多智能體的體育場館人群疏散模型

孔祥魁

摘 要： 為了更好地引導(dǎo)體育場館人群疏散，保證人員的生命安全，提出多智能體的體育場館人群疏散模型。首先對當(dāng)前體育場館人群疏散研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，然后分析了體育場館人群疏散的個體移動特征，結(jié)合地理信息系統(tǒng)設(shè)計了與個體移動特征相適應(yīng)的多智能體人群疏散模型，最后進(jìn)行了人群疏散模擬測試。測試結(jié)果表明，多智能體可以描述體育場館人群的移動特點，真實模擬了體育場館人群疏散狀態(tài)，為體育場館應(yīng)急事件處理提供了有價值的信息。

關(guān)鍵詞： 體育場館； 人群疏散模擬； 多智能體系統(tǒng)； 地理信息系統(tǒng)； 移動模型

中圖分類號： TN911?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）03?0124?03

Multi?agent crowd evacuation model in stadium

KONG Xiangkui

（Institute of Physical Education， Yangtze University， Jingzhou 434023， China）

Abstract： In order to guide the crowd evacuation in stadium and ensure the life safety of crowd， a multi?agent crowd evacuation model in stadium is proposed. The research statue of the crowd evacuation in stadium is analyzed. The individual movement characteristics of crowd evacuation in stadium are analyzed. The multi?agent crowd evacuation model suitable for the individual movement characteristics was designed in combination with the geographic information system. The crowd evacuation was performed for simulation test. The results show that the multi?agent system can describe the movement characteristics of the crowd in stadium and simulate the crowd evacuation status in stadium really， and provide the valuable information for the emergency events handling in stadium.

Keywords： stadium； crowd evacuation simulation； multi?agent system； geographic information system； mobile model

0 引 言

隨著我國體育競技水平的不斷提高，一些大學(xué)、城市以及企業(yè)都建立了大型的體育場館，為人們鍛煉，主辦大型賽事提供了條件，同時體育場館的安全問題也引起了國家的高度重視[1?2]。如果發(fā)生火災(zāi)、爆炸等緊急事件，如何快速、有效地疏散體育場館內(nèi)的人群，盡量減少人員傷亡成為安全管理研究中的重大課題[3]。

體育場館人群疏散受到眾多因素的影響，如個體心理、體育場館結(jié)構(gòu)等，而且這些因素之間相互影響，使得體育場館人群疏散變得十分復(fù)雜[4]。針對體育場館的人群疏散問題，國內(nèi)外專家一直在不斷地進(jìn)行廣泛的探索，當(dāng)前主要有三種體育場館的人群疏散方法：規(guī)則法、社會力法以及元胞自動機(jī)法[2]，規(guī)則法在人群數(shù)量較少的條件下具有較好的人群疏散模擬仿真效果，當(dāng)人群數(shù)量較大時，無法模擬體育場館的人群疏散[5]；社會力法在研究人與人之間的引力、斥力以及摩擦力的基礎(chǔ)上建立體育場館的人群疏散模型，但人群數(shù)量大時，執(zhí)行效率低，無法滿足體育場館的人群疏散實時性要求[6]；元胞自動機(jī)法將體育場館的行人看作是一個元胞，根據(jù)元胞不同時刻的狀態(tài)決定行人的移動方向和速度，模擬效果比較接近真實的體育場館人群疏散[7]。在體育場館的人群疏散過程中，場館空間的環(huán)境信息十分重要，當(dāng)前很多應(yīng)急事件中的人員疏散均引入了地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS），通過GIS對建筑物的空間環(huán)境信息進(jìn)行實時采集，建立動態(tài)的人群疏散模型，然而目前在體育場館的人群疏散研究中很少利用GIS，使得建立的人群疏散模型不可靠[8]。體育場館的人群疏散建模中，個體之間差異性明顯，多智能體（Multi Agent，MA）可以描述人群的個體行為，具有交互性、協(xié)同性和自主性，可以應(yīng)用于體育場館人群疏散的建模中[9?10]。目前體育場館人群疏散模型主要針對特定行為進(jìn)行研究，缺乏通用性，應(yīng)用范圍窄，局限性明顯[11]。

