基于元胞自动机的应急疏散系统仿真研究.pdf

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收稿日期:

2006-08-30基金项目:

国家自然科学基金项目（60475036）资助.作者简介:

赵姝颖,女,1968年生,博士,副教授,研究方向为图像处理、智能控制与应急系统;徐心和,男,1940年生,教授,博士生导师,研究方向为机器人、智能控制系统等.基于元胞自动机的应急疏散系统仿真研究赵姝颖,宿国军,贺云,徐心和（东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110004）E-mail:

zhao-shy摘要:

分析了紧急情况下人员疏散的难点,提出了应急系统人员疏散策略,设计了一种基于CA的人员疏散模型.通过模型仿真,分析模型中相关参数对疏散效果的影响,在此基础上对人员疏散模型中地场方法进行改进,模拟结果表明,基于CA的应急疏散仿真能够很好的模拟建筑内人员应急疏散行为及紧急事件的发展情况.同时该仿真方法具有直观性、灵活性和可扩展性,为应急管理研究提供了一个很好的研究思路.关键词:

元胞自动机;应急系统;地场;系统仿真中图分类号:

TP391文献标识码:

A文章编号:

1000-1220（2007）12-2220-05ResearchofEmergencyEvacuationSystemSimulationBasedonCellularAutomataZHAOShu-ying,SUGuo-jun,HEYun,XUXin-he（InstituteofInformationScienceandTechnology,NortheasternUniversity,Shenyang110004,China）Abstract:

Inthispaper,weanalyzethedifficultiesofpeopleevacuationunderemergency,proposeanevacuationstrategyofanemergencysystemanddesignanevacuationmodelbasedonCA.Andthroughmodelsimulation,weanalyzetheeffectsoftherelevantparametersonevacuationandimprovefieldmethod.Finally,wesuccessfullyapplythisCAmodeltosimulatethee-vacuationresultsinanexample.AndthesimulationresultindicatesthattheemergencyevacuationsimulationbasedonCAcansimulateevacueesbehaviorunderemergencyinabuildingandpredictthefuturedevelopmentofemergencyevent.Further,theimmediacy,theflexibilityandtheexpendabilityofthismethodcanprovideagoodideaforemergencymanagementre-search.Keywords:

cellularautomaton;emergency;system;field;systemsimulation1引言元胞自动机是由空间上各向同性的一系列元胞组成,在有限元胞自动机的基础上发展起来的,用于模拟和分析几何空间内的各种现象.元胞自动机（CellularAutomaton）,简称CA,也有人译为细胞自动机、点格自动机、分子自动机或单元自动机,是定义在一个具有离散、有限状态的元胞所组成的元胞空间上,并按照一定局部规则,在离散的时间维上演化的动力学系统.具体讲,构成元胞自动机的部件被称为“元胞”,每个元胞具有一个状态.这个状态只取某个有限状态集中的一个.这些元胞规则地排列在被称为“元胞空间”的空间格网上,它们各自的状态随着时间变化.而根据一个局部规则来进行更新,也就是说,一个元胞在某时刻的状态取决于而且仅仅取决于上一时刻该元胞的状态以及该元胞的所有邻居元胞的状态.元胞空间内的元胞依照这样的局部规则进行同步的状态更新,整个元胞空间则表现为离散时间维上的变化.应急疏散仿真最关键是对人员疏散的仿真,其实质是行人流模型在特定环境下的实现.目前对行人流的研究方法很多.为了能对成百上千的人群活动进行有效的计算机仿真,需要一个能够准确描述疏散人员行为的模型.元胞自动机就是这样一类模型.在元胞空间中,时间和状态变量都是离散的,比较适合计算机进行仿真.元胞自动机模型,通过定义简单的规则,并行的计算更新,来模拟出行人的行为.目前,对人员应急疏散模型的研究和事件模型的设计已经成为学术界应急疏散研究的热点.如由美国Francis开发的预测最小理论疏散时间的网络模型EVACNET1,由Stahl开发的火灾行为模型BFIRES-II2,Alvord开发的疏散与救援模型,还有BGRAF3,CRISP4,PedGo5,EGRESS6,E-SCAPEEXITT7,MAGNET-MODEL8,PAXPORT9,SIMU-LEX10,TAKAHASHISMODEL,VEGAS,EVACNET,WAYOUT,EVACSIM11,EXIT8912等网络模型及EXO-DUS13、ASERI、AEAEGRESS、SGEM等模型可以描述楼房内每一人员的运动行为.本文利用元胞自动机详细设计了人员疏散模型,分析模型中相关参数对疏散效果的影响,并给出仿真例子加以说明,在此基础上提出了地场模型的改进方法.2人员疏散元胞自动机模型2.1偏好矩阵设计小型微型计算机系统JournalofChineseComputerSystems2007年12月第12期Vol.28No.122007每个元胞都有一个偏好方向.建立一个偏好矩阵,表示元胞向其周围运动的概率.这个矩阵是一个33的矩阵,如图1所示.图1元胞的运动方向及其各个方向上的偏好矩阵值Fig.1Movementdirectionsofcellsandvaluesofthepreferencematrix偏好矩阵M表示元胞（即人员）在元胞空间（即建筑物内）向不同方向的运动概率.偏好矩阵可以根据疏散人员的具体情况取值.如果假设疏散人员属于同一类群体,可以取同一值.也可以根据人员状况,运动偏好取不同值.这里给出一种偏好矩阵设计方法.偏好矩阵元素值可以由运动速度v和方向标准方差?

