一种基于相对速度的社会力模型的人群仿真方法技术

本发明专利技术涉及计算机图形学、人群仿真技术，具体为基于相对速度的社会力模型的人群仿真方法，包括以下步骤：使用改进后的基于相对速度的社会力模型对仿真实验进行模拟计算；得出仿真模拟数据，包括行人的速度大小、速度方向和位置；根据仿真模拟数据进行仿真建模，显示仿真结果；所述改进后的基于相对速度的社会力模型，与现有基于相对速度的社会力模型公式相比，其计算公式添加了行人当前位置下的社会心理力的计算项。本发明专利技术通过对社会力模型结合相对速度进行改进，能有效减少行人震荡问题和避免行人重叠问题，使得社会力模型在人群疏散仿真的应用上更具有真实性。

A Crowd Simulation Method Based on Relative Speed Social Force Model

【技术实现步骤摘要】
一种基于相对速度的社会力模型的人群仿真方法
本专利技术涉及计算机图形学、人群仿真技术，具体为一种基于相对速度的社会力模型的人群仿真方法。
技术介绍
社会力模型由Helbing于1995年提出，并在2000年进行了丰富和完善，公开了基于社会力模型的人群仿真编程代码(http://angel.elte.hu/～panic/)。社会力模型主要被用于行人行为、人群运动规律、人群疏散仿真等研究方向上。虽然社会力模型可以模拟多种人群自组织现象，但是仍然存在行人震荡、行人重叠等问题。因此，后来的许多学者以解决社会力模型存在的问题和不合理现象为目的，在受力范围、行人需求空间分析、算法优化等方面对社会力模型进行丰富和改进。现有基于相对速度的社会力模型，即“Amodifiedsocialforcemodelconsideringrelativevelocityofpedestrians”论文提出的社会力模型，虽然能够有效减少行人震荡的问题，但是在拱形拥塞、瓶颈摆动等仿真模拟实验中出现行人重叠问题，导致仿真模拟实验失败。
技术实现思路
为解决现有技术所存在的技术问题，本专利技术提出基于相对速度的社会力模型的人群仿真方法，主要通过对现有基于相对速度的社会力模型进行改进，能有效减少行人震荡问题和避免行人重叠问题，使得改进后的社会力模型在人群疏散仿真的应用上更具有真实性。本专利技术采用以下技术方案来实现：基于相对速度的社会力模型的人群仿真方法，包括以下步骤：使用改进后的基于相对速度的社会力模型对仿真实验进行模拟计算；得出仿真模拟数据，包括行人的速度大小、速度方向和位置；根据仿真模拟数据进行仿真建模，显示仿真结果；所述改进后的基于相对速度的社会力模型，与现有基于相对速度的社会力模型公式相比，其计算公式添加了行人当前位置下的社会心理力的计算项。与现有技术相比，本专利技术对基于相对速度的社会力模型进行改进，提出既能有效减少行人震荡问题，又能避免行人重叠问题的改进社会力模型，使之更加健壮，更具有鲁棒性，能够更加真实地模拟人群仿真实验。附图说明图1是基于社会力模型的人群仿真方法过程图；图2是“人与墙”实验仿真图；图3是不同预测时间步长下的行人速度与时间的关系图；图4为在不同预测时间步长下的行人位置与时间的关系图；图5是现有技术发生行人重叠的拱形拥塞实验仿真结果图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例基于社会力模型的人群仿真方法的整体实现过程如图1所示。首先使用改进后的基于相对速度的社会力模型对仿真实验进行模拟计算；然后得出仿真模拟数据即行人的速度大小、速度方向和位置等；最后根据仿真模拟数据进行仿真建模，显示仿真结果。本专利技术提出的基于相对速度的社会力模型，与现有基于相对速度的社会力模型相比，不仅考虑行人在预测时间步长下的预测位置的社会心理力，也考虑了行人在当前位置的社会心理力。本专利技术通过对现有基于相对速度的社会力模型进行改进，在保留现有基于相对速度的社会力模型能够有效减少行人震荡的优势基础上，还能避免发生行人重叠问题，使得仿真模拟实验更加具有真实性。本专利技术提出的改进社会力模型的计算公式与现有基于相对速度的社会力模型公式相比，主要区别是添加了行人当前位置下的社会心理力的计算项，具体的修改后的社会力模型的计算公式如下所示：其中，第一个式子表示，在相同的预测时间步长t的情况下，行人i的预测位置pos′i由当前位置posi和当前速度计算得出。