兒童火災(zāi)逃生教育系統(tǒng)交互路徑研究

黃天昊 ， 姚 君

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.徐州市工業(yè)與智能裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，江蘇 徐州 221116）

0 引言

根據(jù)近年來的我國火災(zāi)傷亡數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每年都有近千名兒童死于火災(zāi)[1]。當(dāng)前對兒童的火災(zāi)逃生教育仍然局限于單調(diào)、單向的視頻和圖像形式，合理的逃生意識(shí)無法深入兒童。因此亟需一種更適合兒童的方式進(jìn)行火災(zāi)模擬演練，使兒童掌握應(yīng)急的逃生知識(shí)和技巧。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行災(zāi)害模擬具有逼真、安全、成本低廉、易于重復(fù)等多種優(yōu)點(diǎn)[2]。通過虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，兒童可以實(shí)現(xiàn)身處火災(zāi)場景的真實(shí)感受，能夠很好地實(shí)現(xiàn)兒童緊張、慌亂的真實(shí)心理。在這樣的“真實(shí)”、“安全”的火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行一次次火災(zāi)逃生模擬，既沒有實(shí)地演習(xí)操作的復(fù)雜性，同時(shí)在逃生中還能真實(shí)地反映逃生人員的行為特征。蟻群算法所體現(xiàn)的個(gè)體之間的獨(dú)立和聯(lián)系，以及合成統(tǒng)一系統(tǒng)的整體性[3]正滿足以上逃生人員的行為特點(diǎn)。本研究基于以上背景探索現(xiàn)有條件下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和蟻群算法在火災(zāi)逃生教育交互系統(tǒng)中的應(yīng)用，探討基于蟻群算法的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在兒童火災(zāi)逃生教育系統(tǒng)中的交互路徑問題。

1 VR技術(shù)和蟻群算法的介紹及應(yīng)用

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)是一門新興的綜合信息技術(shù)，它通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)構(gòu)成三維數(shù)字模型，產(chǎn)生逼真的虛擬環(huán)境，在視覺上給用戶一種立體的虛擬環(huán)境。與通常的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)所產(chǎn)生的三維模型不同，它不是一個(gè)靜態(tài)的世界，而是一個(gè)互動(dòng)的環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)能夠現(xiàn)實(shí)徹底地、立體地虛擬化，人們將身在虛擬環(huán)境中感受周圍的事物。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用方面也越來越廣，尤其在各類逃生教育系統(tǒng)中的應(yīng)用。Sharma S等[4]用虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)建立了地鐵站的模擬逃生系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)模擬和逃生人員的控制完成地鐵逃生演習(xí)。孟凡興等通過環(huán)繞式視覺效果及特殊的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，以達(dá)到模擬真實(shí)的火場效果[5]。Kinateder M等[6]通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分析各種火災(zāi)逃生情況，展現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在逃生教育系統(tǒng)上寬廣的應(yīng)用前景。張磊等[7]人利用VR技術(shù)建立了高鐵站模型，針對火場中火勢蔓延的研究和對測試人員的問卷調(diào)查，綜合分析提出了有限細(xì)胞法。

1.2 蟻群算法介紹

人員在逃生過程中的移動(dòng)特性和自然界中的集群演化過程十分類似。相對于傳統(tǒng)的最優(yōu)路徑算法來說，演化算法更契合此類問題的解決。因?yàn)檠芯堪l(fā)現(xiàn)其具有良好的啟發(fā)機(jī)制，能夠適應(yīng)人員逃生時(shí)復(fù)雜靈活的路徑選擇特性，并且速度快，容易收斂求得最優(yōu)解。

1991年意大利米蘭學(xué)院Dorigo等[8，9]人提出蟻群算法（Ant System），用于求解TSP等組合優(yōu)化問題。蟻群在搜索食物的過程中，個(gè)體之間的交流及正反饋是通過分泌的信息素實(shí)現(xiàn)的。這種特征與火災(zāi)逃生人群的行為十分相似，所以基于蟻群算法實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)逃生模擬及交互路徑選擇時(shí)非常合適的。

