多层复杂建筑内人群疏散过程模拟(李文航)

B′ (x1,y1) A (x0,y0,z0) A′ (x0,y0) α′ D′ D P′ <X-Y> C′ (x2,y2)
AC [ x x , y y , z z ]
z f ( x′ , y′ ) z0
y1 y0 y 2 y0
z1 z0 z z ( x' x0 ) 1 0 z 2 z0 z 2 z0 x1 x0 y1 y0 x2 x0 y2 y0
Netlogo (Milla, et al. 2014)
室外疏散 (Orazio et al. 2014) 12
多层建筑环境下疏散建模
13
社会力模型
• 基础模型
o Social Force Model(Helbing et al., 2000)是从微观个体出发，通过抽 象行人个体在疏散过程中的各种受力（包括目标吸引力、行人作 用力、障碍物作用力等），驱动个体完成疏散的行为；
22
楼梯层次模型
• 区域划百度文库（行人所处区域划分）
o 语义上连通两个楼层 o 三段楼梯单元内部才是楼梯，其余部分均为楼层
位置： 楼梯 2 3楼
楼层区域（3楼）
楼层区域（2楼）
23
楼梯层次模型
• 投影场映射模型
α B (x1,y1,z1) P C (x2,y2,z2)
AB [ x x , y y , z z ]
o 本文的模拟是面向个体的，但学生和学生可能认识，形成各种社会关系； o 社会关系形成各种群组，构成“个体”-“群组”-“群体”的层次关系； o 社会关系会影响疏散的行为，如结团队跑等；
教师 师 生 群 体 学生
不相识 亲密伙伴
朋友 一般伙伴 近亲 亲戚 远亲
33
进一步的研究
• 跟随过程
o 学校疏散时不是学生自己在跑，而是在教师的带领下、跟随教师在跑，需要研究 跟随过程
• 人群行为
o 日常行为 o 应急行为 • 更能体现出价值的，是应急行为的建模，应急疏散是其中的典型行为 • 学校（小学）应急疏散又是大众关注重点
9
人群疏散现实模拟
• 现实模拟（平湖实验小学疏散演习）
• 问题
o 费时，需要较长时间准备（停课、人力物力、脚本等）； o 无法获得任意时刻任意学生的状态； o 无法建立学生-班级-学校的统计关联
多层复杂建筑内人 群疏散过程模拟
李文航 龚建华 申申 于淼
中国科学院遥感与数字地球研究所
汇报提纲
VGE主要成就与不足
人群疏散模拟与问题 多层建筑内疏散过程建模 未来的研究
2
虚拟地理环境的成果
3
虚拟地理环境的成果
资助项目数 8 7 6
年份
资助数量
2007
2008
0
0
5 数量
4 3 2 1 0 2007 2008 2009 2010 年份 2011 2012 2013 2014
对位置；通过相对空间关系首先找到社会力计算所需的各
种邻居要素，然后再由各要素的绝对位置进行计算； • 不是元胞自动机：元胞自动机模型通常要求一个元胞中只 有一个对象，而一个场元中则可能存在多层、多个要素对 象；
19
多层投影场模型
• 快速索引：基于投影场可以实现邻居、障碍物、目标的快 速索引和定位，可以解决因距离较远不发生关系但仍需要 计算和判断距离的问题
17
多层投影场模型
• 基于投影场确定社会力模型各邻居要素
Neighbors=Set(x,y,z,α,r,t)
α r
任一时刻(t)，依行人所在位置 (x,y,z)、视角(α)及视域(r)确
基于场确定社会力要素
定社会力模型所需要素： 行人、障碍物、目标
18
多层投影场模型
• 尺度上：单个场元是局部区域人地关系的集成，所有场元 组成的场则是全局的人地关系； • 投影场是时空关系场：存储的是相对空间位置，而不是绝
26
应用（二维场景）
投影场的二维可视化（降维的场景）
27
应用（三维场景）
维 可 视 化
投 影 场 升
28
应用（三维场景）
维 可 视 化
投 影 场 升
29
应用（三维场景）
投 影 场 升 维 可 视 化
30
结果与分析
• 疏散时间-学生速度
Velocity 0.5 1 1.5 2 2.5 3 avg_t 315.594 158.448 106.435 80.901 66.008 55.92 max_t 356.83 175.97 118.54 90.19 74.05 62.89 min_t 267.06 134.87 89.41 66.69 53.23 44.89
人 体 科 学
军 事 科 学
理论 地理 行 科学 建
为 天地 筑
人机 科 信息 科 系统
学
总体 学 设计 部
学 地理 学
系统 工程
（1981 年提出）1983 1985 1986 1996 实践经验与知识，哲学思维
不成文的实践感受
人群系统是一个复杂巨系统
8
人群系统：复杂巨系统
• 建模思路
o 群体整体比较复杂，从相对简单的个体出发，通过对个体的建模，构建一群个体，然后 自下而上实施虚拟实验，模拟和研究群体行为
2009
2010 2011 2012 2013 2014
1
1 4 7 5 3
