基于Agent的三維巷道人員疏散仿真研究

楊瀚申，徐 華，鞠志偉

(1.北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029；2.北京石油化工學(xué)院 信息工程學(xué)院，北京 102617)

0 引 言

隨著地下交通隧道、地下礦井巷道、地下管網(wǎng)等的普及與發(fā)展，安全問題也越來越重要。當(dāng)發(fā)生事故災(zāi)害時，如何快速將人員疏散到安全區(qū)域是應(yīng)急疏散仿真的關(guān)鍵技術(shù)問題。國內(nèi)外關(guān)于人員疏散方法已進(jìn)行了很多研究[1]，提出了元胞自動機模型、勢能場模型、社會力模型和Agent模型等。利用元胞自動機模型對室內(nèi)疏散引導(dǎo)進(jìn)行了研究[2-4]；并通過勢能場對室內(nèi)人員的運動軌跡仿真進(jìn)行了驗證[5]。張開冉等[6-8]研究了基于社會力模型對公共場合內(nèi)人員的疏散問題；張學(xué)鋒等[9-11]將Agent模型與所處環(huán)境因素相結(jié)合，描述了環(huán)境對疏散的影響。

目前在疏散問題研究中，大多數(shù)都是針對諸如建筑物內(nèi)或者城市大型公共場所內(nèi)的疏散仿真，而對于地下受限空間的疏散研究較少。地下受限空間內(nèi)的疏散受到多因素影響，是一個復(fù)雜的過程。

文中以礦山巷道為例，基于Agent模型對巷道內(nèi)的人員進(jìn)行建模；通過人員應(yīng)急疏散分析，確定三維巷道內(nèi)Agent的疏散速度、所處位置等，基于變權(quán)的A*算法對三維巷道模型進(jìn)行搜索，獲得最短疏散路徑，并進(jìn)行疏散時間等評估分析。通過對Agent之間以及Agent與巷道之間進(jìn)行碰撞檢測和碰撞響應(yīng)，以確保仿真的真實性。

1 模型構(gòu)建

1.1 三維巷道模型

基于地下巷道的二維數(shù)據(jù)，通過插值技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為三維空間數(shù)據(jù)，利用3ds max等工具對巷道進(jìn)行構(gòu)建，得到三維巷道模型，并導(dǎo)入仿真系統(tǒng)，作為人員應(yīng)急疏散的虛擬仿真場景。

1.2 人員模型

為了實現(xiàn)人員在三維巷道中的疏散模擬，采用MD2模型生成人員模型，并導(dǎo)入到三維巷道模型中。

MD2模型是一種經(jīng)典的、擁有多種人員動作形態(tài)的三維動畫模型文件，可以用OpenGL、DirectX、Glide等多種函數(shù)庫對其進(jìn)行再現(xiàn)或者重構(gòu)。MD2模型中包含了步行、跑動、受傷、倒下、蹲伏等多種動作行為，在應(yīng)急疏散模擬過程中，根據(jù)人員和環(huán)境的不同情況，需要設(shè)定相應(yīng)的動作行為，如在突水災(zāi)害發(fā)生時，可根據(jù)水位高度、水流速度等因素，確定撤離人員的動作行為。MD2模型中對每幀動作都存有特定的頂點信息和紋理坐標(biāo)，在進(jìn)行重構(gòu)處理時，需要讀取關(guān)鍵幀動畫并且進(jìn)行關(guān)鍵幀之間的插值，在關(guān)鍵幀之間自動生成過度幀，使人員模擬的動作連續(xù)且光滑。

2 應(yīng)急疏散方法

2.1 Agent屬性及定義

將巷道內(nèi)人員作為疏散智能個體Agent，對其進(jìn)行建模。在疏散過程中，Agent的屬性可以由Agent定義描述如下：

Agent={ID,x,y,z,θ,speed,sightrange,time,path,direction,density,age}

其中，ID為Agent的編號；x,y,z為Agent的坐標(biāo)位置；θ為Agent的前進(jìn)方向；speed為Agent的移動速度；sightrange為Agent的視野范圍；time為Agent疏散所用時間；path為Agent的疏散路徑；density為Agent周邊的人員密度；age為Agent的年齡。

