一個面向緊急疏散的大規(guī)模人群運(yùn)動模擬系統(tǒng)

任 越

(公安海警學(xué)院，浙江 寧波 315801)

一個面向緊急疏散的大規(guī)模人群運(yùn)動模擬系統(tǒng)

任 越

(公安海警學(xué)院，浙江 寧波 315801)

本文就公共場所大規(guī)模人群模擬理論和實際應(yīng)用展開研究，并系統(tǒng)講解了該系統(tǒng)功能模塊，指出了災(zāi)害現(xiàn)象模擬技術(shù)、仿真技術(shù)、人群建模、海量人群實時渲染技術(shù)、人群疏散控制策略及場景建模技術(shù)的具體應(yīng)用。

模擬系統(tǒng)；緊急疏散；突發(fā)危機(jī)

公共安全是維護(hù)社會穩(wěn)定、保障國家安全的重要基石。每年因公共安全造成的生命、財產(chǎn)損失極大，這給我國造成了巨大的負(fù)面影響。突發(fā)危機(jī)情況下大規(guī)模人群疏散已經(jīng)成為當(dāng)今社會穩(wěn)定、發(fā)展的重要研究課題。以下就大規(guī)模人群運(yùn)動模擬系統(tǒng)應(yīng)用加以分析論述，希望能夠準(zhǔn)確掌握大規(guī)模人群運(yùn)動模擬系統(tǒng)應(yīng)用，提升緊急疏散效率和質(zhì)量，保障人們的生命財產(chǎn)安全。

1 緊急疏散大規(guī)模人群運(yùn)動模擬系統(tǒng)應(yīng)用的概念及作用

人群疏散運(yùn)動模擬系統(tǒng)研究就是利用仿真技術(shù)、心理學(xué)以及社會學(xué)等方面知識進(jìn)行有效的人群疏散過程控制，很多國家政府機(jī)關(guān)、安全部門均開展了該方面應(yīng)用系統(tǒng)研究。當(dāng)前人群運(yùn)動模擬系統(tǒng)應(yīng)用主要存在以下幾方面問題：其一，應(yīng)用系統(tǒng)可視化程度極為有限。其二，系統(tǒng)可負(fù)載人群有限。其三，應(yīng)用系統(tǒng)主要針對特定場合中的危機(jī)事件且通用性較差。其四，輔助論證分析功能缺乏。因此，本文針對這類問題提出了面向緊急疏散大規(guī)模人群運(yùn)動模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)要求在特定環(huán)境下和特殊人群，制定最佳的人群疏散方案，從而構(gòu)建視覺效果更加逼真的動態(tài)模擬效果，制定研發(fā)危機(jī)實時繪制引擎，并通過輔助論證分析進(jìn)行模擬結(jié)果預(yù)定。

2 人群運(yùn)動模擬系統(tǒng)框架

當(dāng)前較為常見的大規(guī)模人群疏散模擬系統(tǒng)有場景模擬、人群模擬、災(zāi)害現(xiàn)象模擬、虛擬個體路徑規(guī)劃、危機(jī)實時渲染。可以將系統(tǒng)框架總結(jié)如下：

2.1 人群模擬

面對緊急疏散人群來說，人是疏散的主體和關(guān)鍵影響因素，這也是運(yùn)動模擬方案中最復(fù)雜的部分?，F(xiàn)今所研究的大規(guī)模模擬人群數(shù)量在5萬人以上，大規(guī)模人群模擬系統(tǒng)支持人群運(yùn)動模擬和交互控制，能夠在極大程度上發(fā)揮渲染引擎可視化數(shù)據(jù)分析作用，盡可能的還原危機(jī)情況下的人群運(yùn)動規(guī)律。

