大型建筑物中的人員快速疏散系統(tǒng)仿真

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(淄博市城鄉(xiāng)規(guī)劃發(fā)展中心，山東 淄博 255000)

在城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的不斷推動(dòng)下，城市建筑物呈現(xiàn)出規(guī)模大、密度大等特點(diǎn)，為了進(jìn)一步提高人員疏散率，確保人員在第一時(shí)間內(nèi)快速逃離安全地帶，我國(guó)對(duì)大型建筑物人員疏散仿真系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)效果嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，旨在提高建筑物安全管理水平，保證人們的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全。因此，如何科學(xué)地設(shè)計(jì)人員疏散仿真系統(tǒng)是技術(shù)人員安全管理大型建筑物期間必須思考和解決的問(wèn)題。

1 基于CAS疏散仿真模型的構(gòu)建

本設(shè)計(jì)的人員疏散仿真系統(tǒng)，屬于比較具有代表性的復(fù)雜系統(tǒng)。為了保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平，技術(shù)人員需要根據(jù)建筑物的特點(diǎn)，利用復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)(CAS)相關(guān)理論，完成對(duì)人員疏散模型的構(gòu)建。該模型主要由以下3個(gè)部分組成：(1)環(huán)境：主要包含墻壁、桌椅等障礙物以及人員主體；(2)主體：指人員主體；(3)主體規(guī)則：主要指人員主體必須遵守的基本規(guī)則。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

為了保證人員疏散仿真系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)效果，技術(shù)人員要從大型建筑物空間構(gòu)造狀態(tài)和障礙物存在狀態(tài)，完成對(duì)虛擬環(huán)境的設(shè)計(jì)。該虛擬環(huán)境主要包含二維空間、人員疏散時(shí)間以及障礙物有無(wú)狀態(tài)等。此外，還要根據(jù)人員所對(duì)應(yīng)的行為準(zhǔn)則，根據(jù)環(huán)境變化情況，及時(shí)更新和調(diào)整人員自身狀態(tài)。所以，在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)期間，技術(shù)人員要做好對(duì)人員主體Agent模塊的設(shè)計(jì)。在這一過(guò)程中，首先，要借助二維對(duì)象空間，完成對(duì)Grid2dImpl對(duì)象類(lèi)的實(shí)現(xiàn)，該類(lèi)主要由網(wǎng)格組成[1]，在進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)期間，要根據(jù)人員主體的大小，科學(xué)設(shè)置各個(gè)網(wǎng)格的大小。當(dāng)大型建筑物內(nèi)所有對(duì)象創(chuàng)建完畢后，需要進(jìn)入到ModelSwarm模塊設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中。該模塊主要用于對(duì)以下2種對(duì)象的創(chuàng)建：一種是人員主體對(duì)象[2]；另一種是障礙物對(duì)象。同時(shí)，還用于對(duì)人員主體行為的自動(dòng)化調(diào)度，當(dāng)ModelSwarm模塊設(shè)計(jì)結(jié)束后，進(jìn)入到ObserverSwarm模塊設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，該模塊主要用于對(duì)人員疏散仿真界面的科學(xué)設(shè)計(jì)，確保大型建筑物內(nèi)人員在緊急情況下能夠快速逃離到安全地帶[3]。另外，通過(guò)利用該模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建探測(cè)器Probe的創(chuàng)建，以實(shí)現(xiàn)對(duì)人員疏散人數(shù)和人員疏散時(shí)間2個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律和情況。當(dāng)ObserverSwarm模塊設(shè)計(jì)結(jié)束后，說(shuō)明整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完滿(mǎn)成功。

2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步提高人員疏散仿真系統(tǒng)的運(yùn)行性能，技術(shù)人員要嚴(yán)格按照如圖1所示的系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)示意圖，完成對(duì)該系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計(jì)。

圖1 人員疏散仿真系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of functional module design of personnel evacuation simulation system

2.2.1人員主體模塊設(shè)計(jì)

人員主體模塊在具體的設(shè)計(jì)中，主要用于對(duì)人員主體相關(guān)模型的構(gòu)建，在構(gòu)建人員主體相關(guān)模型期間，需要做好對(duì)人員主體行為準(zhǔn)則的正確設(shè)置。該主體的行為準(zhǔn)則主要包含以下3個(gè)方法：selectPosition()方法、move()方法和exitFromHall()方法；3種方法描述如表1所示。

