疏散模擬軟件STEPS與Pathfinder對比研究

1、疏散模擬軟件STEPS與Pathfinder對比研究杜長寶基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金（BK20131117）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程（PAPD）。,2,3，朱國慶1,2,3，李俊毅1,2,3（1. 中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3. 中國礦業(yè)大學(xué) 消防工程研究所，江蘇 徐州 221116）摘要：為了解兩款疏散模擬軟件STEPS與Pathfinder的功能差異及適用范圍，本文采用理論研究與實(shí)際模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行對比分析。研究發(fā)現(xiàn)：STEPS軟件采用元胞自動(dòng)機(jī)（CA）模型，疏散規(guī)則簡單，

2、人員智能化程度低，疏散時(shí)人員行為特征與現(xiàn)實(shí)情況不完全相符，但路徑?jīng)Q策系統(tǒng)很好地解決了上述問題，可以很真實(shí)地模擬常態(tài)下人員疏散；Pathfinder軟件采用Agent-base模型，人員智能化程度高，個(gè)體可以回應(yīng)環(huán)境刺激，人員可以輕松規(guī)避障礙物，人群中的個(gè)體行為特征豐富且與現(xiàn)實(shí)情況十分相符，但在出口選擇上存在缺陷，只能選擇前方的出口而忽略后方的出口，不能模擬常態(tài)下人員疏散。分析得出Pathfinder模擬結(jié)果與真實(shí)情況相符程度更高，STEPS更適合模擬常態(tài)下人員疏散。關(guān)鍵詞：疏散；STEPS；元胞自動(dòng)機(jī)；Pathfinder；Agent-baseComparative Study on Evac

3、uation Simulation Software STEPS and PathfinderDU Chang-bao1,2,3, ZHU Guo-qing1,2,3,LI Jun-yi1,2,3(1 School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou Jiangsu 221116, China 2 Ministry of Education Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines, Xuzhou Jiangsu 221

4、116, China3 Fire Research Institute, China University of Mining and Technology, Xuzhou Jiangsu 221116, China） Abstract: To know the different of two evacuation simulation software STEPS and Pathfinder in function and scope, this paper uses the analysis method of combining the theoretical research an

5、d practical simulation. Found that STEPS theory model is cellular automata (CA), its evacuation rules is simple and intelligence degree is low, the evacuation behavior is not completely consistent with reality, but path decision system solved the problems. In addition, STEPS can simulate the normal

6、population. Pathfinder has a high intelligence degree, its individual can respond to environmental stimuli and also can easily avoid obstacles. Besides, the individual also has a rich attribute that strictly conform to the reality. But it has some flaws in door choice system, individuals can only ch

7、oose the front direction ignoring the back, and can't simulate the normal evacuation. Finally, concluded that the intelligence degree of Pathfinder is high and its simulation results match the real better, STEPS is more suitable for simulating normal evacuation.Keywords: Evacuation, STEPS, Cellu

8、lar Automata, Pathfinder, Agent-base1引言以往人員疏散的研究主要集中在對火災(zāi)現(xiàn)場的觀察分析，對幸存者的訪談?dòng)涗?，對統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的擬合整理。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對火災(zāi)中人員逃生行為的研究，逐漸由人工數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)仿真模擬分析。根據(jù)原理的不同，目前國內(nèi)外已經(jīng)提出了多種疏散仿真模型，主要分為離散模型和連續(xù)模型兩大類。離散模型能很好研究人員的逃生時(shí)間和路線選擇問題，連續(xù)模型重點(diǎn)研究了人的心理對逃生過程的影響1-6。本文選取基于離散模型（元胞自動(dòng)機(jī)）的疏散軟件STEPS和基于連續(xù)模型（Agent-base）的疏散軟件Pathfinder進(jìn)行對比分析，

