港口火災(zāi)場(chǎng)景下的人群智能疏散模擬研究

孫召才

(交通運(yùn)輸部廣州打撈局，廣州 510260)

改革開放以來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)事業(yè)蓬勃發(fā)展，其中對(duì)外貿(mào)易發(fā)展尤為迅速，港口成為了人民生產(chǎn)生活所需物品的大型集散中心之一[1]。隨著航運(yùn)事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，港口的貨運(yùn)總量持續(xù)增高，貨運(yùn)品種不斷豐富增加，而且包含大量化工、建造等產(chǎn)業(yè)所需的易燃易爆物資，使發(fā)生火災(zāi)的概率增大。如何有效控制港口火災(zāi)事故的發(fā)生以及當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，如何保障港口內(nèi)人員安全疏散，成為港口規(guī)劃運(yùn)營(yíng)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。針對(duì)火災(zāi)模擬，孫紹南等[2]基于BIM技術(shù)使用Pyrosim軟件進(jìn)行火災(zāi)煙氣模擬；馬晨霞等[3]基于港口倉(cāng)庫(kù)模型使用Pyrosim軟件對(duì)倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)的發(fā)展過程進(jìn)行了模擬仿真；針對(duì)突發(fā)火災(zāi)災(zāi)情下的應(yīng)急疏散模擬，唐國(guó)磊等[4]針對(duì)港口客運(yùn)站火災(zāi)特點(diǎn)和人員疏散影響因素，建立了基于AnyLogic的港口客運(yùn)站作業(yè)系統(tǒng)仿真模型和基于Pathfinder的人員疏散仿真模型；金澤人等[5]提出了基于元胞自動(dòng)機(jī)的火災(zāi)場(chǎng)景移動(dòng)方向規(guī)則和基于行人流的異步型人流模擬模型；黃凱等[6]基于Pyrosim軟件對(duì)某教學(xué)樓一層全尺寸模型的火災(zāi)數(shù)值模擬分析，建立基于火災(zāi)產(chǎn)物影響下的人員疏散模型。賈幼磊等[7]基于Anylogic仿真軟件構(gòu)建了考慮碼頭和堆場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)的全港道路交通系統(tǒng)仿真模型，對(duì)不同區(qū)域著火后人員和車輛疏散進(jìn)行仿真分析，支撐碼頭著火安全應(yīng)急疏散預(yù)案制定。

目前，對(duì)于火災(zāi)發(fā)展蔓延規(guī)律的模擬主要著重于二維平面的研究，模擬結(jié)果雖然簡(jiǎn)潔直觀，但是與真實(shí)場(chǎng)景的差別較大，隨著計(jì)算機(jī)三維建模技術(shù)的發(fā)展與成熟，借助相關(guān)軟件和算法，能夠?qū)?fù)雜現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)三維仿真模擬，因此可以將火災(zāi)態(tài)勢(shì)發(fā)展、人群疏散的二維仿真結(jié)果在三維仿真環(huán)境中進(jìn)行可視化模擬，使研究結(jié)果更加清晰直觀，更有利于消防指揮決策和疏散演練，盡量將災(zāi)害帶來的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡降到最低。為此，以某港口為例，基于元胞自動(dòng)機(jī)結(jié)合港口環(huán)境、氣象等條件提出火災(zāi)蔓延模型，并在此基礎(chǔ)上以社會(huì)力改進(jìn)的蟻群算法對(duì)疏散人群的疏散行動(dòng)進(jìn)行模擬，并基于Unity3D物理引擎平臺(tái)針對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行可視化。

1 港口場(chǎng)景火災(zāi)蔓延模型研究

1.1 元胞網(wǎng)格劃分

元胞空間是元胞在空間中分布的空間格點(diǎn)，為了便于在現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)環(huán)境下進(jìn)行火災(zāi)蔓延過程的展示，采用類似圓形的二維Moore正方形網(wǎng)格劃分元胞空間[8]。元胞空間網(wǎng)格大小根據(jù)Hamada提出的在一定風(fēng)速下火蔓延的極限距離公式來確定，公式如下