虚拟地理环境方向的资助情况 （项目主题词：虚拟地理环境；不完全统计） http://isisn.nsfc.gov.cn/egrantindex/funcindex/prjsearch-list
4
典型的虚拟地理环境系统
中科院遥感所
社会力模型的抽象过程
14
社会力模型
• 基础模型 • 目标吸引力 • 行人作用力 • 障碍物作用力
15
多层投影场模型
• 多层投影场模型
(X,Y,Z) (X,Y,Z) f(x) (i, j)
(i, j)
投影场构建
yi y0 i (int) 1 h x x0 j (int) i 1 w
马克思主义哲学 --------人认识客观与主观世界的科学 量
唯 物 史 观 数 学 哲 学 系 统 论
智
认 识 论 人 天 观 军 事 哲 学
性
社 会 学
地 理 哲 学 建 筑 哲 学 美 学 文 艺 文 理 艺 论 活 动 文 艺 技 术 文 艺 创 作
智
现代 科学 技术 思 体系
信息论 维 控制论 运筹学 博弈论 科 人工智能
福州大学
南师大
装甲兵工程学院
5
典型的虚拟地理环境系统
中国美术学院
SuperNatural
北京壹码视界
精石科技
6
问题与不足
• 很美观很逼真 • 但似乎少些什么
o 以环境的虚拟和表达为主 o 系统是“空”的：是空城
• 地理环境→地理问题 • 地理问题的研究核心
o 人地关系：比较公认 o “人”与“地”：对立统一，相互作用
室内跟随
室外跟随
34
进一步的研究
• 踩踏过程的建模与模拟
o 慌乱过程中极易导致摔倒，尤其是在下楼梯的过程中，需要研究踩踏过程建模； o 尤其是考虑社会关系的踩踏建模（会有人去扶，从而使得过程更为复杂）；
昆明9.26踩踏事件 （起因：海绵垫）
35
进一步的研究
• 踩踏过程的建模与模拟
2000-2014，53次校园楼梯踩踏事故 http://blog.sciencenet.cn/blog-302992-831332.html
x1 x0 ( y ' y0 ) x2 x0
a) 映射过程（降维）
b) 逆映射过程（升维）
24
模拟流程
地 人
多层建筑
投影场
学生和教师
室内外多层路径搜索算法 社会力模型 室内外一体化疏散模拟
25
应用（二维场景）
三层教学楼 楼梯
目标
道路
学生位于三楼 学生位于二楼 学生位于一楼
投影场的二维可视化（降维的场景） 原型系统
36
进一步的研究
• 踩踏过程的建模与模拟
踩踏过程
恢复过程
37
进一步的研究
• 灾害源及扩散过程建模
o 比较常见的是火灾或地震，需要对这些灾害源及其发展过程进行建模，并将其时 空变化整合进人地时空关系场，从而使得人群疏散的模拟更为完整。
38
39
• VGE的研究
o 缺少对“人”的重视
• 对“人”的研究
o 面向人的GIS o 面向人的VGE？
7
人群系统：复杂巨系统
• 钱学森系统观
钱学森的科学技术体系 - 开放的复杂巨系统
哲 学 桥 梁 基 础 技 术 工 程 前 科 学 自 然 科 社 会 科 学 数 学 科 学
自 然 辩 证 法
人群系统 = • 人体科学 + • 思维科学 + • 行为科学
（1）疏散时间随学生速度增加而降低； （2）疏散时间随年龄增加而降低；
31
结果与分析
• 疏散时间-教室布局
Scenario S1 S2 S3 S4 S5 S6 三层 三年级 三年级 二年级 二年级 一年级 一年级 二层 二年级 一年级 三年级 一年级 三年级 二年级 一层 一年级 二年级 一年级 三年级 二年级 三年级
10
人群应急疏散虚拟模拟
已有相关模型 • 元胞自动机模型 • 连续流体模型 • 格子气模型 • 社会力模型 • ……
11
人群应急疏散虚拟模拟
应用
问题：以二维场景为主，
多层建筑建模少涉及
CA model (Zhijian Fu et al. 2013)
室内疏散 (Lin Li, et al. 2014)
社会力模型是二维的，因 此，我们对三维场景采取 先降维后升维的思路，提 出投影场模型； 点、线、区域分别投影到 场中 所有社会力模型相关要素 （行人、障碍物、目标） 投影到基准平面，以建立 16 空间邻接关系；
多层投影场模型
• 场元 行人 时间
α r
环境 场元 楼层
障碍物
场元
目标
人地时空关系场
（1）平均疏散时间与年级分布相关； （2）最优布局：S1（三层：三年级；二层：二年级：一层：一年级）； （3）最差布局：S6（三层：一年级；二层：二年级；一层：三年级）； （4）作为整体来考虑，速度越高应布局在较高层，速度越慢应布局在较低层 （5）虚拟实验的优势；
32
进一步的研究
• 社会关系的引入与建模
20
楼梯单元模型
• 三段楼梯模型
典型的下楼疏散场景
楼梯模型
承载下楼行为的楼梯，针对学校的特点，把尺度提 升，提出三段楼梯单元模型
21
楼梯层次模型
• 三段楼梯模型
Up
Middle Down (依上楼方向分) Up Middle Down StairSegment → TripleStair → StairWay