9、研究人員疏散時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，給出疏散軟件使用的不同場景，為從業(yè)者提供選擇軟件的依據(jù)。2疏散模型的分類研究疏散模型是研究人員疏散的基礎(chǔ)。依據(jù)模型中對人描述詳細(xì)程度的不同，將模型分為運(yùn)動(dòng)模型、部分行為模型和行為模型。依據(jù)對物理平面模化方法的不同，將模型分為離散模型和連續(xù)模型7。依據(jù)對人員特征表示方法的不同，將模型分為個(gè)體分析模型和群體分析模型8。目前國內(nèi)外學(xué)者對疏散模型的研究主要集中在離散模型和連續(xù)性模型，如元胞自動(dòng)機(jī)模型（離散模型）、Agent-base模型（連續(xù)性模型）。2.1元胞自動(dòng)機(jī)模型元胞自動(dòng)機(jī)（Cellular Automata，簡稱CA）是定義在一個(gè)具有離散、有限狀態(tài)的元胞組成的元胞空

10、間上，并按照一定的局部規(guī)則，在離散的時(shí)間維度上演化的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。該模型最早由馮諾依曼提出9。CA模型主要由元胞狀態(tài)集、鄰域和局部映射函數(shù)構(gòu)成。元胞自動(dòng)機(jī)模型將平面均勻地劃分為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的矩形網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格視為平面的基本單位，被稱為元胞。每個(gè)元胞只有兩個(gè)元素0，1，被稱為元胞的狀態(tài)集，每個(gè)元胞都有對應(yīng)的積分值如圖1所示。CA模型的鄰域通常分為兩種，von Neumann模型和Moore模型，如圖2所示。元胞的所有狀態(tài)同步更新，更新規(guī)則如公式（1）所示。 為鄰域元胞在t時(shí)刻的狀態(tài)，f為映射規(guī)則。圖1 網(wǎng)格積分von Neumann鄰域Moore鄰域圖2 元胞鄰域2.2 Agent-base模型目前

11、，關(guān)于Agent的定義有許多種，國外學(xué)者Wooldridge給出的弱定義被廣泛的接受，即：Agent是具有主動(dòng)性、自治性、社會(huì)性和反應(yīng)性的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)10。Agent-based便是基于Agent概念建立的一種模型。Agent-based模型利用Agent表示系統(tǒng)中的個(gè)體，并利用Agent的不同屬性及其之間的交互關(guān)系，來描述系統(tǒng)的行為。結(jié)合簡單的行為規(guī)則和Agent之間的交互關(guān)系，復(fù)雜系統(tǒng)便呈現(xiàn)出了群體的智能性。系統(tǒng)中的個(gè)體不但能夠在環(huán)境中生存，而且具有自適應(yīng)性，能夠很好地適應(yīng)環(huán)境并優(yōu)化它們的行為。Agent-based模型中個(gè)體行為由Agent間兩兩相互作用來決定，在大規(guī)模人群疏散過程中與真實(shí)

12、情況符合程度不太理想10。3疏散軟件介紹目前，國內(nèi)外已提出50多種疏散仿真軟件7。根據(jù)對物理空間?；绞降牟煌瑢④浖譃槿?。精細(xì)網(wǎng)格模型，如CRISP、EVACNET、EXIT89等11 ；粗糙網(wǎng)格模型，如Building EXODUS、STEPS、SIMULEX等12 ；連續(xù)模型，如Legion、Pathfinder、MOMAD等13。本文選取STEPS和Pathfinder兩款疏散軟件進(jìn)行對比研究。3.1基于離散模型的STEPS軟件STEPS是基于經(jīng)典元胞自動(dòng)機(jī)理論的大型三維疏散模擬軟件14。由英國Mott MacDonald公司設(shè)計(jì)編寫，目前廣泛應(yīng)用于地鐵、飛機(jī)場、辦公樓、大型購物中

