基于Netlogo的弱視條件疏散仿真研究

張乃平+陳龍+姚峣

摘 要：計算機仿真技術(shù)已經(jīng)成為研究行人疏散的主要仿真手段，基于可基本實現(xiàn)復(fù)雜自然現(xiàn)象及社會現(xiàn)象建模與仿真的netlogo建模仿真平臺，結(jié)合建筑室內(nèi)弱視條件下行人疏散的相關(guān)理論，研究了視野距離、出口寬度、室內(nèi)行人數(shù)量、出口數(shù)量的變化對疏散的影響。在仿真中發(fā)現(xiàn)，基于netlogo的建模仿真比元胞自動機建模仿真更能反映微觀個體的運動，也能體現(xiàn)更多的個體特征，仿真結(jié)果更能客觀反映現(xiàn)實。

關(guān)鍵詞：仿真；弱視條件；室內(nèi)疏散；netlogo

中圖分類號：TB 文獻標(biāo)識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.18.109

0 引言

某些突發(fā)事件發(fā)生時，可能會發(fā)生在晚上，或者引發(fā)火災(zāi)、斷電、產(chǎn)生大量粉塵的情況，使得此類突發(fā)時間在疏散時必須在能見度不高、視野受限的情況下進行。由于建筑室內(nèi)空間有限，黑暗、煙氣、粉塵等惡劣環(huán)境容易對逃生著造成較大的心理壓力，行人的疏散及運動行為明顯不同于正常可見度的情況。弱視條件下的人群疏散是一個動態(tài)過程，其運動規(guī)則、疏散策略、疏散過程的動態(tài)演化需要從疏散理論及仿真模擬兩個方面進行研究。

對于弱視條件下的室內(nèi)行人疏散，國內(nèi)外已有部分研究成果。

Isobe，Helbing等利用實驗及仿真手段，研究低可見條件下室內(nèi)人員的疏散行為，發(fā)現(xiàn)疏散過程可以分為兩個階段：隨機行走階段及沿墻行走階段；擁擠是影響疏散時間的重要原因，增加多個出口并不能非常有效的降低疏散時間，對于有著固定人數(shù)的低可見條件下的室內(nèi)疏散，有著最小的疏散時間。

Ryoichi Nagai，Takashi Nagatani等研究了出口配置對不可見條件下室內(nèi)人員疏散的影響，Jeon等人研究分析了不同照明條件下人員疏散的行為；Guillermo A等利用社會力模型，模擬了在低可見條件下的室內(nèi)人員疏散，發(fā)現(xiàn)了低可見條件下的人員疏散行為的三種行為模式：個人主義行為、類從眾行為、沿墻運動行為。

國內(nèi)學(xué)者主要是計算機模型，探討相關(guān)變量對應(yīng)急疏散的影響。關(guān)超等根據(jù)人在弱視情況下的行為特征，建立基于元胞自動機的逃生模型，對弱視情況下的人群疏散進行了模擬。模擬過程中考慮了人的學(xué)習(xí)能力及人與人之間的相互作用等因素，模型加入吸引子使模擬人的疏散行為更為靈活?；谌四芡ㄟ^熟悉周圍環(huán)境作出合理判斷的學(xué)習(xí)能力，引入了“積累步長”的概念，使人的溝通判斷能力在模型中得到體現(xiàn)。同時通過大量的模擬實驗，并討論不同的環(huán)境條件對人群疏散的影響。陳海濤對建筑室內(nèi)的應(yīng)急疏散發(fā)表了多篇文獻，并基于前人成果的基礎(chǔ)，通過引入從眾效應(yīng)闡述了可見度較低時的元胞自動機疏散理論模型，并定義區(qū)分了普遍性從眾、 理性從眾和盲目從眾，并對這三種從眾對低可見度條件下的疏散的影響進行了分析研究。宋衛(wèi)國等人利用實驗并建立多格子氣模型研究了弱視條件下行人的運動特點。

在主要的模型中，元胞自動機模型對系統(tǒng)環(huán)境及對微觀個體的模擬不夠細(xì)致，而社會力模型不能完全保證人員之間不相互碰撞，仿真數(shù)據(jù)同實際現(xiàn)象之間沒有實現(xiàn)校準(zhǔn)。而利用Netlogo平臺建模，不僅可以基本實現(xiàn)行人應(yīng)急疏散的建模與仿真，達到對微觀個體的細(xì)致觀察，同時建立的模型具有簡便、易開發(fā)、易理解的特點。

本文基于Netlogo平臺，利用現(xiàn)有弱視條件下的疏散理論，建立符合行人疏散動力學(xué)特征的疏散模型，分析不同可見度、不同室內(nèi)人群數(shù)量、不同出口寬度、不同出口數(shù)量對疏散時間的影響，尋找弱視條件下建筑室內(nèi)達到最佳疏散效果所需要滿足的條件。

