一种基于时空交互过程的突发事件人群应急疏散模拟方法

摘要

本发明提出一种基于时空交互过程的突发事件人群应急疏散模拟方法，包括基于统一的时空框架，构建突发事件与个体及个体之间的时空交互机制；基于时空交互机制分析，构建个体时空动态疏散行为，利用social force model模拟突发事件驱动下的人群疏散过程，并进行疏散评价指标分析。本发明方案实施简单方便，实用性强，模拟复杂地理场景下人群疏散行为，模拟结果可为突发事件下的应急疏散提供合理有效的决策参考；解决了相关技术存在的实用性低及实际应用不便的问题，能够提高用户体验，避免重大人力物力损失，具有重要的市场价值。

说明书

技术领域

本发明属于人群应急疏散计算机仿真模拟领域，涉及一种人群应急疏散模拟方法，尤其涉及一种基于态势与个体时空交互过程的人群应急疏散模拟方法。

背景技术

在公共群聚场所中一旦发生火灾、地震等重大突发安全事件，若没有应急疏散预案，则很可能会导致严重的安全隐患，对人群生命健康安全造成严重威胁。人群应急疏散模拟能为突发事件下的应急疏散预案设计提供参考，并能对设计的应急预案进行检查和验证，是降低突发事件安全风险的重要课题。

随着各种新型传感器监测技术、视频分析技术的快速发展和广泛应用，突发事件的发生位置和演化态势可以被实时感知和预测，进而为事件态势传播建模和人群疏散行为模拟提供了有效依据，而计算机仿真技术也因其可以再现特定的时空场景，已成为模拟复杂场景下人群行为的重要技术手段。

现有人群疏散模拟研究通常假设突发事件会快速传播至整个场景并驱动人群立即开始疏散。然而实际情况是，自由移动状态下的个体只有在某一时空位置感知由事件或疏散中人群传播的态势后才会做出疏散决策。因此，现有研究忽略了态势传播是一个时空动态过程，没有考虑态势与个体之间复杂的时空交互过程，最终导致在事件态势与个体驱动机制、人群疏散行为模拟等方面存在明显不足。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种基于时空交互过程的突发事件人群应急疏散模拟方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为一种基于时空交互过程的突发事件人群应急疏散模拟方法，包括以下步骤，

步骤1，基于统一的时空框架，构建突发事件与个体及个体之间的时空交互机制；

步骤2，基于步骤1的时空交互机制分析，构建个体时空动态疏散行为，利用socialforce model模拟突发事件驱动下的人群疏散过程，并进行疏散评价指标分析。

而且，步骤1包括以下子步骤，

步骤1.1，初始化人群疏散地理场景，包括按照预设的空间分辨率对地理场景进行空间剖分，构建栅格化地理场景，初始化人群个体的空间位置；

步骤1.2，构建原生事件态势感知有效时空域，实现如下，

根据突发事件类型和空间位置构建原生事件态势传播至地理场景各栅格位置的最早时间，得到原生事件态势最早感知曲面h(t)，

对原生事件态势最早感知曲面h(t)进行邻域分析，求解每个栅格在其邻域范围内态势感知最早时间的最大值，代表在每个栅格位置处个体进行态势感知的最晚时间，由此得到的曲面称为原生事件态势最晚感知曲面g(t)，g(t)＝{p|t

由此得到该地理场景进行态势感知的有效时空范围，表示原生事件态势最晚感知曲面和原生事件态势最早感知曲面所包围的时空域，称为原生事件态势感知有效时空域δ(t)，δ(t)＝{p|h

步骤1.3，突发事件驱动下的移动人群态势感知分析，包括基于步骤1.2中的原生事件态势感知有效时空域δ(t)，利用时空切片提取逐一时刻的原生事件态势感知有效空间域δ'(t)，δ'(t)＝{p|t＝t'}，并根据当前时刻个体的空间位置判断个体与原生事件态势及人群疏散态势的感知关系，更新个体状态，其中，t'表示某一时空切片的对应时刻。

