專利名稱：一種復(fù)雜建筑室內(nèi)應(yīng)急疏散模擬的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種復(fù)雜建筑室內(nèi)應(yīng)急疏散模擬的方法，屬于空間信息技術(shù)領(lǐng)域。
ニ、背景技術(shù)
目前，城市中涌現(xiàn)出越來越多的高層復(fù)雜建筑，它們一般處在鬧市區(qū)或商業(yè)區(qū)，周圍的交通網(wǎng)絡(luò)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，在緊急情況(火災(zāi)、恐怖襲擊等)發(fā)生時(shí)，這些建筑復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及底層有限的出入口將嚴(yán)重阻礙人員的撤離和救援工作，尤其當(dāng)建筑物的主要結(jié)構(gòu)損壞時(shí)，有可能造成大量人員傷亡。為了對(duì)建筑空間中出現(xiàn)的緊急情況做出快速反應(yīng)，有必要知道哪幾個(gè)房間和樓層受到影響，當(dāng)前的占用模式和樓內(nèi)哪幾個(gè)路徑可安全到達(dá)出口。另外，高層復(fù)雜建筑往往帶有幾層地下室，有水、電、氣等管線，這都?jí)埣恿藨?yīng)急救援與疏散的復(fù)雜性和難度。因此應(yīng)急反應(yīng)系統(tǒng)的ー個(gè)重要功能是空間支持能力，但現(xiàn)存的應(yīng)急反應(yīng)方法通常是基于ニ維空間環(huán)境的，缺少可導(dǎo)航的三維數(shù)據(jù)模型，無法很好實(shí)現(xiàn)三維空間的網(wǎng)絡(luò)分析，延誤了應(yīng)急救援與疏散的時(shí)間。為了解決復(fù)雜建筑內(nèi)應(yīng)急疏散問題，本發(fā)明首先構(gòu)建了建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維層次結(jié)點(diǎn)關(guān)系模型(EHI-NRM)，以此表達(dá)和實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)各單元間的邏輯與幾何關(guān)系。在上述拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)(ICA)，將宏觀路徑規(guī)劃與局部疏散模擬相結(jié)合，在宏觀層次基于EHI-NRM進(jìn)行動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃，在微觀層次運(yùn)用ICA模型模擬人的行為特征。本發(fā)明能極大減少疏散時(shí)間，對(duì)保障建筑內(nèi)人員的安全，以及提高應(yīng)急救援部門的決策能力具有重要應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
I、目的本發(fā)明的目的是自動(dòng)生成復(fù)雜建筑內(nèi)部三維層次結(jié)點(diǎn)關(guān)系模型(EHI-NRM)，在宏觀層次通過HlI-NRM的動(dòng)態(tài)尋徑方法，實(shí)時(shí)搜索最佳疏散路徑；在局部層次用改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)(ICA)模擬人群的疏散行為特征。本發(fā)明支持大型復(fù)雜建筑內(nèi)大規(guī)模人群的疏散模擬，具有良好的社會(huì)效益。2、技術(shù)方案ー種復(fù)雜建筑室內(nèi)應(yīng)急疏散模擬的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟ー建立復(fù)雜建筑內(nèi)部層次結(jié)點(diǎn)關(guān)系模型(EHI-NRM)對(duì)空間實(shí)體進(jìn)行抽象，將房間類空間實(shí)體抽象成結(jié)點(diǎn),走廊以及結(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系抽象成弧段，以此表達(dá)建筑內(nèi)部空間實(shí)體之間的連接、鄰接、包含和相交拓?fù)潢P(guān)系。(I)建立建筑內(nèi)部空間實(shí)體的語義特征和層次特征EHI-NRM在幾何模型中添加了實(shí)體的最小外包矩形(MBR)、實(shí)體包含的門窗信息與疏散模擬和救援密切相關(guān)的幾何要素。語義特征對(duì)建筑的實(shí)體單元按特性進(jìn)行分類，走廊、門具有連接特征，窗戶為半連接，其它實(shí)體表現(xiàn)為障礙物特征。