1 模型建立

1.1 模型概況

在本文中，每個“瓦片”代表著0.4m*0.4m的區(qū)域，每個“海龜”代表一個行，房間大小為8m*8m的正方形，隨機分布著N（N=20，40，60，80，100，140）個行人，房間中有M（M=1，2，3，4）個出口，每個出口位于墻的中央，并對稱分布，門的寬度為W（W=0.4，0.8，1.2，1.6）?？梢姸扔肧（S=1，2，3，4，5）表示，行人的視野距離為0.4S。模型建立后，共設(shè)計多種不同的仿真方案，圖1顯示的是某方案（S=3，N=60，M=2，W=0.8）的初始狀態(tài)。

1.2 疏散策略

弱視條件下行人疏散的具體運動方式由行人視野范圍的具體情況決定。如圖2所示，根據(jù)行人的視野距離可以將疏散區(qū)域分為3部分：出口可見區(qū)域、墻壁可見區(qū)域、盲目運動區(qū)域。出口可見區(qū)域是到出口的距離小于或等于行人視野距離的區(qū)域；墻壁可見區(qū)域是到墻壁的距離小于或等于視野距離的區(qū)域；盲目運動區(qū)域是指疏散空間排除出口可見區(qū)域和墻壁可見區(qū)域后剩余的區(qū)域。行人隨機分布在疏散空間內(nèi)，由于視野有限，不同區(qū)域行人感知的信息不同，其疏散策略也不同。具體疏散策略為：

1）盲目運動區(qū)域內(nèi)行人沿初始方向運動，到達出口可見區(qū)域或者墻壁可見區(qū)域，然后根據(jù)出口可見區(qū)域或墻壁可見區(qū)域行人運動策略進行運動；

2）墻壁可見區(qū)域行人先朝可見的墻壁運動，達到墻壁后沿著墻壁運動，直到達到出口可見區(qū)域，然后根據(jù)出口可見區(qū)域運動策略運動；

3）位于出口可見區(qū)域內(nèi)的行人或行人到達出口可見區(qū)域后，直接向出口運動，直至到達外部安全空間。

1.3 行人運動規(guī)則

在系統(tǒng)內(nèi)，行人（海龜）的大小同瓦片一樣，但并不是剛好占據(jù)某個完整的瓦片，但每個行人沒有重疊的部分。行人的仿真過程被離散成相等的時間步長，經(jīng)過若干個時間步，行人最終通過出口安全離開房間。由于行人有著向左轉(zhuǎn)的偏好，行人在達到墻壁后需要轉(zhuǎn)向沿著墻壁運動時，設(shè)定向左運動及向右運動的概率都為0.5。在盲目區(qū)域，行人運動速度按照可見度為0的情況處理并設(shè)置為0.4m/s；在可見區(qū)域，行人的速度按可見度正常的情況處理，其運動速度為1.2m/s。

1.4 沖突處理

沖突是由于人與人之間行動不協(xié)調(diào)或競爭造成的 。競爭行為常發(fā)生在空間內(nèi)人口密度很大時 ，因而沖突是不可避免的。本系統(tǒng)中，某時刻當(dāng)兩個行人按照既有疏散策略運動時在下一個時間步會出現(xiàn)重疊部分，這樣就產(chǎn)生了沖突，針對沖突的處理辦法如下：

（1）沖突發(fā)生在盲目運動區(qū)域時：系統(tǒng)隨機選擇其中的某個行人改變自己原來的運動方向并同另外一人一致。

（2）沖突發(fā)生在沿墻運動的階段時：引入沿墻累計步長L的概念，表示行人從達到墻壁開始時到發(fā)生沖突時經(jīng)歷的時間步長。一旦行人到達墻壁就開始積累他所經(jīng)歷的時間步， 這相當(dāng)于Agent對環(huán)境的認(rèn)識。行人相遇之后雙方選擇墻壁累計步長較大的人所指向的方向為前進方向， 如果步長一致，則隨機選擇其中一個行人的方向為二者共有的方向，這樣有利于行人盡量避免多余的路徑尋找，也是行人之間信息共享及學(xué)習(xí)行為的表現(xiàn)。

在Netlogo平臺上實現(xiàn)上述模型，并建立弱視條件下室內(nèi)群體疏散的仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)總體效果圖如圖4所示。

2 仿真分析

仿真開始時行人初始位置隨機分布，初始方向也隨機分配，一旦行人初始位置及初始方向確定，行人按上述疏散策略和規(guī)則運動，疏散時間也就確定?？梢?，在疏散策略及規(guī)則確定的情況下，行人的初始狀態(tài)對疏散有著很大的影響。為消除因行人初始狀態(tài)對疏散時間帶來的不確定性，每種方案，都模擬1000次。