在第二式子中，表示行人i受到行人j的社会心理力，为预测位置上的社会心理力与当前位置上的社会心理力之和；Ai和Bi是常数，分别表示行人i与其他行人的相互作用强度和相互作用范围；rij表示行人i和行人j的半径之和；d′ij表示行人i和j在预测位置之间的距离；表示行人i和j在预测位置上由行人j指向行人i的单位向量；dij表示行人i和j在当前位置之间的距离；表示行人i和j在当前位置上由行人j指向行人i的单位向量。在第三式子中，表示行人i受到边界或者障碍物的社会心理力，也是为预测位置上的社会心理力与当前位置上的社会心理力之和；Ai和Bi是常数，分别表示行人i与其他行人的相互作用强度和相互作用范围；ri表示行人i的半径，d′iW表示行人i在预测位置上与边界或障碍物之间的距离，表示边界或障碍物指向行人i的预测位置的单位向量，diW表示行人i在当前位置上与边界或障碍物之间的距离，表示边界或障碍物指向行人i的当前位置的单位向量。对于本专利技术提出的改进社会力模型，通过行人在预测位置上的社会心理力能够让行人提前感知发生碰撞的危险，提前减速从而有效减少行人震荡问题，通过行人在当前位置上的社会心理力能够在仿真过程中避免让行人产生重叠的不真实的问题。本专利技术所提出的改进社会力模型通过仿真模拟现有社会力模型中所进行的“人与墙”实验，表现出保留了现有基于相对速度的社会力模型所具有的有效减少行人震荡问题的优势。具体的“人与墙”实验描述如下：一个半径0.3m、体重80kg的行人和一面墙相距10m，该行人以3m/s的期望速度向墙走去，如图2所示，粒子表示行人，黑色竖线表示墙。该实验结果如图3、图4所示，虽然行人的速度震荡幅度和位置震荡幅度较大，但是随着预测时间步长的增加，行人的震荡问题也随之减少。因此，本专利技术提出的改进社会力模型保留了现有基于相对速度的社会力模型所具有的有效减少行人震荡问题的优势。此外，本专利技术所提出的改进社会力模型和现有基于相对速度的社会力模型相比，还能避免行人重叠问题。例如在拱形拥塞实验中，200个行人位于长宽皆为15m的房间，房间出口1m宽。200个行人的体重平均值为80kg，体重标准差为0.1kg，半径平均值为0.3m，半径标准差为0.01m。200个行人以1.5m/s的期望速度、0.3s的预测时间步长从房间出口离开。现有基于相对速度的社会力模型的仿真结果会在房间出口处产生行人重叠问题，如图5所示。但是本专利技术提出的改进社会力模型则不会。因此，本专利技术提出的改进社会力模型能够避免行人重叠问题。综上，本专利技术所提出的改进社会力模型能够在保留了现有基于相对速度的社会力模型所具有的有效减少行人震荡问题的优势上，还能避免发生行人重叠问题，使得仿真模拟实验更加具有真实性。上述实施例为本专利技术较佳的实施方式，但本专利技术的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本专利技术的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于相对速度的社会力模型的人群仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：使用改进后的基于相对速度的社会力模型对仿真实验进行模拟计算；得出仿真模拟数据，包括行人的速度大小、速度方向和位置；根据仿真模拟数据进行仿真建模，显示仿真结果；所述改进后的基于相对速度的社会力模型，与现有基于相对速度的社会力模型公式相比，其计算公式添加了行人当前位置下的社会心理力的计算项。

【技术特征摘要】
1.一种基于相对速度的社会力模型的人群仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：使用改进后的基于相对速度的社会力模型对仿真实验进行模拟计算；得出仿真模拟数据，包括行人的速度大小、速度方向和位置；根据仿真模拟数据进行仿真建模，显示仿真结果；所述改进后的基于相对速度的社会力模型，与现有基于相对速度的社会力模型公式相比，其计算公式添加了行人当前位置下的社会心理力的计算项。2.根据权利要求1所述的人群仿真方法，其特征在于，所述计算公式为：第一个式子表示在相同的预测时间步长t的情况下，行人i的预测位置pos′i由当前位置posi和当前速度计算得出；表示行人i受到行人j的社会心理力，表示行人i受到边界或者障碍物的...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪庆革，钟圳伟，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44