表1 人員主體主要方法功能描述Tab.1 Description of main methodsand functions of personnel

2.2.2ModelSwarm模塊設(shè)計(jì)

通過(guò)利用ModelSwarm模塊，可以將主體、主體行為規(guī)則和行為序列進(jìn)行有效地結(jié)合，為后期精確地分析和追蹤人員疏散數(shù)量的變化情況打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該模塊主要包含以下3種方法：buildObjects()方法、buildActions()方法和activateln()方法；這3種方法描述如表2所示。

表2 ModelSwarm主要方法功能描述Tab.2 ModelSwarm main method function description

2.2.3ObserverSwarm模塊設(shè)計(jì)

ObserverSwarm模塊主要用于對(duì)系統(tǒng)仿真界面的創(chuàng)建，此外，通過(guò)利用該模塊，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器Probe相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和監(jiān)測(cè)。該模塊主要包含以下3種方法[4]，分別是buildObjects()方法、buildActions()方法、activateln()方法。bserverSwann主要方法功能描述如表3所示。

表3 bserverSwann主要方法功能描述Tab.3 BserverSwann main method function description

2.2.4啟動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

啟動(dòng)模塊作為系統(tǒng)的核心模塊，為人員疏散提供了很好的入口。為此，技術(shù)人員通過(guò)借助顯示仿真界面，可以對(duì)ObserverSwarm進(jìn)行實(shí)例化操作，并構(gòu)建各種對(duì)象[5]，啟動(dòng)模塊主要包含以下6種方法：initSwarm()方法、buildObjects()方法、buildActions()方法、activateln()方法、go()方法以及drop()方法；啟動(dòng)模塊的主要方法功能描述如表4所示。

表4 啟動(dòng)模塊的主要方法功能描述Tab.4 Function description of the main methods of starting the module

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 啟動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)

整個(gè)仿真系統(tǒng)在具體的設(shè)計(jì)中，需要借助啟動(dòng)模塊進(jìn)行啟動(dòng)運(yùn)行，該模塊主要用于對(duì)Swarm仿真環(huán)境的初始化處理。同時(shí)，還負(fù)責(zé)對(duì)ObserverSwarm對(duì)象的創(chuàng)建。該模塊在進(jìn)行初始化處理期間，要完成對(duì)整個(gè)程序名稱(chēng)、Swarm版本號(hào)、命令行參數(shù)等相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和傳遞；在此基礎(chǔ)上，還要做好對(duì)ObserverSwarm對(duì)象的創(chuàng)建，便于系統(tǒng)在正式啟動(dòng)后，可以將用戶(hù)控制面板自動(dòng)呈現(xiàn)出來(lái)，使得用戶(hù)能借助系統(tǒng)控制面板，實(shí)現(xiàn)對(duì)程序流程的自動(dòng)化、規(guī)范化控制。當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)擊“Start”按鈕后，程序一直保持繼續(xù)執(zhí)行狀態(tài)；當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)擊“Quit”按鈕時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)退出。

3.2 ObserverSwarm模塊的實(shí)現(xiàn)

ObserverSwarm模塊主要用于對(duì)用戶(hù)界面的自動(dòng)化顯示，該模塊在具體的實(shí)現(xiàn)中，要調(diào)用buildObject()方法，對(duì)人員主體進(jìn)行科學(xué)創(chuàng)建，確保所創(chuàng)建的人員主體能夠符合復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用需求；這是由于當(dāng)所有人員主體始終處于所指定的時(shí)空，才能更好地適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)用需求。另外，還要從人員主體中獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并采用圖形化的方式，將這些數(shù)據(jù)形象、直觀地呈現(xiàn)出來(lái)。所以，通過(guò)利用該模塊，可以借助圖形化的方式，將抽象、難懂的數(shù)據(jù)形象，直觀地呈現(xiàn)在用戶(hù)面前。在此基礎(chǔ)上，還要調(diào)用buildObject()方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象集的創(chuàng)建。

3.3 ModelSwarm模塊的實(shí)現(xiàn)

ModelSwarm模塊在具體的實(shí)現(xiàn)中，通過(guò)調(diào)用buildObject()方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主體和系統(tǒng)空間內(nèi)相關(guān)障礙物的自動(dòng)化構(gòu)建；同時(shí)，將構(gòu)建好的消息隊(duì)列發(fā)送于人員主體。此外，還要采用打包的方式，將該消息添加到指定的行為時(shí)序列表中，確保這些消息在合適的時(shí)間，能夠安全、可靠地傳輸于指定的人員主體中。