本文構(gòu)建的兒童火災(zāi)逃生教育系統(tǒng)中虛擬交互技術(shù)能夠生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定火災(zāi)場景。兒童借助必要的設(shè)備實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，模擬在火場中的真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。虛擬逃生教育系統(tǒng)會(huì)結(jié)合該場景下的各種情況，最終選擇一條最優(yōu)逃生路徑交互給兒童，按照指引的交互路徑逃生，從而減少傷亡。

2 火災(zāi)逃生教育系統(tǒng)構(gòu)建及交互路徑選擇

本文主要研究構(gòu)建的逃生教育系統(tǒng)中的交互路徑的選擇。交互路徑定義為一種針對特定火災(zāi)場景實(shí)時(shí)的最優(yōu)逃生路徑?；饒鲋械幕饎萋舆^程是十分復(fù)雜的，需要根據(jù)每個(gè)火災(zāi)場景來結(jié)合分析。所以火災(zāi)逃生教育系統(tǒng)中虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)進(jìn)行模擬的不僅僅只是一個(gè)靜態(tài)的火災(zāi)場景，而是要具體分析各種影響因素的動(dòng)態(tài)過程，所以交互路徑也會(huì)根據(jù)蟻群算法實(shí)時(shí)更新。尤其在火災(zāi)場景需要分析具體的建筑結(jié)構(gòu)分布、煙霧擴(kuò)散規(guī)律、逃生人員心理變化等，從而模擬出一個(gè)更真實(shí)有效的動(dòng)態(tài)火災(zāi)發(fā)展和逃生過程，其中交互路徑也是一種動(dòng)態(tài)最優(yōu)化的結(jié)果。

2.1 構(gòu)建逃生教育系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型

用點(diǎn)陣圖構(gòu)建建筑俯視的二維結(jié)構(gòu)圖，再利用蟻群算法實(shí)現(xiàn)兒童逃生交互路徑的選擇。其中二維點(diǎn)陣圖表示建筑結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)精度和點(diǎn)陣的維度成正比。逃生教育系統(tǒng)會(huì)根據(jù)火情，在構(gòu)建的柵格圖中得出可以疏散的實(shí)時(shí)交互路徑。點(diǎn)陣圖一般采用以下兩種方法直觀地表示：

（1）坐標(biāo)系法：把點(diǎn)陣左下角的那個(gè)點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0），同直角坐標(biāo)系X軸水平向右為正方向，Y軸豎直向上為正方向，點(diǎn)陣中的任一點(diǎn)都可以通過具體坐標(biāo)（x，y）唯一表示。

（2）標(biāo)序法：以從左到右，從上往下的規(guī)律對點(diǎn)陣圖上的點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)序，給每個(gè)點(diǎn)一個(gè)唯一的序號(hào)n，點(diǎn)陣左上角第一個(gè)點(diǎn)記為1開始。

點(diǎn)陣的定義規(guī)則：①建筑內(nèi)部的房間區(qū)域?yàn)殪o態(tài)障礙區(qū)域，表示路徑無法通過房間周圍的墻壁；②建筑內(nèi)部的支柱等結(jié)構(gòu)也定義為靜態(tài)障礙點(diǎn)，無法跨區(qū)域通過，只能繞行；③若某個(gè)點(diǎn)四周都無障礙節(jié)點(diǎn)，則逃生人員在該點(diǎn)可以向四周相鄰四個(gè)方向的點(diǎn)移動(dòng)；④其中安全逃生出口和逃生人員起始位置在點(diǎn)陣圖中都以特殊顏色把這些點(diǎn)標(biāo)識(shí)出來。

