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摘 要：为了给研究者在选择人员疏散模型时提供参考。采用理论研究和模拟示例相结合的方法从移动方向和移动速度 两方面对比 Pathfinder 软件和元胞自动机模型 (CA 模型 )。Pathfinder 移动方向选择范围较 CA 模型更广,但疏散目标单一 ; CA 模型方向选择自由度低,但可考虑除出口吸引外的其他因素影响。Pathfinder 较 CA 模型具有速度设定多样性优势。综合 两点, Pathfinder 对行人移动还原程度高,研究尺寸参数类因素的设置对疏散的影响时更为精确 ;CA 模型移动规则设置灵活, 在研究行人行为或新增影响因素时更为可行。
关键词：人员疏散,Pathfinder,元胞自动机
Comparison of Pathfinder Evacuation Software and Cellular Automata Model
SHI Wei, YANG Zhenhong
(School of Resources and Engineering, Xi 'an University of Architecture and Technology, Xi' an Shaanxi 710055)
【Abstract】： In order to provide a reference for the researchers in choosing the personnel evacuation model. Comparing the Pathfinder software and the cellular automata model (CA model) in terms of movement direction and movement speed. The Pathfinder movement direction selection range is wider than the CA model, but the evacuation target is single; The CA model direction selection freedom is low, but other factors except the export attraction can be considered. The Pathfinder has the diversity advantage of speed setting over the CA model. Based on two points, Pathfinder has a high degree of pedestrian movement, which is more accurate when studying the influence of size parameter factors on evacuation; CA model movement rules are flexible and more feasible when studying pedestrian behavior or new influencing factors.
【Key words】： personnel evacuation;Pathfinder;cellular automata
引言
随着计算机的发展,研究者们开发出多款疏散软件 如 STEPS、Pathfinder、Netlogo、Anylogic 等 [1-4]。 根据物理平面模化方法可分为离散模型和连续模型。连 续模型能模拟多数实证观测的行人动态,但需要数值方 法来求解复杂方程,并设置合理步长保证行人移动逻辑 和节约计算时间 [5-7]。CA 模型是具有代表性的疏散离散 模型,没有严格函数,具有较强的拓展性,并将环境及 行人间作用转换为场域作用节约了计算资源 [8]。但两种 模型的原理对比分析较少,本文通过连续模型为基础的 Pathfinder 软件和离散静态场 CA 模型对比,研究两种 模型在模拟疏散过程中的差异,并根据离散模型步长设定的特点,提出依据行人速度分配移动次数的方法增加 CA 模型速度多样性,为研究者在模型选取后开展后续 研究提供参考。
1 模型介绍