2.2 場景模擬

人群仿真模擬主要由構(gòu)建和渲染兩方面構(gòu)成，仿真模擬構(gòu)建是在真實環(huán)境的基礎(chǔ)上進(jìn)行的群體仿真需求模型模擬，渲染就可以簡單理解為通過場景管理技術(shù)進(jìn)行三維虛擬環(huán)境模擬，進(jìn)行緊急情況下人群疏散設(shè)計和控制。

2.3 災(zāi)害模擬

災(zāi)害模擬是危機(jī)處置預(yù)案中必須要考慮的模擬要素，該系統(tǒng)支持各種災(zāi)害現(xiàn)象在系統(tǒng)當(dāng)中不同情況模擬，這樣能夠極大程度的還原火災(zāi)、積水、爆炸等災(zāi)害現(xiàn)象可能產(chǎn)生的影響，提供三維可視化數(shù)據(jù)。

2.4 人群疏散、危機(jī)過程渲染

通過計算機(jī)模擬系統(tǒng)應(yīng)用來進(jìn)行虛擬個體行走路徑規(guī)劃研究，讓人們能夠明確疏散模擬系統(tǒng)核心服務(wù)的重要性及實用性，更好地滿足緊急情況下的大規(guī)模人群疏散最優(yōu)路徑設(shè)計。危機(jī)渲染主要是針對災(zāi)害現(xiàn)象和復(fù)雜場景虛擬人群運(yùn)動的實時渲染，以配合災(zāi)害實際發(fā)生效果，提升人群的危機(jī)應(yīng)對能力，做好危機(jī)人群運(yùn)動數(shù)據(jù)的動態(tài)調(diào)整，做好前期數(shù)據(jù)載入，對特定危機(jī)處置預(yù)案加以輔助論證分析。

圖1 系統(tǒng)框架圖Fig.1 System frame diagram

3 模塊功能實現(xiàn)

3.1 人群建模與運(yùn)動合成

針對當(dāng)前運(yùn)動個體特點(diǎn)，最常用的是個性化建模方式，而群體建模則不適用該方法。群體建模主要依據(jù)大規(guī)模人群運(yùn)動特點(diǎn)，同時還對計算的質(zhì)量和效率有著很高的要求，群體建模通過一個模板生產(chǎn)不同類型的模型，且利用隨機(jī)方式來改變模型參數(shù)，進(jìn)而實現(xiàn)多樣化設(shè)計目的。筆者所提出大規(guī)模人群運(yùn)動模擬系統(tǒng)是一種快速生成模擬人群運(yùn)動的方法，該系統(tǒng)秉持Poser人體建模軟件創(chuàng)建個體角色的辦法，將其導(dǎo)入3Dmax軟件中，以人群建模插件來實現(xiàn)人體模型骨架自動蒙皮和匹配，并結(jié)合FatMap創(chuàng)建原理建立了生長形態(tài)各異的人體模型庫。模型與運(yùn)動的相互結(jié)合，極大的提升了系統(tǒng)的實時性和視覺逼真性，合成數(shù)萬個體模擬運(yùn)動動作，提高系統(tǒng)模擬的準(zhǔn)確性和全面性。因此，本文筆者以實時逼真的人體運(yùn)動合成技術(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了常見危機(jī)情況下的人體動作數(shù)據(jù)，并綜合這些動作數(shù)據(jù)模擬出更多的個體體型、運(yùn)動速度、運(yùn)動方向等新的動作數(shù)據(jù)模擬。

