一種火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬方法。該方法在建立真實(shí)火災(zāi)三維場景的基礎(chǔ)上,以為火災(zāi)場景內(nèi)多個(gè)體進(jìn)行實(shí)時(shí)逃生導(dǎo)航為目標(biāo),圍繞基于向量場的全局運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法展開研究,首先算法實(shí)時(shí)計(jì)算出基于向量場的安全場,然后結(jié)合基于社會(huì)力模型的局部碰撞避免算法,構(gòu)建火災(zāi)場景下的人群行為模型,最后依據(jù)此模型為為場景中每個(gè)逃生個(gè)體提供火災(zāi)逃生指導(dǎo)。本發(fā)明建立了有理論依據(jù)且保證計(jì)算精度的火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬方法,并在多種實(shí)驗(yàn)條件下開展了驗(yàn)證性應(yīng)用。該發(fā)明具有計(jì)算復(fù)雜度低以及仿真效果真實(shí)度高等特點(diǎn),在實(shí)際應(yīng)用中可支持上百位逃生個(gè)體的實(shí)時(shí)應(yīng)急疏散模擬。
【專利說明】一種火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知,火災(zāi)所引起的人群驚恐逃竄是人類最具災(zāi)難性的集體行為之一。由于 在火災(zāi)中,人群產(chǎn)生恐慌而相互踩踏、沖撞,最終導(dǎo)致大量傷亡。公安部數(shù)據(jù)顯示:2011年, 全國共接報(bào)火災(zāi)125402起,死亡1106人,受傷572人,直接財(cái)產(chǎn)損失18. 8億元,與2010年 相比,死亡人數(shù)增加3. 3%。盡管許多現(xiàn)代建筑中設(shè)有火災(zāi)預(yù)警設(shè)備,但這些設(shè)備難以真正 阻止火災(zāi)的發(fā)生,也不能在火災(zāi)中為人群疏散、逃生提供足夠的輔助。所以,利用計(jì)算機(jī)手 段與相應(yīng)的建模方法,針對火災(zāi)場景的應(yīng)急疏散模擬的重要性也日益增大。
[0003] 在火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法上,現(xiàn)階段的主要思路都將引發(fā)火災(zāi)的火焰 源抽象為帶有特定參數(shù)的危險(xiǎn)源,在運(yùn)算過程中利用其特性來影響逃生個(gè)體的對逃生路線 的計(jì)算或一定網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)勢能的變化。該種思路具有廣泛的適用性,但對于火災(zāi)應(yīng)急疏散 模擬的針對性有所不足。在火災(zāi)人群行為模型的研究上,由于缺少真實(shí)火災(zāi)中逃生者的有 效數(shù)據(jù),針對于火災(zāi)場景的人群行為模型數(shù)量較少,而這其中絕大部分模型都建立在實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上。然而從更廣的范圍來看,從2000年開始,由Helbing等人提出的恐慌模型, 描述了行人個(gè)體在人群中由于恐慌與擁擠所導(dǎo)致的不協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng),此模型通過力學(xué)模型的計(jì) 算來預(yù)測行人個(gè)體疏散狀況,從而模擬人群內(nèi)部擠壓的發(fā)生。但如果將恐慌模型運(yùn)用于火 災(zāi)應(yīng)急疏散的模擬中,必須要對其進(jìn)行適配于火災(zāi)特性的修改與調(diào)整。
[0004] 火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬所面臨的挑戰(zhàn)主要來自兩方面:針對于火災(zāi)場景內(nèi)逃生者的實(shí) 時(shí)且精確的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法與具有較高真實(shí)性的火災(zāi)場景下的人群行為模型。