H=1.15×(5+0.5v)

(1)

式中：v表示風(fēng)速，(m/s)；H表示一定風(fēng)速下火災(zāi)蔓延的極限距離，m。當(dāng)風(fēng)速為0時(shí)，火災(zāi)蔓延的極限距離是5.75 m，如果元胞邊長(zhǎng)值大于5.75 m，不便于模擬火災(zāi)的真實(shí)蔓延情況，因此選取元胞邊長(zhǎng)b=5 m。

模型元胞的狀態(tài)代表當(dāng)前時(shí)間該地理位置的相應(yīng)網(wǎng)格的火勢(shì)狀態(tài)，將港口火災(zāi)模型元胞狀態(tài)屬性定義為0、1、2三種。其中0狀態(tài)表示當(dāng)前元胞所處地理位置存在不可燃燒的障礙物，且無(wú)法進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換；1狀態(tài)為可燃燒而尚未燃燒，狀態(tài)1可轉(zhuǎn)換為狀態(tài)2；2狀態(tài)代表當(dāng)前元胞正在燃燒，且具有點(diǎn)燃鄰域中狀態(tài)1元胞的能力。

為了更好地描述元胞狀態(tài)的變化，元胞自動(dòng)機(jī)通常將時(shí)間離散成等間隔的時(shí)間步，公式如下

(2)

式中：H為火災(zāi)蔓延的距離，即元胞邊長(zhǎng)b；v為火災(zāi)蔓延的速度。以港口地勢(shì)開闊為基礎(chǔ)條件，在本實(shí)驗(yàn)中設(shè)定火災(zāi)蔓延的速度為2.5 m/s，模型的時(shí)間步為2 s。

1.2 元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則

在港口火災(zāi)蔓延模型中，元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換的規(guī)則表示燃燒元胞擴(kuò)燃的規(guī)則。預(yù)設(shè)元胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)換規(guī)則如圖1所示。

圖1 元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則

根據(jù)上述對(duì)港口火災(zāi)的影響因素的分析，定義點(diǎn)燃概率P(i,j)與場(chǎng)地結(jié)構(gòu)耐火等級(jí)、風(fēng)氣象荷載等影響因素相關(guān)，公式如下[9]

P(i,j)=R(i,j)×A(i,j)

(3)

式中：R(i,j)為港口發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域建筑類型對(duì)于火災(zāi)發(fā)展蔓延的影響；A(i,j)為港口場(chǎng)景下風(fēng)速以及風(fēng)向?qū)τ诨馂?zāi)發(fā)展蔓延的影響。選用符合港口場(chǎng)景的建筑結(jié)構(gòu)類型影響參數(shù)[10]作為R(i,j)的取值，如表1所示。

表1 R(i,j)取值參考

模型在理想無(wú)風(fēng)和有風(fēng)狀態(tài)下進(jìn)行模擬分析，假定港口火災(zāi)受東風(fēng)影響，選取1～5 m/s的輕微風(fēng)、6～8 m/s的輕勁風(fēng)作為兩種風(fēng)速變量，A(i,j)的取值如圖2所示。

2-a 風(fēng)速為1～5 m/s 2-b 風(fēng)速為6～8 m/s 2-c 從左到右影響依次為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0

1.3 模擬結(jié)果

構(gòu)建發(fā)生火災(zāi)的港口場(chǎng)景，假定火災(zāi)發(fā)生在集裝箱裝卸區(qū)域，該區(qū)域呈正方形，面積為10 000 m2，共設(shè)E1、E7兩個(gè)應(yīng)急疏散專用出口，其中E2-E6區(qū)域?yàn)榧b箱擺放區(qū)域，E8區(qū)域?yàn)榭晒┤藛T疏散行走區(qū)域，如圖3所示。為了方便對(duì)比，設(shè)定起火位置如圖4所示，火災(zāi)發(fā)展蔓延的結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖3 模擬港口區(qū)域平面示意圖