而且，步骤1.3包括以下子步骤，

步骤1.3.1，移动个体的原生事件态势感知分析，包括对于当前时刻处于自由移动状态的个体，判断当前时刻的空间位置是否在当前时刻的原生事件态势感知有效空间域δ'(t)中，若在则说明个体在当前时刻被原生事件态势感知，反之则说明个体未被原生事件态势感知；

步骤1.3.2，移动个体的人群疏散态势感知分析，实现如下，

对于每个个体，判断其当前时刻个体是否处于态势感知疏散状态，

若是则说明当前时刻该个体能够传播人群疏散态势，则以人群疏散态势影响距离R

若否则当前时刻个体处于自由移动状态或者在态势感知反应状态，不能传播人群疏散态势，判断当前时刻该个体的空间位置是否在其他个体的人群疏散态势影响范围的并集q(A

步骤1.3.3，移动个体的状态分析，包括根据步骤1.3.1中移动个体的原生事件态势感知分析和步骤1.3.2的移动个体的人群疏散态势感知分析的结果，更新下一时刻开始前个体状态为自由移动状态、态势感知反应状态或态势感知疏散状态；如此，直至某时刻所有个体都处于态势感知疏散状态。

而且，步骤2包括以下子步骤，

步骤2.1，移动个体时空疏散行为分析，实现如下，

构建态势感知行为，根据步骤1.3.3中移动个体的状态分析，判断该个体是否感知态势，处于自由移动状态或态势感知反应状态的个体将保持原有运动状态；处于态势感知状态的个体构建出口选择行为和路径规划行为；

构建出口选择行为，将个体感知态势所在位置的最近出口作为目标疏散出口；

构建路径规划行为，求解个体感知态势位置与其目标疏散出口的最短路径规划结果；

步骤2.2，人群移动过程分析，实现如下，

根据步骤1.2中原生事件态势感知有效时空域和步骤1.3中事件驱动下的移动人群态势感知分析，利用social force model计算个体受到的作用力的合力F如下，

其中，f

在此基础上，计算个体的加速度，并更新个体下一时刻的空间位置，实现人群移动过程；

步骤2.3，排队疏散分析，包括计算各个时刻各个出口的排队序列，根据出口通行效率更新个体的排队状态，通过出口离开的个体将从疏散场景中删除，如此直至所有个体都完成疏散，并记录个体疏散过程中每一时刻的位置坐标；

步骤2.4，疏散评价指标分析，包括根据步骤2.3中个体疏散过程中每一时刻的位置坐标，计算疏散评价指标，包括最大疏散时间ETM、累计疏散路程EL和累计疏散时间ETA。

而且，所述构建路径规划行为的实现方式为，利用A*算法求解个体感知态势位置与其目标疏散出口的最短路径规划结果，并利用Dijkstra算法对该结果进行简化，得到适用于连续空间的最短路径规划结果。

本发明方案实施简单方便，实用性强，模拟复杂地理场景下人群疏散行为，模拟结果可为突发事件下的应急疏散提供合理有效的决策参考；解决了相关技术存在的实用性低及实际应用不便的问题，能够提高用户体验，避免重大人力物力损失，具有重要的市场价值。

附图说明

图1为本发明实施例的多出口封闭地理场景与初始人群分布示意图；

图2为本发明实施例的原生事件态势感知最早时间示意图；

图3为本发明实施例的基于社会力模型的人群疏散过程模拟示意图；

图4为本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例具体说明本发明的技术方案。

本发明提出面向态势感知的时空动态过程，围绕突发事件下事件和个体以及个体之间的时空交互机制，模拟复杂地理场景下人群疏散行为，为突发事件下的应急疏散提供一种合理有效的决策参考。

本发明实施例提出一种基于态势与个体时空交互过程的人群应急疏散模拟方法，基于时间地理学理论，在统一的时间框架下描述事件与个体的时空行为，通过对时空过程的推理与分析，揭示突发事件与个体及个体之间的时空交互机制，模拟复杂地理场景下人群疏散的时空动态行为，为突发事件下的应急指挥和疏导控制提供科学有效的决策参考。参见图4，实施例的实现过程包括以下步骤：