[0005] 對于多個(gè)體的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法,規(guī)劃的高精確性往往意味著巨大的計(jì)算開銷,以致 無法達(dá)到實(shí)時(shí)性。而火災(zāi)等緊急場景具有高動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn),每個(gè)逃生個(gè)體都需要在極短的 時(shí)間內(nèi)對當(dāng)前環(huán)境做出反應(yīng)進(jìn)而做出下一刻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的選擇,所以針對火災(zāi)場景的運(yùn)動(dòng)規(guī) 劃算法必須具有較高的實(shí)時(shí)性,從而為多逃生個(gè)體進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航。針對這一事實(shí),本發(fā)明提 出了安全場的概念,該場反映了火災(zāi)場景內(nèi)每個(gè)地形網(wǎng)格的危險(xiǎn)級別,可以在全局范圍內(nèi) 為逃生者提供針對最終安全出口的導(dǎo)航。另外,為了提高運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的精確性,對每個(gè)逃生者 局部動(dòng)力學(xué)進(jìn)行計(jì)算也成為了必要。本發(fā)明利用經(jīng)過驗(yàn)證的社會(huì)力模型為每個(gè)個(gè)體提供精 確的局部動(dòng)力學(xué)的計(jì)算。通過局部與全局運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法相結(jié)合,對火災(zāi)場景內(nèi)多個(gè)體進(jìn)行 導(dǎo)航。算法的在獲得了實(shí)時(shí)性的同時(shí),也達(dá)到了較高的精確性。
[0006] 由于火災(zāi)中人群行為模型的稀缺性與復(fù)雜性,高真實(shí)度的火災(zāi)疏散模擬一直難以 成為現(xiàn)實(shí)。本發(fā)明通過對消防安全領(lǐng)域文獻(xiàn)的研究,利用經(jīng)過大量驗(yàn)證的煙霧濃度-逃生 速度公式與火災(zāi)場景內(nèi)各位置的煙霧濃度進(jìn)行映射,給出了本發(fā)明所使用的火災(zāi)逃生行為 模型。該模型可以利用相對較少的計(jì)算資源將火災(zāi)中煙霧對逃生個(gè)體的影響真實(shí)地展現(xiàn)出 來。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:針對火災(zāi)中逃生個(gè)體的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),從全局和局部角度 構(gòu)建了針對于火災(zāi)場景內(nèi)逃生者的實(shí)時(shí)且精確的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法與具有較高真實(shí)性的火災(zāi) 場景下的人群行為模型。提供了火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬方法。并通過使用基于OpenGL的程序 框架,繪制出了逼真的模擬效果。
[0008] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬方法,包括以下三個(gè)步驟:
[0009] 步驟(1)、利用安全場計(jì)算逃生個(gè)體的全局速度:本算法給出了基于向量場的安 全場這一概念,并用其描述火災(zāi)現(xiàn)場內(nèi)的動(dòng)態(tài)情況。然后再利用基于安全場的全局運(yùn)動(dòng)規(guī) 劃算法來計(jì)算處于其中的逃生個(gè)體的全局速度;