5-a t=20 s 5-b t=40 s 5-c t=60 s 5-d t=80 s

6-a t=20 s 6-b t=40 s 6-c t=60 s 6-d t=80 s

7-a t=20 s 7-b t=40 s 7-c t=60 s 7-d t=80 s

(1)理想無(wú)風(fēng)條件下火災(zāi)蔓延結(jié)果。

(2)東風(fēng)風(fēng)速1～5 m/s條件下火災(zāi)蔓延結(jié)果。

(3)東風(fēng)風(fēng)速6～8 m/s條件下火災(zāi)蔓延結(jié)果。

2 港口火災(zāi)場(chǎng)景下的人群疏散模擬

基于火災(zāi)蔓延元胞自動(dòng)機(jī)模型模擬結(jié)果，考慮到人與人、災(zāi)害和障礙物之間的相互作用力，使用社會(huì)力模型改進(jìn)蟻群算法中的信息素更新準(zhǔn)則[11]，對(duì)港口火災(zāi)場(chǎng)景下的人群疏散進(jìn)行模擬。

2.1 社會(huì)力模型

Dirk Helbing和Peter Molnar兩位學(xué)者[12]在研究中將運(yùn)動(dòng)中的人員個(gè)體簡(jiǎn)化為受力學(xué)影響、具有運(yùn)動(dòng)規(guī)律的粒子，假設(shè)粒子的重量為m，針對(duì)粒子分析其運(yùn)動(dòng)過程中受到的作用力，粒子在疏散過程中所受的社會(huì)力Fo公式如下

Fo=fo+∑o≠o′foo′+∑xfox

(4)

式中：fo為粒子o自身主觀引導(dǎo)對(duì)疏散出口產(chǎn)生的自驅(qū)動(dòng)力，foo′為粒子o與粒子o′小于一定距離時(shí)的排斥力，fox為粒子o在疏散過程中與障礙物、災(zāi)害等之間的排斥力。

2.2 基于社會(huì)力蟻群算法的疏散模擬

選擇出口作為條件對(duì)啟發(fā)函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使人群疏散的目標(biāo)方向?yàn)殡x當(dāng)前節(jié)點(diǎn)最近的出口方向[13]，公式如下

(5)

(6)

式中：μab(t)為路徑ab上信息素的濃度；ρa(bǔ)b(t)為o在路徑ab的啟發(fā)函數(shù)值；α和β分別為μab(t)和ρa(bǔ)b(t)的影響因子。

在整個(gè)疏散過程中，個(gè)體所受到的排斥力會(huì)由于人群擁擠和火災(zāi)逼近等原因不斷增加，對(duì)疏散出口的驅(qū)動(dòng)力維持穩(wěn)定，社會(huì)力總和Fo會(huì)呈現(xiàn)整體上升的趨勢(shì)[6]。在一定時(shí)間間隔內(nèi)針對(duì)所有個(gè)體，記錄其所受社會(huì)力的情況

[Fo1(t1)，F(xiàn)o2(t2)，…，F(xiàn)on(tn)]

(7)

式中：on表示n個(gè)疏散個(gè)體；tn表示某時(shí)刻。計(jì)算個(gè)體社會(huì)力標(biāo)準(zhǔn)差，若當(dāng)前時(shí)刻個(gè)體o的社會(huì)力標(biāo)準(zhǔn)差與前時(shí)刻相比出現(xiàn)了大幅度增長(zhǎng)變化，則下一時(shí)刻通過以下規(guī)則對(duì)場(chǎng)景中的信息素濃度進(jìn)行更新

(8)

(9)

