三維疏散仿真平臺研究與開發(fā)

●蔡 蕓，李勝利，邢 君，王躍琴

(武警學院 消防工程系，河北廊坊 065000)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，體量大、人員密集的大型公共建筑越來越多，一旦發(fā)生火災(zāi)人員逃生困難。建筑防火設(shè)計時，這些建筑的功能需求有時會采用新技術(shù)、新工藝、新材料，突破現(xiàn)行規(guī)范的要求，為此須采用性能化防火設(shè)計方法。疏散仿真平臺是性能化疏散設(shè)計的必備工具，可為大型集會及公共建筑疏散預(yù)案和滅火救援預(yù)案的制定、滅火救援仿真訓(xùn)練、疏散逃生仿真訓(xùn)練、人員疏散行為特征采集和人群疏散行為規(guī)律研究提供工具支持。隨著采用性能化方法進行防火設(shè)計的建筑不斷增多，對疏散仿真平臺的需求日益增加。目前國內(nèi)性能化防火疏散設(shè)計多采用國外開發(fā)的商業(yè)軟件，常用的疏散軟件有 buildingEXODUS、Simulex、STEPS、EXIT89、EVACNET、EXITT等。這些軟件采用的疏散原則及疏散基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與我國人員的實際情況差異較大，且軟件價格較高。因此，公安部應(yīng)用創(chuàng)新項目“三維疏散仿真平臺研究與開發(fā)”課題組通過對疏散模型與仿真軟件的特點分析，確定采用針對我國人群疏散行為特征構(gòu)建的元胞自動機模型開發(fā)三維疏散仿真平臺。本文主要介紹三維疏散仿真平臺CDS研究內(nèi)容及其應(yīng)用。

1 構(gòu)建三維疏散仿真平臺CDS的基本原則

CDS疏散仿真平臺的構(gòu)建采用基于我國人群疏散行為特征的元胞自動機模型，以Visual C++6．0為開發(fā)環(huán)境。其構(gòu)建原則基于以下幾個方面:

1．1 適合我國人群疏散特征

為準確模擬人群疏散行為，CDS的構(gòu)建應(yīng)充分考慮我國人群疏散特征，比如突發(fā)事故中人群一般不會排隊有序疏散，而是盡量占據(jù)對自己疏散有利的位置，爭取自己盡早疏散。再如，在商場等公共場所中，顧客很少知道商場的所有出口，而是只清楚面臨主要街道的出口，這樣會造成出口的不均勻利用，延長總體疏散時間。

1．2 仿真結(jié)果準確

這是疏散仿真平臺的基本要求，主要包括要能準確模擬預(yù)想的疏散行為、單個人的疏散時間及對外安全出口的通行系數(shù)符合等。

1．3 操作簡單，使用方便

該原則是衡量疏散仿真平臺易用性的重要依據(jù)。課題組在建筑結(jié)構(gòu)的表示、樓梯模型及人員模型上均進行精心設(shè)計。為形象表示人群疏散過程，軟件設(shè)置二維顯示和三維立體顯示兩種方式。

1．4 可擴展性強

疏散仿真平臺具有廣泛的應(yīng)用前景，除常規(guī)的疏散模擬之外，還可在此基礎(chǔ)上開發(fā)其他功能，如開發(fā)疏散風險評估系統(tǒng)與體驗式疏散仿真系統(tǒng)等。

2 疏散仿真平臺CDS的研究

疏散仿真平臺CDS由建筑模型的導(dǎo)入、網(wǎng)格的自動剖分、人員模型的構(gòu)建、人員行走規(guī)則、模擬結(jié)果的顯示5部分組成。

2．1 建筑模型的導(dǎo)入

CDS選擇讀取Autocad的DXF格式文件構(gòu)建建筑模型，可直接導(dǎo)入DXF格式的Autocad圖紙?？紤]圖紙?zhí)攸c及軟件編制的簡單高效性，CDS只讀取Autocad圖紙的線段、圓和圓弧，且識別后把圓和圓弧轉(zhuǎn)化為線段。最后采用特定格式的文本文件方式建立疏散模型。CDS導(dǎo)入的DXF格式圖紙如圖1所示。

圖1 CDS導(dǎo)入的DXF格式的圖紙

在導(dǎo)入圖紙后，關(guān)鍵點是樓梯的構(gòu)建。本著操作簡單與使用方便的原則，疏散平臺構(gòu)建開發(fā)直跑樓梯和雙跑樓梯兩種模型。對于雙分對折樓梯、剪刀樓梯等其他形式的樓梯可由用戶采用直跑樓梯與雙跑樓梯兩種基本形式的樓梯拼成。在建立雙跑樓梯的模型時，首先確定樓梯位置，然后確定樓梯原點，以此位置為基點，確定樓梯方向，用樓梯與水平軸的夾角表示。之后確定指出第一跑的位置，每跑踏步數(shù)、踏步高及寬度、梯段寬度和休息平臺的深度，如圖2所示。

圖2 雙跑樓梯模型輸入界面

2．2 網(wǎng)格的自動剖分

為模擬任何復(fù)雜建筑中的人員疏散過程，CDS設(shè)有網(wǎng)格自動剖分功能。用戶在建筑內(nèi)任意一點單擊鼠標，軟件以此點為起點，向四周逐步循環(huán)劃分網(wǎng)格，遇到障礙物時自動終止，遇到疏散通道時自動通過，直至劃分完整棟建筑，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格剖分示意圖