[0010] 步驟(2)、利用社會(huì)力模型計(jì)算逃生個(gè)體的局部速度:以逃生個(gè)體為單位,將步驟 (1)計(jì)算得出的全局速度作為該步驟的輸入?yún)?shù),再通過基于個(gè)體的社會(huì)力模型的引入,利 用基于社會(huì)力模型的局部碰撞避免算法計(jì)算出每個(gè)個(gè)體的實(shí)時(shí)受力狀況,從而計(jì)算出其對 應(yīng)的局部速度;
[0011] 步驟(3)、利用火災(zāi)逃生行為模型計(jì)算逃生個(gè)體的最終逃生速度:本步驟通過構(gòu) 建火災(zāi)場景內(nèi)火焰源粒子系統(tǒng)以及針對火焰粒子的煙霧濃度進(jìn)行采樣,根據(jù)步驟(1)中計(jì) 算得到的逃生個(gè)體的全局速度與步驟(2)中計(jì)算得出的局部速度,通過火災(zāi)逃生行為模型 計(jì)算得出每個(gè)逃生個(gè)體的最終逃生速度。
[0012] 以上方法基于OpenGL框架,本發(fā)明在保證模擬真實(shí)度的前提下盡可能使計(jì)算復(fù) 雜度降低,在實(shí)際應(yīng)用中可支持上百位個(gè)體的實(shí)時(shí)應(yīng)急疏散模擬。
[0013] 進(jìn)一步的,步驟(1)中所述的安全場可利用自適應(yīng)的非均勻安全網(wǎng)格來實(shí)時(shí)描述 火災(zāi)現(xiàn)場的動(dòng)態(tài)信息,并利用危險(xiǎn)等級計(jì)算出每一網(wǎng)格內(nèi)的最佳逃生方向,從而為火場中 的逃生個(gè)體提供導(dǎo)航。本方法通過擴(kuò)散勢能與網(wǎng)格自適應(yīng)等級的設(shè)計(jì),生成了更加平滑的 個(gè)體逃生路徑,并有效地避免了個(gè)體間振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生。
[0014] 進(jìn)一步的,步驟(2)中所述的算法以可真實(shí)描述人群在恐慌狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)則的 社會(huì)力模型為基礎(chǔ),并將社會(huì)力模型原理應(yīng)用于每位逃生個(gè)體,將火場中逃生個(gè)體間的碰 撞控制在一定的合理范圍內(nèi),從而在更高的精度上模擬了火災(zāi)中的個(gè)體逃生狀況。
[0015] 進(jìn)一步的,步驟(3)中所述的模型利用經(jīng)過驗(yàn)證的煙霧濃度-逃生速度公式對處 于煙霧中的逃生個(gè)體運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行約束。該模型使得人火交互成為可能,為火場中個(gè)體逃 生的模擬提供更加真實(shí)的行為模型。
[0016] 進(jìn)一步的,步驟(1)、(2)、(3)中所述所有計(jì)算方法有理論依據(jù)且在保證仿真真實(shí) 度的前提下降低了計(jì)算復(fù)雜度。
[0017] 本發(fā)明的原理在于:
[0018] 本發(fā)明提供一種火災(zāi)中人員應(yīng)急疏散模擬方法。該方法在建立真實(shí)火災(zāi)三維場景 的基礎(chǔ)上,以為火災(zāi)場景內(nèi)多個(gè)體進(jìn)行實(shí)時(shí)逃生導(dǎo)航為目標(biāo),圍繞基于向量場的全局運(yùn)動(dòng) 規(guī)劃算法展開研究,首先算法實(shí)時(shí)計(jì)算出基于向量場的安全場,然后結(jié)合基于社會(huì)力模型 的局部碰撞避免算法,構(gòu)建火災(zāi)場景下的人群行為模型,最后依據(jù)此模型為為場景中每個(gè) 逃生個(gè)體提供火災(zāi)逃生指導(dǎo)。本發(fā)明建立了有理論依據(jù)且保證計(jì)算精度的火災(zāi)應(yīng)急疏散模 擬方法,并在多種實(shí)驗(yàn)條件下開展了驗(yàn)證性應(yīng)用。該發(fā)明具有計(jì)算復(fù)雜度低以及仿真效果 真實(shí)度高等特點(diǎn),在實(shí)際應(yīng)用中可支持上百位逃生個(gè)體的實(shí)時(shí)應(yīng)急疏散模擬。本發(fā)明的內(nèi) 容主要包括了以下三個(gè)方面:
