一种复杂建筑室内应急疏散模拟的方法技术

本发明专利技术涉及一种复杂建筑室内应急疏散模拟的方法。该方法自动生成复杂建筑内部空间单元的三维层次结点关系模型(EHI-NRM)，支持大型复杂建筑的动态路径更新；改进的元胞自动机模型(ICA)能较好的模拟大规模人群在疏散过程中的拥堵、避让、从众等现象；在宏观层次通过EHI-NRM的动态寻径方法，实时搜索最佳疏散路径，在局部层次运用ICA模拟人群的行为特征。本发明专利技术支持大型复杂建筑、大规模人群的疏散模拟，对保障建筑内人员的安全，以及提高应急救援部门的决策能力有重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及ー种复杂建筑室内应急疏散模拟的方法，属于空间信息
ニ、
技术介绍
目前，城市中涌现出越来越多的高层复杂建筑，它们一般处在闹市区或商业区，周围的交通网络及内部结构异常复杂，在紧急情况(火灾、恐怖袭击等)发生时，这些建筑复杂的内部结构以及底层有限的出入口将严重阻碍人员的撤离和救援工作，尤其当建筑物的主要结构损坏时，有可能造成大量人员伤亡。为了对建筑空间中出现的紧急情况做出快速反应，有必要知道哪几个房间和楼层受到影响，当前的占用模式和楼内哪几个路径可安全到达出口。另外，高层复杂建筑往往带有几层地下室，有水、电、气等管线，这都増加了应急救援与疏散的复杂性和难度。因此应急反应系统的ー个重要功能是空间支持能力，但现存的应急反应方法通常是基于ニ维空间环境的，缺少可导航的三维数据模型，无法很好实现三维空间的网络分析，延误了应急救援与疏散的时间。为了解决复杂建筑内应急疏散问题，本专利技术首先构建了建筑内部结构的三维层次结点关系模型(EHI-NRM)，以此表达和实现建筑内各单元间的逻辑与几何关系。在上述拓扑数据模型的基础上，提出了改进的元胞自动机(ICA)，将宏观路径规划与局部疏散模拟相结合，在宏观层次基于EHI-NRM进行动态路径规划，在微观层次运用ICA模型模拟人的行为特征。本专利技术能极大减少疏散时间，对保障建筑内人员的安全，以及提高应急救援部门的决策能力具有重要应用价值。
技术实现思路
I、目的本专利技术的目的是自动生成复杂建筑内部三维层次结点关系模型(EHI-NRM)，在宏观层次通过HlI-NRM的动态寻径方法，实时搜索最佳疏散路径；在局部层次用改进的元胞自动机(ICA)模拟人群的疏散行为特征。本专利技术支持大型复杂建筑内大规模人群的疏散模拟，具有良好的社会效益。2、技术方案ー种复杂建筑室内应急疏散模拟的方法，其特征在于，包括如下步骤步骤ー建立复杂建筑内部层次结点关系模型(EHI-NRM)对空间实体进行抽象，将房间类空间实体抽象成结点,走廊以及结点之间的拓扑关系抽象成弧段，以此表达建筑内部空间实体之间的连接、邻接、包含和相交拓扑关系。(I)建立建筑内部空间实体的语义特征和层次特征EHI-NRM在几何模型中添加了实体的最小外包矩形(MBR)、实体包含的门窗信息与疏散模拟和救援密切相关的几何要素。语义特征对建筑的实体单元按特性进行分类，走廊、门具有连接特征，窗户为半连接，其它实体表现为障碍物特征。层次性模型分高低两个层次，低层次包括详细的结点关系结构，高层次结构关系是对每层的结点进行抽象，只保留楼梯的连接结点作为对外的边界结点，楼层内的其它结点只在楼层子图路径分析时使用。三维实体之间的拓扑关系用图G = (V，E)来表达，V是单元结点的有穷非空集合；集合E描述了结点之间的拓扑关系；然后，对建筑模型进行抽象；将每层楼的所有结点用一个子图代替，高层次抽象图由若干子图组成，子图之间通过边界结点相互连接。