4 實(shí)驗(yàn)仿真與結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境說(shuō)明

該系統(tǒng)在具體的設(shè)計(jì)中，主要利用了Java語(yǔ)言；然后，根據(jù)大型建筑物緊急情況，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的人員疏散仿真系統(tǒng)。同時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中所用到的開(kāi)發(fā)工具主要包含2種：一種是Eclipse340；另一種是JDKl6。為了更好地驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性和可靠性，現(xiàn)借助該系統(tǒng)，對(duì)某大型建筑物內(nèi)的人員疏散進(jìn)行真實(shí)化仿真和模擬[6]，從而將該建筑物內(nèi)的人員疏散情況真實(shí)、有效地呈現(xiàn)在用戶(hù)面前。對(duì)于人員疏散仿真系統(tǒng)而言，其用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)變化情況的界面主要由以下幾個(gè)部分組成：控制面板、疏散人數(shù)觀察器、ModelSwarm探測(cè)器。一旦大型建筑物遇到緊急情況，該系統(tǒng)仿真界面會(huì)呈現(xiàn)出所有桌子的擺設(shè)狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)利用該系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的仿真界面，可以開(kāi)展人員疏散相關(guān)工作。這是由于該仿真界面很好地呈現(xiàn)出所有桌子等相關(guān)建筑結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的擺設(shè)實(shí)際變化情況，為后期實(shí)現(xiàn)對(duì)人員疏散的精確化、真實(shí)化仿真打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，通過(guò)利用該界面[7]，可以精確地觀察和了解人員疏散整個(gè)過(guò)程；同時(shí)，還能清晰地觀察和掌握不同人員在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)所對(duì)應(yīng)的疏散情況。

4.2 環(huán)境初始化

當(dāng)系統(tǒng)仿真界面構(gòu)建結(jié)束后，要進(jìn)入到環(huán)境初始化環(huán)節(jié)中。在這一環(huán)節(jié)中，需要保證大型建筑物內(nèi)部桌椅擺設(shè)狀態(tài)始終不變，并對(duì)大型建筑物內(nèi)部空間進(jìn)行初始化處理。對(duì)于人員而言，其初始化主要包含以下2種：一種是人員數(shù)量初始化；另一種是人員位置初始化。人員初始化主要是指根據(jù)當(dāng)前人員所對(duì)應(yīng)的實(shí)際分布情況，采用隨機(jī)處理的方式，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行初始化處理；此時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)呈現(xiàn)出人員疏散仿真界面[8]。通過(guò)利用ModelSwarm探測(cè)器，將人員、墻壁、桌椅等障礙物存放于指定的對(duì)象空間內(nèi)，并對(duì)人員所處的空間長(zhǎng)度和寬度進(jìn)行科學(xué)設(shè)置；然后，借助二維坐標(biāo)，精確地表示出空間人員的個(gè)數(shù)。當(dāng)人員進(jìn)行疏散時(shí)，指定空間內(nèi)人員數(shù)量會(huì)呈現(xiàn)出不斷變化地趨勢(shì)，且該變量也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化。此外，通過(guò)利用ObserverSwarm模塊，對(duì)顯示窗口所對(duì)應(yīng)的顯示頻率進(jìn)行科學(xué)調(diào)節(jié)和控制，根據(jù)相關(guān)參數(shù)，觀察系統(tǒng)當(dāng)前所處的人員疏散仿真狀態(tài)。如果仿真狀態(tài)沒(méi)有結(jié)束，變量被設(shè)置為“false”；如果仿真狀態(tài)結(jié)束，變量被設(shè)置為“true”狀態(tài)。另外，還要設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，用于表示人員疏散需消耗的時(shí)間，初始值為0。

4.3 人員疏散仿真及結(jié)果分析

通常情況下，大型建筑物內(nèi)所對(duì)應(yīng)的空間尺寸、出口位置以及出口個(gè)數(shù)是固定不變的；而桌椅擺設(shè)始終處于不斷變化的狀態(tài)。人員在進(jìn)行疏散期間，桌椅擺放狀態(tài)不同，直接影響了人員的整個(gè)疏散時(shí)間。因此，桌椅擺放對(duì)人員移動(dòng)情況產(chǎn)生了一定的阻礙作用。在進(jìn)行仿真期間，技術(shù)人員要根據(jù)有無(wú)障礙物的狀態(tài)，做好對(duì)相關(guān)模型的構(gòu)建[9]。為此，技術(shù)人員要根據(jù)以下2種情況，做好對(duì)人員疏散仿真處理，一種是有障礙物情況；另一種是無(wú)障礙物情況。當(dāng)大型建筑物處于無(wú)障礙物情況下，對(duì)人員疏散進(jìn)行仿真模擬，在此基礎(chǔ)上，對(duì)有障礙物的大型建筑物進(jìn)行人員疏散仿真處理。

