一种基于势能场的无靠背座椅阶梯看台人群疏散模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种基于势能场的无靠背座椅阶梯看台人群疏散模拟方法，属于建筑安全与疏散领域。包括以下步骤：步骤一，初始化模拟参数；步骤二，根据看台的三维信息建立离散化网格模型；步骤三，初始化人群位置和状态；步骤四，根据场景信息和行人分布计算势能场；步骤五，确定每一个行人的目标出口；步骤六，采用随机顺序遍历所有元胞，更新行人位置；步骤七，当所有行人都离开场景时，停止程序，否则返回步骤三，进行下一次迭代。本发明专利技术可以预测人群在无靠背座椅阶梯看台的疏散过程，对无靠背座椅阶梯看台的建筑设计和人流管理提供指导。

【技术实现步骤摘要】
一种基于势能场的无靠背座椅阶梯看台人群疏散模拟方法
本专利技术涉及一种基于势能场的无靠背座椅阶梯看台人群疏散模拟方法，属于建筑安全与疏散领域。
技术介绍
无靠背座椅阶梯看台指未安装固定靠背座椅，仅由多级阶梯形成的看台，它广泛存在于中小型体育场、广场、公园、露天剧场等场所。与有靠背座椅看台相比，无靠背座椅阶梯看台的人群运动方式更为自由，除了在纵向走道走动外，也可以在坐席区横向或纵向走动。然而，由于看台聚集了大量人群，且人群在疏散时没有固定的运动路线，极大地增加了安全事故发生的风险。建立无靠背座椅阶梯看台的人群疏散模型可以预测疏散过程中人群的运动情况，一方面可以为现有和新建无靠背座椅阶梯看台的建筑设计提供指导，另一方面也可以提前了解疏散过程中的瓶颈区域，为该类看台疏散过程中的人流管理提供参考。现有对三维场景中人群疏散的研究多以楼梯或阶梯走道为对象。针对阶梯教室，学者们考虑了高度因子和行人在阶梯上的微观运动特征，建立了基于元胞自动机和社会力模型的多种疏散模型。此外，还有一些学者研究了台阶上行人结对行为和不同的速度对于疏散效率的影响。然而，上述研究场景中台阶的高度、组合形式单一。在阶梯式看台中，不同高度的台阶以及坐席区、纵向走道、横向走道复杂的组合情况对于疏散模型提出了更高的要求，现有的三维疏散模型难以胜任。现有人群疏散仿真的模型中，基于势能场的元胞自动机模型是一种应用广泛的模型。元胞的势能指从当前元胞到目的地必须克服的负效用。在对势能场模型的研究中，一些学者提出并完善了平面上基于势能场的路径选择模型，可以使用一种统一的方式考虑路径距离、人群拥挤度、路线容量对路径选择的影响。然而，以上基于势能场的模型只适用于平面上的人群疏散，对于具有高差的三维环境中的人群疏散并不能起到很好地预测效果。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于势能场的无靠背座椅阶梯看台人群疏散模拟方法，综合考虑了与行人路径选择相关的四个因素：路径距离、人群拥挤度、路径容量和高差，扩展了当前基于势能场的元胞自动机模型的适用范围，使之适用于无靠背座椅阶梯看台上的行人疏散。以解决现有的人群疏散仿真模型仅适用于平面场景或简单的阶梯场景，而无法模拟无靠背座椅阶梯看台场景中人群疏散的问题。一种基于势能场的无靠背座椅阶梯看台人群疏散模拟方法，包括以下步骤：步骤一、初始化模拟参数；步骤二、根据看台的三维信息建立离散化网格模型；步骤三、在所述离散化网格模型中，初始化人群位置和状态；步骤四、根据场景模型和行人分布计算势能场；步骤五、确定每一个行人的目标出口；步骤六、采用随机顺序遍历所有元胞，更新行人位置；步骤七、当所有行人都离开场景时，停止程序；否则返回步骤三，进行下一次迭代。进一步的，步骤一具体为：根据场景实际特征，设置ε、η、β1、β2、，γ、αc等模拟参数。进一步的，步骤二具体为：根据看台的几何信息，建立看台的离散化网格模型，确定每一个元胞的位置和状态。其中，每一个元胞的位置由(x,y,z)三维坐标确定。每一个元胞的状态可能为空闲、可通过障碍物或不可通过障碍物。进一步的，步骤三具体为：根据实际场景中行人的位置分布，将行人分配到元胞，每个元胞最多分配一个行人。进一步的，行人的状态包括坐、站立和运动三种，当行人处于坐的状态时，每个行人将占据两个元胞，一格为身体主体所在的元胞，另一格为双腿所在的元胞，其中，身体主体所处元胞为其它行人不能进入的元胞，放置双腿的元胞在其它行人产生一定势能的情况下为可进入元胞；当行人站立或运动时，将占据一个元胞，其它行人不能进入该元胞。