(2)建立建筑内部空间单元间拓扑与逻辑语义关系单元间拓扑关系主要分为単元与门窗的包含关系、水平层面的连接关系、垂直层面的连接关系。(3)自动构建HlI-NRM模型EHI-NRM由中轴线计算，结点、更新拓扑关系，楼层抽象、结点的属性分配及区域划分过程组成。将走廊进行简化，曲折的走廊用多条直线走廊代替，进而比较走廊的顶点距离，求出中轴线；若走廊与多个房间相连，通过求走廊中心点与房间中心点的第三点，作为走廊和房间的连接点；结点排序是通过对走廊的所有结点按X，1，z顺序进行增序排列，用于后面的拓扑连接。更新拓扑关系主要操作有结点排序，拓扑连接和冗余结点清除。新的结点属性继承原结点的属性，如果ー个走廊结点划分为若干子结点，则新结点的基本属性包括结点类型等与原走廊相同，但结点的MBR需要重新计算。楼层抽象是对三维结点关系结构进行简化，将关系结构图抽象为ー个高层次的图，它由多个低层次子图组成，子图之间通过边界结点进行连接；对关系结构图进行简化的关键是子图的划分和边界连接结点的确定。每层作为一个子图，每层的楼梯作为连接其它子图的边界结点。步骤ニ 建立应急疏散模型集成EHI-NRM模型与改进的元胞自动机来实现人员的应急疏散模拟。改进的元胞自动机模型(ICA)包含了人之间的排斥力、吸引力和人的趋众心理因素以及人对建筑内部的熟悉程度。在宏观层面上，通过层次寻径算法实时协调路径出ロ，实现疏散过程中动态最优路径的选择；在微观层面上，通过使用ICA，实现疏散过程中个体特征的模拟。(I)层次图寻径算法通过层次图寻径算法进行子图内部结点到边界结点的最佳路径计算、子图间的最佳路径计算以及结点间成本距离的确定。(2)基于改进的元胞自动机(ICA)实现局部空间人员运动模拟I) ICA模型设计的方法在传统元胞自动机的基础上，加入人的环境熟悉程度对目标吸引力的影响，同时加入元胞之间交流作用，根据元胞自动机模型的设计原则，疏散相关參数为网格划分将建筑物的每ー层平面进行均匀的网格划分，每个网格或被障碍物占据，或被人员占据，否则为空；网格属性每个网格的属性包括占据属性和归属属性，占据属性表吸网格是否被占据、占据它的人或其他物体特性；归属属性表明网格在建筑结点结构中的所属结点。2)基于移动窗口人群相互作用力的计算方法 定义ー个移动窗ロ矩阵，矩阵的每个元素有吸引力和排斥カ两个属性；、 初始化移动矩阵，计算矩阵不同网格对中心网格的吸引力； 确定人移动目的地人的移动目的地由其所在结点的最佳疏散路径确定； 在更新周围网格对中心网格的作用カ时，根据每个网格所在个体可能的特性，计算カ的矢量和；3)更新规则 每个人员向左、向右、向上、向下四个方向的移动权重由前面描述的运动模式确定; 如果某个方向最近邻域的元胞被障碍物或别人占据，该方向的移动权重设为0 ; 人员在某个时间内向移动权重最大的方向移动一格，如果权重最大的方向无法移动，则取权重次大的方向移动，仍无法移动，则等待对于速度较慢的个体，要在2个或3个时间步长，才能移动一格； 如果某个元胞有几个人同时向它运动，取权重最大的人进入此元胞； 在同一时间步长内，同步更新所有元胞；(3) HlI-NRM模型与ICA集成进行整个建筑空间内部的疏散模拟在宏观层面上，以结点为单元用层次路径算法寻找最佳路径；在微观层面上，以每个元胞为单元，用元胞自动机模拟人的局部运动特征。运用元胞自动机模拟要生成元胞、确定元胞运动目标和综合作用力。元胞自动机生成网格，网格的结点属性由EHI-NRM模型决定，元胞的运动目标由所在结点的最佳路径及元胞在结点中的位置共同決定。