基于分数阶势场模型的多情绪人群运动仿真方法技术

本发明专利技术属于人群的建模与仿真领域，公开了一种基于分数阶势场模型的多情绪人群运动仿真方法。本发明专利技术依据行人在运动过程中会由于环境等因素产生不同的情绪状态将个体的情绪状态划分成Calm、Anxiety、Panic、Hysteria四种状态并为不同的情绪状态划分对应的视域范围，将分数阶势场模型重新定义为符合人群运动规律的情绪场，根据其他个体所在区域、运动状态和情绪状态求得个体间情绪作用力，利用牛顿第二定律仿真个体与环境及其他个体的交互行为。本发明专利技术方法可以有效地仿真个体在情绪作用下与周围个体之间的相互影响，不同情绪状态的行人在疏散过程中呈现不一样的交互形式，具有新颖、简单易懂且运算简便有效的优点。简单易懂且运算简便有效的优点。简单易懂且运算简便有效的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于分数阶势场模型的多情绪人群运动仿真方法


[0001]本专利技术属于人群的建模与仿真领域，尤其涉及一种基于分数阶势场模型的多情绪人群运动仿真方法。

技术介绍

[0002]人群运动建模和仿真是计算机图形学，安全科学和人工智能的研究热点，已被用于许多应用领域，例如人群疏散，数字娱乐和社会保障。人群仿真可以很好地再现人群运动的自组织现象，同时结合个体的生理特征、社会因素等各种不确定因素，可以更准确地模拟紧急情况下人群的疏散行为。
[0003]在现实生活中紧急情况经常导致行人精神紧张。而这些负面情绪很容易在人群中散布开来，最终可能导致大规模的人群骚动。因为情绪是个体的认知和意识一起产生的一种心理活动，它不仅影响个体的行为，而且可以通过情绪传染来影响其他个体的行为。因此，模拟在情绪影响下的人群疏散是一个非常具有挑战性的问题。广大工作者对于情绪因素有着不同的研究。有的将SIR模型引入元胞自动机模型并开发了“CA
‑
SIRS模型”，通过模拟人群在静止和运动的情况下的情绪传染情况，发现个体运动会增加情绪传染的速度，并增加最终受感染行人的比例。有的将P
‑
SIS模型与社会力量模型相结合，发现该模型可以更真实地模拟人群疏散。还有的探究了密集人群中情绪传染过程的动力学，研究了初始消极情绪行人的比例，情绪影响半径等因素对总体人群情绪转变的影响。
[0004]纵观当前的研究，可以发现大多研究侧重于情绪的传播过程，而少有研究关注不同情绪作用下个体行为对整体的影响。而显然个体在不同情绪下具体行为方式的差异也同样会影响情绪的传染以及人群的疏散。因此，探究个体情绪因素对个体行为乃至整个人群的疏散至关重要。
[0005]分数阶势场模型应用于机器人控制领域，其通过阶数的变化反映不同程度的力的大小变化。如果我们将分数阶势场映射到人群运动，并结合情绪变化对行人视域的影响。那么不同情绪下行人的行为差异就可以借助分数阶势场模型描述，对真实地仿真模拟人群运动具有指导意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于提供一种基于分数阶势场模型的多情绪人群运动仿真方法,以解决上述技术问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术通过结合人群疏散的行为特征及分数阶势场模型，定义符合人群运动的行为准则，对人群运动过程中的行为进行仿真模拟，其具体技术方案如下：
[0008]一种基于分数阶势场模型的多情绪人群运动仿真方法，包括如下步骤：
[0009]步骤1：根据人群的运动过程中处于不同的情绪状态进行划分；
[0010]步骤2：根据行人疏散的情绪状态及与之对应的视域划分，将分数阶势场重新定义
为符合人群运动规律的情绪场模型；
[0011]步骤3：根据步骤2，依据其他个体所在区域、运动状态、情绪状态及视域计算求得个体间的情绪作用力；
[0012]步骤4：结合情绪力仿真模拟个体与环境及其他个体的交互行为。
[0013]进一步地，所述步骤1的具体步骤为将情绪状态分成Calm、Anxiety、Panic、Hysteria四种状态，同时为四种不同情绪状态的行人划分焦虑程度范围，并为四种不同情绪状态的行人设置最大期望速度和视域范围。
[0014]进一步地，所述步骤2包括如下具体步骤：
[0015]步骤2.1：由真空中的点电荷产生的场强开始推导，电场公式为：
[0016][0017]其中ε是真空中介电常数，r表示距离电荷q的距离，对其做一次积分可以得到一阶势场V1(r)，势场公式为：
[0018][0019]其中ε是真空中介电常数，r表示距离电荷q的距离；
[0020]步骤2.2：二次积分得到二阶势场V2(r)，势场公式为：
[0021][0022]其中ε是真空中介电常数，r表示距离电荷q的距离；
[0023]步骤2.3：通过计算得到任意整数阶的势场、分数阶势场，分数阶势场由Weyl分式积分给出，公式为：