[0019] (1)基于安全場的全局運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法,由于人類在緊急場景下會(huì)表現(xiàn)出與非緊急 場景下不同的行為模式,本方法給出并實(shí)現(xiàn)了一種基于非均勻安全場的實(shí)時(shí)全局路徑規(guī)劃 算法。該算法為安全場內(nèi)的每個(gè)安全網(wǎng)格賦予一個(gè)危險(xiǎn)等級,用以描述當(dāng)前網(wǎng)格內(nèi)的危險(xiǎn) 狀況。隨后,安全場利用危險(xiǎn)等級計(jì)算出每一網(wǎng)格內(nèi)的最佳逃生方向,從而為火場中的逃生 個(gè)體提供導(dǎo)航。本發(fā)明通過擴(kuò)散勢能與網(wǎng)格自適應(yīng)等級的設(shè)計(jì),生成了更加平滑的個(gè)體逃 生路徑,并有效地避免了個(gè)體間振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生。
[0020] (2)基于社會(huì)力模型的局部碰撞避免算法,為了提高火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬的真實(shí)度, 本方法給出了一種結(jié)合基于安全場的全局路徑規(guī)劃算法的局部碰撞避免算法。該算法以可 真實(shí)描述人群在恐慌狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)則的社會(huì)力模型為基礎(chǔ),并將社會(huì)力模型原理應(yīng)用于 每位逃生個(gè)體,將火場中逃生個(gè)體間的碰撞控制在一定的合理范圍內(nèi),從而在更高的精度 上模擬了火災(zāi)中的個(gè)體逃生狀況。
[0021] (3)火災(zāi)逃生行為模型,本方法給出了適用于火災(zāi)疏散場景的人群行為模型。燃燒 所釋放出的煙霧是火災(zāi)中的頭號(hào)危險(xiǎn)源,本模型利用經(jīng)過驗(yàn)證的煙霧濃度_逃生速度公式 對處于煙霧中的逃生個(gè)體運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行約束。該模型使得人火交互成為可能,為火場中個(gè) 體逃生的模擬提供更加真實(shí)的行為模型。
[0022] 以上方法基于OpenGL框架,本發(fā)明在保證模擬真實(shí)度的前提下盡可能使計(jì)算復(fù) 雜度降低,在實(shí)際應(yīng)用中可支持上百位個(gè)體的實(shí)時(shí)應(yīng)急疏散模擬。。
[0023] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0024] 1、本發(fā)明所設(shè)計(jì)的安全場可利用自適應(yīng)的非均勻安全網(wǎng)格來實(shí)時(shí)描述火災(zāi)現(xiàn)場 的動(dòng)態(tài)信息,并利用危險(xiǎn)等級計(jì)算出每一網(wǎng)格內(nèi)的最佳逃生方向,從而為火場中的逃生個(gè) 體提供導(dǎo)航。本方法通過擴(kuò)散勢能與網(wǎng)格自適應(yīng)等級的設(shè)計(jì),生成了更加平滑的個(gè)體逃生 路徑,并有效地避免了個(gè)體間振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生。
[0025] 2、本發(fā)明所使用的局部碰撞避免算法以可真實(shí)描述人群在恐慌狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)準(zhǔn) 則的社會(huì)力模型為基礎(chǔ),并將社會(huì)力模型原理應(yīng)用于每位逃生個(gè)體,將火場中逃生個(gè)體間 的碰撞控制在一定的合理范圍內(nèi),從而在更高的精度上模擬了火災(zāi)中的個(gè)體逃生狀況。