13、心等場所的人員疏散模擬。STEPS人員疏散過程主要包括以下五個(gè)方面：繪制建筑幾何模型，設(shè)定人員參數(shù)，將平面網(wǎng)格化，計(jì)算網(wǎng)格積分，人員路徑選擇決策。其中，平面網(wǎng)格化和計(jì)算網(wǎng)格積分在本文2.1中已有論述，在此不再贅述，本節(jié)重點(diǎn)介紹STEPS中人員如何進(jìn)行路徑?jīng)Q策。STEPS提供了豐富的建模工具，如Shapes , Planes , Exits , Stairs , Lifts , Blockage , Location等。由于STEPS可以模擬地鐵的人員疏散，因此還提供了vehicles工具。軟件中對人員幾何特征的描述有身高、肩寬和胸厚。軟件提供了8種不同特征的人員類型，如乘坐輪椅、攜帶手提包、攜

14、帶拉桿箱等。軟件提供了兩種定義人員步行速度的方法，一是由用戶設(shè)定，二是隨機(jī)正態(tài)分布。STEPS中給出了一套復(fù)雜的行人路徑?jīng)Q策過程，包括以下步驟：1) 計(jì)算直接到達(dá)出口的時(shí)間和在出口處的排隊(duì)時(shí)間 式中，D為積分潛力表中到達(dá)出口的最短路徑的距離；v為人員行走速度，由用戶設(shè)定；N為在當(dāng)前用戶之前到達(dá)出口的人數(shù)；F為出口人流量，由用戶設(shè)定。2) 計(jì)算步行調(diào)整時(shí)間和排隊(duì)調(diào)整時(shí)間 式中，D2為隊(duì)尾距出口的距離，由緊挨著當(dāng)前用戶前面一個(gè)人員的潛力積分表得到；v為人員行走速度，由用戶設(shè)定；N2為當(dāng)前用戶到達(dá)隊(duì)尾時(shí)已經(jīng)離開出口的人數(shù)；F為出口人流量，由用戶設(shè)定。3) 計(jì)算實(shí)際步行時(shí)間和實(shí)際排隊(duì)時(shí)間 4) 計(jì)算結(jié)

15、合耐心指數(shù)后的預(yù)計(jì)排隊(duì)時(shí)間 式中，為排隊(duì)系數(shù)；Patience為耐心指數(shù)，由用戶設(shè)定，取值范圍0,1。5) 計(jì)算到達(dá)出口的最終用時(shí)3.2基于連續(xù)模型的Pathfinder軟件Pathfinder是由美國Thunderhead Engineering公司開發(fā)的基于Agent技術(shù)的疏散模擬軟件。軟件中人員運(yùn)動(dòng)模式包括SFPE模式和Steering模式15-16兩種。SFPE模式以人員流量為基礎(chǔ)，人員會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到最近的出口，人員不會(huì)相互影響，但列隊(duì)將符合SFPE假設(shè)。Steering模式是路徑規(guī)劃、指導(dǎo)機(jī)制、碰撞處理相結(jié)合控制人員運(yùn)動(dòng)。如果人員間的距離或最近點(diǎn)的路徑超過某一閾值，可以再生新的路徑，以

16、適應(yīng)新的形式。Pathfinder軟件模擬疏散過程包括以下三個(gè)方面：繪制建筑幾何模型，設(shè)定人員參數(shù)，人員路徑選擇決策。Pathfinder提供了實(shí)用的建模工具，如Polygonal Room , Rectangular Room , Thin Wall , Thick Wall , Stairs , Ramp , Door等。軟件中對人員特征的描述有肩寬和身高。用戶可以設(shè)定出口對行人的吸引程度、行人可以通過的最小寬度、人員最大步行速度等。疏散過程中實(shí)際步行速度由公式（11）計(jì)算確定。Steering模式中人員路徑?jīng)Q策系統(tǒng)步驟如下：1）計(jì)算當(dāng)前期望速度和加速度大小 式中，k為疏散速度常數(shù)，平面和