2.1 室內(nèi)視野距離對疏散的影響

視野距離是弱視條件下室內(nèi)行人信息判斷的第一要素，視野距離越大，行人越容易接收到墻壁及出口的信息，對自身疏散路徑的選擇也更為準(zhǔn)確。在弱視條件下，視野距離對疏散效率有著重要影響。

圖5通過仿真給出了疏散時間隨視野距離變化的變化曲線，仿真中，出口寬為0.8m，出口數(shù)量為1，初始行人分別為20人、60人、100人。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在不同的行人數(shù)量下，疏散時間隨著視野距離的增加而減小，然而減小的幅度同文獻[]相比顯得更加平緩，這是因為由于本研究中可見區(qū)域內(nèi)行人的運動速度較盲目運動區(qū)域內(nèi)更快，同時加入“累計步長”的作用，相對于文獻【7】而言，增加了仿真時的疏散效率，減小了視野距離對疏散時間的影響。同時，本研究發(fā)現(xiàn)，初始行人較大時，隨著視野距離的增大，疏散時間減小的程度會越來越大，這主要是由于視野距離減小了盲目運動區(qū)域的面積，同時可見區(qū)行人速度更快，使得疏散效率提高。而初始人數(shù)較少時，隨著視野距離的增大，疏散時間的減少程度較初始人數(shù)較多時平緩。

2.2 初始行人數(shù)量對疏散的影響

行人是疏散的主體，在正常視野條件下，初始行人的數(shù)量很大程度上決定著疏散效率及最終的疏散時間。圖6給出了弱視條件下初始行人數(shù)量對疏散時間的影響，仿真中，出口寬度為0.8m，出口數(shù)量為1，視野距離為3。從中可以明顯看出，隨著初始人數(shù)的增加，疏散時間隨之增加。然而同正常視野條件下相比，增加的疏散時間并不多。

為解釋這一現(xiàn)象，圖7給出了出口寬度為0.8m，出口數(shù)量為1，視野距離為3，初始行人人數(shù)分別為20人、100人時的單次仿真疏散時間步-疏散人數(shù)圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在初始人數(shù)為20人的某次仿真中，在第18個時間步，就有行人成功疏散，而直到第110個時間步，最后一位行人才成功疏散，在大部分的時間步內(nèi)，出口并沒有得到利用。在初始人數(shù)為100人時，第1個時間步就有行人成功疏散，而第126個時間步，所有行人成功疏散，大部分的時間步內(nèi)出口都得到滿負(fù)荷利用。在弱視條件下，由于視野的限制，行人看不到出口，可能存在著初始運動方向并不朝出口以及沿墻壁運動階段選擇方向也不朝出口的行人的情況，這樣導(dǎo)致該行人花費了大量時間尋找出口，這種存在于弱視條件下，行人疏散過程中存在某一運動階段離出口越來越遠的現(xiàn)象，稱之為“遠離出口”現(xiàn)象。即便初始人數(shù)較少，由于存在“遠離出口”現(xiàn)象，出口的利用率不高，疏散時間較長?！斑h離出口”現(xiàn)象正是導(dǎo)致弱視條件下隨著初始疏散行人的增加疏散時間較正常視線條件下增加幅度不明顯的原因。表1給出了在門寬為0.8m、出口數(shù)量為1、視野距離為1條件下不同初始行人數(shù)量下的疏散時間標(biāo)準(zhǔn)差，從表中可以看出，隨著初始人數(shù)的增加，疏散時間的離散程度減小。這是由于初始人數(shù)較少時，“遠離出口”現(xiàn)象的存在使得最后一人疏散時間的變化范圍比較大，而初始人數(shù)多時，累計步長的存在減小了“遠離出口”現(xiàn)象的影響，這體現(xiàn)了人與人之間的信息交互有助于提高疏散效率。

2.3 出口寬度對疏散的影響

出口寬度是決定室內(nèi)建筑疏散能力的一個重要標(biāo)志，其大小對疏散時間有著明顯的作用和影響。

圖8給出了出口數(shù)量為1，視野距離為3，初始行人分別為20人、60人、100人、140人條件下疏散時間隨出口寬度的變化關(guān)系曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在初始人數(shù)為100時，隨著門寬的增加，疏散時間先是迅速減小，隨后基本保持不變。而初始人數(shù)分別為20人，60人時，疏散時間的減小十分緩慢，疏散時間基本不受門寬的影響。這是由于當(dāng)人數(shù)較多時，若出口寬度為0.4m時，出口處一個時間步只能疏散一個行人，這樣會在出口處形成擁堵，降低出口疏散效率。隨著出口寬度的增大到0.8m，每個時間步最多能疏散的行人增加到2人，出口處很少形成擁堵，疏散效率大大加快，迅速降低了疏散時間。而隨著出口寬度的繼續(xù)增加，出口越來越難以形成擁堵，疏散時間主要取決于行人疏散路徑，導(dǎo)致疏散時間依然會隨著出口寬度的增加而減少，但是減小的速度變緩。而初始人數(shù)較少時，由于疏散人數(shù)較少，出口出極少會出現(xiàn)擁堵，因而隨著出口寬度的增加，疏散時間的減小并不明顯。

