一种基于预测时间的多出口疏散方法技术

本发明专利技术公开了一种基于预测时间的多出口疏散方法，包括第一步，提出预测疏散时间获取公式；第二步，基于A*算法的全局路径最优规划；第三步，计算出口疏散能力的公式。本发明专利技术充分考虑到多出口人群疏散时的关键要素，包括每个行人到出口的距离、行人期望速度、每个出口对应的行人总数以及不同宽度出口的不同疏散能力，给出了预测行人选择不同出口的疏散时间计算方法，并依托实际场景进行了仿真。实验结果表明，本发明专利技术提出的时间预测模型相比于传统的模型更好地对行人的疏散进行仿真和预测，能对紧急疏散预案的制订提供有效帮助。

【技术实现步骤摘要】
一种基于预测时间的多出口疏散方法
本专利技术涉及交通仿真技术，特别涉及一种基于预测疏散时间的人群疏散方法，用于提高紧急情况下人群疏散效率。
技术介绍
人群疏散是城市建筑安全的一个重要问题，由于出口或者通道处经常出现人群阻塞的现象。为防止踩踏事故危害人们的生命安全，建立一个合理的人群疏散模型可以辅助研究人员更准确地分析出口和疏散人群之间的动态关系。通过建立模型并仿真，可以有效的分析出在发生紧急情况下的人群活动状态和出口堵塞情况。疏散策略(在危机情况发生时，使用一定的算法计算出每个人的最优疏散方法，借助显示屏信息提示等可以达到快速疏散人群目的的策略)以在危险发生时最快疏散人群为优化目标进行规划。一般的衡量方案是计算出每个人疏散成功的预测疏散时间，并将其中耗时最长的预测时间作为该疏散策略效果的体现。目前的疏散方案中，多使用疏散出口的宽度(比如门宽)作为该出口疏散能力体现的指标，即简单认为在相同时间内两倍的门宽可以疏散两倍的人群。这一出口疏散能力的计算方案其实在对复杂环境和大量人群的路径规划上存在严重的不足，主要原因是其在衡量的过程中主要专注于出口本身而忽略了人群中个体之间的差异和人与人之间复杂的相互作用。即在紧急情况发生时，行人个体的性别、年龄、身体状况等条件的差异都可能导致其在出口选择判断上有所不同，如果不考虑该方面的因素，基于此模型的疏散方法将无法达到理想的优化效果。也就是说，传统的疏散方法忽略了在疏散过程中人群的期望速度对一个出口的出口疏散能力的影响。由于出口在疏散过程中可能发生拥堵，某些个体可能根据情况自主更换出口，在这种情况下研究人员进一步提出了“动态出口”的概念，但始终都无法准确描述行人阻塞、“快即是慢”(在出口宽度不变的情况下，每个人行人的期望速度增加反而会降低该出口的疏散能力，这种现象被称为快即使慢)等运动特征并有效减少在危险情况发生时的人群疏散时间。
技术实现思路
本专利技术为了解决传统的疏散策略规划模型中存在的疏散时间长、疏散效果差(忽略了人群个体差异和疏散人群期望速度)的缺点，提供了一种由预测疏散速度和对应出口宽度综合定义的疏散时间计算方法。在该计算方法搭建的过程中，充分考虑到由于人从众心理引起的“快即是慢”的堵塞现象，并使用新的算法设计了仿真实验，结果显示通过该算法分类出来的疏散人群具有更低的出口替换率和更短的疏散时间。本专利技术中，出口疏散能力(ExitCapacity，EC)是指出口拥堵后相对稳定的人流速度(人数/单位时间)，是在一个特定场景下判断一个出口的作用效果的重要指标。基本思路是：为了防止在紧急情况下人们由于从众心理或选择最短路径，拥堵在某一出口而降低了其他出口的利用率，从而提出一种根据每个出口的疏散能力来对人群所应选择的出口进行计算，借助显示屏、广播等可以对人群进行优化疏散。一种基于预测时间的多出口疏散方法，包括以下几个步骤：第一步，提出预测疏散时间获取公式；预测疏散时间为：其中：为个体p在t时刻到达出口g的预测疏散时间，为个体p在t时刻到达出口g的最优路径长度，v0为疏散人群的期望速度，为t时刻排列在个体p之前且对应出口g的个体总数，为出口g与期望速度v0对应的出口疏散能力；第二步，基于A*算法的全局路径最优规划；在房间内建立坐标系，以房间的左下角为原点，坐标系x轴有W个小格，坐标系y轴有L个小格，设房间由L*W个网格组成，同时每一个网格只能被一个行人占据，四面墙上设有出口，出口大小根据实际情况设置，出口大小可以不一样；设基于A*算法的行人邻域模型为一阶摩尔模型，当前行人所处小格的八个相邻小格代表八个从该点出发的行进方向，对相邻的八个小格进行评估，获取行人的路径；A*算法的邻域评估为：F＝G+H其中：F为评估值，G为从起点到指定方格的移动代价，H为从指定方格移动到终点目标的估算成本；通过A*算法得到最优路径，根据方形房间的长宽大小，求得最优路径长度行人在疏散过程中按照A*算法求取的最优路径进行目标选择；第三步，提出计算出口疏散能力的公式；设疏散能力采用出口宽度和人群期望速度共同决定，即：其中，wg表示门宽；v0为行人的期望速度，a、b、k为常数；根据步骤二的到的最优路径长度和步骤三得到的出口疏散能力最终得到预测疏散时间本专利技术的优点在于：(1)该方法预测准确性高：传统的行人疏散路线预测方法没有将自身速度和外界环境进行综合考虑，大多情况下主要基于位置进行出口选择(比如选择最近出口)，这就导致其预测不能满足人群状态随时间的动态变化的需求，进而在预测精度上落后本专利技术。在预测商场或车站这种人流密度较大的场景，本专利技术的预测方法效果远比其他方法效果显著；(2)该方法预测普适性强：传统的行人疏散路线预测方法大多没有抓住人群在撤离现场的宏观运动本质，导致其在不同场景下预测效果可能相差很大。本专利技术将行人运动到当前疏散出口的时间和在疏散出口等待的时间相结合，做到了能够在任何场景下较为准确的预测。针对建筑结构设计以及紧急情况疏散等实际应用，本专利技术的表现也都优于其他方法；(3)该方法预测实时性好：本专利技术的疏散预测方法保证了预测效果的同时降低了模型的复杂程度，即使在较为复杂的场景中也可以进行高频率的动态策略规划，兼顾了预测的实时性。在人数较多的实际生活场景中能够最大程度的保证疏散效果。附图说明图1为仿真场景示意图；图2为一阶摩尔邻域行人行走方向示意图；图3为A*算法计算步骤流程图；图4为MATLAB对预测疏散速度和出口宽度与出口疏散能力之间关系的拟合曲线；图5为400人、600人和800人在期望速度为3m/s时使用四种不用的疏散策略进行疏散所用的平均时间条形图；图6为400人、600人和800人在期望速度为6m/s时使用四种不用的疏散策略进行疏散所用的平均时间条形图；图7在北航新主楼等地开展的真实人群实验，实验者包括研究生和本科生具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术是一种基于预测时间的多出口疏散方法，具体包括以下几个步骤：第一步，设计疏散时间预测的计算方法：疏散策略的优化与提出,通过仿真场景来进行验证，本专利技术中所使用的典型场景是上下左右四个方向各有一个门的房间，如图1所示。房间的形状为标准的方形，四个出口中每一个出口的位置都随机的分布在对应墙体上且它们的宽度不同。在靠近房间中部的位置存在两个圆形障碍物以此来让仿真更具备一般性。在紧急情况发生之前，人群均匀且随机的分布在整个房间中，在疏散的过程中人群会根据预测疏散时间来选择目标疏散出口。由于该预测疏散时间在运动中会产生变化，存在一些行人改变目标出口的现象，以此来更真实的模拟人群在房间中的疏散现象。从房间中每一个行人的角度考虑，将预测疏散时间定义成两部分：运动时间分量和等待时间分量。其中运动时间分量是由当前位置到出口之间求解出的最优路径与预测疏散速度之比，该值表示在不受外界干扰的情况下到达指定出口所用的距离。等待时间分量为与该个体选取相同的出口并相较于该个体离所选出口更近的个体总数与指定出口的疏散能力之比，其表示由于人群效应所产生的滞后等待时间。综上所述，预测疏散时间计算公式如下：其中为个体p在t时刻到达出口g的预测疏散时间，为个体p在t时刻到达出口g的最优路径长度，该值由A*算法求出。v0为疏散人群的期望速度，在本次仿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于预测时间的多出口疏散方法，其特征在于，包括以下几个步骤：第一步，提出预测疏散时间获取公式；预测疏散时间为：