[0026] 3、本發(fā)明所設(shè)計(jì)的火災(zāi)逃生行為模型利用經(jīng)過驗(yàn)證的煙霧濃度-逃生速度公式 對處于煙霧中的逃生個(gè)體運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行約束。該模型使得人火交互成為可能,為火場中個(gè) 體逃生的模擬提供更加真實(shí)的行為模型。
[0027] 4、本發(fā)明所使用的計(jì)算方法有理論依據(jù),并在特定的運(yùn)算步驟下可以保證火災(zāi)疏 散模擬仿真真實(shí)度的前提下降低了計(jì)算復(fù)雜度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028] 圖1為火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬方法流程圖;
[0029] 圖2為初始安全場示意圖;
[0030] 圖3為安全場運(yùn)行機(jī)制框圖;
[0031] 圖4為基于安全場的全局路徑規(guī)劃算法流程圖;
[0032] 圖5為分裂之后的安全網(wǎng)格示意圖;;
[0033] 圖6為實(shí)驗(yàn)中單個(gè)體逃生演示效果圖;
[0034] 圖7為社會(huì)力模型各元素相互作用關(guān)系示意圖;
[0035] 圖8為10個(gè)逃生個(gè)體相向運(yùn)動(dòng)演示效果圖;
[0036] 圖9為將火災(zāi)逃生行為模型應(yīng)用于個(gè)體逃生過程的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 圖1給出了火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬方法的總體處理流程,下面結(jié)合其他附圖及具體實(shí) 施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0038] 本發(fā)明提供一種火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬方法,主要步驟介紹如下:
[0039] 1、基于安全場的全局運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法
[0040] 本發(fā)明借鑒導(dǎo)航場(Navigation Fields)的概念,定義了基于全局向量場的非均 勻的二維安全場(Safety Fields,以下簡稱SF)。
[0041] a)安全場的定義
[0042] 首先,算法將安全場SF定義為二維平面上的單位向量集,即SF :R2 - S^S1 = [0, 2 ],其中R2表示二維歐式空間,S1表示用于描述向量的極坐標(biāo)角度。
[0043] 安全場SF由若干正方形安全網(wǎng)格組成。每個(gè)安全網(wǎng)格又由危險(xiǎn)等級、自適應(yīng)等 級、擴(kuò)散勢能以及逃生方向組成,如圖2。
[0044] 由于火災(zāi)逃生場景的高動(dòng)態(tài)性,描述其安全情況的安全場需要實(shí)時(shí)讀取場內(nèi)動(dòng)態(tài) 并據(jù)此對自身各元素進(jìn)行及時(shí)更新,其每一幀的運(yùn)行機(jī)制如圖3所示。
[0045] 由上述運(yùn)行機(jī)制過程圖可知,安全場在實(shí)時(shí)更新的過程中每幀都要經(jīng)歷讀取場景 內(nèi)信息、設(shè)定危險(xiǎn)等級,Astar尋路,計(jì)算自適應(yīng)等級,計(jì)算擴(kuò)散勢能,更新危險(xiǎn)等級,計(jì)算逃 生方向以及若干判斷等步驟,其具體運(yùn)行方法詳述如下。