層次性模型分高低兩個(gè)層次，低層次包括詳細(xì)的結(jié)點(diǎn)關(guān)系結(jié)構(gòu)，高層次結(jié)構(gòu)關(guān)系是對(duì)每層的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行抽象，只保留樓梯的連接結(jié)點(diǎn)作為對(duì)外的邊界結(jié)點(diǎn)，樓層內(nèi)的其它結(jié)點(diǎn)只在樓層子圖路徑分析時(shí)使用。三維實(shí)體之間的拓?fù)潢P(guān)系用圖G = (V，E)來表達(dá)，V是單元結(jié)點(diǎn)的有窮非空集合；集合E描述了結(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系；然后，對(duì)建筑模型進(jìn)行抽象；將每層樓的所有結(jié)點(diǎn)用一個(gè)子圖代替，高層次抽象圖由若干子圖組成，子圖之間通過邊界結(jié)點(diǎn)相互連接。(2)建立建筑內(nèi)部空間單元間拓?fù)渑c邏輯語義關(guān)系單元間拓?fù)潢P(guān)系主要分為単元與門窗的包含關(guān)系、水平層面的連接關(guān)系、垂直層面的連接關(guān)系。(3)自動(dòng)構(gòu)建HlI-NRM模型EHI-NRM由中軸線計(jì)算，結(jié)點(diǎn)、更新拓?fù)潢P(guān)系，樓層抽象、結(jié)點(diǎn)的屬性分配及區(qū)域劃分過程組成。將走廊進(jìn)行簡化，曲折的走廊用多條直線走廊代替，進(jìn)而比較走廊的頂點(diǎn)距離，求出中軸線；若走廊與多個(gè)房間相連，通過求走廊中心點(diǎn)與房間中心點(diǎn)的第三點(diǎn)，作為走廊和房間的連接點(diǎn)；結(jié)點(diǎn)排序是通過對(duì)走廊的所有結(jié)點(diǎn)按X，1，z順序進(jìn)行增序排列，用于后面的拓?fù)溥B接。更新拓?fù)潢P(guān)系主要操作有結(jié)點(diǎn)排序，拓?fù)溥B接和冗余結(jié)點(diǎn)清除。新的結(jié)點(diǎn)屬性繼承原結(jié)點(diǎn)的屬性，如果ー個(gè)走廊結(jié)點(diǎn)劃分為若干子結(jié)點(diǎn)，則新結(jié)點(diǎn)的基本屬性包括結(jié)點(diǎn)類型等與原走廊相同，但結(jié)點(diǎn)的MBR需要重新計(jì)算。樓層抽象是對(duì)三維結(jié)點(diǎn)關(guān)系結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，將關(guān)系結(jié)構(gòu)圖抽象為ー個(gè)高層次的圖，它由多個(gè)低層次子圖組成，子圖之間通過邊界結(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接；對(duì)關(guān)系結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行簡化的關(guān)鍵是子圖的劃分和邊界連接結(jié)點(diǎn)的確定。每層作為一個(gè)子圖，每層的樓梯作為連接其它子圖的邊界結(jié)點(diǎn)。步驟ニ 建立應(yīng)急疏散模型集成EHI-NRM模型與改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)人員的應(yīng)急疏散模擬。改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)模型(ICA)包含了人之間的排斥力、吸引力和人的趨眾心理因素以及人對(duì)建筑內(nèi)部的熟悉程度。在宏觀層面上，通過層次尋徑算法實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)路徑出ロ，實(shí)現(xiàn)疏散過程中動(dòng)態(tài)最優(yōu)路徑的選擇；在微觀層面上，通過使用ICA，實(shí)現(xiàn)疏散過程中個(gè)體特征的模擬。(I)層次圖尋徑算法通過層次圖尋徑算法進(jìn)行子圖內(nèi)部結(jié)點(diǎn)到邊界結(jié)點(diǎn)的最佳路徑計(jì)算、子圖間的最佳路徑計(jì)算以及結(jié)點(diǎn)間成本距離的確定。(2)基于改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)(ICA)實(shí)現(xiàn)局部空間人員運(yùn)動(dòng)模擬I) ICA模型設(shè)計(jì)的方法在傳統(tǒng)元胞自動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，加入人的環(huán)境熟悉程度對(duì)目標(biāo)吸引力的影響，同時(shí)加入元胞之間交流作用，根據(jù)元胞自動(dòng)機(jī)模型的設(shè)計(jì)原則，疏散相關(guān)參數(shù)為網(wǎng)格劃分將建筑物的每ー層平面進(jìn)行均勻的網(wǎng)格劃分，每個(gè)網(wǎng)格或被障礙物占據(jù)，或被人員占據(jù)，否則為空；網(wǎng)格屬性每個(gè)網(wǎng)格的屬性包括占據(jù)屬性和歸屬屬性，占據(jù)屬性表吸網(wǎng)格是否被占據(jù)、占據(jù)它的人或其他物體特性；歸屬屬性表明網(wǎng)格在建筑結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的所屬結(jié)點(diǎn)。2)基于移動(dòng)窗口人群相互作用力的計(jì)算方法 定義ー個(gè)移動(dòng)窗ロ矩陣，矩陣的每個(gè)元素有吸引力和排斥カ兩個(gè)屬性；、
