一種實(shí)用的基于GIS的人員疏散模型

任競穎

（商丘師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，河南 商丘 476000）

近年來，在各種公共場所的人群聚集活動(dòng)越來越多，各種事故和緊急事件頻繁發(fā)生，直接威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全并帶來不同程度的經(jīng)濟(jì)損失。故對于大量人群聚集的場所，應(yīng)預(yù)先對人員的疏散方案進(jìn)行充分地準(zhǔn)備，做好各種應(yīng)急的疏散預(yù)案。地理信息系統(tǒng)（GIS）[1]在信息管理、空間分析和可視化表現(xiàn)等方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢，可以為人群的疏散模型研究提供全新的技術(shù)支持。

1 模型所基于的假設(shè)

人員疏散量化的基礎(chǔ)是對自然現(xiàn)象的觀測，疏散仿真系統(tǒng)也正是以幾條對疏散人群的觀測結(jié)果為建模的基礎(chǔ)的。從大量的分析結(jié)果可以看出，其中的一些是疏散人群行為的根本特征，而另一些則是由人的一些特征所導(dǎo)致的結(jié)果。為了盡量真實(shí)地模擬疏散人群的動(dòng)態(tài)，必須對模型進(jìn)行一些假設(shè)，從而體現(xiàn)出那些根本的、起決定性作用的因素的影響。

在疏散模型中，主要將體現(xiàn)以下幾條人群疏散時(shí)的特征[2]：

1）在疏散時(shí)，個(gè)人總是想選擇到最近的出口的最短路線；

2）疏散人員是清醒的，在疏散開始的時(shí)刻，同時(shí)同刻井然有序地進(jìn)行疏散，且在疏散過程中，不會(huì)中途返回選擇其他疏散路徑；

3）個(gè)人十分不愿意偏離其意愿的行進(jìn)方向，即使改方向已經(jīng)比較擁擠了，個(gè)人也不愿意繞路；

4）在一定的情況下，個(gè)人十分容易受周圍人的行為的影響，從而表現(xiàn)出一種盲從行為；

5）火災(zāi)的發(fā)展趨勢、指示信息和命令對疏散的人有很大的影響。

2 空間的模型化

2.1 空間格網(wǎng)的劃分與空間中的元素

在模型中，建筑平面被劃分成大小相等的正方形單元格，格子邊長為0.4 M[3]。待仿真的區(qū)域?yàn)楸粔统隹诎鼑膯卧窦?，而待疏散的每個(gè)人都用一個(gè)單獨(dú)的Agent來表示（在仿真術(shù)語中，作為研究對象的個(gè)人稱為Agent）[4]。

在空間中，文中主要考慮5種不同的元素：墻（包括障礙物），人，門，走道，火災(zāi)發(fā)生區(qū)域。

因此，加上單元格不被占據(jù)的情況，單元格共有5種狀態(tài)：被墻（或被障礙物）占據(jù)，被人占據(jù)，被門占據(jù)，被火災(zāi)區(qū)域占據(jù)，單元格為空。5種情況必居其一，且只能居其一。一個(gè)人也只能占據(jù)一個(gè)單元格。因此，人的位置不僅可以由其坐標(biāo)來顯示，也可以由其所處的單元格編號來表示。

對于空間及空間中的元素，采用圖層（FeatureLayer）來表示，主要包括格網(wǎng)圖層（線層，主要用來作為空間編輯圖形的參考）、墻圖層（面層）、火災(zāi)發(fā)生區(qū)域圖層（面）和Agent圖層（點(diǎn)層）等。

2.2 建筑物幾何結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境影響的建模

在疏散過程中，個(gè)人的行為要受諸多因素的影響。大體上說，這些因素可以分為兩大類。第一類，靜態(tài)的物理場景（即建筑物幾何結(jié)構(gòu)）對人行為的影響[5]；第二類，動(dòng)態(tài)的周圍環(huán)境對人的影響。