2.2 逃生教育系統(tǒng)對交互路徑選擇的影響因子

本文中蟻群算法涉及到的參數(shù)有：信息啟發(fā)式因子α≥0，表示對路徑記憶的重要程度、期望啟發(fā)式因子β≥0，表示某啟發(fā)信息對路徑選擇的影響程度大小、信息素?fù)]發(fā)因子0≤ρ＜1，表示路徑記憶停留的消逝程度（同樣的1-ρ代表信息素殘留因子），以上都會(huì)隨時(shí)間變化、螞蟻數(shù)量m以及信息素強(qiáng)度Q，表示全局的信息量大小，每次交互路徑選擇完都會(huì)對Q值進(jìn)行更新，從而保證得到實(shí)時(shí)的交互路徑。

蟻群算法構(gòu)建的是一種動(dòng)態(tài)的交互路徑選擇模型[10]，會(huì)根據(jù)不同的動(dòng)態(tài)環(huán)境變化，不同的起始位置和不同的起火點(diǎn)，通過通道節(jié)點(diǎn)來選擇最優(yōu)的通道路徑，即逃生時(shí)間和距離綜合考慮最短的路徑。逃生教育系統(tǒng)中的蟻群算法對動(dòng)態(tài)交互路徑的選擇規(guī)則如下：

（1）每次分別根據(jù)相鄰節(jié)點(diǎn)來選擇路徑。

（2）以最快達(dá)到出口為目的，當(dāng)路徑到達(dá)出口時(shí)便停止算法。

（3）每條路徑都是從起始點(diǎn)開始，連接若干個(gè)每個(gè)通道節(jié)點(diǎn)，最終尋找到一條最優(yōu)路線。

（4）后續(xù)要加入考慮起火點(diǎn)火勢、煙霧、能見度等動(dòng)態(tài)因素對路徑的選擇更合理，優(yōu)化算法，而不僅僅考慮的是幾何長度。

2.3 逃生教育系統(tǒng)對動(dòng)態(tài)交互路徑的選擇流程

通過對建筑內(nèi)部具體的結(jié)構(gòu)分析，構(gòu)建相應(yīng)的二維點(diǎn)陣圖，分別標(biāo)識(shí)出來建筑中的房間等障礙節(jié)點(diǎn)、通道和門等可通行節(jié)點(diǎn)。再根據(jù)虛擬逃生教育系統(tǒng)所模擬的火災(zāi)場景，賦予每個(gè)節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。進(jìn)行蟻群算法的不斷迭代，在不斷更新的火災(zāi)場景參數(shù)下，根據(jù)交互路徑選擇策略等約束條件下，計(jì)算最終逃生到達(dá)安全出口的路徑當(dāng)量長度，從而輸出交互路徑。

3 逃生教育系統(tǒng)中蟻群算法的建立

本文主要采用蟻群算法進(jìn)行火災(zāi)現(xiàn)場逃生路徑的模擬。該算法考慮了建筑中火災(zāi)發(fā)生時(shí)影響兒童逃生時(shí)間的各種因素，將這種火災(zāi)現(xiàn)場的影響因子轉(zhuǎn)化為算法中的動(dòng)態(tài)參數(shù)，引入建模當(dāng)中。采用蟻群算法優(yōu)化了交互路徑的選擇策略和動(dòng)態(tài)因子的更新策略，能夠大大提高對路徑搜索的最優(yōu)化及搜索效率。能夠在每一次搜索路徑之后，根據(jù)火源和人員情況，不斷更新動(dòng)態(tài)因素，從而提高了算法的收斂性。

另外本文以點(diǎn)陣的形式表示建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以自由地重繪點(diǎn)陣數(shù)據(jù)來描繪建筑中各種通道和障礙物的分布，也可通過變化維度來改變空間的大小和一些細(xì)節(jié)特征，構(gòu)建一些更為復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)。本文采用40*40的點(diǎn)陣圖來描繪建筑中某層的平面結(jié)構(gòu)圖。