初始化移動(dòng)矩陣，計(jì)算矩陣不同網(wǎng)格對(duì)中心網(wǎng)格的吸引力； 確定人移動(dòng)目的地人的移動(dòng)目的地由其所在結(jié)點(diǎn)的最佳疏散路徑確定； 在更新周圍網(wǎng)格對(duì)中心網(wǎng)格的作用カ時(shí)，根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格所在個(gè)體可能的特性，計(jì)算カ的矢量和；3)更新規(guī)則 每個(gè)人員向左、向右、向上、向下四個(gè)方向的移動(dòng)權(quán)重由前面描述的運(yùn)動(dòng)模式確定; 如果某個(gè)方向最近鄰域的元胞被障礙物或別人占據(jù)，該方向的移動(dòng)權(quán)重設(shè)為0 ; 人員在某個(gè)時(shí)間內(nèi)向移動(dòng)權(quán)重最大的方向移動(dòng)一格，如果權(quán)重最大的方向無法移動(dòng)，則取權(quán)重次大的方向移動(dòng)，仍無法移動(dòng)，則等待對(duì)于速度較慢的個(gè)體，要在2個(gè)或3個(gè)時(shí)間步長，才能移動(dòng)一格； 如果某個(gè)元胞有幾個(gè)人同時(shí)向它運(yùn)動(dòng)，取權(quán)重最大的人進(jìn)入此元胞； 在同一時(shí)間步長內(nèi)，同步更新所有元胞；(3) HlI-NRM模型與ICA集成進(jìn)行整個(gè)建筑空間內(nèi)部的疏散模擬在宏觀層面上，以結(jié)點(diǎn)為單元用層次路徑算法尋找最佳路徑；在微觀層面上，以每個(gè)元胞為單元，用元胞自動(dòng)機(jī)模擬人的局部運(yùn)動(dòng)特征。運(yùn)用元胞自動(dòng)機(jī)模擬要生成元胞、確定元胞運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和綜合作用力。元胞自動(dòng)機(jī)生成網(wǎng)格，網(wǎng)格的結(jié)點(diǎn)屬性由EHI-NRM模型決定，元胞的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)由所在結(jié)點(diǎn)的最佳路徑及元胞在結(jié)點(diǎn)中的位置共同決定。3、優(yōu)點(diǎn)及功效大型建筑某樓層發(fā)生應(yīng)急事件時(shí),傳統(tǒng)的應(yīng)急反應(yīng)系統(tǒng)由于缺少可導(dǎo)航的三維數(shù)據(jù)模型，無法可視化建筑內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)關(guān)系，導(dǎo)致應(yīng)急指揮人員難以做出正確的疏散決策，延誤了救援和撤離的時(shí)間。本發(fā)明提供了層次結(jié)點(diǎn)關(guān)系模型(EHI-NRM)自動(dòng)抽象和表達(dá)大型建筑物內(nèi)的拓?fù)渑c邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)空間疏散路線選擇與規(guī)劃。在上述數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出了改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)(ICA)，將宏觀路徑規(guī)劃與局部疏散模擬相結(jié)合，在宏觀層次基于EHI-NRM進(jìn)行動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃，在微觀層次運(yùn)用ICA模型模擬人的行為特征，能較好的模擬大規(guī)模人群在復(fù)雜建筑內(nèi)疏散過程中的擁堵、避讓、從眾等現(xiàn)象。
四

圖I. EHI-NRM模型構(gòu)建流程示意2.節(jié)點(diǎn)及其邏輯幾何關(guān)系的生成流程示意3.應(yīng)急疏散流程示意4. EHI-NRM結(jié)點(diǎn)路徑查詢示意圖(豎軸單位秒)圖5.不同樓層數(shù)量的層次路徑和普通路徑效率對(duì)比示意圖(豎軸單位秒)圖6.多層建筑不設(shè)置障礙結(jié)點(diǎn)的人員模擬疏散結(jié)果示意圖(豎軸單位秒)圖7.單層建筑設(shè)置障礙結(jié)點(diǎn)的人員疏散模擬結(jié)果示意圖(豎軸單位秒)