[0046] 讀取場景內(nèi)信息:在每一幀,安全場都要對實(shí)驗(yàn)場景內(nèi)的所有信息進(jìn)行讀取。這些 信息包括:場景內(nèi)所有個(gè)體、靜態(tài)障礙物及動(dòng)態(tài)障礙物的位置信息,個(gè)體的運(yùn)動(dòng)速度、方向、 目標(biāo)點(diǎn)以及還在進(jìn)行逃生的個(gè)體數(shù)目的信息,場景內(nèi)安全網(wǎng)格的數(shù)量及其自適應(yīng)等級。這 些信息都將作為輸入?yún)?shù)為接下來的步驟提供運(yùn)行支撐。
[0047] 設(shè)定危險(xiǎn)等級:在成功讀取場景內(nèi)信息之后,安全場為其包含的所有安全網(wǎng)格設(shè) 定危險(xiǎn)等級。值得注意的是,此步驟只是為安全網(wǎng)格設(shè)定當(dāng)前幀的初始危險(xiǎn)等級,在接下來 的步驟中還可能對此危險(xiǎn)等級進(jìn)行修改。
[0048] Astar尋路:在安全場內(nèi)所有安全網(wǎng)格的危險(xiǎn)等級設(shè)定完成后,利用Astar尋路 算法,算法為場景內(nèi)每位正在進(jìn)行逃生的個(gè)體生成一條從其起點(diǎn)到其目標(biāo)點(diǎn)的最短逃生路 徑,并根據(jù)一定規(guī)則確定該最短逃生路徑的允許行走帶。特別地,為盡可能保證逃生者的安 全,安全場要求此逃生路徑只可以經(jīng)過危險(xiǎn)等級為0的安全網(wǎng)格。在實(shí)際更新的過程中,如 果安全場發(fā)現(xiàn)當(dāng)前逃生個(gè)體正處于其允許的行走帶之內(nèi),則無需為此個(gè)體重新計(jì)算逃生路 徑。另外,對于那些最短逃生路徑相同的逃生個(gè)體(即初始位置與目標(biāo)點(diǎn)都相同的個(gè)體), 允許行走帶的概念也為它們提供了更加廣闊的運(yùn)動(dòng)空間,從而在一定程度上避免個(gè)體間的 過度碰撞。
[0049] 計(jì)算自適應(yīng)等級:在為安全場內(nèi)每位逃生個(gè)體計(jì)算出相應(yīng)的最短逃生路徑之后, 為了節(jié)省計(jì)算量,安全場以個(gè)體為單位,僅計(jì)算每位正在逃生個(gè)體所處安全網(wǎng)格及其周邊 一定范圍內(nèi)網(wǎng)格的自適應(yīng)等級。如果當(dāng)前原始安全網(wǎng)格s gi的自適應(yīng)等級在重新計(jì)算過后 為di X di,則將其均勻分裂為di2個(gè)安全網(wǎng)格,每個(gè)安全網(wǎng)格可被標(biāo)記為sgikj,其中j,k均 為整數(shù),且 j,kG [0,di-l],j,kGN。
[0050] 特別地,當(dāng)前算法只允許原始安全網(wǎng)格分裂一次。
[0051] 計(jì)算擴(kuò)散勢能:在計(jì)算過相應(yīng)安全網(wǎng)格的自適應(yīng)等級之后,安全場為危險(xiǎn)等級不 為SAFE的安全網(wǎng)格計(jì)算其擴(kuò)散勢能。
[0052] 更新危險(xiǎn)等級:此步驟的目的是令當(dāng)前安全網(wǎng)格內(nèi)的危險(xiǎn)等級被其相鄰網(wǎng)格的擴(kuò) 散勢能所影響。安全場在計(jì)算完擴(kuò)散勢能過后,將重新計(jì)算擴(kuò)散勢能大于等于擴(kuò)散閾值A(chǔ) 的安全網(wǎng)格鄰域內(nèi)其它網(wǎng)格的危險(xiǎn)等級。
[0053] 計(jì)算逃生方向:在將安全場內(nèi)所有安全網(wǎng)格相應(yīng)的危險(xiǎn)等級更新完畢后,安全場 將對每個(gè)安全網(wǎng)格內(nèi)的逃生方向進(jìn)行計(jì)算。該逃生方向?qū)⒂善渌鶎侔踩W(wǎng)格與其相鄰網(wǎng)格 的危險(xiǎn)等級計(jì)算得出。本發(fā)明要求,在保證安全的前提下,逃生方向應(yīng)該盡量朝向相對其位 置最近的逃生出口的方向,以便使經(jīng)過當(dāng)前安全網(wǎng)格的逃生個(gè)體盡快逃離火場。
[0054] b)安全場的計(jì)算方法
[0055] 本發(fā)明所給出的基于向量場(即安全場)的全局路徑規(guī)劃算法,就是為每位逃生 個(gè)體計(jì)算出其全局規(guī)劃速度 Vg的過程。該速度反應(yīng)了逃生個(gè)體基于場景全局考慮所得出 的運(yùn)動(dòng)速度與運(yùn)動(dòng)方向,是逃生個(gè)體針對自身逃生的最終目的所得出的運(yùn)動(dòng)決策。其算法 框圖如圖4所示。