圖8 疏散流程示意圖

2.3 模擬結(jié)果

在火災(zāi)蔓延模型基礎(chǔ)上的人群疏散模擬結(jié)果如下。

(1)理想無(wú)風(fēng)狀態(tài)下火災(zāi)場(chǎng)景疏散模擬結(jié)果。

①40人疏散模擬結(jié)果如下，無(wú)被困人員，如圖9所示。

9-a t=20 s 9-b t=40 s 9-c t=60 s 9-d t=80 s

②60人疏散模擬結(jié)果如下，被困3人，如圖10所示。

10-a t=20 s 10-b t=40 s 10-c t=60 s 10-d t=80 s

③80人疏散模擬結(jié)果如下，被困3人，如圖11所示。

11-a t=20 s 11-b t=40 s 11-c t=60 s 11-d t=80 s

(2)東風(fēng)下火災(zāi)場(chǎng)景60人疏散模擬結(jié)果。

①風(fēng)速為1～5 m/s疏散模擬結(jié)果如下，被困5人，如圖12所示。

12-a t=40 s 12-b t=60 s 12-c t=80 s 12-d t=100 s

②風(fēng)速為6～8 m/s疏散模擬結(jié)果如下，被困8人，如圖13所示。

3 基于Unity3D火災(zāi)場(chǎng)景人群疏散仿真可視化

Unity3D是一個(gè)實(shí)時(shí)3D互動(dòng)內(nèi)容創(chuàng)作和運(yùn)營(yíng)的物理引擎平臺(tái)，擁有高制作速度和簡(jiǎn)易操作等優(yōu)點(diǎn)，支持Windows、iOS、MacOS等多個(gè)平臺(tái)。Unity平臺(tái)具有強(qiáng)大的兼容性與適配性，支持3dx Max、Maya、Lightwave、Collade等多種格式導(dǎo)入[15]，除了模型原有內(nèi)容外，還可以添加模型的Mesh、Vertex、Color以及骨骼動(dòng)畫等，可通過搭建逼真的三維場(chǎng)景以及動(dòng)畫制作等來對(duì)災(zāi)害應(yīng)急場(chǎng)景進(jìn)行模擬?；?中對(duì)港口火災(zāi)發(fā)展和人群疏散模擬的試驗(yàn)結(jié)果，使用Unity3D引擎對(duì)2中實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行可視化模擬。

3.1 港口仿真場(chǎng)景搭建

創(chuàng)建合理的港口場(chǎng)景是火災(zāi)場(chǎng)景人群疏散仿真模擬的重要前提，將在3ds Max中制作好的模型導(dǎo)出為FBX文件格式，在Unity3D的Scene窗口下進(jìn)行擺放，添加光源，調(diào)整光源的方向、強(qiáng)度等參數(shù)，以及調(diào)整其他場(chǎng)景屬性、環(huán)境屬性，增強(qiáng)場(chǎng)景美觀感和真實(shí)感。并將研究區(qū)域離散成20×20的四邊形元胞空間，港口建模與試驗(yàn)?zāi)M區(qū)域如圖14、圖15所示。

圖14 港口全景建模

3.2 港口火災(zāi)蔓延效果制作

通過腳本控制火焰和煙氣粒子的尺寸，制作火勢(shì)和煙氣增大的效果。由于火焰和煙氣會(huì)隨風(fēng)進(jìn)行擺動(dòng)，因此通過腳本為其添加強(qiáng)制力模擬風(fēng)力使其向力的方向進(jìn)行擺動(dòng)。記錄每一時(shí)間步模擬區(qū)域火災(zāi)的變化，編寫腳本根據(jù)時(shí)間控制粒子的實(shí)例化，從而實(shí)現(xiàn)火災(zāi)和煙氣蔓延過程的三維動(dòng)態(tài)可視化。

3.3 火災(zāi)場(chǎng)景下人群疏散模擬

為工人模型添加剛體組件使其在仿真物理環(huán)境下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，保證疏散模擬的真實(shí)性。為模型設(shè)置動(dòng)畫轉(zhuǎn)換樹，通過運(yùn)動(dòng)速度的大小來切換靜止、行走和奔跑狀態(tài)。為了防止在疏散模擬過程中模型和模型互相穿過的現(xiàn)象出現(xiàn)，需要為模型添加符合形狀的碰撞體，并通過NevMesh組件對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行烘焙提取可運(yùn)動(dòng)的區(qū)域，如圖16所示。