五具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及ー種復(fù)雜建筑室內(nèi)應(yīng)急疏散模擬的方法，該方法的具體步驟如下
步驟ー建立復(fù)雜建筑內(nèi)部層次結(jié)點(diǎn)關(guān)系模型(EHI-NRM) 本發(fā)明對(duì)空間實(shí)體進(jìn)行抽象，將房間等實(shí)體抽象成結(jié)點(diǎn)，走廊以及結(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系抽象成弧段，以此表達(dá)建筑內(nèi)部空間實(shí)體之間的連接、鄰接、包含和相交等拓?fù)潢P(guān)系。傳統(tǒng)的這類模型表達(dá)復(fù)雜建筑的空間關(guān)系時(shí)，沒有考慮ー個(gè)房間由多個(gè)出口，走廊由若干子部分組成，以及房間內(nèi)的套間和窗戶等實(shí)體的作用，在三維網(wǎng)絡(luò)分析難以得到最佳疏散路徑。(I)建立建筑內(nèi)部空間實(shí)體的語義特征和層次特征本發(fā)明提出了層次結(jié)點(diǎn)關(guān)系模型(EHI-NRM)，它由邏輯模型和幾何模型組成。幾何模型包括實(shí)體類型、實(shí)體的抽象坐標(biāo)點(diǎn)等屬性特征；邏輯模型用來表達(dá)結(jié)點(diǎn)間的拓?fù)潢P(guān)系，是由抽象結(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)間關(guān)系弧段構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。EHI-NRM在傳統(tǒng)結(jié)點(diǎn)關(guān)系模型的基 礎(chǔ)上，具有語義特征、擴(kuò)展性和層次性。一方面，EHI-NRM在幾何模型中添加了實(shí)體的最小外包矩形(MBR)、實(shí)體包含的門窗信息等與疏散模擬和救援密切相關(guān)的幾何要素，使得模型在進(jìn)行交互和屬性查詢時(shí)，能得到更詳細(xì)的實(shí)體信息。另ー方面，刪除了邏輯模型不需要的鄰接關(guān)系，并對(duì)走廊、房間結(jié)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化，使之更好的滿足路徑分析的需求。EHI-NRM主要組成如圖I所示。語義特征對(duì)建筑的實(shí)體單元按特性進(jìn)行分類，房間為ROOM、走廊為HALLWAY、樓梯為STAIRWAY、門為D00R、窗戶為WINDOW、其他物體為OTHER。走廊，門具有連接特征，窗戶為半連接，其它實(shí)體表現(xiàn)為障礙物特征。層次性層次圖模型在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中具有更高路徑分析能力。模型分高低兩個(gè)層次，低層次包括詳細(xì)的結(jié)點(diǎn)關(guān)系結(jié)構(gòu)，高層次結(jié)構(gòu)關(guān)系是對(duì)每層的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行抽象，只保留樓梯的連接結(jié)點(diǎn)作為對(duì)外的邊界結(jié)點(diǎn)，樓層內(nèi)的其它結(jié)點(diǎn)只在樓層子圖路徑分析時(shí)使用。這樣，實(shí)時(shí)路徑更新時(shí)，只對(duì)有突發(fā)情況的子圖和相關(guān)結(jié)點(diǎn)的路徑重新計(jì)算，提高了最佳路徑的計(jì)算效率。三維實(shí)體之間的拓?fù)潢P(guān)系用圖G = (V，E)來表達(dá)，V是單元結(jié)點(diǎn)的有窮非空集合；集合E描述了結(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系。接下去，對(duì)建筑模型進(jìn)行抽象。以多邊形作為最小單元，按語義模型進(jìn)行分類。根據(jù)抽象出的面和點(diǎn)，初歩構(gòu)建單元結(jié)點(diǎn)關(guān)系結(jié)構(gòu)。對(duì)每層的単元多邊形進(jìn)行ー維抽象得到單元結(jié)點(diǎn)。多邊形用結(jié)點(diǎn)表示，結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)取多邊形的中心坐標(biāo)，多邊形之間的連接包含關(guān)系用連接弧段表示。在此基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化和抽象，將每層樓的所有結(jié)點(diǎn)用一個(gè)子圖代替，高層次抽象圖由若干子圖組成，子圖之間通過邊界結(jié)點(diǎn)(樓梯)相互連接。