首先，建筑物的空間結(jié)構(gòu)是人做出行為判斷的最根本依據(jù)，其中出口的位置又是最重要的。疏散時(shí)人總是要選擇最近的出口，在模型中用一個(gè)參量—“距離場”來描述。對在仿真區(qū)域中任意的不為障礙物所占據(jù)的單元格，都有一個(gè)與之對應(yīng)的靜態(tài)場強(qiáng)值，它的大小為該單元格到達(dá)最近的出口的最短距離。顯然，對于表示出口的單元格，表示個(gè)人的Agent只要始終沿著靜態(tài)場的梯度方向，從場強(qiáng)高的地方移向低的地方，它的行動(dòng)路徑就是到達(dá)最近出口的最短路徑。在本模型中的靜態(tài)場中，一般給墻和被障礙物占據(jù)格設(shè)置比較大的場強(qiáng)值。這種用一個(gè)場來描述建筑空間信息的方法已經(jīng)為很多疏散仿真模型所采用，幾乎所有的離散微觀仿真模型和一部分連續(xù)模型都采用了類似的方法。 對于一個(gè)房間多個(gè)出口的空間結(jié)構(gòu)，模型中我們?nèi)匀灰噪x房間門的距離確定其靜態(tài)場，通過比較到多個(gè)出口的距離，按照一定的權(quán)，給門分配一定的單元格，在此單元格內(nèi)的人，則從該門出去。

其次，疏散中人的行為還要受一些別的因素的影響。比如說，某個(gè)地方著火了或者有清晰的指令要求人們到達(dá)某處，這些都會(huì)對人產(chǎn)生很大的影響。由于這些因素會(huì)隨著時(shí)間的流逝而變化，有可能哪個(gè)地方不能去，也有可能那個(gè)地方是人們要去的，在模型中統(tǒng)一以另一個(gè)參量—“動(dòng)態(tài)場”來描述。與靜態(tài)場類似，每一個(gè)不為障礙物所占據(jù)的單元格，都有一個(gè)與之對應(yīng)的動(dòng)態(tài)場強(qiáng)值。某單元格對個(gè)人的吸引力越高，則該格的場值越?。ㄅc距離場統(tǒng)一）。比如說，在疏散過程中有指令要求人員疏散至某處，則該地點(diǎn)的動(dòng)態(tài)場強(qiáng)值就小。在仿真時(shí)，就會(huì)吸引更多的Agent到達(dá)該處[5]?？傊谀Ｐ椭?，所有的對疏散的影響因素都被用“距離場”和“動(dòng)態(tài)場”描述。

2.3 房間、走道和樓層出口之間的關(guān)系處理

當(dāng)房間中的疏散人員離開房間后，連接房間和樓層出口之間的部分都屬于走道部分。對于復(fù)雜的建筑物來說，走道可能是多個(gè)入口、一個(gè)出口的空間，也可能是多個(gè)入口、多個(gè)出口的空間。入口是指與上一疏散通道相連的各房間單元，出口是指樓層的出口。

當(dāng)走道是多個(gè)入口、一個(gè)出口時(shí)，所有從房間等通道單元出來的人，都進(jìn)入了走道部分，他們的移動(dòng)目標(biāo)都是樓道出口。人們只需要按照離樓道出口最短的路線移動(dòng)，就可以完成疏散動(dòng)態(tài)的模擬。但是，當(dāng)走道是多個(gè)入口、多個(gè)出口時(shí)，即樓道出口有多個(gè)，那么所有人并不一定從一個(gè)出口出去，問題就復(fù)雜很多，國內(nèi)在這方面的研究成果非常少。此時(shí)，需要考慮哪些房間的哪部分人會(huì)從哪個(gè)出口出去，即需要給各個(gè)樓道出口分配一定的通過人數(shù)。文中根據(jù)房間的出口處的單元格到各個(gè)樓層出口的通道長度來定權(quán)分配，并確定房間內(nèi)疏散人員離開房間后會(huì)以哪個(gè)樓層出口為移動(dòng)的目的地。