CA 模型是时间与空间都离散的动力学模型,由于 规则简单,特别适合对复杂系统进行动态模拟,由元胞 状态集、邻域和局部映射函数构成 [9]。人员疏散 CA 模 型通过邻域内元胞状态的转移表示行人移动。
Pathfinder 软件的人员运动模式有 SFPE 模式和 Steering 模式。SFPE 模型以流量为基础,行人间不会 相互影响,人员自动转移到最近的出口。Steering 模 式通过路径规划、指导机制、碰撞处理相结合来控制人员运动,如果人员间的距离或最近点的路径超过某一阈 值,可以再生新的路径,以适应新的形式 [10]。
2 模型对比
采用普遍认可的静态场 CA 疏散模型与 Pathfinder 进行对比,且该模型与 Pathfinder 行人均掌握出口信 息移动合理的假设相符。设置 20m×20m 的疏散场景, 左侧出口,由于 CA 模型在空间上是离散的,行人间间 距是元胞尺寸的整数倍, Pathfinder 行人间距与 CA 模 型相同,速度均为 1m/s。
2.1 移动方向
Pathfinder 软件移动方向如公式(1)所示 ：
式(1) 中 ：Cseek 为各运动方向的权值,权值最小 的方向即为移动方向 ;θt 为速度方向与软件内置 seek 曲线切线夹角。
如图 1 所示为行人在中央分布,行人间距 0.5m,速 度为 1m/s,可观察到人群出现两端扩散现象,直到行人间距离不足以影响其移动后行人间相对位置保持稳定。
选取图 1 中的第 1 排前三名行人进行具体分析如 图 2 所示。初始阶段行人 1 的最优方向受到行人 4 的影 响保持向前 ;行人 2 受行人 1、4、5 和 seek 曲线影响, 最优方向落在西北范围 ;运动阶段, 2、3 行人的相对 位置均出现上移, 5、6 号行人与 2、3 号相似位置上移, 2 号行人由于前方阻碍消失,最优方向发生改变, 3 号 行人处于 2 号行人正后方,最优方向不发生改变 ;稳定 阶段, 1、2、4 号行人相对位置不发生变化,因此 1、2 号行人的移动方向不发生改变, 3 号行人的移动方向改 变与 2 号行人在运动阶段改变相似。
CA 模型中行人移动方向的选择依据为邻域内各元 胞的移动概率。如图 3 所示为 CA 模型按照静态场值移 动的运动过程,行人间隔 1 个元胞(0.5m),出现靠拢 现象,这可能是受静态场值分布影响,行人朝场值更低 的元胞移动,静态场值分布如图 4 所示。
通过 对比两 种模型 发现, CA 模 型中 在行人 元 胞相邻 ( 间距≤ 0.5m) 时会阻碍其他行人的移动,
Fig.5 Pedestrian path simplification model Pathfinder 中影响行人决策的距离要大于 0.5m( 一个 行人尺寸 )。两种模型的总体路线选择也存在略微差异。
Pathfinder 软件为连续模型, 移动点之间计算为欧式 距离,虽同样采用欧式距离赋值但 CA 模型角度自由度 低造成方向偏差,两种模型中行人到最近出口的路径可简化如图 5 所示的三角形, A 点为出口位置, B 点为行 人所在位置。R 为 Pathfinder 中行人路径,r+a 为 CA 模型中行人路径。两路径长度比值如公式(2)所示。 的取值范围为 0 ~ π/4.当取 0 或 π/4 时比值为 1 路径长度相等,当取 π/8 时比值达到最大近似等于 1.08.
2.2 移动速度
Steering 模式中行人的移动速度和加速度公式如式(3)所示 ：
式(3) 中 ：V0 为当前位置的移动速度, m/s ;vmax 为最大移动速度, 据实际情况设定, m/s ;k 为疏散速 度影响因子 ;D 为人员密度,人 /m2.
式(4) 中 ：amax 为最大加速度, m/s2 ;taccel 为加 速时间,据实际情况设定,s。
CA 模型在空间上是离散的,离散模型一般采用差 分方程,根据模拟步数定时对离散模块进行更新,人员 疏散 CA 模型的时间步长与行人移动速度与元胞尺寸相 关,如公式(5)所示。
式(5)中 ：t 为时间步长, s ;l 为元胞长度, m ; v 为移动速度,m/s。
常见的 CA 模型采用固定步长,因此行人的移动速度也仅能选取单一值。离散模型中的步长有变步长和固 定步长之分。变步长会根据模型状态的变化的快慢适当 调节步长,也就是相邻仿真计算的时间间隔,这样在保 证了一定精度的同时又减少了仿真的次数,从而减小了 仿真时间。借鉴离散模型中变步长中时间步的设定,以 最大速度与最小速度的比值 n 作为一次完整演化所需的 步数,行人 m 的移动距离如公式(6)所示。为保证行 人均可移动,一次完整演化所需时间对应的实际时间为公式 (5) 中 v 取最慢行人速度。