步骤1，基于统一的时空框架，构建突发事件与个体及个体之间的时空交互机制。

实施例中，步骤1的对突发事件与个体及个体之间时空交互机制的构建包括以下子步骤：

步骤1.1，初始化人群疏散地理场景。按照预设的空间分辨率对地理场景进行空间剖分，构建栅格化地理场景；初始化人群个体的空间位置。室外场景中的个体以其当前空间位置作为初始空间位置，室内建筑物中的个体将按照预设速率从所在建筑物出口处加入室外场景，并以建筑物出口所在栅格的任意一点作为其初始空间位置；所有个体的初始状态均设置为自由移动状态。

具体实施时，可根据具体情况预设空间分辨率和速率。空间分辨率一般可以设置为5米。优选地，首先预设每个室内建筑物的总人数，然后根据建筑物出口的实际宽度，设置其通行效率(速率)，一般可以设置为5人/秒。

步骤1.2，构建原生事件态势感知有效时空域。

根据突发事件类型和空间位置构建原生事件态势传播至地理场景各栅格位置的最早时间，即原生事件态势最早感知曲面h(t)，

由于人是态势感知的主体，其在相邻空间位置上的连续位移构成了地理场景中相邻栅格之间特殊的拓扑关系，基于此，对原生事件态势最早感知曲面h(t)进行邻域分析，求解每个栅格在其邻域范围内态势感知最早时间的最大值，即在每个栅格位置处个体进行态势感知的最晚时间，由此得到的曲面称为原生事件态势最晚感知曲面g(t)，g(t)＝{p|t

由此可以得到该地理场景进行态势感知的有效时空范围，即原生事件态势最晚感知曲面和原生事件态势最早感知曲面所包围的时空域，称为原生事件态势感知有效时空域δ(t)，δ(t)＝{p|h

步骤1.3，突发事件驱动下的移动人群态势感知分析。基于步骤1.2中的原生事件态势感知有效时空域δ(t)，利用时空切片提取逐一时刻的原生事件态势感知有效空间域δ'(t)，δ'(t)＝{p|t＝t'}，并根据当前时刻个体的空间位置判断个体与原生事件态势及人群疏散态势的感知关系，更新个体状态。其中，t'表示某一时空切片的对应时刻。

实施例中，步骤1.3的突发事件驱动下的移动人群态势感知分析包括以下子步骤：

步骤1.3.1，移动个体的原生事件态势感知分析。对于当前时刻处于自由移动状态的个体，判断其当前时刻的空间位置是否在当前时刻的原生事件态势感知有效空间域δ'(t)中，若在则说明个体在当前时刻被原生事件态势感知，反之则说明个体未被原生事件态势感知。即判断Tag＝p∈δ'(t)，Tag＝1表示个体被原生事件态势感知，Tag＝0表示个体未被原生事件态势感知。

步骤1.3.2，移动个体的人群疏散态势感知分析。

对于每个个体，判断其当前时刻个体是否处于态势感知疏散状态，

若是则说明当前时刻该个体可以传播人群疏散态势，则以人群疏散态势影响距离R

若否则当前时刻个体处于自由移动状态或者在态势感知反应状态，则不能传播人群疏散态势。

由此可以判断该时刻任意处于自由移动状态的个体是否受到其他个体传播的人群疏散态势影响，即判断当前时刻该个体的空间位置是否在其他个体的人群疏散态势影响范围的并集q(A

步骤1.3.3，移动个体的状态分析。根据步骤1.3.1中移动个体的原生事件态势感知分析和步骤1.3.2的移动个体的人群疏散态势感知分析的结果，更新下一时刻开始前个体状态为自由移动状态、态势感知反应状态或态势感知疏散状态。如此，直至某时刻所有个体都处于态势感知疏散状态。