17、坡道取1.4 m/s，樓梯則按表1取值；為最大步行速度，由用戶設(shè)定；為加速時(shí)間，由用戶設(shè)定。踏面高度/m踏面寬度/mk0.190.241.000.180.271.080.170.301.160.170.331.23表1 疏散速度常數(shù)k圖3 人員運(yùn)動(dòng)方向2）計(jì)算每個(gè)方向的權(quán)值，最小權(quán)值的方向?yàn)閷?shí)際運(yùn)動(dòng)的方向 式中，為各方向上的權(quán)值；為各個(gè)方向與seek曲線在該點(diǎn)切線的夾角，seek曲線已內(nèi)置于軟件內(nèi)，Pathfinder中人員可能選擇的方向?yàn)閳D3所示的180度范圍。3）計(jì)算最小權(quán)值方向期望速度和加速度大小 式中，為0或，由系統(tǒng)根據(jù)人員當(dāng)前位置判斷得到；為最小權(quán)值方向向量；為當(dāng)前路線上最大加速度；

18、為當(dāng)前方向的速度大小。4）移動(dòng)到下一個(gè)位置 式中，為下一時(shí)刻的速度；為下一時(shí)刻的位置；為更新步長，由用戶設(shè)定。重復(fù)上述步驟，直到人員離開出口。4疏散模擬場景對比場景一：單室雙門模型（平面尺寸：20 m40 m，門寬1.7 m）由圖4可以看出：Pathfinder中，人員直接涌向附近出口，沒有人員在兩個(gè)出口之間來回走動(dòng)現(xiàn)象。STEPS中，人員先移動(dòng)到出口正前方直線區(qū)域，然后向出口移動(dòng)，并且存在部分人員在兩個(gè)出口之間來回走動(dòng)現(xiàn)象。Pathfinder假設(shè)行人知道整個(gè)房間所有信息，包括出口方位、路況好壞等，系統(tǒng)為每個(gè)行人計(jì)算一個(gè)seek曲線，由初始位置指向出口方向。圖4(a)中房間沒有障礙物遮擋，所

19、以人員直接走向出口。因?yàn)镻athfinder中人員只會(huì)在正前方180度視野范圍內(nèi)修正方向，所以不會(huì)出現(xiàn)人員在中途轉(zhuǎn)向另一個(gè)出口現(xiàn)象。STEPS中人員按照網(wǎng)格積分值由高到低的方向移動(dòng)，由本文1.1節(jié)圖2知，人員走向出口正前方直線的積分差值為-1，走向出口積分差值為1，沿對角線走向出口積分差值為。所以，人員傾向于先走向出口正前方的直線，再走向出口。由于出口對人的吸引作用，導(dǎo)致人員路徑有一個(gè)向出口方向的傾角。由于STEPS的路徑?jīng)Q策系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前出口的疏散時(shí)間，當(dāng)該出口的疏散時(shí)間較大時(shí)，人員會(huì)放棄當(dāng)前出口轉(zhuǎn)向新出口。由于新出口的疏散時(shí)間增大，原出口疏散時(shí)間減小，又會(huì)有人放棄新的出口，如此反復(fù)直到

20、疏散結(jié)束，因此出現(xiàn)有部分人員在兩個(gè)出口之間反復(fù)來回走動(dòng)現(xiàn)象。（a）Pathfinder模擬結(jié)果（b）STEPS模擬結(jié)果圖4 單室雙門模型疏散過程圖場景二：障礙物模型（平面尺寸：20 m40 m，障礙物間縫隙均為1.0 m，門寬1.7 m）由圖5可以看出：Pathfinder中，人員會(huì)繞過障礙物選擇新的路徑繼續(xù)疏散。STEPS中，人員大多擁堵在積分值較低的障礙物縫隙前面，大部分人員不會(huì)繞過障礙物選擇新的路徑進(jìn)行疏散。Pathfinder中，當(dāng)障礙物阻擋了人員seek曲線時(shí)，系統(tǒng)會(huì)重新計(jì)算所有方向的權(quán)值，人員會(huì)沿著最小權(quán)值方向不斷修正路線，最終繞過障礙物繼續(xù)疏散。STEPS中，人員僅僅按照網(wǎng)格積分

