基于元胞自动机的楼宇疏散仿真与疏散指挥策略优化

摘要

随着我国城市化发展的进程不断加快,大型建筑不断涌现,如何在发生突发事件时将建筑中人员安全疏散已经成为公共安全领域研究的热点和重点,也是建筑在设计、管理阶段重要组成部分。
　　 在楼宇火灾的疏散过程中,人员的生理和心理状态、特征各异,人员个体行为会对整个疏散过程及疏散结果造成至关重要的影响,研究个体行为的特点及规律有助于分析和解决疏散中遇到的问题。在疏散过程中通常涉及大量的人员,如果组织这样规模的实地试验花费巨大,而且人员心理过程很难达到真实事件时的状态。因此,在研究人员疏散时,计算机仿真是最为经济、最便捷的手段。
　　 仿真的关键是数学模型的建立,对人员疏散仿真模型的研究主要分为两类:宏观模型和微观模型。宏观模型只考虑人群的运动,疏散人员在疏散过程中自始至终保持疏散初期的人员密度,有计划、有秩序的疏散,建立宏观模型主要为了产生较低的时间下界；微观模型的研究是将个体作为研究对象,每个个体的行为受年龄、恐慌度以及周围环境变化的影响,每个个体根据自身的状态独立做出判断。
　　 在对各种微观模型的对比和总结的基础之上,本文选用能够体现人群运动特性、计算量又相对较少的元胞自动机模型建立疏散仿真模型,模拟楼宇中人员疏散过程；为了模拟人员超越、绕过障碍等行为,本文在元胞自动机模型的基础之上加入了45度角视野扩展模型；通过设置元胞属性,改变烟雾浓度,模拟了火灾烟气引起的人员的视野范围、理智程度、体能状态下降；利用位置流量模拟人员从众行为,并分析从众行为对人员疏散的影响。
　　 本文利用基于元胞自动机的人员疏散模型开发了楼宇疏散仿真系统。通过此系统,用户可以模拟在不同情况下,楼宇内的人员疏散状况。通过大量的仿真实验,分析了建筑层数与疏散时间的关系、人员数量与疏散时间的关系。
　　 通过仿真可以分析现有建筑的问题,但是如何在安全疏散允许时间内使建筑内人员和财产免遭高温火焰的危害,用最短时间疏散到安全地方,才是人员疏散成功的重要环节,因此,在救援人员到来之前,如何利用建筑中现有的应急疏散设施引导人群疏散,制定合理的疏散策略是解决建筑疏散问题的关键。
　　 建筑中人员疏散的过程非常复杂,很难用一般的数学模型来描述,而且人员的个体行为具有极大的不确定因素更加难以计算。因此,本文将智能优化算法与仿真模型结合,利用基于仿真的优化方法对建筑中的疏散指挥策略进行优化,针对不同的建筑结构及人员分布特点制定合理的疏散指挥策略。
　　 通过计算结果表明,加入指挥作用对楼宇的疏散能力提高有重要的作用。同时,在制定疏散计划时应该充分考虑不同的火灾发生时间、人员分布情况以及生理心理状况,并根据不同情况利用本系统得到相应的指挥策略,并在火灾发生时启用相应的应急疏散方案。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究的背景及重要性

1.2 紧急疏散仿真研究的现状

1.2.1 人员疏散仿真的早期研究

1.2.2 人员疏散仿真的模型

1.2.3 模型间的比较

1.3 本文主要内容

第二章 基于个体行为的元胞自动机仿真模型

2.1 火灾环境下疏散人员个体行为特性

2.1.1 人员心理特征

2.1.2 人员行为特征

2.2 元胞自动机(CA)模型基本思想

2.2.1 元胞自动机模型的发展

2.2.2 元胞自动机的基本原理

2.2.3 元胞自动机的一般特性

2.3 基于个体行为的元胞自动机模型

2.3.1 元胞疏散空间属性模型

2.3.2 疏散人员

2.3.3 出口选择模型

2.3.4 路线选择模型

2.3.5 疏散模型演化规则(行进规则)

2.4 小结

第三章 基于个体行为的楼宇疏散仿真分析

3.1 楼宇疏散仿真实验系统开发

3.1.1 仿真实验系统开发环境

3.1.2 仿真实验系统的开发

3.1.3 参数设定

3.2 各种影响因素的仿真分析

3.2.1 单出口房间人员疏散仿真

3.2.2 45°角视野扩展模型的仿真实验

3.2.3 双出口选择模型

3.3 楼字疏散仿真结果分析

3.3.1 仿真结果与经验计算公式对比

3.3.2 建筑层数与疏散时间的关系

3.3.3 人员数量与疏散时间的关系

3.4 小结

第四章 基于个体行为疏散仿真的疏散指挥策略优化

4.1 疏散策略优化方法的综述

4.1.1 基于仿真的优化方法

4.1.2 紧急情况下楼宇指挥系统

4.2 基于疏散仿真的指挥策略的优化

4.2.1 蚁群算法简介

4.2.2 算法

4.2.3 仿真结果分析

4.3 小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