lm=t ×k ×v 最慢 (6)
式(6) 中 ：lm 为 m 行人移动距离, k 为移动次数, v 最慢为模型中速度最低值 ;k 与 v 最慢 的乘积为 m 行人的 移动速度。
采用差异步数的方法既可以使行人根据移动速度 更新到合理的位置,也体现出移动过程中行人产生的 冲突。以 v 取 0.5m/s 和 v 取 1m/s 的两档速度的行人 移动过程举例,如图 6 所示,黑色元胞为速度 0.5m/s, 行人完整时间步内移动一次,蓝色元胞为速度 1m/s 行 人,完整时间步内移动两次。图 6(a) 第一步黑色元胞 被阻挡,第二步中不发生移动,图 6(b) 第一步蓝色元 胞被阻挡,第二步蓝色元胞出现依照惯性出现两种可移 动方向。通过该方法同样可不忽视行人冲突的同时,增 加 CA 模型速度多样性。
通过两种模型速度设置的对比发现, Pathfinder 软件速度值的精度高于 CA 模型,且在行人加减速上 Pathfinder 软件表现更加细腻。CA 模型的行人以模型 中的单一速度进行移动,在目标元胞被占据时发生停滞 视为减速行为。引入时间步等分方法,可增设 CA 模型 中的速度设置多样性,但相较 Pathfinder 仍有局限。
3 结语
(1) Pathfinder 中行人移动方向选择基于行人对 出口信息的掌握,体现了行人朝出口移动的现象 ;由于 CA 模型的离散特性,导致静态场 CA 模型中行人路径 略长于 Pathfinder, CA 模型中行人移动方向的选择基 于邻域内元胞的移动概率,因此在行人方向选择依据上 具有灵活性和多样性。
(2) Pathfinder 中最大行人速度可由用户自主设 定,精度为 0.01.且拥有较完整的行人加减速机制 ;传 统 CA 模型采用固定步长仅能模拟一种移动速度,且精 度较低。通过细分时间步的方法,使相同时间内,速度 属性高的行人通过多次更新移动到更远距离,体现行人 速度的差异。
(3)综合以上两点, Pathfinder 基于连续模型特 性,对行人移动动作还原程度高,研究尺寸参数设置对 疏散的影响时更为精确 ;CA 模型移动规则设置灵活, 在研究行人行为或新增影响因素时选用更为可行。
参考文献
[1] 杜长宝,朱国庆,李俊毅.疏散模拟软件STEPS与Pathfinder 对比研究[J].消防科学与技术,2015.34(4):456-460.
[2] 何中旭,常力,姜雯,等.基于FDS和STEPS模拟的大型商业综 合体地下商业区火灾模拟与安全疏散研究[J].南开大学学报(自 然科学版),2017.50(4):76-82.
[3] 唐健,胡玉玲,王亚慧.基于Anylogic的大空间建筑引导员疏 散引导研究[J].消防科学与技术,2021.40(11):1594-1598.
[4] 胡丽娟,姚加林,郑亮.基于NetLogo的地铁车站人员紧急疏 散仿真研究[J].铁道科学与工程学报,2017.14(12):2730-2737. [5] 童蔚苹,程琳.考虑结伴行为的行人流场域元胞自动机模型 [J].系统工程理论与实践,2014.34(9):2386-2391.
[6] 刘慧营,张德珍,张秀国,等.考虑出口宽度因素的多出口应急 疏散模型研究[J].软件,2019.40(8):1-5.
[7] 邓中亮,王小恒.一种用于大型建筑火灾中的应急疏散算法 [J].软件,2011.32(02):112-114.
[8] 徐福顺,丁赛喆,侯亚楠,等.考虑行人避障行为的元胞自动机 模型[J].南京工业大学学报(自然科学版),2021.43(2):247-254.
[9] GUO R Y,HUANG H J.Route Choice in Pedestrian Evacuation Formulated Using a Potential Field[J].Journal of Statistical Mechanics:Theory and Experiment,2011 (4):4018.
[10] 张小虎.基于Pathfinder的超高层建筑人员疏散模拟研究 [J].消防技术与产品信息,2016(9):16-19.
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