进一步的，步骤四具体包括以下步骤：步骤四一、选择尚未计算势能场的出口ek；步骤四二、初始化参数：将需要被检查的元胞集Sc设置为空集，δ1设置为0，无需再次被检查的元胞集Sold设置为空集；步骤四三、遍历每一个元胞(i，j)，如果有元胞被障碍物占据，将被障碍物占据的元胞的势能pij设置为+∞；如果有元胞被出口ek占据，将被出口ek占据的元胞的势能pij设置为0，将所有被出口ek占据的元胞加入到元胞集Sc；步骤四四、遍历元胞集Sc中的每一个元胞(i，j)，如果当前元胞符合δ1≤pij＜δ1+δ2,则检查所述元胞相邻8个方向的元胞，将不被障碍物占据且与元胞(i，j)的欧式距离不大于的元胞加入如果pij不在[δ1，δ1+δ2)内，将元胞(i，j)加入集合S1；步骤四五、遍历中的每一个元胞(i0，j0)，如果当前元胞位于Sold中，则跳过该元胞；否则，由下式计算元胞(i0，j0)的临时势能其中，表示元胞(n0，j0)是否被其它行人所在元胞占据，被占据时值为1，否则值为0；表示元胞(n0，j0)是否被可通过障碍物占据，被占据时值为1，否则值为0；参数分别表示其它行人、可通过障碍物对势能的影响强度；αd表示路径距离对势能的影响强度，由下式计算：其中，表示元胞(n，j)与元胞(n0，j0)的欧氏距离。αc(≥0)表示路线容量对势能的影响强度；表示元胞(n0，j0)周边l曼哈顿距离的区域内可通过元胞数量与未被不可通过障碍物占据的元胞的数量的比值，使用下式计算：其中，表示与元胞(n0，j0)的距离小于l曼哈顿距离的可通过元胞的集合；表示与元胞(i，j)的距离小于l曼哈顿距离的被行人占据的元胞的集合；分别表示包含元胞的数量。Δh表示元胞(i，j)与元胞(i0，j0)的相对高差，由下式计算：其中zij、分别表示元胞(i，j)与元胞(i0，j0)的高度。αh表示高差对势能的影响的综合系数，由下式计算：其中β1为高差对势能的影响强度，β2表示上台阶产生的势能是下台阶产生势能的倍数，γ表示不同高度阶梯对势能的影响系数；步骤四六、计算之后，如果元胞(n0，j0)的势能还未被初次赋值，则将作为元胞(n0，j0)的势能并将该元胞加入S2；如果元胞(i0，j0)已被赋值为则将中的最小值赋给并将该元胞加入S2；步骤四七、对中的所有元胞执行步骤四五至步骤四六的操作，之后将元胞(n，j)加入Sold，并从Sc中删除；步骤四八、重复步骤四四至步骤四七，直到Sc变为空集，之后将S1、S2取并集，赋值给Sc，将δ1+δ2赋值给δ1。当所有非障碍物元胞中势能的最大值小于δ1时，输出势能场；步骤四九、当所有出口的势能场都已计算，结束程序；否则，返回步骤四一。进一步的，步骤五具体包括以下步骤：步骤五一、判断当前迭代次数，如果是第一次，则遍历处于运动状态的行人，根据以下公式确定最小势能对应的出口em：其中，m为最小势能对应的出口em的序号；ek(k＝1，2，…，Ne)表示第k个出口；表示出口ek对应的势能场中元胞(i，j)的势能。若当前迭代次数不是第一次，则执行步骤五二；步骤五二、遍历处于运动状态的行人，当以下公式成立时，行人将目标出口改为em，否则，目标出口维持ec不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于势能场的无靠背座椅阶梯看台人群疏散模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一、初始化模拟参数；/n步骤二、根据看台的三维信息建立离散化网格模型；/n步骤三、在所述离散化网格模型中，初始化人群位置和状态；/n步骤四、根据所述离散化网格模型和行人分布计算势能场；/n步骤五、确定每一个行人的目标出口；/n步骤六、采用随机顺序遍历所有元胞，更新行人位置；/n步骤七、当所有行人都离开场景时，停止程序；否则返回步骤三，进行下一次迭代。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于势能场的无靠背座椅阶梯看台人群疏散模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、初始化模拟参数；
步骤二、根据看台的三维信息建立离散化网格模型；
步骤三、在所述离散化网格模型中，初始化人群位置和状态；
步骤四、根据所述离散化网格模型和行人分布计算势能场；
步骤五、确定每一个行人的目标出口；
步骤六、采用随机顺序遍历所有元胞，更新行人位置；
步骤七、当所有行人都离开场景时，停止程序；否则返回步骤三，进行下一次迭代。