2.2 個體Agent行為

(1)感知系統(tǒng)。

感知是指Agent獲取周邊環(huán)境的狀態(tài)，并將其映射為自己內(nèi)部狀態(tài)的一種能力。Agent通過感知外界環(huán)境，獲取外界信息，對之后的行為決策和行動方式有著決定性的作用。

文中通過對Agent的視覺系統(tǒng)建模，用來模擬人類眼球的功能，對周圍的環(huán)境進(jìn)行信息收集。

(2)決策系統(tǒng)。

Agent決策系統(tǒng)是Agent模型的核心部分。Agent自身屬性、疏散環(huán)境、疏散目標(biāo)都會對Agent的決策產(chǎn)生影響。決策部分主要由Agent疏散路徑規(guī)劃組成。

巷道內(nèi)應(yīng)急疏散行為開始時，Agent位置的確定可以通過Agent定位系統(tǒng)或者交互式工具獲得。

疏散路徑的確定是通過提取巷道底部的中線，獲取巷道的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以Agent當(dāng)前所在位置為搜索起點，疏散出口為疏散終點，結(jié)合來自物聯(lián)網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)，以三維巷道空間分布、Agent行走動態(tài)距離、Agent疏散速度、災(zāi)害相關(guān)因素等為權(quán)值，基于變權(quán)的A*算法[12]搜索疏散最短路徑，并將獲得的疏散路徑作為Agent的逃生路線。

(3)行為設(shè)定。

(a)Agent疏散速度計算。

Agent的移動速度是疏散模型中Agent行為中最基本的要素。由于三維巷道環(huán)境空間狹小，環(huán)境比較惡劣，因此在這種環(huán)境下，地下巷道人員在危急時刻總會以最快速度向安全出口移動。但是此時，Agent速度影響因素較多，如水位、水流、巷道坡度、巷道擁塞、人員密度等。文中主要討論人員密度對速度的影響。

人員密度由單位面積內(nèi)的人數(shù)來確定。

Agent疏散速度與人員密度的關(guān)系可以用式1來確定。

vi=1.867D4-6.333D3+7.233D2-3.617D+

0.95

(1)

其中，vi為Agent中第i個人的速度，單位為m/s；D為人流密度。

人員密度由單位面積上的人數(shù)來確定，反映了人員的擁擠程度，表示為：

(2)

其中，N為單位面積內(nèi)的Agent數(shù)量；Ap為單個Agent的水平投影面積；W*L為單位面積；0

(b)Agent位置實時計算。

由于巷道內(nèi)部拓?fù)涔?jié)點距離狹長，為了增強Agent在巷道內(nèi)移動的真實性，提升觀察Agent在巷道內(nèi)疏散的可視化效果，避免視覺抖動和Agent跳躍現(xiàn)象，通過讀取拓?fù)涔?jié)點L1,…,LiLi+1,…,Ln，在兩兩節(jié)點之間進(jìn)行線性插值及Cardinal插值[13]。計算兩個拓?fù)涔?jié)點之間的距離，設(shè)插值距離為Δd，計算需要插值的點的個數(shù)，則在節(jié)點之間會獲得多個插值點MikMik+1的位置及其坐標(biāo)。在疏散過程中，由于給定的疏散路徑上的兩兩坐標(biāo)點的距離Δd已求得，只需根據(jù)單位時間Δt內(nèi)移動的距離來計算Agent移動后的坐標(biāo)。

step1:根據(jù)Agent移動速度vi，經(jīng)過單位時間Δt，求得走過的距離di；

step2:根據(jù)di計算走過的插值點的個數(shù)n和到新的身后插值點的距離dp；

(3)

求得：

(4)

(5)

(6)

Agent實時位置的計算如圖1所示，其中箭頭所指方向為Agent的前進(jìn)方向。

2.3 評估分析

評估分析主要包括疏散時間、出口處通行系數(shù)、巷道交匯處Agent匯集程度以及災(zāi)害對Agent疏散影響等。

(1)疏散時間。

當(dāng)巷道內(nèi)發(fā)生危險狀況后，Agent能否安全疏散取決于離開巷道時的疏散時間。

第i個Agent的疏散時間可以表示為：

ti=tp+te

(7)