本發(fā)明使用鄰接多重表作為圖的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，鄰接多重表是對(duì)鄰接表進(jìn)行了一定修改，更適宜解決無向圖的路徑分析等問題。(2)建立建筑內(nèi)部空間單元間拓?fù)渑c邏輯語義關(guān)系單元間拓?fù)潢P(guān)系主要分為単元與門窗的包含關(guān)系、水平層面的連接關(guān)系、垂直層面的連接關(guān)系。単元與門窗的包含關(guān)系通過判斷単元與門窗的最小外包矩形(MBR)來進(jìn)行計(jì)算。門的包含處理同理可得。水平層面的連接關(guān)系對(duì)三維實(shí)體單元進(jìn)行ニ維抽象后，得到每層的平面結(jié)構(gòu)圖。水平層面的連接關(guān)系主要有下面幾種房間之間，如果房間Rl與房間R2鄰接，并且Rl和R2有相同的門，則Rl與R2連接。房間與走廊之間，如果房間R與走廊HW鄰接，R的門與H相交，則R與HW連接。走廊之間，如果走廊HWl與走廊HW2鄰接，則HWl與走廊HW2連接。走廊與樓梯之間，如果走廊HW與樓梯SW鄰接，則HW與SW連接。大廳與走廊之間，如果走廊HW與大廳H鄰接，則HW與H連接。大廳與房間之間,如果大廳H與房間R鄰接,并且H與房間的門相交,則H與R連接。垂直層面的連接關(guān)系；垂直層面的連接主要是樓梯、電梯對(duì)上下樓層進(jìn)行連接，如果樓梯SWl與SW2重合，并且SI與S2的高度相差不超過I層樓的高度值FH，則SI與S2連接。(3)自動(dòng)構(gòu)建HlI-NRM模型EHI-NRM由中軸線計(jì)算，結(jié)點(diǎn)、更新拓?fù)潢P(guān)系，樓層抽象、結(jié)點(diǎn)的屬性分配及區(qū)域劃分等過程組成，構(gòu)建流程如圖2所示。 將走廊進(jìn)行簡化，曲折的走廊用多條直線走廊代替，進(jìn)而比較走廊的頂點(diǎn)距離，求出中軸線。若走廊與多個(gè)房間相連，通過求走廊中心點(diǎn)與房間中心點(diǎn)的第三點(diǎn)，作為走廊和房間的連接點(diǎn)。結(jié)點(diǎn)排序是通過對(duì)走廊的所有結(jié)點(diǎn)按X，1，z順序進(jìn)行增序排列，用于后面的拓?fù)溥B接。更新拓?fù)潢P(guān)系主要操作有結(jié)點(diǎn)排序，拓?fù)溥B接和冗余結(jié)點(diǎn)清除。新的結(jié)點(diǎn)屬性繼承原結(jié)點(diǎn)的屬性，如果ー個(gè)走廊結(jié)點(diǎn)劃分為若干子結(jié)點(diǎn)，則新結(jié)點(diǎn)的基本屬性包括結(jié)點(diǎn)類型等與原走廊相同，但結(jié)點(diǎn)的MBR需要重新計(jì)算。樓層抽象是對(duì)三維結(jié)點(diǎn)關(guān)系結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，將關(guān)系結(jié)構(gòu)圖抽象為ー個(gè)高層次的圖，它由多個(gè)低層次子圖組成，子圖之間通過邊界結(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。對(duì)關(guān)系結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行簡化的關(guān)鍵是子圖的劃分和邊界連接結(jié)點(diǎn)的確定。每層作為一個(gè)子圖，每層的樓梯作為連接其它子圖的邊界結(jié)點(diǎn)。步驟ニ 建立應(yīng)急疏散模型本發(fā)明集成ElHI-NRM模型與元胞自動(dòng)機(jī)(cellular automaton, CA)來實(shí)現(xiàn)人員的應(yīng)急疏散模擬。根據(jù)個(gè)體特性，在CA中加入了人之間的排斥力、吸引力和人的趨眾心理等因素以及人對(duì)建筑內(nèi)部的熟悉程度，構(gòu)造ー種改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)模型(ICA)。ICA模型能較好的模擬大規(guī)模人群疏散中出現(xiàn)的堵塞、躲避、從眾等現(xiàn)象。將EHI-NRM與ICA模型相結(jié)合，在宏觀層面上，通過層次尋徑算法實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)路徑出口，實(shí)現(xiàn)疏散過程中動(dòng)態(tài)最優(yōu)路徑的選擇；在微觀層面上，通過使用ICA，實(shí)現(xiàn)疏散過程中個(gè)體特征的模擬。疏散流程如圖3所