3、优点及功效大型建筑某楼层发生应急事件时,传统的应急反应系统由于缺少可导航的三维数据模型，无法可视化建筑内部三维结构关系，导致应急指挥人员难以做出正确的疏散决策，延误了救援和撤离的时间。本专利技术提供了层次结点关系模型(EHI-NRM)自动抽象和表达大型建筑物内的拓扑与逻辑关系，实现对建筑内部三维结构空间疏散路线选择与规划。在上述数据模型的基础上，本专利技术提出了改进的元胞自动机(ICA)，将宏观路径规划与局部疏散模拟相结合，在宏观层次基于EHI-NRM进行动态路径规划，在微观层次运用ICA模型模拟人的行为特征，能较好的模拟大規模人群在复杂建筑内疏散过程中的拥堵、避让、从众等现象。四附图说明本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.ー种复杂建筑室内应急疏散模拟的方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤ー建立复杂建筑内部层次结点关系模型(EHI-NRM) 对空间实体进行抽象，将房间类空间实体抽象成结点，走廊以及结点之间的拓扑关系抽象成弧段，以此表达建筑内部空间实体之间的连接、邻接、包含和相交拓扑关系； (1)建立建筑内部空间实体的语义特征和层次特征 EHI-NRM在几何模型中添加了实体的最小外包矩形(MBR)、实体包含的门窗信息与疏散模拟和救援密切相关的几何要素； 语义特征对建筑的实体单元按特性进行分类，走廊、门具有连接特征，窗户为半连接，其它实体表现为障碍物特征； 层次性模型分高低两个层次，低层次包括详细的结点关系结构，高层次结构关系是对每层的结点进行抽象，只保留楼梯的连接结点作为对外的边界结点，楼层内的其它结点只在楼层子图路径分析时使用； 三维实体之间的拓扑关系用图G= (V，E)来表达，V是单元结点的有穷非空集合；集合E描述了结点之间的拓扑关系；然后，对建筑模型进行抽象，将每层楼的所有结点用ー个子图代替，高层次抽象图由若干子图组成，子图之间通过边界结点相互连接； (2)建立建筑内部空间单元间拓扑与逻辑语义关系 单元间拓扑关系主要分为単元与门窗的包含关系、水平层面的连接关系、垂直层面的连接关系； (3)自动构建HlI-NRM模型 EHI-NRM由中轴线计算，结点、更新拓扑关系，楼层抽象、结点的属性分配及区域划分过程组成； 将走廊进行简化，曲折的走廊用多条直线走廊代替，进而比较走廊的顶点距离，求出中轴线；若走廊与多个房间相连，通过求走廊中心点与房间中心点的第三点，作为走廊和房间的连接点；结点排序是通过对走廊的所有结点按X，1，z顺序进行增序排列，用于后面的拓扑连接；更新拓扑关系主要操作有结点排序，拓扑连接和冗余结点清除；新的结点属性继承原结点的属性，如果ー个走廊结点划分为若干子结点，则新结点的基本属性包括结点类型等与原走廊相同，但结点的MBR需要重新计算；楼层抽象是对三维结点关系结构进行简化，将关系结构图抽象为ー个高层次的图，它由多个低层次子图组成，子图之间通过边界结点进行连接；对关系结构图进行简化的关键是子图的划分和边界连接结点的确定，每层作为ー个子图，每层的楼梯作为连接其它子图的边界结点； 步骤ニ 建立应急疏散模型 集成HlI-NRM模型与改进的元胞自动机来实现人员的应...

【专利技术属性】
技术研发人员：张立强，张良，王焰辉，王臻，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：