基于GIS的大型場館人員疏散模型

摘要：由于大型場館內(nèi)的人員聚集帶來的疏散效率降低和踩踏風(fēng)險加大，人員疏散己成為在大型場館內(nèi)組織開展活動需要首先予以關(guān)注的基本問題。根據(jù)大型場館的空間特點和個體的疏散模型，采用地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System簡稱GIS）對場館人員建立疏散模型，采用定量評估的方法選取較不利火災(zāi)場景模擬火災(zāi)發(fā)展情況，并檢查人員疏散模型的合理性，具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：疏散模型；地理信息系統(tǒng)；定量評估

中圖分類號：TP18文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1673-9671-(2012)042-0182-01

近年來，人們經(jīng)常到大型場館參加文體活動或參觀游覽，正常和緊急情況下的人員疏散預(yù)案和現(xiàn)場指揮至關(guān)重要。隨著國家的城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，人員在大型場地的高度聚集活動越來越多，極易發(fā)生人群擁擠擠踏事故。大型場館是封閉性的，人群的疏散出口也是極其有限的，這樣直接導(dǎo)致增加疏散難度。地理信息系統(tǒng)（GIS）在空間分析、信息管理、可視化表現(xiàn)等方面有較強(qiáng)的優(yōu)勢，可以為人群疏散模型提供全新的技術(shù)支持。

1模型的假設(shè)

人員疏散因為要同時考慮到人員的心理、行為以及周圍的環(huán)境等因素因此這是一個復(fù)雜的問題，本文中的模型建立主要是從行為方面考察人員的疏散情況。從大量的分析結(jié)果可以看出，其中一部分是人群疏散中的根本特征，而另一部分則是由于人的某些特征導(dǎo)致的。為了使疏散人群的動態(tài)模擬更具真實性，這要求需對模型進(jìn)行一些假設(shè)，從而在此基礎(chǔ)上將根本的、決定性作用的因素加以體現(xiàn)。

在疏散模型中，人群疏散時特征主要體現(xiàn)為以下幾條。

1）在疏散時，個人總是想選擇最近且最短的出口路線。

2）在疏散最開始的時候，人員是清醒的，最初的疏散過程中是井然有序的進(jìn)行，不會出現(xiàn)中途折返以及改變疏散路線的

情況。

3）個人原意愿即使在行進(jìn)方向已經(jīng)非常擁擠的情況下也不愿意偏離、繞路。

4）在一定的情況下，個人行為易受周圍人的影響，這樣易表現(xiàn)出一種盲從的行為。

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建立空間模型

本文研究的模型是以元胞自動機(jī)更新規(guī)則為基礎(chǔ)，在模型中，建筑物被劃分成格子邊長為0.4 m的正方形單元格。待疏散的人員個體用一個單獨的Agent來表示。可以利用GIS建立模擬實體，這樣在簡化仿真建模過程的基礎(chǔ)上形象地描述了疏散空間內(nèi)部的變化，并且因為GIS特有的空間數(shù)據(jù)組織形式為建模中可視化獲取表達(dá)提供了方便。用于組織GIS空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型主要有柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)，本文主要運(yùn)用矢量數(shù)據(jù)來建立模型，研究考慮模型的要素主要有五種：障礙物，人，門，走廊，火災(zāi)發(fā)生區(qū)域。矢量數(shù)據(jù)模型主要有點、線、面（區(qū)）組成，本文采用圖層來表示，主要包括網(wǎng)格圖層（線層，用來描述建筑物圖形空間編輯）、障礙物層（面層）、火災(zāi)發(fā)生區(qū)域?qū)樱鎸樱┖虯gent層（點層）。

3建立人的模型

3.1人的行為建模

研究人群疏散的行為主要從微觀的角度出發(fā)，以個體行為作為研究對象，這也是本模型的核心。在模型中，對于單個人采用一個點圖層來表示，用人的初始位置的單元格的編號來標(biāo)識人。按照元胞自動機(jī)的理論，模型分為Von Neumann型鄰域（八方向鄰域）和Moore 型鄰域（四方向鄰域），在本文中，考慮到人移動的速度，采用Moore 型鄰域，如圖1所示。對于某個個體，自己所處的單元格加上周圍的4個格子，共同組成了評判自己行為的精細(xì)網(wǎng)格。在t時刻，選一個自己的單元格編號為（i，j），其他4格的編號按矩陣形式排列，其他4格可能是空白，也可能是障礙物，還可能是除自己以外的個體或者是人群，具有不確定性。

3.2人的行為的沖突檢測

在現(xiàn)實生活中，人群都是按照自己的意志實現(xiàn)自己的行為，作為單個個體，在出現(xiàn)緊急疏散的情況下，會與周圍的個體形成競爭，這就造成了人員行為的沖突。以圖2的單元格為例，編號為（i，j）在t+1時刻要向有利于自己行為的單元格（i+1，j）移動，同時另外一個個體也向編號為（i+1，j）移動，兩個個體發(fā)生沖突，如果單元格（i+1，j）對（i，j）的引力大于另外的個體，則（i，j）順利占據(jù)單元格，反之，（i，j）則呈停滯等待狀態(tài)。

4實現(xiàn)模型的關(guān)鍵技術(shù)

模型采用ArcGIS Engine構(gòu)建，ArcGIS Engine是一組功能完備的并且打包的嵌入式GIs組件庫和工具庫，開發(fā)人群可用來創(chuàng)建新的或擴(kuò)展已有的桌面應(yīng)用程序。使用ArcGIS Engine，開發(fā)人群可以將GIS功能嵌入到已有的應(yīng)用軟件中，如自定義行業(yè)專用產(chǎn)品；或嵌入到商業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用軟件中，如Mirosoftf word和Excel；還可以創(chuàng)建集中式自定義應(yīng)用軟件，并將其發(fā)送給機(jī)構(gòu)內(nèi)的多個用戶。ArcGIS Engine最主要的對象庫有：Geomeny庫、Display庫、Geodatabase庫。

5模型試驗的結(jié)果

假定大型場館是兩個出口，出口的寬度為1.5m，隨機(jī)分布了15個人的狀態(tài)，幾種時刻下的疏散狀態(tài)如圖3所示。

從圖3中可以看出，人員的疏散呈現(xiàn)出一種方向相同的人群會向一個出口行進(jìn)，人群不會發(fā)生過度擁擠的情況，也體現(xiàn)出人員疏散行為的特性。

6結(jié)論

建立了一個基于GIS的微觀離散疏散仿真模型，可以更好的觀察人員在疏散過程中行為的變化。在實驗的基礎(chǔ)上，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，涉及的因素很多，有些因素是難以量化的，很難用數(shù)學(xué)的模型來描述。仿真不可能完全模擬人員在火災(zāi)過程中的行為，只有通過對不同的疏散模型進(jìn)行比較，找出最優(yōu)的方案，從而優(yōu)化疏散路線，為人們的生活提供應(yīng)急保障。

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