【技术特征摘要】
1.一种基于预测时间的多出口疏散方法，其特征在于，包括以下几个步骤：第一步，提出预测疏散时间获取公式；预测疏散时间为：其中：为个体p在t时刻到达出口g的预测疏散时间，为个体p在t时刻到达出口g的最优路径长度，v0为疏散人群的期望速度，为t时刻排列在个体p之前且对应出口g的个体总数，为出口g与期望速度v0对应的出口疏散能力；第二步，基于A*算法的全局路径最优规划；在房间内建立坐标系，以房间的左下角为原点，坐标系x轴有W个小格，坐标系y轴有L个小格，设房间由W*L个网格组成，同时每一个网格只能被一个行人占据，四面墙上分别设有出口，出口大小根据实际情况设置；设基于A*算法的行人邻域模型为一阶摩尔模型，当前行人所处小格的八个相邻小格代表八个从该点出发的行进方向，对相邻的八个小格进行评估，获取行人的路径；A*算法的邻域评估为：F＝G+H其中：F为评估值，G为从起点到指定方格的移动代价，H为从指定方格移动到终点目标的估算成本；通过A*算法得到最优路径，根据方形房间的长宽大小，求得最优路径长度行人在疏散过程中按照A*算法求取的最优路径进行目标选择；第三步，提出计算出口疏散能力的公式；设疏散能力采用出口宽度和人群期望速度共同决定，即：其中，wg表示门宽；v0为行人的期望速度，a、b、k为常数；根据步骤二的到的最优路径长度和步骤三得到的出口疏散能力最终得到预测疏散时间2.根据权利要求1所述的一种基于预测时间的多出口疏散方法，其特征在于，所述的步骤二中，G的取值设为：上下左右移动代价为10，斜上方和斜下方移动代价为14。3.根据权利要求1所述的一种基于预测时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋晓，陈凯，袁春雄，韩道麟，孙镜涵，张增辉，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11