疏散模拟软件STEPS与Pathfinder对比研究.docx

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疏散模拟软件STEPS与Pathfinder对比研究

杜长宝基金项目：

江苏省自然科学基金（BK20131117）；江苏高校优势学科建设工程（PAPD）。

2,3，朱国庆1,2,3，李俊毅1,2,3

（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221116；

2.中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏徐州221116；

3.中国矿业大学消防工程研究所，江苏徐州221116）

摘要：

为了解两款疏散模拟软件STEPS与Pathfinder的功能差异及适用范围，本文采用理论研究与实际模拟相结合的方法进行对比分析。

研究发现：

STEPS软件采用元胞自动机（CA）模型，疏散规则简单，人员智能化程度低，疏散时人员行为特征与现实情况不完全相符，但路径决策系统很好地解决了上述问题，可以很真实地模拟常态下人员疏散；Pathfinder软件采用Agent-base模型，人员智能化程度高，个体可以回应环境刺激，人员可以轻松规避障碍物，人群中的个体行为特征丰富且与现实情况十分相符，但在出口选择上存在缺陷，只能选择前方的出口而忽略后方的出口，不能模拟常态下人员疏散。

分析得出Pathfinder模拟结果与真实情况相符程度更高，STEPS更适合模拟常态下人员疏散。

关键词：

疏散；STEPS；元胞自动机；Pathfinder；Agent-base

ComparativeStudyonEvacuationSimulationSoftwareSTEPSandPathfinder

DUChang-bao1,2,3,ZHUGuo-qing1,2,3,LIJun-yi1,2,3

（1SchoolofSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,XuzhouJiangsu221116,China

2MinistryofEducationKeyLaboratoryofGasandFireControlforCoalMines,XuzhouJiangsu221116,China

3FireResearchInstitute,ChinaUniversityofMiningandTechnology,XuzhouJiangsu221116,China）

Abstract:

ToknowthedifferentoftwoevacuationsimulationsoftwareSTEPSandPathfinderinfunctionandscope,thispaperusestheanalysismethodofcombiningthetheoreticalresearchandpracticalsimulation.FoundthatSTEPStheorymodeliscellularautomata（CA）,itsevacuationrulesissimpleandintelligencedegreeislow,theevacuationbehaviorisnotcompletelyconsistentwithreality,butpathdecisionsystemsolvedtheproblems.Inaddition,STEPScansimulatethenormalpopulation.Pathfinderhasahighintelligencedegree,itsindividualcanrespondtoenvironmentalstimuliandalsocaneasilyavoidobstacles.Besides,theindividualalsohasarichattributethatstrictlyconformtothereality.Butithassomeflawsindoorchoicesystem,individualscanonlychoosethefrontdirectionignoringtheback,andcan'tsimulatethenormalevacuation.Finally,concludedthattheintelligencedegreeofPathfinderishighanditssimulationresultsmatchtherealbetter,STEPSismoresuitableforsimulatingnormalevacuation.

Keywords:

Evacuation,STEPS,CellularAutomata,Pathfinder,Agent-base

1引言

以往人员疏散的研究主要集中在对火灾现场的观察分析，对幸存者的访谈记录，对统计数据的拟合整理。

近年来随着计算机技术的飞速发展，人们对火灾中人员逃生行为的研究，逐渐由人工数据分析转变为计算机仿真模拟分析。

根据原理的不同，目前国内外已经提出了多种疏散仿真模型，主要分为离散模型和连续模型两大类。

离散模型能很好研究人员的逃生时间和路线选择问题，连续模型重点研究了人的心理对逃生过程的影响[1-6]。

本文选取基于离散模型（元胞自动机）的疏散软件STEPS和基于连续模型（Agent-base）的疏散软件Pathfinder进行对比分析，研究人员疏散时的运动规律，给出疏散软件使用的不同场景，为从业者提供选择软件的依据。

2疏散模型的分类

研究疏散模型是研究人员疏散的基础。

依据模型中对人描述详细程度的不同，将模型分为运动模型、部分行为模型和行为模型。

依据对物理平面模化方法的不同，将模型分为离散模型和连续模型[7]。

依据对人员特征表示方法的不同，将模型分为个体分析模型和群体分析模型[8]。

目前国内外学者对疏散模型的研究主要集中在离散模型和连续性模型，如元胞自动机模型（离散模型）、Agent-base模型（连续性模型）。

2.1元胞自动机模型

元胞自动机（CellularAutomata，简称CA）是定义在一个具有离散、有限状态的元胞组成的元胞空间上，并按照一定的局部规则，在离散的时间维度上演化的动力学系统。