2．3 人員模型的構(gòu)建

CDS可設(shè)置人員的行走速度、對出口的熟悉程度及顏色，如圖4所示。CDS設(shè)置3種人員生成方法:(1)在需要放置人員的地方用鼠標左鍵點擊;(2)在當前樓層隨機添加指定個數(shù)的人員，如圖5所示;(3)為所有樓層隨機添加指定個數(shù)的人員，各樓層人員按面積大小分配。人員類型共有10組，不同類型的人員可輸入性別、人數(shù)比例、平地及上下樓的行走速度，且每類人員的平地速度又可選擇呈常值、均勻、正態(tài)3種分布中的1種。

圖4 人員的基本設(shè)置框圖

圖5 人員添加

2．4 人員行走規(guī)則

人員疏散時一般按最短的疏散距離進行疏散，因此在模擬時需先建立距離勢圖。距離勢圖是疏散模型中以安全出口為起始點計算出的各點至安全出口的最小距離。距離勢圖的形成與網(wǎng)格剖分類似，以安全出口為計算的起始點，迭代計算各網(wǎng)格的勢值。人員行走時由高勢網(wǎng)格向低勢網(wǎng)格或等勢網(wǎng)格行走。當人員目標網(wǎng)格有兩個以上時，隨機選擇一個作為前進方向。當兩個以上人員競爭同一網(wǎng)格時，隨機抽取決定獲勝人員。如圖6所示，人員位于建筑右下角網(wǎng)格①，其勢值為 2．9，與之相連的有三個網(wǎng)格，勢值分別為 2．2、2．4 和 2．7，因此人員下一步向勢值最小的網(wǎng)格②前進，隨后依③→④→⑤→⑥順序最終到達安全出口。對人員不知道部分出口的現(xiàn)象，CDS采用降低部分出口勢值的措施模擬。對于部分人員不知道建筑全部出口的現(xiàn)象，CDS把安全出口分為主要出口和次要出口，按所有安全出口和僅由主要出口分別計算勢圖，分別供清楚全部出口人員和只知道主出口人員選擇最近出口疏散。

圖6 人員行走規(guī)則

當人群密度較小時，由于人員之間的相互影響較小，人員行走速度取決于人員自身屬性，包括性別、年齡及心理等。當人群密度較大時，人員行走受到前方人員影響，速度隨人群密度增大而減小。國外對人員行走速度與人員密度的關(guān)系進行了深入研究，CDS采取了Predtechenskii＆Milinskii研究結(jié)果與Togawa，Ando和Aoki等人研究結(jié)果的平均值作為本平臺模擬的取值。

2．5 模擬結(jié)果的顯示

模擬過程中，可在CDS的標題欄查看當前疏散時間，可在狀態(tài)欄查看疏散人數(shù)。模擬結(jié)束后即可查看模擬結(jié)果。疏散時間顯示在CDS軟件的標題欄，軟件的“結(jié)果”菜單主要用于查看每個安全出口的使用情況。安全出口每時刻逃出的人數(shù)保存于“模擬結(jié)果．csv”文件。該文件為文本文件，可用記事本或excel軟件查看。“模型的三維顯示與控制”部分選用OpenGL為三維圖形開發(fā)應(yīng)用程序接口。以Visual C++6．0為開發(fā)環(huán)境，通過MFC框架調(diào)用OpenGL函數(shù)進行三維模型開發(fā)。通過OpenGL直接對建筑進行建模;利用3D MAX建立人物模型，然后導(dǎo)入OpenGL中編程，利用OpenGL讀取和操作人物模型。在顯示函數(shù)中完成三維模型顯示與控制，包括創(chuàng)建三維建筑模型、顯示人物模型、實現(xiàn)人物行走動畫、實現(xiàn)場景漫游的控制，如圖7所示。

圖7 模擬結(jié)果演示

3 結(jié)束語

課題組對疏散平臺的功能進行了測試驗證，包括模型的建立、疏散行為的模擬、疏散時間。通過驗證，CDS的各項功能均能實現(xiàn)。同時，通過組織千余人的疏散演習對CDS的模擬結(jié)果進行驗證。結(jié)果表明，CDS平臺模擬結(jié)果與真實疏散的誤差較小(誤差為8．56%)，能準確預(yù)測大規(guī)模人流的疏散時間，且預(yù)測結(jié)果較為保守，當然具體疏散細節(jié)與真實疏散還有差異。同時，課題組利用buildingEXODUS軟件對疏散演習進行模擬，將其與CDS的模擬結(jié)果進行比較。結(jié)果表明，CDS軟件模擬結(jié)果均與疏散演習結(jié)果接近，而EXODUS軟件模擬疏散時間與疏散演習及CDS模擬結(jié)果有較大差別。

三維疏散仿真平臺綜合考慮了人員疏散路徑與出口類型的關(guān)系、人員疏散速度與疏散距離的關(guān)系，采用了建立樓梯模型新方法，首次在疏散平臺中實現(xiàn)了二維建模三維顯示、建筑標準層模型快速復(fù)制和自動連接等功能。該疏散仿真平臺界面友好，操作方便，建筑設(shè)計單位可使用三維疏散仿真平臺進行疏散設(shè)計;建筑使用單位可用來制定疏散預(yù)案;消防安全評估單位及咨詢單位可使用該平臺進行疏散安全評估;公共安全管理機構(gòu)和消防基層部隊可使用該平臺分析公共建筑災(zāi)害中的疏散過程和瓶頸位置，制定救援方案。因此，三維疏散仿真平臺必將具有廣泛的應(yīng)用前景。

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