3 建立人的模型

3.1 人員類型的建模

人員的行進(jìn)速度不僅與火災(zāi)事故現(xiàn)場的空間結(jié)構(gòu)狀態(tài)和事故狀態(tài)有關(guān)，而且受疏散人員年齡、性別、生理、心理及工作狀態(tài)等因素的影響，與人員的著裝及荷載情況、疏散人員的分布特點(diǎn)以及人員相互之間的社會(huì)關(guān)系有關(guān)[3]。由于時(shí)間和能力有限，將人群僅分為男人、女人、小孩和老人這4大類，且未對人群種類的速度與密度之間的關(guān)系以及各種影響人員速度的因素做深入的研究。假定人群的速度為常量值，如男人和女人的步行速度為1.2 m/s，用半徑為0.2 m的小圓表示。小孩和老人的步行速度為0.8 m/s，用半徑為0.12 m的小圓表示。通過對各種類型的人的屬性參數(shù)的計(jì)算，顯示其在建筑空間中的位置和動(dòng)態(tài)疏散的情況。人的屬性參數(shù)包括人所在單元格的狀態(tài)、單元格的靜態(tài)場值、疏散人員的速度等多種屬性。

國外學(xué)者Fruin建議一個(gè)人占據(jù)0.45 m×0.61 m的矩形面積[6]。根據(jù)我國人體的體厚與肩寬測量數(shù)據(jù)：按橢圓計(jì)算時(shí)人體的平均投影面積為0.164 m2；按矩形計(jì)算時(shí)人體的平均投影面積為0.197 m2。因此，從以上人體投影面積的相關(guān)數(shù)據(jù)，取一個(gè)中間量，選擇0.4 m×0.4 m的正方形方格為疏散人員的投影面積[7]。

3.2 人的行為的建模

微觀模型的重點(diǎn)在于單個(gè)人的建模，這也真是本模型的核心。本模型對于單個(gè)人，采用一個(gè)點(diǎn)圖層來表示，用人的初始位置的單元格編號來標(biāo)識(shí)人。同時(shí)，考慮到人移動(dòng)的速度，定義人的4方向?yàn)猷従?，如圖1所示，在仿真模型中，任意人在下一個(gè)時(shí)間段內(nèi)可能的位置有5個(gè)，即原來的位置加上相鄰的4個(gè)單元格。人依照一定的規(guī)則或算法在這5個(gè)格子中選取一個(gè)作為下一步所處的位置。

圖1 人的四方向行走圖Fig.1 The four direction map

對于某個(gè)人而言，它依照自己所處的單元格子加上相鄰4格共5格的狀態(tài)，從中選擇一個(gè)單元格作為自己下一時(shí)間段所處的位置。假設(shè)它在t時(shí)刻的位置的單元格編號為（i，j），則其他相鄰的 4個(gè)格子的單元格編號分別為 （i，j-1）、（i-1，j）、（i，j+1）和（i+1，j）。 若 5 個(gè)格子中某個(gè)單元格被別的人或者障礙物占據(jù)，稱之為不可達(dá)格，賦予其對應(yīng)的屬性值；否則稱為可達(dá)格，賦予其對應(yīng)的屬性值。

3.3 人的行為沖突的協(xié)調(diào)

首先所有個(gè)體做出決策，對應(yīng)的單元格編號和將移動(dòng)到的下一個(gè)單元格的編號存放到一個(gè)數(shù)組中，當(dāng)兩個(gè)個(gè)體同時(shí)走向同一單元格時(shí)，規(guī)定只有一個(gè)個(gè)體不移動(dòng)，而另外一個(gè)個(gè)體不移動(dòng)，保持原來的位置。

4 實(shí)現(xiàn)疏散模型的關(guān)鍵技術(shù)

模型是以元胞自動(dòng)機(jī)更新規(guī)則為基礎(chǔ)，結(jié)合了多自主體、人工智能等研究思路建立起來的。模型的基本框架是將建筑物平面進(jìn)行均勻的網(wǎng)格劃分，每個(gè)網(wǎng)格或被墻壁或其他障礙物占據(jù)、或被人員占據(jù)、或者為空。每個(gè)網(wǎng)格必須是這3種狀態(tài)中的一種，而且只能有一種狀態(tài)。模型中人員的運(yùn)動(dòng)將遵循一定的局部規(guī)則并具有一定的智能性，其行為會(huì)隨周圍環(huán)境的變化做出相應(yīng)的調(diào)整。