/Jn o(I)層次尋徑算法基本思想是把原始圖分解成一系列更小的子圖和ー個(gè)邊界圖(由子圖間的連接結(jié)點(diǎn)構(gòu)成)，把原圖的最短路徑查詢分解為對(duì)更小圖的最短路徑查詢。層次圖尋徑算法主要解決的問題有子圖內(nèi)部結(jié)點(diǎn)到邊界結(jié)點(diǎn)的最佳路徑計(jì)算，子圖間的最佳路徑計(jì)算以及結(jié)點(diǎn)間成本距離的確定。結(jié)點(diǎn)間成本距離它包括詳細(xì)結(jié)點(diǎn)間的成本距離和邊界結(jié)點(diǎn)間的成本距離。邊界結(jié)點(diǎn)間的成本距離用結(jié)點(diǎn)間的最短路徑之和表示，采用危險(xiǎn)度、通行度、歐式距離三個(gè)因子共同決定詳細(xì)結(jié)點(diǎn)之間的成本距離。結(jié)點(diǎn)的通行成本表達(dá)如下
'I R <0.3通行度(FD) = 0.5 0.3 < R <0.5 (I)
0.2 R >0.5通行成本のH=)⑵其中，R為結(jié)點(diǎn)內(nèi)當(dāng)前人數(shù)與最大可容人數(shù)之比。假設(shè)兩個(gè)相鄰結(jié)點(diǎn)Vi,'之間的空間距離是D，結(jié)點(diǎn)Vi,'的通行成本分別為Ci,ら則假設(shè)Vi到 ' 的過程中，前半段在Vi中行進(jìn)，后半段在 ' 中進(jìn)行，則相鄰結(jié)點(diǎn)的成本距離⑶〃 =DX (Ci+Cp/2。最佳路徑用Dijkstra算法計(jì)算，用層次結(jié)點(diǎn)關(guān)系圖表示建筑的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。(2)基于改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)(ICA)實(shí)現(xiàn)局部空間人員運(yùn)動(dòng)模擬I) ICA模型設(shè)計(jì)的方法
本發(fā)明在傳統(tǒng)元胞自動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，加入人的環(huán)境熟悉程度對(duì)目標(biāo)(由HlI-NRM路徑計(jì)算獲得)吸引力的影響。將人對(duì)建筑內(nèi)部環(huán)境的熟悉程度分非常熟悉、基本熟悉、不熟悉三個(gè)層次，在非常熟悉情況，目標(biāo)吸引力為鄰域元胞總數(shù)N的開根方，在中等熟悉的情況，目標(biāo)吸引カ為#/2,在不熟悉環(huán)境的情況，目標(biāo)吸引カ為#/3;同時(shí)加入元胞之間交流作用，如不熟悉環(huán)境的人碰到非常熟悉環(huán)境的人，則變成對(duì)環(huán)境熟悉的人，但它不能將自己鄰域里的人變成熟悉環(huán)境的人；中等熟悉或非常熟悉環(huán)境的人對(duì)不熟悉環(huán)境的人有吸引力。通過對(duì)元胞自動(dòng)機(jī)進(jìn)行上述改進(jìn)，能較好的模擬大規(guī)模人群疏散的擁堵、避讓、從眾。根據(jù)元胞自動(dòng)機(jī)模型的設(shè)計(jì)原則，對(duì)疏散相關(guān)參數(shù)做如下規(guī)定網(wǎng)格劃分將建筑物每ー層進(jìn)行均勻的網(wǎng)格劃分，每個(gè)網(wǎng)格或被障礙物占據(jù)，或被人員占據(jù)，否則為空。根據(jù)密集人流中典型人員空間分配標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)元胞對(duì)應(yīng)大小為0. 5m X 0. 5mo網(wǎng)格屬性每個(gè)網(wǎng)格的屬性包括占據(jù)屬性和歸屬屬性，占據(jù)屬性表明網(wǎng)格是否被占據(jù)、占據(jù)它的人或其他物體特性；歸屬屬性表明網(wǎng)格在建筑結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的所屬結(jié)點(diǎn)。人員特性按人對(duì)環(huán)境的熟悉程度分為非常熟悉、較熟悉和不熟悉三個(gè)等級(jí)。其中熟悉的人對(duì)鄰域內(nèi)其他人有吸引力，反之有排斥力。2)基于移動(dòng)窗口人群相互作用力的計(jì)算方法在緊急疏散環(huán)境下，人可能受各種因素的影響，主要包括人與人之間的排斥力、人與人之間的吸引力、人與障礙物(包括墻)之間的排斥力、目標(biāo)對(duì)人的吸引力。 排斥力
權(quán)利要求
