基于PHOENICS的開放式商業(yè)仿真模擬系統(tǒng)設計

萬 婷，殷 晴

（東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱150000）

0 引 言

大型城市商業(yè)區(qū)普通高峰日的瀏覽客流高達數(shù)十萬人次[1]，商業(yè)區(qū)內(nèi)包含大量不同類型、功能的設施與布局[2]，構(gòu)成了復雜的結(jié)構(gòu)形式，同時復雜的人流活動對于商業(yè)區(qū)的有效運用提出更高的要求[3]。為保障商業(yè)區(qū)的有效運行，提升商業(yè)區(qū)經(jīng)濟效益，對商業(yè)區(qū)復雜的人流活動進行仿真模擬，以了解當前商業(yè)區(qū)商業(yè)結(jié)構(gòu)規(guī)劃下存在的問題[4]，依照所發(fā)現(xiàn)問題進行相應的優(yōu)化十分重要?；诖耍O計基于PHOENICS的開放式商業(yè)仿真模擬系統(tǒng)，在商業(yè)區(qū)三維模型基礎上利用PHOENICS軟件分析商業(yè)區(qū)人流量，實現(xiàn)商業(yè)區(qū)商業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升商業(yè)區(qū)經(jīng)濟效益。

1 基于PHOENICS的開放式商業(yè)仿真模擬系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設計

開放式商業(yè)仿真模擬系統(tǒng)主體選取以能量級為主體的仿真模擬形式[5]，仿真模擬過程中，需先對商業(yè)區(qū)地形數(shù)據(jù)庫與材質(zhì)數(shù)據(jù)庫實施預處理，也就是依照仿真模擬商業(yè)區(qū)三維地形數(shù)據(jù)構(gòu)建商業(yè)區(qū)環(huán)境，對不同紋理的地貌進行紋理映射[6]，利用地形數(shù)據(jù)處理軟件包對商業(yè)區(qū)地形數(shù)據(jù)進行處理，構(gòu)建地形地質(zhì)體散射特性模型與目標特性模型，并以此作為PHOENICS商業(yè)軟件包的輸入數(shù)據(jù)。以商業(yè)區(qū)人流為研究對象，在商業(yè)區(qū)環(huán)境中，依照商業(yè)區(qū)的人流信息仿真商業(yè)區(qū)商業(yè)情況[7]，生成并輸出對應的數(shù)據(jù)、圖像，由此完成商業(yè)區(qū)環(huán)境仿真與模擬?；赑HOENICS的開放式商業(yè)仿真模擬系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 開放式商業(yè)仿真模擬系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

基于PHOENICS的開放式商業(yè)仿真模擬系統(tǒng)中分別采用Creator軟件和TMM軟件作為商業(yè)區(qū)三維地形建模工具與地形紋理映射工具。預處理模塊中利用TMM軟件、材質(zhì)數(shù)據(jù)庫以及地形數(shù)據(jù)庫構(gòu)建商業(yè)區(qū)地形紋理配置文件[8]，由此設定商業(yè)區(qū)不同區(qū)域基本單元的地物散射特性數(shù)據(jù)；商業(yè)區(qū)地形紋理配置文件內(nèi)含有商業(yè)區(qū)地形紋理、散射截面積以及商業(yè)區(qū)地形紋理區(qū)域尺寸等。行人仿真模塊提供商業(yè)區(qū)行人狀態(tài)等參數(shù)信息。通過控制面板的功能實現(xiàn)商業(yè)區(qū)人流量等的選擇與控制。

1.2 商業(yè)區(qū)三維地形建模

預處理模塊中，商業(yè)區(qū)三維地形建模過程如圖2所示。使用Creator軟件進行商業(yè)區(qū)三維建模流程的具體過程為：確定模型位置、生成模型紋理、準備模型數(shù)據(jù)、導入模型數(shù)據(jù)、構(gòu)建三維模型等。

將商業(yè)區(qū).dwg格式的AutoCAD劃分為數(shù)個較小區(qū)域并導入Creator軟件內(nèi)，此過程中需保障AutoCAD底圖大小同顯示距離一致[9]，以此確定所構(gòu)建商業(yè)區(qū)域模型位置。

利用PS軟件將商業(yè)區(qū)建筑區(qū)數(shù)字圖像制作成三維模型，構(gòu)建所需紋理，為保障紋理在實時渲染與漫游過程中不會出現(xiàn)改變與丟失問題，將紋理格式轉(zhuǎn)換為.rgb或.bmp格式[10]，同時設定滿足要求的圖片像素。

圖2 商業(yè)區(qū)三維模型構(gòu)建

基于上述數(shù)據(jù)與紋理準備，通過Creator軟件實施商業(yè)區(qū)三維地形建模，將所建模型存儲為.flt格式。導入模型數(shù)據(jù)過程中需要注意對數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)與模型實施簡化處理。選取二次開發(fā)軟件實施編程，構(gòu)建商業(yè)區(qū)虛擬三維場景，滿足仿真需求。