為了更好地引導(dǎo)體育場館人群疏散，保證人員的生命安全，提出了多智能體的體育場館人群疏散模型，該模型結(jié)合了地理信息系統(tǒng)和個體移動特征，模擬測試結(jié)果表明，多智能體可以真實模擬體育場館人群的疏散狀態(tài)，為體育場館應(yīng)急事件的研究提供了一種新的研究方法。

1 相關(guān)理論

1.1 GIS概述

地理信息系統(tǒng)（GIS）可以很好地描述體育場館的出口和道路狀態(tài)。GIS按圖層組織的體育場館地圖包括多個圖層，圖層又包括節(jié)點、線、面。體育場館由許多路和出口組成，道路之間有交叉，比較復(fù)雜，為了簡化路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，地圖分為節(jié)點和路段，交叉路口和路表示網(wǎng)絡(luò)的點和邊，這樣體育場館GIS的特點為：邊是雙向的，節(jié)點和邊的數(shù)目相對較多，路的拓?fù)潢P(guān)系復(fù)雜。

1.2 多智能體概述

多智能體是一種可以對系統(tǒng)實現(xiàn)建模的工具，主要從微觀上對系統(tǒng)進(jìn)行描述，綜合考慮系統(tǒng)中各部分間的關(guān)系，從而可以描述系統(tǒng)的宏觀特性。

與其他技術(shù)相比，多智能體技術(shù)采用自上而下的建模方法，建模過程更加簡單、直觀，將復(fù)雜系統(tǒng)簡單化，智能體（Agent）表示一個實體，描述自身和環(huán)境的變化，并且能夠適應(yīng)環(huán)境變化，通常情況下，智能體具有主動性、協(xié)同性，且有推理、決策能力。

2 多智能體的體育場館人群疏散模型

2.1 元胞自動機(jī)

元胞自動機(jī)是一種經(jīng)典的時空動力系統(tǒng)，元胞與系統(tǒng)的狀態(tài)相對應(yīng)，而系統(tǒng)狀態(tài)是有限的，遵循相同的移動規(guī)則，根據(jù)規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)的動作，元胞之間存在互作，通過互作進(jìn)行狀態(tài)更新描述系統(tǒng)的動態(tài)演化模型。體育場館人群疏散的8鄰域的元胞如圖1所示，中心表示點的當(dāng)前位置，它可以向周圍8個方向移動。

元胞移動的動態(tài)參數(shù)模型為：

[Pij=Dij+Eij+Fij+Gij] （1）

式中[Dij]表示人移動到一個方向的代價，其初值為：

[Dij=1， 正上方元胞α， 左上，右上元胞0， 當(dāng)前行元胞-α， 左下，右下元胞-1， 正下方元胞] （2）

[Eij]描述元胞的占用情況，具體如下：

[Eij=1，元胞為空0，人所在當(dāng)前元胞-1， 元胞被其他人占據(jù)] （3）

[Fij]描述行人躲避擁塞的意愿，計算公式為：

[Fij=S1-S2R] （4）

式中：[S1]和[S2]分別表示空元胞和被占用元胞的數(shù)目、體育場館大小。

[Gij]描述人的“隨大流”思想，具體為：

[Gij=S3-S4R] （5）

式中：[S3]和[S4]分別表示與當(dāng)前人移動方向相容和不相容的人數(shù)。

2.2 體育館人群疏散模型

2.2.1 模型的框架

體育館人群疏散模型的每一個人是一個獨立智能體，它們間有一定的特征差異，根據(jù)自身的經(jīng)驗、心里、知識對自己的行為進(jìn)行判斷，并根據(jù)自身周圍環(huán)境以及鄰近人群不斷調(diào)整自己的移動方向，朝安全的出口移動，體育館人群疏散模型的框架如圖2所示。

2.2.2 行為視覺感知

（1） 設(shè)行為的最優(yōu)和最大視覺距離分別為[Rv1]和[Rv2，]行為的最優(yōu)和最大視覺角度分別為[φv1]和[φv2，]那么行人的感知半徑計算公式為：