2.根据权利要求1所述的一种基于势能场的无靠背座椅阶梯看台人群疏散模拟方法，其特征在于，步骤三具体为：根据实际场景中行人的位置分布，将行人分配到元胞，每个元胞最多分配一个行人，设定行人开始运动对应的时刻，以及在此之前行人坐及站立状态持续的时间。


3.根据权利要求2所述的一种基于势能场的无靠背座椅阶梯看台人群疏散模拟方法，其特征在于，行人的状态包括坐、站立和运动三种，
当行人处于坐的状态时，每个行人将占据两个元胞，一格为身体主体所在的元胞，另一格为双腿所在的元胞，其中，身体主体所处元胞为其它行人不能进入的元胞，放置双腿的元胞在其它行人产生一定势能的情况下为可进入元胞；
当行人站立或运动时，将占据一个元胞，其它行人不能进入该元胞。


4.根据权利要求1所述的一种基于势能场的无靠背座椅阶梯看台人群疏散模拟方法，其特征在于，步骤四具体包括以下步骤：
步骤四一、选择尚未计算势能场的出口ek；
步骤四二、初始化参数：将需要被检查的元胞集Sc设置为空集，δ1设置为0，无需再次被检查的元胞集Sold设置为空集；
步骤四三、遍历每一个元胞(i，j)，如果有元胞被障碍物占据，将被障碍物占据的元胞的势能pij设置为+∞；如果有元胞被出口ek占据，将被出口ek占据的元胞的势能pij设置为0，将所有被出口ek占据的元胞加入到元胞集Sc；
步骤四四、遍历元胞集Sc中的每一个元胞(i，j)，如果当前元胞符合δ1≤pij＜δ1+δ2，则检查所述元胞相邻8个方向的元胞，将不被障碍物占据且与元胞(i，j)的欧式距离不大于的元胞加入如果pij不在[δ1，δ1+δ2)内，将元胞(i，j)加入集合S1；
步骤四五、遍历中的每一个元胞(i0，j0)，如果当前元胞位于Sold中，则跳过该元胞；否则，由下式计算元胞(i0，j0)的临时势能



其中，表示元胞(i0，j0)是否被其它行人所在元胞占据，被占据时值为1，否则值为0：表示元胞(i0，j0)是否被可通过障碍物占据，被占据时值为1，否则值为0；参数分别表示其它行人、可通过障碍物对势能的影响强度；αd表示路径距离对势能的影响强度；αc(≥0)表示路线容量对势能的影响强度；表示元胞(i0，j0)周边l曼哈顿距离的区域内可通过元胞数量与未被不可通过障碍物占据的元胞的数量的比值；Δh表示元胞(i，j)与元胞(i0，j0)的相对高差；αh表示高差对势能的影响的综合系数，由下式计算：



其中β1为高差对势能的影响强度，β2表示上台阶产生的势能是下台阶产生势能的倍数，γ表示不同高度阶梯对势能的影响系数；
步骤四六、计算之后，如果元胞(i0，j0)的势能还未被初次赋值，则将作为元胞(i0，j0)的势能并将该元胞加入S2；如果元胞...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘莹，杜家旺，孙澄，甄蒙，董琪，梁静，黄丽蒂，刘芳芳，杨阳，孙适，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23