模型中每個(gè)元胞對應(yīng)0.4 m×0.4 m的空間，規(guī)定每個(gè)時(shí)間步每個(gè)人員都只能動(dòng)一格。模型局部的運(yùn)動(dòng)規(guī)則在每個(gè)時(shí)間步有兩個(gè)基本問題需要解決，一是路線的選擇問題，二是如何解決當(dāng)多于一人同時(shí)競爭一個(gè)空格點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的沖突。模型中，賦予每個(gè)人員所在網(wǎng)格一個(gè)靜態(tài)場值，場值越小，表明該元胞（即網(wǎng)格）對人員的吸引力的越大，各出口點(diǎn)的場強(qiáng)值為0，對人們的吸引力最大。所有人員將根據(jù)其周圍鄰域內(nèi)的所有元胞的狀態(tài)和靜態(tài)場值來選擇一個(gè)相鄰的元胞作為下一步的移動(dòng)目標(biāo)，當(dāng)多個(gè)人員競爭同一個(gè)網(wǎng)格時(shí)，只能有一個(gè)留下，其他的回到原來的網(wǎng)格。如圖2所示。

圖2 四方向行走及其行走概率Fig.2 Four direction and walking probability

用元胞自動(dòng)機(jī)模擬一個(gè)物理過程，省去了用微分方程作為過渡而直接通過指定簡單的規(guī)則來模擬非線性物理現(xiàn)象[3]。也就是說，元胞自動(dòng)機(jī)具有利用簡單的、局部規(guī)則的和離散的方法描述復(fù)雜的、全局的、連續(xù)系統(tǒng)的能力。

5 疏散模型的試驗(yàn)

疏散模型在應(yīng)用前，需要驗(yàn)證以確定其預(yù)測功能?；馂?zāi)中的人員疏散是一項(xiàng)十分復(fù)雜的過程，即使試驗(yàn)條件控制得非常好，也需要進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。因?yàn)?，即使是重?fù)進(jìn)行由多人參加的真實(shí)疏散演習(xí)，得出的結(jié)果也不會(huì)相同。由于篇幅有限,僅對單一房間內(nèi)人員的疏散進(jìn)行描述。

單一房間是指疏散空間只有一個(gè)出口的單元建筑物空間。下面選用一個(gè)長6 m、寬4 m的單一房間，出口寬度為1.2 m，隨機(jī)分布了10個(gè)人的狀態(tài)。其在幾種時(shí)刻下的疏散狀態(tài)如圖3所示。

從圖3中，可以看出，對于人數(shù)來說，24 m2的空間相對很大，人口密度僅為0.42人/m2，總共疏散時(shí)間為6 s，人群沒有發(fā)生過度擁擠的情況。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)模型可以很好的重現(xiàn)實(shí)際觀察到的“同向人同道”現(xiàn)象。因此，該模型可以在行人運(yùn)動(dòng)和人員疏散研究工作中起到相應(yīng)的作用。

6 結(jié) 論

圖3 單一房間人員疏散圖Fig.3 Single room evacuation map

由于實(shí)際工作的需要和其理論上的價(jià)值，對人群運(yùn)動(dòng)規(guī)律，特別是疏散中人群的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，近來逐步成為公共安全研究的一個(gè)熱點(diǎn)。最主要的研究方法是建立疏散仿真系統(tǒng)，對各種情況下的運(yùn)動(dòng)做出模擬。文中在現(xiàn)有的各種仿真模型的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)基于GIS的微觀離散疏散仿真模型，并在此模型基礎(chǔ)上開發(fā)了相應(yīng)的仿真系統(tǒng)。通過仿真系統(tǒng)的試驗(yàn)，可以看出通過仿真來研究人群的疏散有很大的優(yōu)勢。人員疏散本身是比較復(fù)雜的，涉及到人的心理素質(zhì)、文化背景、教育、生活習(xí)慣等難以量化的因素，這些影響因素很難準(zhǔn)確地用數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行描述，必然造成模擬計(jì)算結(jié)果的偏差，仿真軟件不可能完全模擬人員在火災(zāi)過程中的行為，模擬得到的疏散時(shí)間不可能做到十分精確，強(qiáng)調(diào)某一個(gè)模型的計(jì)算精度在幾秒鐘之內(nèi)是沒有必要的，值得重視的是應(yīng)該對不同疏散場景的比較，以找出可能出現(xiàn)的最不利位置，從而優(yōu)化疏散路線的設(shè)計(jì)。

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