3.2 災(zāi)害模擬

為了提高危機(jī)情況下人群疏散的安全性，必須充分考慮到爆炸、煙霧、積水和燃燒等災(zāi)害現(xiàn)象中人群的運(yùn)動體動力學(xué)規(guī)律，對其行為進(jìn)行仿真模擬，還原人群在災(zāi)害中的運(yùn)動規(guī)律和心理，進(jìn)而實現(xiàn)對大規(guī)模人群運(yùn)動的有效控制，減少災(zāi)害帶來的傷害。系統(tǒng)模擬過程中，應(yīng)根據(jù)流體不同特征，合理選擇不同的系統(tǒng)構(gòu)建表現(xiàn)方法，盡可能防止煙霧擴(kuò)散或燃燒過程中與周圍物品的物理、化學(xué)反應(yīng)，通常爆炸會形成大量塵云、碎片和沖擊波。同時災(zāi)害本身也有一定的共同性，這就給建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)定了一定的災(zāi)害模擬畫面，提高了數(shù)據(jù)集合模擬蔓延現(xiàn)象。災(zāi)害蔓延過程中，可能會受到外力的沖擊，造成模擬曲面移動，產(chǎn)生災(zāi)害擴(kuò)散。

大規(guī)模人群疏散運(yùn)動模擬系統(tǒng)要保證模擬個體與虛擬曲面的位置，并且定義了距離場函數(shù)，當(dāng)災(zāi)害發(fā)生的邊界點(diǎn)移動到虛擬曲面的內(nèi)外側(cè)時，一定要利用距離場函數(shù)將其移動到距離曲面最近的點(diǎn)上。筆者建議要綜合利用各種運(yùn)動模擬，充分提高系統(tǒng)計算的準(zhǔn)確性和實時性。人群擴(kuò)散速度和密度有著一定的規(guī)律，可將其整理為以三種顏色表示的紋理通道，并將其綜合運(yùn)算整合到一個統(tǒng)一的像素程度中，提升狀態(tài)的穩(wěn)定性，減少繪制次數(shù)，建議根據(jù)危機(jī)實際發(fā)生情況選用不同應(yīng)對策略。

3.3 人群疏散

緊急情況下，人們所做的都是本能的求生反應(yīng)，主要遵從“心理-行為”模式。人群在危機(jī)情況下的運(yùn)動有以下幾種行為特征：

首先，每個人本能的希望能夠最快逃出危險。其次，人群集中于出口處，造成出口人流緩慢且擁擠。再次，受大量人群運(yùn)動引導(dǎo)忽略其他逃生出口。最后，人群擁擠易造成其他傷害。筆者建議通過障礙避免、信息感知、行為調(diào)整和疏散速度幾方面進(jìn)行虛擬人群行為指導(dǎo)控制方式和實時控制方式，進(jìn)而制定人群行動路徑和人群目標(biāo)。

綜上所述，面向緊急疏散大規(guī)模人群運(yùn)動模擬系統(tǒng)能夠有效提升危機(jī)過程中的應(yīng)對能力，保證人們的生命財產(chǎn)安全，維護(hù)社會穩(wěn)定。

4 結(jié)語

為了做好大規(guī)模緊急人口疏散，減少公共安全所導(dǎo)致的人員傷亡，本文筆者對緊急疏散大規(guī)模人群運(yùn)動模擬系統(tǒng)涉及的技術(shù)進(jìn)行了簡要闡述，希望能夠增進(jìn)對危機(jī)情況下大規(guī)模人群疏散過程的了解，實現(xiàn)模擬結(jié)果的有效分析，制定科學(xué)合理有效的人群緊急疏散策略。

[1] 李強(qiáng).城市公共安全應(yīng)急響應(yīng)動態(tài)地理模擬研究[D].北京：清華大學(xué)，2010.

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[3] 翁小雄，魏震.基于家庭集群模式的高層住宅緊急疏散模型優(yōu)化[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2011，(04)：67-68.

A large-scale population motion simulation system for emergency evacuation

REN Yue

(Marine Police College, Ningbo 315801, China)

This paper studies the simulation theory and practical application of large-scale population in public places, and systematically explains the function modules of the system. It points out the specific application of disaster simulation technology, simulation technology, crowd modeling, real-time rendering technology of mass crowd, crowd evacuation control strategy and scene modeling technology.

Simulation system; Emergency evacuation; Sudden crisis

2016-09-23

任越(1995-)，男，學(xué)生。

TP301

B

1674-8646(2016)24-0062-02