【權(quán)利要求】
1. 一種火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬方法,其特征在于:包括以下三個(gè)步驟: 步驟(1)、利用安全場計(jì)算逃生個(gè)體的全局速度:二維向量場表示為在平面上的若干 帶有長度和方向的箭頭,即平面空間內(nèi)每一區(qū)域的數(shù)量都可以用一個(gè)矢量來表示該區(qū)域的 速度、運(yùn)動(dòng)趨勢等特性,基于向量場的原理,安全場定義為二維平面上的單位向量集,即SF: R2 -S1,Sl= [0,2π],其中R2表示二維歐式空間,S1表示用于描述向量的極坐標(biāo)角度, 并用其描述火災(zāi)現(xiàn)場內(nèi)的動(dòng)態(tài)情況;然后,通過將可動(dòng)態(tài)更新的安全場映射為一張全局代 價(jià)地圖,設(shè)計(jì)了全局運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法來計(jì)算處于其中的逃生個(gè)體的全局速度,即:給出安全場 內(nèi)每位逃生個(gè)體ak在時(shí)刻t所處的狀態(tài)Sk(t),利用安全場計(jì)算出個(gè)體在下一時(shí)刻的狀態(tài) Sk(t+τ),從而將其導(dǎo)航至目標(biāo)點(diǎn)gk; 步驟(2)、基于流體動(dòng)力學(xué)建立的社會(huì)力模型可用于描述運(yùn)動(dòng)行人個(gè)體與個(gè)體之間的 相互作用以及個(gè)體與邊界、障礙物之間的相互影響,該模型不僅適用于日常狀態(tài)下的人群 局部動(dòng)力學(xué)的計(jì)算,還適用于緊急狀態(tài)下處于恐慌中的人群的局部動(dòng)力學(xué)模擬,利用社會(huì) 力模型來計(jì)算逃生個(gè)體的局部速度:以逃生個(gè)體為單位,將步驟(1)計(jì)算得出的全局速度 作為該步驟的輸入?yún)?shù),再通過基于個(gè)體的社會(huì)力模型的引入,利用基于社會(huì)力模型的局 部碰撞避免算法計(jì)算出每個(gè)個(gè)體的實(shí)時(shí)受力狀況,從而計(jì)算出其對應(yīng)的局部速度; 步驟(3)、在計(jì)算出全局規(guī)劃速度vg、局部碰撞避免速度vl以及每個(gè)逃生個(gè)體一定范 圍內(nèi)的煙霧濃度之后,接著利用煙霧濃度-逃生速度公式計(jì)算出個(gè)體的運(yùn)動(dòng)速度標(biāo)量值, 再通過求解個(gè)體逃生速度方程得出個(gè)體的最終逃生速度,從而建立了為火災(zāi)現(xiàn)場的逃生者 提供導(dǎo)航的火災(zāi)逃生行為模型:本步驟通過構(gòu)建火災(zāi)場景內(nèi)火焰源粒子系統(tǒng)以及針對火焰 粒子的煙霧濃度進(jìn)行采樣,根據(jù)步驟(1)中計(jì)算得到的逃生個(gè)體的全局速度與步驟(2)中 計(jì)算得出的局部速度,通過火災(zāi)逃生行為模型計(jì)算得出每個(gè)逃生個(gè)體的最終逃生速度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬方法,其特征在于:基于安全場的全局運(yùn) 動(dòng)規(guī)劃算法包括安全場計(jì)算與逃生個(gè)體全局規(guī)劃速度計(jì)算步驟:針對模擬過程的每一幀, 基于安全場的路徑規(guī)劃算法都要事先讀取上一幀的火災(zāi)場景的動(dòng)態(tài)信息,然后依次執(zhí)行危 險(xiǎn)等級設(shè)定、Astar尋路、自適應(yīng)等級計(jì)算、擴(kuò)散勢能計(jì)算、危險(xiǎn)等級更新、逃生方向計(jì)算操 作來自適應(yīng)的更新步驟(1)中所述的安全場,并實(shí)時(shí)描述火災(zāi)現(xiàn)場的動(dòng)態(tài)信息;在安全場 