4.3.1無(wú)障礙物情況下人群疏散仿真

在完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上，通過(guò)利用系統(tǒng)檢測(cè)界面，對(duì)人員數(shù)量和疏散時(shí)間進(jìn)行不同處理，從而得出如圖2所示的無(wú)障礙物時(shí)疏散人數(shù)與時(shí)間的關(guān)系。

圖2 無(wú)障礙物時(shí)疏散人數(shù)與時(shí)間的關(guān)系Fig.2 The relationship between the number of people evacuated and time when there are no obstacles

由圖2可知，在起始階段，大量的人員距離出口較遠(yuǎn)，在這一時(shí)間段內(nèi)，疏散的人員數(shù)量往往相對(duì)較少；經(jīng)過(guò)5 s后，到達(dá)出口的人員數(shù)量逐漸呈現(xiàn)出不斷增多的趨勢(shì)，因此，在這一時(shí)期，所對(duì)應(yīng)的疏散人員數(shù)量增長(zhǎng)幅度不斷加快。當(dāng)經(jīng)過(guò)15 s后，由于出口具有一定的瓶頸，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)出口的人員數(shù)量有限，在初始階段，人員疏散狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)向一種比較穩(wěn)定的趨勢(shì)；當(dāng)經(jīng)過(guò)71 s后，整個(gè)空間全體人員已經(jīng)完全疏散完畢。

4.3.2存在障礙物情況下人群疏散仿真

存在障礙物情況主要是指人員在進(jìn)行疏散期間，所對(duì)應(yīng)的疏散環(huán)境主要存在以下2種障礙物，一種是桌椅；另一種是講臺(tái)。由于受到這些障礙物的影響，人員在實(shí)際疏散期間，要及時(shí)改變移動(dòng)方向。因此，需要借助該系統(tǒng)所設(shè)置好的參數(shù)，對(duì)人員數(shù)量和人員疏散時(shí)間進(jìn)行精確計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，從而得出人員數(shù)量與人員疏散時(shí)間之間的關(guān)系；存在障礙物時(shí)疏散人數(shù)與時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 存在障礙物時(shí)疏散人數(shù)與時(shí)間的關(guān)系Fig.3 The relationship between the number of people evacuated and time when there are obstacles

由圖3可知，在初始階段，大部分人員距離出口較遠(yuǎn)，在這段時(shí)間內(nèi)，所對(duì)應(yīng)的疏散人數(shù)相對(duì)較小，當(dāng)經(jīng)過(guò)6 s后，到達(dá)出口的人數(shù)呈現(xiàn)出不斷增多的趨勢(shì)，在這一時(shí)間段內(nèi)，疏散人員數(shù)量增長(zhǎng)幅度不斷加快；當(dāng)經(jīng)過(guò)15 s后，由于出口具有一定的瓶頸作用，單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)出口的人員數(shù)量是有限的。由此可見(jiàn)，人員疏散數(shù)量與人員疏散時(shí)間之間具有一定的線(xiàn)性關(guān)系；當(dāng)時(shí)間經(jīng)過(guò)77 s后，整個(gè)空間全體人員全部疏散結(jié)束。在不存在障礙物和存在障礙物2種情況下，通過(guò)分析和對(duì)比大型建筑物內(nèi)人員疏散仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的人員疏散仿真系統(tǒng)，功能強(qiáng)大、適用性強(qiáng)，完全符合人員疏散仿真模型相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于大型建筑物而言，其人員疏散仿真是一個(gè)漫長(zhǎng)、復(fù)雜的過(guò)程。本文通過(guò)利用CAS理論，完成對(duì)人員疏散仿真模型的構(gòu)建，并借助CAS仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了人員疏散仿真系統(tǒng)，有效地保證了系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)效果，為用戶(hù)帶來(lái)良好的使用體驗(yàn)，完全符合人員安全疏散相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求；為快速解決安全事故，降低人員傷亡概率提供重要的平臺(tái)支持。由此可見(jiàn)，本文所設(shè)計(jì)的人員疏散仿真系統(tǒng)具有非常高的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景，值得被進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。