21、值由高到低的順序移動(dòng)，障礙物縫隙處積分值較低，所以擁堵在該縫隙附近。(a) Pathfinder模擬結(jié)果(b) STEPS模擬結(jié)果圖5 障礙物模型疏散過程圖場景三：長廊模型（長廊尺寸：30 m1 m，門寬1.7 m）由圖6可以看出：Pathfinder中，長廊入口處人員無序的擁擠在一起，長廊內(nèi)存在人員試圖超越現(xiàn)象。STEPS中，長廊入口處人員按照幾何形狀有序地排列，長廊內(nèi)人員沿直線順序前進(jìn)。Pathfinder中，走廊前人員無序擁擠更符合真實(shí)情況。雖然走廊寬度為1.0 m人員肩寬為0.45 m，寬度上允許兩人并排行走。但軟件中人與人、人與墻之間的碰撞處理系統(tǒng)，使得人與人、人與墻之間存在最小距離

22、和邊緣效應(yīng)。所以，后面人員無法超過前面行人。STEPS中，人員的移動(dòng)嚴(yán)格按照網(wǎng)格積分值的高低順序，所以才會(huì)出現(xiàn)人員擁擠時(shí)人群形狀為嚴(yán)格的幾何形狀且橫豎方向隊(duì)列整齊。（a）Pathfinder模擬結(jié)果(b) STEPS模擬結(jié)果圖6 長廊模型疏散過程圖5結(jié)論1）Pathfinder是基于Agent-base的疏散軟件，物理空間連續(xù)，模型中個(gè)體有著豐富的屬性和接近實(shí)際的能力，人與人、人與墻之間有著一套完整的碰撞處理機(jī)制，與真實(shí)情況較為接近。STEPS是基于元胞自動(dòng)機(jī)的疏散軟件，物理空間離散，模型中個(gè)體為無意識(shí)粒子按照積分值由高到低的方向移動(dòng)，規(guī)則簡單，與真實(shí)情況接近程度較差。2）Pathfinder

23、中人員選擇出口、規(guī)避障礙物、排隊(duì)超越等現(xiàn)象展現(xiàn)了個(gè)體豐富的屬性，突出了人群中個(gè)體特征。軟件假設(shè)人員知道房間所有出口信息，人員選擇出口都是最合理的，忽略了人群中個(gè)體的從眾心理。小規(guī)模疏散人群效應(yīng)較小，模擬結(jié)果與真實(shí)較為接近，大規(guī)模疏散結(jié)果相對差一些。STEPS中人為無意識(shí)的粒子，疏散過程僅由積分值決定，沒有人員應(yīng)有的特征。但軟件的路徑?jīng)Q策系統(tǒng)使得人員在選擇出口時(shí)與真實(shí)情況較為接近，在一定程度上彌補(bǔ)了前面的不足，大規(guī)模人群疏散時(shí)能表現(xiàn)出部分人群特征，較符合真實(shí)場景。3）STEPS可以模擬常態(tài)下的人員疏散，可以給定人員特定動(dòng)作，如在某處停留特定時(shí)間、在某處排隊(duì)等，還可以指定人員從哪里進(jìn)入建筑物、從哪

24、里離開、疏散過程途經(jīng)哪些地方。可以模擬常態(tài)下大型場所人群的分布、運(yùn)動(dòng)等規(guī)律。而Pathfinder僅能模擬緊急狀態(tài)下人員疏散，人員只能由當(dāng)前位置向出口方向移動(dòng)。參考文獻(xiàn)1 Helbing D, Molnar P. Social force model for pedestrian dynamicsJ. Physical review E, 1995, 51(5): 4282.2 宋衛(wèi)國, 于彥飛, 范維澄, 等. 一種考慮摩擦與排斥的人員疏散元胞自動(dòng)機(jī)模型J. 中國科學(xué): E 輯, 2005, 35(7): 725-736.3 黃麗麗, 朱國慶, 張國維, 等. 地下商業(yè)建筑人員疏散時(shí)間理論計(jì)

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