1.ー種復(fù)雜建筑室內(nèi)應(yīng)急疏散模擬的方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟ー建立復(fù)雜建筑內(nèi)部層次結(jié)點(diǎn)關(guān)系模型(EHI-NRM) 對(duì)空間實(shí)體進(jìn)行抽象，將房間類空間實(shí)體抽象成結(jié)點(diǎn)，走廊以及結(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系抽象成弧段，以此表達(dá)建筑內(nèi)部空間實(shí)體之間的連接、鄰接、包含和相交拓?fù)潢P(guān)系； (1)建立建筑內(nèi)部空間實(shí)體的語義特征和層次特征 EHI-NRM在幾何模型中添加了實(shí)體的最小外包矩形(MBR)、實(shí)體包含的門窗信息與疏散模擬和救援密切相關(guān)的幾何要素； 語義特征對(duì)建筑的實(shí)體單元按特性進(jìn)行分類，走廊、門具有連接特征，窗戶為半連接，其它實(shí)體表現(xiàn)為障礙物特征； 層次性模型分高低兩個(gè)層次，低層次包括詳細(xì)的結(jié)點(diǎn)關(guān)系結(jié)構(gòu)，高層次結(jié)構(gòu)關(guān)系是對(duì)每層的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行抽象，只保留樓梯的連接結(jié)點(diǎn)作為對(duì)外的邊界結(jié)點(diǎn)，樓層內(nèi)的其它結(jié)點(diǎn)只在樓層子圖路徑分析時(shí)使用； 三維實(shí)體之間的拓?fù)潢P(guān)系用圖G= (V，E)來表達(dá)，V是單元結(jié)點(diǎn)的有窮非空集合；集合E描述了結(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系；然后，對(duì)建筑模型進(jìn)行抽象，將每層樓的所有結(jié)點(diǎn)用ー個(gè)子圖代替，高層次抽象圖由若干子圖組成，子圖之間通過邊界結(jié)點(diǎn)相互連接； (2)建立建筑內(nèi)部空間單元間拓?fù)渑c邏輯語義關(guān)系 單元間拓?fù)潢P(guān)系主要分為単元與門窗的包含關(guān)系、水平層面的連接關(guān)系、垂直層面的連接關(guān)系； (3)自動(dòng)構(gòu)建HlI-NRM模型 EHI-NRM由中軸線計(jì)算，結(jié)點(diǎn)、更新拓?fù)潢P(guān)系，樓層抽象、結(jié)點(diǎn)的屬性分配及區(qū)域劃分過程組成； 將走廊進(jìn)行簡化，曲折的走廊用多條直線走廊代替，進(jìn)而比較走廊的頂點(diǎn)距離，求出中軸線；若走廊與多個(gè)房間相連，通過求走廊中心點(diǎn)與房間中心點(diǎn)的第三點(diǎn)，作為走廊和房間的連接點(diǎn)；結(jié)點(diǎn)排序是通過對(duì)走廊的所有結(jié)點(diǎn)按X，1，z順序進(jìn)行增序排列，用于后面的拓?fù)溥B接；更新拓?fù)潢P(guān)系主要操作有結(jié)點(diǎn)排序，拓?fù)溥B接和冗余結(jié)點(diǎn)清除；新的結(jié)點(diǎn)屬性繼承原結(jié)點(diǎn)的屬性，如果ー個(gè)走廊結(jié)點(diǎn)劃分為若干子結(jié)點(diǎn)，則新結(jié)點(diǎn)的基本屬性包括結(jié)點(diǎn)類型等與原走廊相同，但結(jié)點(diǎn)的MBR需要重新計(jì)算；樓層抽象是對(duì)三維結(jié)點(diǎn)關(guān)系結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，將關(guān)系結(jié)構(gòu)圖抽象為ー個(gè)高層次的圖，它由多個(gè)低層次子圖組成，子圖之間通過邊界結(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接；對(duì)關(guān)系結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行簡化的關(guān)鍵是子圖的劃分和邊界連接結(jié)點(diǎn)的確定，每層作為ー個(gè)子圖，每層的樓梯作為連接其它子圖的邊界結(jié)點(diǎn)； 步驟ニ 建立應(yīng)急疏散模型 集成HlI-NRM模型與改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)人員的應(yīng)急疏散模擬，改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)模型(ICA)包含了人之間的排斥力、吸引力和人的趨眾心理因素以及人對(duì)建筑內(nèi)部的熟悉程度；在宏觀層面上，通過層次尋徑算法實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)路徑出ロ，實(shí)現(xiàn)疏散過程中動(dòng)態(tài)最優(yōu)路徑的選擇；在微觀層面上，通過使用ICA，實(shí)現(xiàn)疏散過程中個(gè)體特征的模擬； (1)層次圖尋徑算法 通過層次圖尋徑算法進(jìn)行子圖內(nèi)部結(jié)點(diǎn)到邊界結(jié)點(diǎn)的最佳路徑計(jì)算、子圖間的最佳路徑計(jì)算以及結(jié)點(diǎn)間成本距離的確定； (2)基于ICA實(shí)現(xiàn)局部空間人員運(yùn)動(dòng)模擬.1)ICA模型設(shè)計(jì)的方法 