基于子空间网络的人员疏散模型

人员疏散的路径选择是人员行为模拟中的一个重要内容，是提高疏散模型真实程度的关键环节。

在疏散模型中，人员的路径选择与建筑物空间模型的建立方法密切相关，已有的疏散模型对物理空间的建模方法主要有粗糙网络方法和精细网格法两种[1]，其中精细网格模型是过程模拟类模型最常用的空间建模方法，用精细网格方法建立的物理空间模型，是用一系列细小的网格片表示物理空间，每个网格片都被赋予一个值，表示该网格片到目标点的距离和趋势，在模拟时，人员比较其周围网格片值的大小，选择距离向出口较近的网格移动，由于在网格法建立的疏散模型中，疏散路径选择是以点到点的距离为依据的，在模拟某些建筑平面时会出现人员返回室内、穿越房间的现象，这与实际的情况不符。

粗糙网络方法建立的物理空间模型是将房间和公共空间形成节点网络，人员的疏散是按照划分好的节点网络流向移动，不会产生人员返回室内、
2009年 工 程 图 学 学 报2009 第2期 JOURNAL OF ENGINEERING GRAPHICS No.2
基于子空间网络的人员疏散模型
何大治1, 2，谢步瀛1
（1. 同济大学虚拟建筑研究室，上海 200092；2. 华北水利水电学院土木与交通学院，河南郑州 450000）
摘要：基于子空间网络的人员疏散模型，是结合传统粗糙网络模型优点的连续性人员疏散模型。

模型按照子空间等级从低到高的原则，确定人员疏散路径，并考虑人员在疏散过程中的相互作用，使模拟过程更加具有真实性。

通过对一个多房间建筑物的疏散模拟表明，该模型能够真实、精确模拟人员疏散。

关键词：计算机应用；人员疏散模型；子空间网络；模拟
中图分类号：TP 391
文献标识码：A 文章编号：1003-0158(2009)02-0096-05
An Evacuation Model Based on Subspace Network Method
HE Da-zhi1, 2, XIE Bu-ying1
( 1. Virtual Architecture Lab, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. School of Civil Engineering and Communication, North China University of Water Conservancy and Electric Power, Zhengzhou Henan 450000, China )
Abstract: An evacuation model based on subspace net is established. It is a continuous model which extracts merits of coarse network model. Personnel moves from a subspace with low degree to the higher one, and by this means, the whole evacuation route can be determined. An evacuation in a building with multi-rooms is simulated. The results of simulation show that the subspace network model is an effective means to simulate evacuation accurately and truly.
Key words: computer application; evacuation model; subspace network; simulation
收稿日期：2007-09-30
穿越房间的现象，但大多数基于粗糙网络方法的疏散模型都不能模拟人员的疏散过程细节。

因此，本文借鉴粗糙网络模型的物理空间建模方法，提出了一种基于子空间网络的方法，即保证人员疏散时正确的路径选择，也可以模拟整个疏散过程中的人员行为细节。

1 子空间网络的形成
在粗糙网络模型中，建筑物被抽象成为了节点和节点连接线组成的网络图，这对于任何一个建筑物来说都是可实现的。

虽然粗糙网络模型模拟的真实性较差，但是，将建筑物抽象成节点网络的方法具有较好的可计算性，并可以节省计算资源，因此，许多学者在研究时都有所借鉴，如香港城市大学的学者卢兆明[2-3]，清华大学的谢旭阳等[4]。

本文提出的基于子空间网络的也是基于粗糙网络模型划分网络图的思想。

1.1 子空间的形成
人员处于建筑物中，其所能看到的范围仅限于他所处的房间，人员对该房间以外的情况不了解，因此，遭遇火灾时，人员疏散的第一步是离开所处的房间，然后再判断下一步疏散方案。

每个时刻，人员都是处于一个特定的空间内，在离开该空间前，其所有的行为只与该空间的信息相关。

因此，根据建筑物的平面布置，可将建筑平面划分为多个独立的单元，每个独立单元都是由墙和出口组成的封闭空间，对于走廊、楼梯、大厅等公共空间，也可以用虚拟的出口将其封闭，组成独立的空间。

在模型中，为区别于整个模型空间，将这些空间为子空间。

子空间是进行人员疏散基本单元，组成子空间的墙和出口的线段信息都可从CAD建筑图中获取。

一个子空间，是由多条线段组成按照一定的顺序首尾相连组成的，要搜索到这些组成线段的信息，可遵循如下的方法：
（1）由鼠标点位置(x m，y m)确定子空间的起始线段L1，见图1(a)所示；
（2）以L1的一个端点P1为起始点，按照逆时针(或顺时针)的方向查找组成子空间的下一条线段L2；
（3）若在P1处只有L1和L2相交，L2为查找的线段，若有多条线段交于P1点，则选择与L1成最小夹角的线段为L2，此处应注意，查找子空间组成线段的过程中，所有的线段都是以交点为起始点，另一个端点为方向点，其最小夹角线段应满足式(1)，夹角的计算方法如图1(c)所示
12
(,)min{(,),(,),,(,)}
i j i j i j i jk
L L L L L L L L
αααα
=⋅⋅⋅
（1）公式（1）中，α(L i，L jk)表示由线段L i和L jk组成的夹角，如图1(c)所示。

（4）找到L2后，确定出L2上的另一个端点P2，并以P2为起始点，重复(2)～(4)步骤，直至起始点重新等于L1的端点P1，见图1(b)所示。

L1
(a)
(b)
(c)
图1 子空间识别方法
1.2 网络的形成
在疏散时，如果不考虑人员会返回室内避火的可能性，人员的移动都是单向的，都按照房间→走廊→楼梯→底层出口的方向进行疏散。