确定.算法如下:

把Mij点二维元胞看成是由两个一维元胞组成,分别表示水平运动和垂直运动.水平一维元胞邻域I表示为-1,0,1,元胞向邻域移动的概率为p-1,p0,p1.其值由元胞当前速度v和方向标准方差?

确定.概率速度和方差满足下面三个公式iIpi=1

（1）iIipi=v

（2）iI（i-v）2pi=?

2（3）在约束条件v-1,1和?

0,1下,可以推出:

p-1=12（?

2+v2-v）（4）p0=1-（?

2+v2）（5）p1=12（?

2+v2+v）（6）这里?

有效取值区间为?

1,?

k,满足公式:

?

21=14?

v?

-122（7）?

2h=1-v2（8）用图2表示?

l和?

k的关系.图2?

l和?

k的值由v决定Fig.2Valuesof?

1and?

karedecidedbyv同理可以得出垂直元胞自动机概率为q-1=12?

2t（9）q0=1-?

2t（10）q1=12?

2t（11）其中?

l表示垂直方向标准差.Mij值可以通过下式计算得出:

M=qipj（12）2.2冲突避退算法设计在每一时间步长内,元胞按照自己的偏好矩阵选择下一时刻的目标元胞位置,元胞状态采用并行更新方法.如果目标元胞位置在当前时刻被占用,那么在下一时刻当前元胞不运动,如果目标元胞未被占用,那么下一时刻,元胞自动运动到图3位置1和位置2上元胞的目标位置为3Fig.3Position3thetargetofeithercellatpositon1or2目标元胞位置.这样有可能出现这样的情况,多个元胞根据自己的偏好矩阵选择了相同的目标元胞位置,造成冲突.可以通过计算元胞相对运动概率决定哪一个元胞运动,哪一个元胞不动.例如图3所示,在位置1和位置2上的元胞的目标位置为3,算法如下:

（1）计算位置1元胞向位置3运动的概率M

（1）1,0,计算位置2元胞向位置3运动的概率M

（2）-1,1.

（2）计算位置1元胞相对于位置2元胞向位置3移动的222112期赵姝颖等:

基于元胞自动机的应急疏散系统仿真研究相对概率p1为M

（1）1,0M

（1）1,0+M

（2）-1,1,计算位置2元胞相对于位置1元胞向位置3移动的相对概率p2为M

（2）-1,1M

（1）1,0+M

（2）-1,1.（3）如果p1大于p2,选择位置1元胞运动到位置3,位置2元胞不动:

否则,选择位置2元胞运动到位置3,位置1元胞不动.2.3地场设计为了很好的模拟聚集现象.这里设计了两个场,一个是静态场S,一个是动态场D.2.3.1动态场设计动态场D用来描述行人的踪迹.动态场D有自己的特性,可以表示扩散和衰退现象,随着行人的运动而动态更新.动态场D用来建模行人间的相互作用.行人走过的位置会留下一些信息即踪迹,其他人倾向于按照别人走过的路线行进.踪迹信息在每一时间步长内,会按照一定的规律扩散到相邻元胞,自身也会衰减.动态场的演化规则如下:

（1）如果行人离开当前所在元胞（i,j）,那么该元胞对应的动态场Dij值增加?

Di,j.

（2）当前元胞对应的动态场Dij值按照一定比例系数扩散到相邻元胞.（3）当前元胞对应的动态场Dij值按照一定比例系数!

衰退.动态场D可以是连续的,也可以是离散的.这里为了模型简单,采用离散动态场.规定动态场Dij值增加?

Dij为2,扩散比例系数为0.2,衰减比例系数!

为0.5.这样下一时刻动态场dij=（1-!

）dij+?

Dij（13）下一时刻邻域场d=d+?

Dij（14）当动态场值Dij小于等于0.1时,在下一步更新是,使dij等于零.2.3.2静态场设计静态场S用来定义系统结构即建筑物内部结构,其不随着时间和行人的运动而变化.静态场可以表示系统结构中一些特定区域,如门窗等.通过静态场可以引导行人向着这些区域运动.当然也可以通过具体函数定义静态场.这里给出一个静态场函数示例.如在一个建筑物中,建筑物的出口元胞位置为（iT1,jT1）,（iTk,jTk）.规定行人只能通过出口离开建筑物,那么静态场S值可以通过下面函数求得:

Sij=min（iTS,jTSmax（il,jl）（iTS-il）2+（jTS-jl）2-（iTS-il）2+（jTS-jl）2（15）max（il,jl）（iTS-il）2+（jTS-jl）2表示建筑物内各元胞到出口元胞的最大距离,（iTS-il）2+（jTS-jl）2表示建筑物内各元胞到出口元胞的距离逐渐减小,到出口时的Sij为零.这样静态场S就表示了从建筑物内任意位置元胞到出口的最短路径.这样在元胞位置（i,j）的转换概率pij由四个属性决定:

（1）偏好矩阵Mij,包括了行人的运动目标和运动速度.

（2）动态场Dij,表示其他行人运动对该行人运动的影响.主要模拟行人跟随现象.（3）静态场Sij,静态场用来描述建筑物的结构,可以引导行人运动方向.（4）目标元胞被占用数nij.当目标元胞未被占用时即（nij=0）,行人才可以运动到该元胞,当目标元胞被占用时即（nij=1）,行人不能向该目标元胞运动.由此得出pij=NMijDij