[Rv2D=1-Cpanickv] （6）

式中：[Cpanic]表示行為的恐慌程度；[kv]表示視覺的能力；[D]為物體尺寸。

（2） 采用聚焦因子描述行為對具體目標(biāo)的關(guān)注程度，計算公式為：

[fA=aOA*FOA*F+bOA+cVa-Vo] （7）

式中：[OA→]表示矢量；[Va]為目標(biāo)的移動速度；[a，b，c]描述智能體間的差異參數(shù)。

（3） 在體育場館發(fā)生突發(fā)事件后如火災(zāi)等，存在一定危險性，危險性與多種因素相關(guān)，計算公式為：

[Cpanic=ae-d+be-1ρ] （8）

式中：[d]為人與危險物之間的距離；[ρ]為感知密度。

2.2.3 行為決策

體育場館的人群疏散有多種不同的行為，如從眾行為、逃逸行為等，下面對它們進(jìn)行具體描述。

（1） 當(dāng)體育場館發(fā)生一定突發(fā)事件時，行人馬上會感覺到危險，就會立即進(jìn)行逃逸行為，逃逸行為可以描述為：

[vprefer=（1+Cpanic）e-ε?ρλ?vmax] （9）

式中：[λ]表示行人的體力，不同年齡的行人取值不一樣；[ε]為測定系數(shù)；[vmax]表示行為移動的最大速度。

（2） 行為的移動過程中，移動時間要考慮周圍人的狀態(tài)，即盡可能與其他人的行為保持相似，即從眾行為。separate，alignment，cohesion分別表示行為的原則，從眾的速度計算公式為：

[vprefer=λ（αvseparate+βvalign+γvcohesion）] （10）

式中：[vseparate，valign，vcohesion]分別為separate，alignment，cohesion的速度。

除了上述行為，還有幫助行為、排隊行為、目標(biāo)行為，具體描述見參考文獻(xiàn)[11]。

2.2.4 行為執(zhí)行

綜合考慮各種因素，智能體決策系統(tǒng)會對智能體的位置更新，即有：

[Pt+1（x，y）=Pt（x，y）+vprefer?Δt] （11）

式中：[Pt（x，y）]和[Pt+1（x，y）]表示當(dāng)前和將來的位置；[Δt]表示時間間隔。

3 體育場館人群疏散的實例分析

為了分析本文提出的體育場館人群疏散模型的性能，在4 核 Intel 2.85 GHz CPU，8 GB的內(nèi)存計算機(jī)上實現(xiàn)模擬測試，采用文獻(xiàn)[11]的體育場館人群疏散模型進(jìn)行對照實驗，該模型沒有利用GIS信息。當(dāng)體育場館的人群密度為1人/m2時，兩種群疏散模型的模擬實驗結(jié)果如圖3所示。

從圖3的模擬結(jié)果可以看出，對比模型的滯留人數(shù)多，人群疏散速度慢，擁擠現(xiàn)象十分嚴(yán)重，易造成人員的傷亡。本文模型充分利用體育場館的道路和節(jié)點信息，不僅加快了人群的疏散速度，同時減少了人員的傷亡數(shù)量，實際應(yīng)用價值更高，彌補(bǔ)了對比模型存在的不足，優(yōu)越性明顯。

本文模型和對比模型的體育館人群疏散綜合性能評價指標(biāo)如表1所示。從表1可以看出，相對于對比模型，本文模型更好地模擬了體育館人群疏散的真實情況，可以避免人群擁擠現(xiàn)象發(fā)生，平均疏散人群數(shù)量增加，人群疏散時間下降，加快了人群的疏散速度，為人群逃跑取得了寶貴的時間，模型簡單、易實現(xiàn)，是一種有效的體育館人群疏散模型。

4 結(jié) 論

體育館人群疏散的研究具有重要的實際應(yīng)用價值，為了更好地模擬體育館人群疏散過程，提出了多智體的體育場館人群疏散模型，該模型充分利用了體育館場景的時空信息，考慮了行人間的相互碰撞，并且通過多智體描述行人之間的差異，對人群的未來狀態(tài)進(jìn)行估計，模擬測試結(jié)果表明，本文模型得到了比較滿意的體育館人群疏散仿真效果，為體育場館人群疏散提供了一種新的研究思想，同時對一些大型建筑物的人群疏散具有一定的指導(dǎo)意義。

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