采用MATLAB進(jìn)行編寫算法，在模型建立的過程中，首先利用點(diǎn)陣圖的形式建立矩陣，代表建筑結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)圖的細(xì)致程度和點(diǎn)陣的維度成正比，但是維度過大，建筑細(xì)節(jié)過于精確，會(huì)占用大量的計(jì)算機(jī)空間，使算法模擬的搜索路徑數(shù)按指數(shù)增長。同時(shí)過小的維度，會(huì)導(dǎo)致模擬的建筑平面結(jié)構(gòu)過于粗糙。如圖1是采用順序定位法建立的點(diǎn)陣。

在點(diǎn)陣圖中，如果某個(gè)點(diǎn)的位置周圍沒有障礙物，都是可移動(dòng)區(qū)域，那么人員的逃生方向可以分為四個(gè)方向，如圖1所示。

圖1 點(diǎn)陣模型建立Fig.1 Lattice model establishment

建立點(diǎn)陣模型之后，還要對應(yīng)建立起內(nèi)部詳細(xì)的結(jié)構(gòu)模型，能夠?qū)⑵鋬?nèi)部通道的邏輯對應(yīng)到圖中點(diǎn)的可移動(dòng)方向上，舉個(gè)簡單的4*4點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)圖為例，如圖2所示。圖中矩陣中的點(diǎn)即代表了通道中的節(jié)點(diǎn)，用Vi（i=1，2，…，15）來表示。其中V0代表人員的初始位置，V11代表了逃生出口的位置，V2、V3、V9、V14代表建筑中的障礙物，剩余白色的點(diǎn)都代表可移動(dòng)的通道路徑。圖中已經(jīng)用箭頭標(biāo)出了點(diǎn)之間的可移動(dòng)方向，我們可以根據(jù)點(diǎn)的表述方式和結(jié)構(gòu)分布之間建立起一種邏輯對應(yīng)關(guān)系 G=（V，E）中。

圖2 點(diǎn)陣與建筑結(jié)構(gòu)布局邏輯關(guān)系Fig.2 Logic relationship between lattice and architectural structure layout

V為圖中點(diǎn)陣的集合：

E為圖中路線的集合：

將建筑的每層平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為由點(diǎn)集V和路線集E組成的 G=（V，E） 邏輯結(jié)構(gòu)圖。 其中 V={V1，V2， …，Vn-1，Vn}，是由n個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的點(diǎn)陣集合，其中的點(diǎn)可分為三種類型：自由移動(dòng)點(diǎn)、障礙點(diǎn)、火源點(diǎn)。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)圖中，“1”代表障礙點(diǎn)，即不可通過的位置，表示現(xiàn)實(shí)中的墻體或者其他建筑阻擋物，這里可以假定與其相鄰點(diǎn)之間的當(dāng)量距離為無窮大，也就代表無法通過。自由移動(dòng)點(diǎn)顧名思義就是能夠通過的路徑；同樣的，火源點(diǎn)代表起火的位置，或者說火勢已經(jīng)蔓延到的位置。點(diǎn)的類型不是固定不變的，它會(huì)隨著火災(zāi)的變化和火勢蔓延情況而改變，自由移動(dòng)點(diǎn)可能變?yōu)樽璧K或者火源點(diǎn)。

逃生路徑的集合為 E={E12，…，Eij…，Emn}，其中路徑Eij代表從點(diǎn)Vi到點(diǎn)Vj的矢量性逃生路徑，點(diǎn)與點(diǎn)之間能夠形成移動(dòng)路線的條件是當(dāng)且僅當(dāng)該相鄰兩個(gè)點(diǎn)之間能夠相互連通[11]。

本文以τij代表信息素的濃度，那么在初始階段各個(gè)逃生路徑上的信息素濃度都相同，即τij（0）=C，C是常數(shù)。假設(shè)τij（t）代表t時(shí)刻逃生路線 Eij上的信息素濃度，逃生人員在逃生過程中，會(huì)根據(jù)每條逃生路線上的信息素濃度 τij（t）和啟發(fā)信息 ηij（t），再采用算法的自適應(yīng)偽隨機(jī)比例來尋址確定逃生方向，即逃生人員從點(diǎn)i到點(diǎn)j的概率。

