼承了DHT 和Small World 的固有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，可擴(kuò)展性好且易于實(shí)現(xiàn)管理，適合于面向Internet 上的文件共享、協(xié)同工作、電視點(diǎn)播的IPTV 的應(yīng)用。將P2P 技術(shù)和Small World 融入到IPTV 的機(jī)頂盒中，使用戶可以同時(shí)共享同一資源，可以用更低的成本提供更高質(zhì)量、更大容量的流媒體業(yè)務(wù)，大大降低了

24、投資風(fēng)險(xiǎn)。理論分析表明了P2P-IPTV 模型的應(yīng)用層鏈路的平均延時(shí)可以得到明顯的減少，而且鏈接遍歷的平均數(shù)也要低于傳統(tǒng)的DHT 。參考文獻(xiàn):1Bu T,Towsley D. On distinguishing between Internet power law topology generators J . Kermani P . Proc of INFOCOM. New York,USA:IEEE Computer Society Press,2002:638-647.2Faloutsos M, Faloutsos P , Faloutsos C. On power-law relati

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