1.3 行人仿真

在商業(yè)區(qū)三維地形模型基礎上，行人仿真模塊采用泊松分布模型生成商業(yè)區(qū)行人。商業(yè)區(qū)行人仿真模擬主要包括兩個方面[11]：行人生成與行人移動。

選取泊松分布模型實現(xiàn)商業(yè)區(qū)行人生成，基于控制面板輸入的商業(yè)區(qū)行人流量數(shù)據(jù)，依照泊松分布概率實現(xiàn)商業(yè)區(qū)行人隨機生成：

式中：E(a)表示計算時間間隔t內(nèi)行人數(shù)量達到a人的概率；δ為單位時間內(nèi)達到的行人數(shù)量；ae表示時間為e時的行人數(shù)量。

采用格子氣模型仿真行人移動，該模型將行人視為具有隨機移動特性的氣體粒子，當行人具備清晰運動路徑時，可對行人的每一步運動賦予四種不同屬性[12]：向前、向左、向右、停止，行人依照移動過程中可能出現(xiàn)的感興趣的商業(yè)活動選擇運動屬性，不同運動屬性均具有對應的概率。

商業(yè)區(qū)行人生成過程中采用同步更新標準[13]，行人生成、更新流程如圖3所示。

商業(yè)區(qū)行人生成更新流程如下：

1）初始化。

2）通過行人波動實現(xiàn)模型生成行人，設定行走時間，獲取行人位置與速度等信息并對信息實施存儲。

3）通過存儲的行為位置與速度等信息，判斷行人位置是否到達對面邊界[14]，當行人位置到達對面邊界值，清空該行人，存儲其行走時間；相反，則依照行人位置沖突與速度情況，使行人繼續(xù)移動。

4）更新全部行人的位置與速度等信息，并存儲信息。

5）通過行人波動實現(xiàn)模型生成行人，設定行走時間，確定新行人的位置與速度信息并存儲信息。

6）模擬方式時間+1。

7）判斷是否滿足模擬仿真時間標準，當滿足標準后，停止更新，輸出仿真數(shù)據(jù)；相反則返回步驟3），繼續(xù)模擬仿真過程。

圖3 商業(yè)區(qū)行人生成、更新流程

1.4 PHOENICS軟件仿真建模

將商業(yè)區(qū)三維地形模型與行人仿真結(jié)果導入PHOENICS軟件內(nèi)，利用PHOENICS軟件進行商業(yè)仿真模擬，具體過程如下：

1）打開PHOENICS軟件，點擊開始菜單，點擊程序，點擊PHOENICS下“PHOENICS-VR”選項。

2）于工具箱內(nèi)，點擊Menu下“Geometry”選項，coordinate system，點擊“cylindrical-polar”選項，設定domain size坐標值：（x，y，z）=（6.17，1，0.001）。

3）點擊工具箱，點擊“obj”選項，設定坐標值：（x，y，z）=（6.172，0.020，0.001）；點擊geometry，點擊“poldef”選項；在shapes文件內(nèi)確定polcu7；點擊typs，點擊“solid”選項；點擊copper at 27 deg c，于ennergy source內(nèi)點擊“fixed neat flux”選項，其value在initial temperature內(nèi)可表示為商業(yè)區(qū)初始人流量。

4）選取計算模型：點擊工具箱menu，點擊“model”選項，設定solution for velcoities and pressure為on，于energy quuation內(nèi)點擊temperature。

5）設 定 初 始 環(huán) 境：點 擊 工 具 箱menu，點 擊“initialisation”選項，設置initial value for each variable內(nèi) 的P1值、U1值、V1值和TEM1值 分別 為100 214，0，0，20。

6）設置邊界條件[15]。

7）劃分網(wǎng)格：點擊工具箱menu，點擊Geometry，確定“number of bells”選項，確定劃分網(wǎng)格數(shù)量；在PHOENICS軟件相應界面內(nèi)確定網(wǎng)格圖標，在圓中隨機確定一點均能夠完成細化網(wǎng)格目的。

8）確定松弛因子和計算過程：點擊工具箱menu，點擊numeries，進入“total numbers of iterations”內(nèi)，輸入計算過程所需步驟；進入“relaxatons control”確定不同項目內(nèi)容的松弛因子。

9）運行與調(diào)試：點擊開始菜單，點擊run，選取earth；優(yōu)化松弛因子值，確保誤差降至0.01，確保商業(yè)區(qū)空間內(nèi)不同點值在正常值范圍內(nèi)。

10）監(jiān)測模擬仿真結(jié)果：點擊run內(nèi)“vr viewer”選項，修正P.V.E.呈現(xiàn)商業(yè)區(qū)空間內(nèi)各點人流量的分布情況。