在傳統(tǒng)元胞自動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，加入人的環(huán)境熟悉程度對(duì)目標(biāo)吸引力的影響，同時(shí)加入元胞之間交流作用，根據(jù)元胞自動(dòng)機(jī)模型的設(shè)計(jì)原則，疏散相關(guān)參數(shù)為 網(wǎng)格劃分將建筑物的每ー層平面進(jìn)行均勻的網(wǎng)格劃分，每個(gè)網(wǎng)格或被障礙物占據(jù)，或被人員占據(jù)，否則為空；網(wǎng)格屬性每個(gè)網(wǎng)格的屬性包括占據(jù)屬性和歸屬屬性，占據(jù)屬性表明網(wǎng)格是否被占據(jù)、占據(jù)它的人或其他物體特性；歸屬屬性表明網(wǎng)格在建筑結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的所屬結(jié)點(diǎn)； .2)基于移動(dòng)窗口人群相互作用力的計(jì)算方法 定義ー個(gè)移動(dòng)窗ロ矩陣，矩陣的每個(gè)元素有吸引力和排斥カ兩個(gè)屬性； 初始化移動(dòng)矩陣，計(jì)算矩陣不同網(wǎng)格對(duì)中心網(wǎng)格的吸引力； 確定人移動(dòng)目的地人移動(dòng)目的地由其所在結(jié)點(diǎn)的最佳疏散路徑確定； 在更新周圍網(wǎng)格對(duì)中心網(wǎng)格的作用カ時(shí)，根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格所在個(gè)體可能的特性，計(jì)算力的矢量和； . 3)更新規(guī)則 每個(gè)人員向左、向右、向上、向下四個(gè)方向的移動(dòng)權(quán)重由前面描述的運(yùn)動(dòng)模式確定； 如果某個(gè)方向最近鄰域的元胞被障礙物或別人占據(jù)，該方向的移動(dòng)權(quán)重設(shè)為O ; 人員在某個(gè)時(shí)間內(nèi)向移動(dòng)權(quán)重最大的方向移動(dòng)一格，如果權(quán)重最大的方向無法移動(dòng)，則取權(quán)重次大的方向移動(dòng)，仍無法移動(dòng)，則等待對(duì)于速度較慢的個(gè)體，要在2個(gè)或3個(gè)時(shí)間步長，才能移動(dòng)一格； 如果某個(gè)元胞有幾個(gè)人同時(shí)向它運(yùn)動(dòng)，取權(quán)重最大的人進(jìn)入此元胞； 在同一時(shí)間步長內(nèi)，同步更新所有元胞； (3)EHI-NRM模型與ICA集成進(jìn)行整個(gè)建筑空間內(nèi)部的疏散模擬在宏觀層面上，以結(jié)點(diǎn)為單元用層次路徑算法尋找最佳路徑；在微觀層面上，以每個(gè)元胞為單元，用元胞自動(dòng)機(jī)模擬人的局部運(yùn)動(dòng)特征；運(yùn)用元胞自動(dòng)機(jī)模擬要生成元胞、確定元胞運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和綜合作用力；元胞自動(dòng)機(jī)生成網(wǎng)格，網(wǎng)格的結(jié)點(diǎn)屬性由EHI-NRM模型決定，元胞的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)由所在結(jié)點(diǎn)的最佳路徑及元胞在結(jié)點(diǎn)中的位置共同決定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種復(fù)雜建筑室內(nèi)應(yīng)急疏散模擬的方法。該方法自動(dòng)生成復(fù)雜建筑內(nèi)部空間單元的三維層次結(jié)點(diǎn)關(guān)系模型(EHI-NRM)，支持大型復(fù)雜建筑的動(dòng)態(tài)路徑更新；改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)模型(ICA)能較好的模擬大規(guī)模人群在疏散過程中的擁堵、避讓、從眾等現(xiàn)象；在宏觀層次通過EHI-NRM的動(dòng)態(tài)尋徑方法，實(shí)時(shí)搜索最佳疏散路徑，在局部層次運(yùn)用ICA模擬人群的行為特征。本發(fā)明支持大型復(fù)雜建筑、大規(guī)模人群的疏散模擬，對(duì)保障建筑內(nèi)人員的安全，以及提高應(yīng)急救援部門的決策能力有重要的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102646166SQ20121005879
公開日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月8日
發(fā)明者張立強(qiáng), 張良, 王焰輝, 王臻 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)