按照房间位置和安全程度的不同将房间指定为具有不同等级的子空间，人员的疏散过程就是一个从
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等级低的子空间向等级高的子空间疏散的过程。

如图2(a)所示的建筑平面，用顶点表示房间，用连接顶点的边表示出口，平面就可以表示为如
图2(b)所示，用式(2)的二元组来表示，V 表示顶点，E 表示边，u 1表示安全区域，u 2～u 4表示房间1～房间3。

1234112223313434(,){,,,}{(,),(,),(,),(,)}
G V E V u u u u E e u u e u u e u u e u u =⎧⎪=⎨⎪=====⎩
（2）
假设起火点在房间3，人员从房间3疏散到
安全区域的路径有两条：W 1=u 4e 4u 3e 3u 1，W 1
=u 4e 4u 3e 2u 2e 1u 1，如将W 1和W 2路径的边依次赋
值，则两条路径为：W 1=u 4e 4(2)u 3e 3(1)u 1，W 2=
u 4e 4(3)u 3e 2(2)u 2e 1(1)u 1，对两条路径中相同的边，如e 4，取较大的值，对于一个房间的两个出口，如e 2和e 3，取相同的值，
且根据人员疏散的单向性，就可得到如图2(c)所示。

将房间所连接的疏散出口值中较大的数值作为该房间的等级，也就得到疏散路径的表示：W 1= u 4(3)u 3(2)u 1(0)，W 2=u 4(3)u 3(2)u 2(1)u 1(0)，这样也就确定了房间的
等级，对于子空间的等级也可采用同样的方法。

(a)
u 31
2
(b) (c) 图2 子空间的等级定义
房间1
房间2
房间3
房间4
楼梯
房间5房间6房间7房间8
走廊
(a)
(b)
图3 建筑物平面子空间网络
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子空间的等级建立后，其房间内的人员流向也随之确定，建筑物就形成了一个空间网络。

子空间的等级用与其相连的门的最大等级确定，在
CAD 图形中，门用线段表示，门的等级用线段所在层的名称表示。

如图3(a)所示建筑平面，将其子空间划分成如图，按照子空间的定义方法，其子空间网络如图3(b)所示。

建筑物形成的子空间网络图形式不是唯一的，要根据建筑平面的子空间划分情况而定，对于复杂平面布局的建筑物，可遵循以下4个划分准则：
（1） 先确定平面上的与安全区域相连的子空间以及表示独立用房的子空间；
（2） 出口的编号从安全区域向独立用房依次递增，也可反向进行；
（3） 子空间的等级取出口(非入口)的等级最大值；
（4） 一个子空间具有多个出口时，出口的等级应相同，以保证人员在相同子空间内可对疏散路径进行选择性。

2 人员行为模拟
人员行为特征模拟是疏散模拟研究的一个重要内容，人员作为一个智能体，应具有实时判断周围情况，并根据自身的条件做出相应调整的能力。

在子空间网络模型中，采用基于几何的方法对人员在子空间内的疏散情况进行判别，并做出相应的调整。

人员在子空间内移动时，其他人员和建筑物都可能成为阻碍疏散的因素，因此要对人员进行碰撞检测，可能发生的碰撞有下面3种情况：
（1） 只与墙体碰撞； （2） 只与人员碰撞；
（3） 同时碰撞到人员和墙体。

这3种情况常伴随发生，可放在一起讨论。

在每个时间步内，人员可能碰撞到多个其他人员，由于数目不确定，人员的行为决策也不固定。

图4是以人员前进时碰撞到一个其他人员为例，对人员决策行为进行说明。

原方向
Per j Per i
P 1
P 2
原方向
Per j
P 1P 2Per i
L k
原方向
L k
Per j
P 2Per i
Per j +1
原方向
L k
Per j
Per j +1
P 3
Per i
(a) (b) (c) (d)
图4 人员位置调整
人员的决策过程如图4(a)～(d)所示，Per i 表示考察到的人员，图中粗实线表示考察人员碰撞后的调整位置，L k 表示墙体，Per j 与Per j +1表示碰撞到的其他人员。

3 模型应用与分析
根据子空间网络的模型，对图3建筑物进行
了疏散模拟，如图5所示。

在模型中还没有考虑人员对火灾的反应过程等因素，其疏散时间的误差也较大。

图6为人员的疏散路线轨迹，人员在转角对墙体进行了避让，在楼层出口处，对其他人员进行了避让，模型很好的反应了人员对整个疏散路径的确定，以及在疏散过程中对周围情况的判别和调整。

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图5 人员疏散过程模拟图
图6 人员疏散轨迹
4 结论
基于子空间网络的疏散模型是一种新的模拟人员疏散过程的方法，其吸收了粗糙网络模型和连续模型的一些优点，能很好的模拟人员疏散的整个过程，同时克服了精细网格模型没有模拟人员之间相互作用的缺点，使人员的信息更加完整，人员的相互作用以及疏散过程的实时性在模拟中得到很好反应。

相信随着研究的进一步深入，基于子空间网络的模型将不断完善，得到广泛的应用。

参 考 文 献
[1] Gwynne S, Galea E R, Owen M, et al．A review of the
methodologies used in the computer simulation of
evacuation from the built environment [J]. Building
and Environment, 1999, 34: 741-749.
[2] Lo S M, Fang Z, Lin P, et al．An evacuation model: the
SGEM package [J]. Fire Safety Journal, 2004, 39:
169-190.
[3] Zhi G S, Lo S M, Fang Z. A graph-based algorithm for
extracting units and loops from architectural floor
plans for a building evacuation model [J].
Computer-Aided Design, 2003, 35: 1-14.
[4] 谢旭阳, 任爱珠, 周心权. 高层建筑火灾最佳疏散
路线的确定[J]. 自然灾害学报, 2003, 12(3): 75-80.
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