[0024][0025]其中n＞0,Γ(n)是伽马函数，ε是真空中介电常数，r表示距离电荷q的距离，
[0026]通过变形，等式写成如下形式：
[0027][0028]其中n＞0,Γ(n)是伽马函数，ε是真空中介电常数，r表示距离电荷q的距离；
[0029]步骤2.4：将势场做归一化处理，其中电势在r
min
处取1，在r
max
时取0，就可以将其简化，得到最终的情绪场，情绪场公式为：
[0030][0031]其中U
drep
(r)表示情绪场，其中n就是分数阶的阶数，也可以表示焦虑程度或者紧急程度，n越大表示焦虑程度越高，r
max
表示情绪作用力的最大有效距离，r
min
表示情绪作用力的最小有效距离，r表示两个行人之间的距离。
[0032]进一步地，所述步骤3包括如下具体步骤：
[0033]计算个体与视域范围内的其他个体的情绪作用力，个体与视域范围内的其他个体之间的情绪力定义为情绪场的负梯度，公式为：
[0034][0035]其中n表示行人的焦虑程度，r
min
和r
max
表示最小影响半径和最大影响半径，为单位向量，方向为个体j指向个体i。
[0036]进一步地，所述步骤4包括如下具体步骤：
[0037]步骤4.1：根据牛顿第二定律，计算人群运动过程中个体的受力情况，公式为：
[0038][0039]其中，为目的地驱动力，为障碍物的排斥力，个体间的排斥力，为人群运动过程中受到的不确定力；
[0040]步骤4.2：通过个体间排斥力、目的地的驱动力、障碍物的排斥力和个体间的情绪力仿真模拟个体与环境及其他个体的交互行为，经仿真平台unity3D对仿真方法进行仿真验证。
[0041]本专利技术的一种基于分数阶势场模型的多情绪人群运动仿真方法具有以下优点：本专利技术依据行人在运动过程中会由于环境等因素产生不同的情绪状态将个体的情绪状态划分成Calm、Anxiety、Panic、Hysteria四种状态并为不同的情绪状态划分对应的视域范围，将分数阶势场模型重新定义为符合人群运动规律的情绪场，根据其他个体所在区域、运动状态和情绪状态求得个体间情绪作用力，利用牛顿第二定律仿真个体与环境及其他个体的交互行为。本专利技术方法可以有效地仿真个体在情绪作用下与周围个体之间的相互影响，不同情绪状态的行人在疏散过程中呈现不一样的交互形式，具有新颖、简单易懂且运算简便有效的优点。
附图说明
[0042]图1为本专利技术方法的流程示意图；
[0043]图2为本专利技术方法的具体实现步骤流程示意图；
[0044]图3为本专利技术方法中情绪分类图；
[0045]图4为本专利技术方法中情绪作用下运动情况分析示意图；
[0046]图5为本专利技术方法的情绪场曲线图；
[0047]图6为本专利技术方法的局部场景示意图；
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分数阶势场模型的多情绪人群运动仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据人群的运动过程中处于不同的情绪状态进行划分；步骤2：根据行人疏散的情绪状态及与之对应的视域划分，将分数阶势场重新定义为符合人群运动规律的情绪场模型；步骤3：根据步骤2，依据其他个体所在区域、运动状态、情绪状态及视域计算求得个体间的情绪作用力；步骤4：结合情绪力仿真模拟个体与环境及其他个体的交互行为。2.根据权利要求1所述的基于分数阶势场模型的多情绪人群运动仿真方法，其特征在于，所述步骤1的具体步骤为将情绪状态分成Calm、Anxiety、Panic、Hysteria四种状态，同时为四种不同情绪状态的行人划分焦虑程度范围，并为四种不同情绪状态的行人设置最大期望速度和视域范围。3.根据权利要求2所述的基于分数阶势场模型的多情绪人群运动仿真方法，其特征在于，所述步骤2包括如下具体步骤：步骤2.1：由真空中的点电荷产生的场强开始推导，电场公式为：其中ε是真空中介电常数，r表示距离电荷q的距离，对其做一次积分可以得到一阶势场V1(r)，势场公式为：其中ε是真空中介电常数，r表示距离电荷q的距离；步骤2.2：二次积分得到二阶势场V2(r)，势场公式为：其中ε是真空中介电常数，r表示距离电荷q的距离；步骤2.3：通过计算得到任意整数阶的势场、分数阶势场，分数阶势场由Weyl分式积分给出，公式为：其中n＞0,Γ(n)是伽马函数，ε是真空中介电常数，r表示距离电荷q的距离，通过变形，等式写成如下形式：其中n＞0,Γ(n)是伽马函数，ε是真空中介电常数，r...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旭光，郑子泽，王有浪，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：