圖16 烘焙場(chǎng)景可通過區(qū)域

為工人模型添加NevMeshAgent組件設(shè)置導(dǎo)航代理實(shí)現(xiàn)疏散運(yùn)動(dòng)，根據(jù)疏散模擬結(jié)果在離散區(qū)域設(shè)置人員疏散位置，在腳本中調(diào)用nav.destination方法將疏散出口設(shè)置為人員運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置，直至與出口發(fā)生碰撞完成疏散。

3.4 仿真結(jié)果

調(diào)整攝像機(jī)的位置來記錄和觀察港口火災(zāi)場(chǎng)景人群疏散過程，仿真結(jié)果如下圖，其中用○標(biāo)注表示被火災(zāi)圍困的人員。

(1)理想無(wú)風(fēng)狀態(tài)下疏散結(jié)果可視化，如圖17所示。

17-a t=0 s 17-b t=20 s 17-c t=40 s 17-d t=60 s

(2)1～5 m/s東風(fēng)火災(zāi)場(chǎng)景疏散結(jié)果可視化，被困5人，如圖18所示。

18-a t=20 s 18-b t=40 s 18-c t=60 s 18-d t=80 s

(3)6～8 m/s東風(fēng)火災(zāi)場(chǎng)景下疏散結(jié)果可視化，被困8人，如圖19所示。

19-a t=20 s 19-b t=40 s 19-c t=60 s 19-d t=80 s

基于Unity3D物理引擎平臺(tái)，結(jié)合搭建的港口場(chǎng)景以及制作的火焰煙氣粒子系統(tǒng)針對(duì)2中的數(shù)學(xué)模擬結(jié)果進(jìn)行可視化模擬，為工人模型添加必要組件作為可運(yùn)動(dòng)的前提，添加動(dòng)畫狀態(tài)機(jī)基于人物速度控制人物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，基于疏散模型結(jié)果編寫腳本為人物制定疏散路徑，實(shí)現(xiàn)港口火災(zāi)場(chǎng)景下人群疏散模擬可視化。

4 總結(jié)和展望

本文使用元胞自動(dòng)機(jī)作為理論基礎(chǔ)，結(jié)合港口特殊地理場(chǎng)景發(fā)生火災(zāi)的特征，構(gòu)建了火災(zāi)蔓延模型，并以此為基礎(chǔ)，使用社會(huì)力蟻群算法對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景下的人群疏散運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了模擬，最后基于Unity3D物理引擎平臺(tái)對(duì)港口火災(zāi)場(chǎng)景下的人員疏散過程進(jìn)行可視化展示。港口火災(zāi)的發(fā)展蔓延過程的模擬和仿真可視化可以精確到某一特定時(shí)間點(diǎn)的火災(zāi)發(fā)展情況，包括蔓延方向、蔓延趨勢(shì)以及已經(jīng)覆蓋的火災(zāi)面積等信息，能夠使港口工作人員、消防官兵以及與此密切相關(guān)的工作人員更好地了解到火災(zāi)發(fā)展蔓延的全部過程，幫助消防人員高效使用消防力量；同樣的，港口火災(zāi)場(chǎng)景下的人員疏散模擬和仿真可視化能夠?yàn)楦劭谙嚓P(guān)機(jī)構(gòu)組織工作人員消防演練提供參考，對(duì)于在火災(zāi)發(fā)生后降低人員傷亡有極其重要的意義。在后續(xù)的研究中，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的增強(qiáng)、火災(zāi)發(fā)展理論的成熟完善，對(duì)火災(zāi)的模擬方式更趨向于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)模擬，模擬結(jié)果會(huì)更接近于火災(zāi)真實(shí)發(fā)展過程。