因此，選擇有效的出口寬度，首先應(yīng)當(dāng)考慮室內(nèi)行人的數(shù)量，行人數(shù)量較多時，增加門寬能有效的降低疏散時間，而人數(shù)較少時，增加門寬并不能有效降低疏散時間，相反，門寬過大，則對疏散沒有幫助。

2.4 出口數(shù)量對疏散的影響

出口數(shù)量是室內(nèi)環(huán)境的重要組成部分，對疏散也有著重要影響。本研究中，門的配置都是在墻壁的中央并成對稱分布，不同出口數(shù)量的門的分布如圖9。

圖10給出了門寬為0.8m，視野距離為3，初始行人數(shù)量分別為20人、60人、100人時疏散時間同出口數(shù)量的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當(dāng)在建筑室內(nèi)的出口相對一面墻多增加一個出口時，疏散時間迅速的減少。室內(nèi)初始行人越多，多增加一個出口時疏散時間減少的速度越快，當(dāng)出口數(shù)量增加到4時，疏散時間減少，但是減少的速度降低。這是由于越多的出口，降低了“遠離出口”現(xiàn)象對疏散時間的影響。但是增加過多的出口對疏散時間的降低作用會越來越小。

結(jié)合2.3中的圖8來看，相對于增加出口的寬度，在出口的相對一面增加一個出口，更能有效的提高疏散效率，減少疏散時間。

3 結(jié)論及建議

利用netlogo，建立弱視條件下的行人疏散模型，通過仿真，分析不同條件下視野受限時建筑室內(nèi)行人疏散的情況，得出相關(guān)結(jié)論：

（1）視野距離的增加、初始行人的減少、出口寬度的增加、出口數(shù)量的增加，都有利于減少疏散時間。其中，在行人數(shù)量較大的情況下，出口寬度一定程度上的增加，能有效避免行人在出口處的擁堵，因而有效提高疏散效率降低疏散時間。

（2）“遠離出口”現(xiàn)象是導(dǎo)致弱視條件下疏散效率不高的重要原因，在人數(shù)較多時，人與人之間的信息交互，能減少“遠離出口”現(xiàn)象對疏散效率的負(fù)面影響。而在相對的墻面上設(shè)置出口，能快速的減少疏散時間，極大的降低行人尋找出口路徑長度，降低“遠離出口”現(xiàn)象對疏散時間的作用。

（3）相比元胞自動機模型及社會力模型，利用netlogo建模，可以體現(xiàn)個體（Agent）更多更復(fù)雜的屬性，使得仿真結(jié)果同現(xiàn)實現(xiàn)象更加接近。

（4）為保證疏散效率，獲得較好的疏散效果，體現(xiàn)出建筑最佳的疏散狀態(tài)，在設(shè)計建筑時，需要同時考慮建筑室內(nèi)所能容納的最大人數(shù)、出口寬度、出口數(shù)量及出口設(shè)置三個因素，使得疏散過程高效快速，降低“遠離出口”現(xiàn)象對疏散的負(fù)面影響，確保弱視條件下室內(nèi)人員快速安全疏散。

影響行人疏散的原因眾多，除了室內(nèi)環(huán)境，個人特征也是很重要的因素。未來，行人的個體特征，如年齡、性別等也可在Netlogo平臺中Agent的屬性中得到體現(xiàn)，以期仿真數(shù)據(jù)更客觀的反映實際。

參考文獻

[1]岳昊， 邵春福， 關(guān)宏志，等. 基于元胞自動機的行人視線受影響的疏散流仿真研究[J]. 物理學(xué)報， 2010， 59（7）：4499-4507.

[2]關(guān)超， 袁文燕. 基于元胞自動機的弱視條件下群體疏散的仿真研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報， 2008， 18（12）.

[3]陳海濤， 張立紅， 楊鵬，等. 視野受限時行人疏散模型分析與仿真研究[J]. 復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜性科學(xué)， 2014， 11（3）.

[4]陳海濤，劉占，張立紅，等.低可見度情況下從眾行為對疏散的影響分析[J]，中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2016，12（8）.