基于上述10個具體步驟，能夠獲取商業(yè)區(qū)不同區(qū)域人流量情況，并經(jīng)過變化商業(yè)區(qū)劃分網(wǎng)格數(shù)量，初始人流數(shù)量等方式完成商業(yè)模擬仿真。

2 性能測試

實驗為驗證本文所設計基于PHOENICS的開放式商業(yè)仿真模擬系統(tǒng)對于商業(yè)仿真模擬的性能，選取某市南區(qū)商業(yè)區(qū)為研究對象，采用本文系統(tǒng)對其實施商業(yè)仿真模擬。

2.1 研究對象概況

該研究對象位于所在城市南區(qū)的核心區(qū)塊，總建筑面積和容積率分別為401 100 m2和0.7，建筑密度與綠化率分別為19%和40%，規(guī)劃整體自南向西延伸，整體分為4個區(qū)域、3個停車場、5個出入口，分別為：A區(qū)（電器與貴重物品區(qū)域）、B區(qū)（服裝、鞋、帽、針織品區(qū)域）、C區(qū)（百貨區(qū)域）、D區(qū)（快餐與食品區(qū)域），1號停車場、2號停車場、3號停車場，a入口、b入口、c入口、d入口、e入口。不同區(qū)域之間由綠化、水體、天橋、景觀組等連接，不同區(qū)域之間既有效區(qū)分，又相互關聯(lián)。

研究對象概況整體區(qū)域如圖4所示。

圖4 研究對象概況

表1 空間標定實驗結(jié)果

2.2 測試結(jié)果

2.2.1 商業(yè)仿真結(jié)果

針對研究對象，采用本文系統(tǒng)對其進行商業(yè)虛擬仿真，結(jié)果如圖5所示。

圖5 商業(yè)虛擬仿真結(jié)果

由圖5可知，采用本文系統(tǒng)對研究對象進行仿真，研究對象A區(qū)（電器與貴重物品區(qū)域）人流量最少，在2 000～5 500人之間；D區(qū)（快餐與食品區(qū)域）人流量最高，在5 000～10 000人之間。各區(qū)人流量排序為D區(qū)＞C區(qū)＞B區(qū)＞A區(qū)，符合商業(yè)區(qū)實際人流量狀態(tài)。

2.2.2 仿真精度

為測試本文系統(tǒng)仿真精度，采用本文系統(tǒng)對研究對象4個不同區(qū)域中各2個位置進行仿真測試，結(jié)果如表1所示。

由表1中不同位置的x坐標與y坐標數(shù)據(jù)可知，本文系統(tǒng)對研究區(qū)三維坐標的標定與實際坐標基本一致，由此可表明本文系統(tǒng)具有較高的仿真精度。

2.2.3 商業(yè)效益變化趨勢

為驗證本文系統(tǒng)的應用性能，對比采用本文方法前后，研究對象整體經(jīng)濟效益變化趨勢，結(jié)果如圖6所示。

圖6 研究對象經(jīng)濟效益變化趨勢

由圖6可知，研究對象采用本文系統(tǒng)1年后，各月經(jīng)濟效益均呈現(xiàn)不同比例的上升趨勢，且在經(jīng)濟效益較高的月份，經(jīng)濟效益提升幅度也較高，提升幅度最高達到40%以上，由此說明利用本文系統(tǒng)對研究對象人流量進行仿真模擬能夠顯著提升研究對象經(jīng)濟效益。

2.2.4 系統(tǒng)穩(wěn)定性能

為測試本文系統(tǒng)在仿真應用過程中的穩(wěn)定性，以本文系統(tǒng)在不同仿真數(shù)據(jù)量下的平均中斷概率實施描述，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，隨著仿真數(shù)據(jù)量的提升，本文系統(tǒng)的平均中斷概率呈現(xiàn)逐步上升狀態(tài)，當數(shù)據(jù)量小于20 TB時，本文系統(tǒng)的平均中斷概率低于0.010%；當數(shù)據(jù)量高于20 TB，本文系統(tǒng)的平均中斷概率顯著提升；當數(shù)據(jù)量達到30 TB時，本文系統(tǒng)的平均中斷概率達到0.020%，滿足系統(tǒng)應用標準。

圖7 不同仿真數(shù)據(jù)量下的平均中斷概率

3 結(jié) 論

本文設計基于PHOENICS的開放式商業(yè)仿真模擬系統(tǒng)，利用PHOENICS軟件仿真商業(yè)區(qū)人流量，分析商業(yè)區(qū)人流量。仿真測試結(jié)果顯示，本文系統(tǒng)能夠有效仿真商業(yè)區(qū)人流量，且利用本文系統(tǒng)分析商業(yè)區(qū)人流量，能夠顯著提升商業(yè)區(qū)經(jīng)濟效益。