该模型最早由冯诺依曼提出[9]。

CA模型主要由元胞状态集、邻域和局部映射函数构成。

元胞自动机模型将平面均匀地划分为一个个独立的矩形网格，每个网格视为平面的基本单位，被称为元胞。

每个元胞只有两个元素{0，1}，被称为元胞的状态集，每个元胞都有对应的积分值如图1所示。

CA模型的邻域通常分为两种，vonNeumann模型和Moore模型，如图2所示。

元胞的所有状态同步更新，更新规则如公式

（1）所示。

（1）

为邻域元胞在t时刻的状态，f为映射规则。

图1网格积分

vonNeumann邻域

Moore邻域

图2元胞邻域

2.2Agent-base模型

目前，关于Agent的定义有许多种，国外学者Wooldridge给出的弱定义被广泛的接受，即：

Agent是具有主动性、自治性、社会性和反应性的计算机系统[10]。

Agent-based便是基于Agent概念建立的一种模型。

Agent-based模型利用Agent表示系统中的个体，并利用Agent的不同属性及其之间的交互关系，来描述系统的行为。

结合简单的行为规则和Agent之间的交互关系，复杂系统便呈现出了群体的智能性。

系统中的个体不但能够在环境中生存，而且具有自适应性，能够很好地适应环境并优化它们的行为。

Agent-based模型中个体行为由Agent间两两相互作用来决定，在大规模人群疏散过程中与真实情况符合程度不太理想[10]。

3疏散软件介绍

目前，国内外已提出50多种疏散仿真软件[7]。

根据对物理空间模化方式的不同，将软件分为三类。

精细网格模型，如CRISP、EVACNET、EXIT89等[11]；粗糙网格模型，如BuildingEXODUS、STEPS、SIMULEX等[12]；连续模型，如Legion、Pathfinder、MOMAD等[13]。

本文选取STEPS和Pathfinder两款疏散软件进行对比研究。

3.1基于离散模型的STEPS软件

STEPS是基于经典元胞自动机理论的大型三维疏散模拟软件[14]。

由英国MottMacDonald公司设计编写，目前广泛应用于地铁、飞机场、办公楼、大型购物中心等场所的人员疏散模拟。

STEPS人员疏散过程主要包括以下五个方面：

绘制建筑几何模型，设定人员参数，将平面网格化，计算网格积分，人员路径选择决策。

其中，平面网格化和计算网格积分在本文2.1中已有论述，在此不再赘述，本节重点介绍STEPS中人员如何进行路径决策。

STEPS提供了丰富的建模工具，如Shapes,Planes,Exits,Stairs,Lifts,Blockage,Location等。

由于STEPS可以模拟地铁的人员疏散，因此还提供了vehicles工具。

软件中对人员几何特征的描述有身高、肩宽和胸厚。

软件提供了8种不同特征的人员类型，如乘坐轮椅、携带手提包、携带拉杆箱等。

软件提供了两种定义人员步行速度的方法，一是由用户设定，二是随机正态分布。

STEPS中给出了一套复杂的行人路径决策过程，包括以下步骤：

1）计算直接到达出口的时间和在出口处的排队时间

（2）

（3）

式中，D为积分潜力表中到达出口的最短路径的距离；v为人员行走速度，由用户设定；N为在当前用户之前到达出口的人数；F为出口人流量，由用户设定。

2）计算步行调整时间和排队调整时间

（4）

（5）

式中，D2为队尾距出口的距离，由紧挨着当前用户前面一个人员的潜力积分表得到；v为人员行走速度，由用户设定；N2为当前用户到达队尾时已经离开出口的人数；F为出口人流量，由用户设定。

3）计算实际步行时间和实际排队时间

（6）

（7）

4）计算结合耐心指数后的预计排队时间

（8）

（9）

式中，为排队系数；Patience为耐心指数，由用户设定，取值范围[0,1]。

5）计算到达出口的最终用时

（10）

3.2基于连续模型的Pathfinder软件

Pathfinder是由美国ThunderheadEngineering公司开发的基于Agent技术的疏散模拟软件。

软件中人员运动模式包括SFPE模式和Steering模式[15-16]两种。

SFPE模式以人员流量为基础，人员会自动转移到最近的出口，人员不会相互影响，但列队将符合SFPE假设。

Steering模式是路径规划、指导机制、碰撞处理相结合控制人员运动。

如果人员间的距离或最近点的路径超过某一阈值，可以再生新的路径，以适应新的形式。

Pathfinder软件模拟疏散过程包括以下三个方面：

绘制建筑几何模型，设定人员参数，人员路径选择决策。

Pathfinder提供了实用的建模工具，如PolygonalRoom,RectangularRoom,ThinWall,ThickWall,Stairs,Ramp,Door等。

软件中对人员特征的描述有肩宽和身高。

用户可以设定出口对行人的吸引程度、行人可以通过的最小宽度、人员最大步行速度等。

疏散过程中实际步行速度由公式（11）计算确定。

Steering模式中人员路径决策系统步骤如下：

1）计算当前期望速度和加速度大小

（11）

（12）