公式中 max{τisα（t）ηβ（t）}代表在與點(diǎn) i可互相移動(dòng)的逃生路徑集合中，所含信息素濃度最大的點(diǎn)，其中α和β分別表示信息啟發(fā)因子和期望啟發(fā)因子。另外ρ0表示逃生人員對信息素察覺的閾值點(diǎn)，ρ0∈（0,1），ρ0值表示了在同等信息素濃度下的初始狀態(tài)，逃生人員對路徑選擇的隨機(jī)性。式子中r是0到1中的等概率隨機(jī)數(shù)，當(dāng)r≥ρ0時(shí)，人員會(huì)按照 max{τisα（t）ηβ（t）}來選擇信息素濃度最大的路線，反之當(dāng)r＜ρ0時(shí)，人員會(huì)根據(jù)偽隨機(jī)概率選擇路線逃生。

4 蟻群算法對交互路徑選擇實(shí)驗(yàn)分析

由于計(jì)算條件限制，采用40×40的點(diǎn)陣圖構(gòu)建平面結(jié)構(gòu)圖。首先初始化算法參數(shù)，定義O點(diǎn)為人員逃生的起始位置，A、B、C為三個(gè)逃生出口，星號(hào)點(diǎn)為火災(zāi)起火位置，如圖 3（a）所示。

圖3 40×40點(diǎn)陣仿真模擬逃生路徑Fig.3 40×40 Lattice simulation escape path

經(jīng)過運(yùn)算，算法得到圖3中曲線為最優(yōu)逃生的交互路徑。隨著起火源火勢的增長，首先變?yōu)閳D3（b）中的逃生路徑，遠(yuǎn)離開了火災(zāi)區(qū)域。之后隨著火災(zāi)的蔓延，C出口已無法逃生，算法自動(dòng)模擬選擇了B出口為最優(yōu)路徑。同樣的，當(dāng)火災(zāi)蔓延到B出口，就會(huì)自動(dòng)算出A出口為最佳逃生出口，圖中路線為最佳逃生通道。從中看出該算法還是能夠非常合理計(jì)算出最優(yōu)的逃生的交互路徑，保證逃生人員能夠瞬速逃離火災(zāi)現(xiàn)場，減少人員傷亡。

圖4 算法的收斂性分析Fig.4 40×40 The convergence analysis of the algorithm

同時(shí)我們還對該算法進(jìn)行了收斂性分析，如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)算法達(dá)到第十次迭代之后，求得的最短路徑長度就趨于穩(wěn)定了，達(dá)到收斂。說明該算法還是能夠較快達(dá)到收斂，能夠快速地計(jì)算出最優(yōu)的逃生交互路徑，也能在不同的火災(zāi)場景中，實(shí)時(shí)更新出相應(yīng)的逃生交互路徑，較好的滿足人員能夠快速逃生的目的。

5 結(jié)論

近年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸滲透到人們的生活中，尤其是在火災(zāi)逃生教育系統(tǒng)方面擁有寬廣的應(yīng)用前景。同時(shí)由于其具備模擬環(huán)境真實(shí)、逃生演練安全、低成本等優(yōu)點(diǎn)，在將來可以全面用于兒童逃生教育當(dāng)中，不僅能減少兒童的火災(zāi)傷亡率，還能提高兒童面對緊急情況的心理素質(zhì)。

基于蟻群算法的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠從火災(zāi)本身的自然、物理屬性出發(fā)，結(jié)合兒童疏散特征，利用蟻群算法合理規(guī)劃最佳設(shè)計(jì)逃生疏散交互路徑?；谔摂M現(xiàn)實(shí)和蟻群算法仿真結(jié)果，為兒童火災(zāi)教育提供相應(yīng)參考，有利于兒童掌握安全疏散的方法和安全逃生的路徑，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)疏散交互路徑的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。