其中，tp為Agent的疏散延遲時間；te為疏散到安全區(qū)域所需時間。

(a)di>Δd的移動情況

(b)di<Δd的移動情況

整體疏散時間tmax由最后一個疏散離開的Agent的疏散時間決定，設(shè)疏散總?cè)藬?shù)為m，則

(8)

(2)出口處通行系數(shù)。

出口處通行系數(shù)Neff受限于出口寬度，每秒鐘從出口疏散出去的人數(shù)是基本不變的，Agent通過出口的速度與該出口的寬度和通行系數(shù)有關(guān)。通行系數(shù)是指單位時間內(nèi)通過出口的人數(shù)。通行系數(shù)和人員密度密切相關(guān)，當(dāng)密度增大到一定程度時，就會因為道路阻塞而導(dǎo)致停止流動的現(xiàn)象，因此需要將出口寬度設(shè)計成合理的距離。

通行系數(shù)Neff與人流密度D的關(guān)系可由式9表示：

(9)

(3)巷道交匯處Agent匯集程度。

在巷道交匯處，由于在不同巷道分支內(nèi)的Agent對其他巷道分支內(nèi)的人員情況未知，當(dāng)出現(xiàn)Agent大量出現(xiàn)在巷道交匯處時，會導(dǎo)致Agent發(fā)生碰撞，減緩疏散速度，影響疏散效率。

(4)災(zāi)害對Agent疏散的影響。

水流、煙氣等災(zāi)害對Agent疏散產(chǎn)生影響。例如，巷道內(nèi)突水情況也會影響Agent的疏散。突水位置、水位、水流速度、水流路徑會對Agent的疏散路徑選擇、疏散速度等造成影響。巷道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，由于會產(chǎn)生大量的煙氣，會對Agent的視野、路徑的選擇等造成一定影響，影響疏散效率。

3 仿真設(shè)計

3.1 系統(tǒng)構(gòu)架

三維巷道中人員應(yīng)急疏散仿真系統(tǒng)由四部分構(gòu)成，如圖2所示，分別是三維模型構(gòu)建、路徑生成、可視化仿真、評估分析。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

三維模型由三維巷道模型和人員模型組成，作為三維巷道中人員應(yīng)急疏散仿真場景。根據(jù)Agent和巷道的具體情況確定Agent的疏散速度，由基于變權(quán)的A*算法生成Agent的最短疏散路徑。

可視化仿真由Agent之間以及Agent與巷道的碰撞響應(yīng)、Agent在巷道內(nèi)朝向、Agent在不同環(huán)境下的工作改變和Agent在巷道內(nèi)的位置確定組成，根據(jù)這些數(shù)據(jù)對Agent進(jìn)行處理并生成實時三維場景。其中Agent的朝向是根據(jù)該Agent疏散路徑上的前進(jìn)方向來確定。

3.2 碰撞檢測與響應(yīng)

(1)Agent之間碰撞檢測與響應(yīng)。

設(shè)定每個Agent的直徑為0.5 m且可視為圓形，當(dāng)Agent與Agent之間的距離小于0.5 m時，即可視為兩Agent之間發(fā)生碰撞。這時，需要對Agent在疏散時兩兩之間的碰撞響應(yīng)做出判別，并做出相應(yīng)的調(diào)整，如圖3(a)所示。

處理Agent之間的碰撞方法：通過Agent的感知系統(tǒng)，模擬人員的視野，其半徑為Reye，設(shè)定Agent的最小規(guī)避半徑R0，其中R0>0.5 m。如果有其他Agent進(jìn)入該范圍，則該Agent減速或者停止前進(jìn)。當(dāng)該范圍內(nèi)沒有其他Agent出現(xiàn)時，該Agent恢復(fù)原來的速度繼續(xù)前行。

(2)Agent與巷道之間碰撞檢測與響應(yīng)。

為了確保疏散模擬的準(zhǔn)確性，需要對Agent與巷道之間的碰撞做出相應(yīng)的處理。假設(shè)巷道寬度為drm，設(shè)定當(dāng)Agent與巷道之間的距離不得小于dsm。

(a)Agent之間碰撞檢測與響應(yīng)

(b)Agent與巷道的碰撞檢測與響應(yīng)