具体实施时，首先对人群疏散地理场景进行初始化，根据应用需求合理设置栅格场景分辨率，对室外场景中人群分布进行初始化，设置室内建筑物中的个体从建筑物出口所在栅格的任意位置处加入室外场景的速率、人群疏散态势影响范围半径、各个出口的通行效率，如图1所示。根据事件类型和空间位置构建事件态势传播至地理场景各个栅格的时间，即原生事件态势感知最早时间，如图2所示，通过邻域分析计算原生事件态势感知最晚时间，进而得到原生事件态势感知有效时空域。然后对突发事件驱动下的移动人群态势感知机制进行分析，从事件与个体及个体与个体两个方面分析个体的态势感知行为，依次进行移动个体的原生事件态势感知分析、移动个体的人群疏散态势感知分析、移动个体的状态分析，直至地理场景中所有个体都处于态势感知疏散状态。

步骤2，基于步骤1的时空交互机制分析，构建个体时空动态疏散行为，利用社会力模型模拟突发事件驱动下的人群疏散过程，并进行疏散评价指标分析。

实施例中，步骤2的突发事件驱动下的人群疏散过程进行仿真建模包括以下子步骤：

步骤2.1，移动个体时空疏散行为分析。构建态势感知行为，根据步骤1.3.3中移动个体的状态分析，判断该个体是否感知态势，处于自由移动状态或态势感知反应状态的个体将保持原有运动状态；处于态势感知状态的个体对其构建出口选择行为，将个体感知态势所在位置的最近出口作为其目标疏散出口；处于态势感知状态的个体对其构建路径规划行为，利用A*算法求解个体感知态势位置与其目标疏散出口的最短路径规划结果，并利用Dijkstra算法对该结果进行简化，得到适用于连续空间的最短路径规划结果。

步骤2.2，人群移动过程分析。根据步骤1.2中原生事件态势感知有效时空域和步骤1.3中事件驱动下的移动人群态势感知分析，利用social force model(社会力模型)计算个体受到的作用力的合力F，

其中，f

步骤2.3，排队疏散分析。计算各个时刻各个出口的排队序列，根据出口通行效率更新个体的排队状态，通过出口离开的个体将从疏散场景中删除，如此直至所有个体都完成疏散，并记录个体疏散过程中每一时刻的位置坐标。

步骤2.4，疏散评价指标分析。根据步骤2.3中个体疏散过程中每一时刻的位置坐标，计算疏散评价指标，包括最大疏散时间ETM，ETM＝max(t(p))，累计疏散路程EL，EL＝∑l(p)，累计疏散时间ETA，ETA＝∑t(p)，其中p表示个体，t(p)表示个体疏散时间，l(p)表示个体累计疏散路程。

具体实施时，首先通过判断移动个体是否处于感知态势来判断其行为模式，对已经处于态势感知的个体将其感知态势所在位置的最近出口作为目标疏散出口，并利用A*算法和Dijkstra算法构建其路径规划行为。然后利用社会力模型模拟人群疏散移动过程，更新出口排队序列直至场景中所有个体都疏散离开，并记录个体疏散过程的空间位置，所得到的人群疏散过程模拟如图3所示。最后计算最大疏散时间、累计疏散时间、累计疏散路程等指标，对疏散结果进行评价分析。

具体实施时，本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，实现方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。

在一些可能的实施例中，提供一种基于时空交互过程的突发事件人群应急疏散模拟系统，包括以下模块，

第一模块，用于基于统一的时空框架，构建突发事件与个体及个体之间的时空交互机制；

第二模块，用于基于第一模块的时空交互机制分析，构建个体时空动态疏散行为，利用social force model模拟突发事件驱动下的人群疏散过程，并进行疏散评价指标分析。

在一些可能的实施例中，提供一种基于时空交互过程的突发事件人群应急疏散模拟系统，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种基于时空交互过程的突发事件人群应急疏散模拟方法。

在一些可能的实施例中，提供一种基于时空交互过程的突发事件人群应急疏散模拟系统，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种基于时空交互过程的突发事件人群应急疏散模拟方法。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。