內(nèi)的各個(gè)元素值完成動(dòng)態(tài)更新后,算法將以場景內(nèi)的逃生個(gè)體為單位,結(jié)合個(gè)體自身屬性 計(jì)算出每位逃生個(gè)體的全局規(guī)劃速度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬方法,其特征在于:步驟(2)中所述的 社會(huì)力模型蘊(yùn)含了對驅(qū)動(dòng)力、排斥力、吸引力、行人總體運(yùn)動(dòng)趨勢的建模表示:(1)驅(qū)動(dòng)力: 驅(qū)動(dòng)力是模型中最顯著的力,它決定著行人個(gè)體以期望速度朝向目的地運(yùn)動(dòng),本模型假設(shè) 如果沒有任何外部因素干擾當(dāng)前行人個(gè)體α的運(yùn)動(dòng),該個(gè)體將以速度V〗向期望方向g"(〇 進(jìn)行運(yùn)動(dòng);由于個(gè)體實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中存在必要的減速或躲避過程,模型通過確定的"反應(yīng) 時(shí)間"τα來修正個(gè)體實(shí)際速度<⑴與期望速度之差,以達(dá)到逼近期望速度 (2)排斥力:社會(huì)力模型中的排斥力來自于兩個(gè)方面:行人個(gè)體之間的相互作用與行 人個(gè)體與障礙物之間的相互作用;首先,行人個(gè)體運(yùn)動(dòng)的方向受其他行人個(gè)體的影響,行人 個(gè)體會(huì)根據(jù)自己的期望速度ν?與周圍的人群密度來與其他個(gè)體之間保持一定的距離,即, 當(dāng)行人個(gè)體α在接近另一個(gè)陌生的行人個(gè)體β時(shí)通常會(huì)感覺越來越不舒適;(3)吸引力: 行人個(gè)體α有時(shí)會(huì)被其他個(gè)體或物體吸引;該模型假設(shè)在彳處有一個(gè)體或物體對個(gè)體α產(chǎn) 生吸引效應(yīng)無^利用單調(diào)遞增勢函數(shù)%,(f?|,〇來定義吸引力,并且吸引力的作用范圍大 于行人個(gè)體之間作用力的作用范圍,從而有助于形成行人群體;(4)行人總體運(yùn)動(dòng)趨勢影 響:由于行人個(gè)體運(yùn)動(dòng)存在隨機(jī)性與多變性,人群運(yùn)動(dòng)時(shí)的密度和方向是不均勻的,而不同 位置的其他行人個(gè)體對當(dāng)前行人影響通常是不同的;基于以上事實(shí),該社會(huì)力模型規(guī)定對 于當(dāng)前行人個(gè)體α,其視域內(nèi)的行人個(gè)體應(yīng)該比視域外的個(gè)體對其影響大,其他行人運(yùn)動(dòng) 趨勢只作用當(dāng)前個(gè)體期望方向上;因此,基于社會(huì)力模型的局部碰撞避免算法可為每位逃 生個(gè)體計(jì)算出其局部速度,該速度反應(yīng)了逃生個(gè)體基于自身周圍信息考慮而得出的運(yùn)動(dòng)速 度與運(yùn)動(dòng)方向,是逃生個(gè)體出自本能甚至是下意識(shí)的運(yùn)動(dòng)決策,并且,當(dāng)將其應(yīng)用于規(guī)模較 大的人群時(shí),表現(xiàn)出驚恐逃竄個(gè)體的行為特點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬方法,其特征在于:步驟(3)中所述的火 災(zāi)逃生行為模型利用經(jīng)過驗(yàn)證的煙霧濃度-逃生速度公式對處于煙霧中的逃生個(gè)體運(yùn)動(dòng) 速度進(jìn)行約束;該模型使得人火交互成為可能,為火場中個(gè)體逃生的模擬提供更加真實(shí)的 行為模型。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104239636SQ201410471493
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】李帥, 郝愛民, 劉邦瑞, 王莉莉 申請人:北京航空航天大學(xué), 北京天人同達(dá)軟件科技有限公司