4 應(yīng)用實例

以河北某礦井為例，該礦井南北長度約為10 km，東西長度約為5～8 km，面積約為52 km2，巷道寬度為4.6 m。

采用Visual Studio 2010，利用MFC設(shè)計各功能菜單實現(xiàn)與用戶的交互，以O(shè)penGL進(jìn)行圖形繪制實現(xiàn)可視化。

通過最短路徑搜索，可以獲得三維巷道內(nèi)Agent的疏散路徑，其中兩條路徑如圖4中黑線所示。

圖4 疏散路徑生成

在巷道內(nèi)隨機分布100人進(jìn)行疏散仿真模擬，并對巷道交匯處有不同數(shù)量Agent的疏散情況進(jìn)行模擬，通過圖4的巷道交匯處B進(jìn)行觀察。

圖5(a)～(c)為巷道中的Agent在通過巷道交匯處B的動態(tài)模擬過程，展示了其中3個關(guān)鍵幀的結(jié)果。在巷道內(nèi)的實際疏散過程中，Agent是面朝自身前進(jìn)方向的，圖5(a)和圖5(b)分別表示Agent在進(jìn)入巷道交匯處之前和交匯處時的情況，通過可視化結(jié)果可以看出，在拐角處Agent C1發(fā)生轉(zhuǎn)向，面朝自身的前進(jìn)方向；而Agent C2在通過巷道交匯處時面朝方向不變，與前進(jìn)方向一致，符合實際情況。在實際疏散過程中，當(dāng)人數(shù)較多時，會發(fā)生碰撞(如圖5(d)所示)，通過“Agent之間碰撞響應(yīng)”算法，可使Agent之間發(fā)生碰撞后產(chǎn)生一個位移，相互間避開一段距離，保證自身不受擠壓(如圖5(c)所示)。圖5(e)為巷道內(nèi)Agent疏散仿真模擬結(jié)果圖，以便觀察巷道內(nèi)Agent疏散情況。

圖5(f)為在圖4所示巷道交匯處B，多個Agent相遇時Agent的速度比較分析，當(dāng)在巷道交匯處Agent數(shù)量逐漸增加、人員密度增大時，每個Agent的疏散速度會有所降低。以圖5(a)為例，在交匯前，兩處巷道分支各有5個Agent，當(dāng)10個Agent匯聚在一起的時候，導(dǎo)致它們在巷道交匯處的密度增大，根據(jù)式1，Agent的疏散速度由0.59 m/s降低至0.29 m/s(如圖5(f)所示)，導(dǎo)致疏散效率降低。經(jīng)過一段時間，由于會有部分Agent脫離之前匯聚在一起的小群體，密度有所降低(如圖5(c)所示)，根據(jù)式1，計算得出Agent的疏散速度由0.36 m/s提升至0.51 m/s，如圖5(f)18 s的時刻所示。

圖5 巷道交匯處疏散情況

對多人單出口和多人雙出口的疏散情況進(jìn)行模擬仿真，得到的最終疏散時間如圖6所示。

圖6 不同人數(shù)不同出口數(shù)量疏散時間

從表中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)人員數(shù)量有所提升時，雙出口疏散條件下所用的疏散時間比單出口所用疏散時間少很多，而且增加出口數(shù)量有利于降低總體的疏散時間。因此在三維巷道內(nèi)的疏散過程中，應(yīng)當(dāng)保證當(dāng)有應(yīng)急情況發(fā)生時有多個出口保持暢通，就會提升疏散的效率和安全性，避免人員離開巷道時因出口數(shù)量不足影響生命安全。

5 結(jié)束語

研究了以Agent模型實現(xiàn)三維巷道中人員應(yīng)急疏散仿真的主要技術(shù)方法，分析了人員密度對疏散速度的影響，人員疏散過程中實時位置的確定。采用OpenGL技術(shù)，實現(xiàn)了三維巷道人員疏散的三維動態(tài)可視化仿真，可以觀察Agent的形態(tài)、轉(zhuǎn)向、碰撞等行為，反映Agent在應(yīng)急疏散時的真實情況。通過疏散時間等計算對應(yīng)急疏散仿真結(jié)果進(jìn)行評估分析，能夠指導(dǎo)Agent分流，避免在巷道交匯處Agent數(shù)量激增，獲得最短等待時間和最短疏散過程，為應(yīng)急救援方案的制定提供技術(shù)支持。