1、多層復(fù)雜建筑內(nèi)人群疏散過程模擬,李文航 龔建華 申申 于淼 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,VGE主要成就與不足,匯報(bào)提綱,人群疏散模擬與問題,多層建筑內(nèi)疏散過程建模,未來的研究,2,虛擬地理環(huán)境自提出以來已經(jīng)取得了豐碩的成果,虛擬地理環(huán)境的成果,3,虛擬地理環(huán)境的成果,虛擬地理環(huán)境方向的資助情況 （項(xiàng)目主題詞：虛擬地理環(huán)境；不完全統(tǒng)計(jì)） ,4,典型的虛擬地理環(huán)境系統(tǒng),中科院遙感所,南師大,裝甲兵工程學(xué)院,福州大學(xué),5,典型的虛擬地理環(huán)境系統(tǒng),SuperNatural,中國美術(shù)學(xué)院,北京壹碼視界,精石科技,6,問題與不足,很美觀很逼真 但似乎少些什么 以環(huán)境的虛擬和表達(dá)為主 系統(tǒng)是“空”的：是

2、空城 地理環(huán)境地理問題 地理問題的研究核心 人地關(guān)系：比較公認(rèn) “人”與“地”：對立統(tǒng)一，相互作用 VGE的研究 缺少對“人”的重視 對“人”的研究 面向人的GIS 面向人的VGE？,7,人群系統(tǒng)：復(fù)雜巨系統(tǒng),錢學(xué)森系統(tǒng)觀,人體科學(xué),人群系統(tǒng),=,人群系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜巨系統(tǒng),+,+,行為科學(xué),思維科學(xué),8,人群系統(tǒng)：復(fù)雜巨系統(tǒng),建模思路 群體整體比較復(fù)雜，從相對簡單的個(gè)體出發(fā)，通過對個(gè)體的建模，構(gòu)建一群個(gè)體，然后自下而上實(shí)施虛擬實(shí)驗(yàn)，模擬和研究群體行為 人群行為 日常行為 應(yīng)急行為 更能體現(xiàn)出價(jià)值的，是應(yīng)急行為的建模，應(yīng)急疏散是其中的典型行為 學(xué)校（小學(xué)）應(yīng)急疏散又是大眾關(guān)注重點(diǎn),9,人群疏散現(xiàn)

3、實(shí)模擬,現(xiàn)實(shí)模擬（平湖實(shí)驗(yàn)小學(xué)疏散演習(xí)） 問題 費(fèi)時(shí)，需要較長時(shí)間準(zhǔn)備（停課、人力物力、腳本等）； 無法獲得任意時(shí)刻任意學(xué)生的狀態(tài)； 無法建立學(xué)生-班級(jí)-學(xué)校的統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián),10,人群應(yīng)急疏散虛擬模擬,已有相關(guān)模型 元胞自動(dòng)機(jī)模型 連續(xù)流體模型 格子氣模型 社會(huì)力模型 ,11,人群應(yīng)急疏散虛擬模擬,CA model (Zhijian Fu et al. 2013),室外疏散 (Orazio et al. 2014),室內(nèi)疏散 (Lin Li, et al. 2014),Netlogo (Milla, et al. 2014),應(yīng)用,問題：以二維場景為主， 多層建筑建模少涉及,12,多層建筑環(huán)境下疏

4、散建模,13,社會(huì)力模型,基礎(chǔ)模型 Social Force Model(Helbing et al., 2000)是從微觀個(gè)體出發(fā)，通過抽象行人個(gè)體在疏散過程中的各種受力（包括目標(biāo)吸引力、行人作用力、障礙物作用力等），驅(qū)動(dòng)個(gè)體完成疏散的行為；,社會(huì)力模型的抽象過程,14,社會(huì)力模型,基礎(chǔ)模型 目標(biāo)吸引力 行人作用力 障礙物作用力,15,多層投影場模型,多層投影場模型,社會(huì)力模型是二維的，因此，我們對三維場景采取先降維后升維的思路，提出投影場模型； 點(diǎn)、線、區(qū)域分別投影到場中 所有社會(huì)力模型相關(guān)要素（行人、障礙物、目標(biāo)）投影到基準(zhǔn)平面，以建立空間鄰接關(guān)系；,(X,Y,Z),(i, j),16,

5、投影場構(gòu)建,多層投影場模型,場元,場元,人地時(shí)空關(guān)系場,行人,環(huán)境,障礙物,目標(biāo),時(shí)間,17,多層投影場模型,基于投影場確定社會(huì)力模型各鄰居要素,Neighbors=Set(x,y,z,r,t),基于場確定社會(huì)力要素,任一時(shí)刻(t)，依行人所在位置(x,y,z)、視角()及視域(r)確定社會(huì)力模型所需要素： 行人、障礙物、目標(biāo),18,多層投影場模型,尺度上：單個(gè)場元是局部區(qū)域人地關(guān)系的集成，所有場元組成的場則是全局的人地關(guān)系； 投影場是時(shí)空關(guān)系場：存儲(chǔ)的是相對空間位置，而不是絕對位置；通過相對空間關(guān)系首先找到社會(huì)力計(jì)算所需的各種鄰居要素，然后再由各要素的絕對位置進(jìn)行計(jì)算； 不是元胞自動(dòng)機(jī)：元胞

6、自動(dòng)機(jī)模型通常要求一個(gè)元胞中只有一個(gè)對象，而一個(gè)場元中則可能存在多層、多個(gè)要素對象；,19,多層投影場模型,快速索引：基于投影場可以實(shí)現(xiàn)鄰居、障礙物、目標(biāo)的快速索引和定位，可以解決因距離較遠(yuǎn)不發(fā)生關(guān)系但仍需要計(jì)算和判斷距離的問題,20,樓梯單元模型,三段樓梯模型,典型的下樓疏散場景,樓梯模型,21,承載下樓行為的樓梯，針對學(xué)校的特點(diǎn)，把尺度提升，提出三段樓梯單元模型,樓梯層次模型,三段樓梯模型,Up,Middle,Down,(依上樓方向分),22,樓梯通道由基本單元組成,樓梯層次模型,區(qū)域劃分（行人所處區(qū)域劃分） 語義上連通兩個(gè)樓層 三段樓梯單元內(nèi)部才是樓梯，其余部分均為樓層,樓層區(qū)域（3樓）

7、,樓層區(qū)域（2樓）,位置：,3樓,樓梯,2樓,23,樓梯層次模型,投影場映射模型,a) 映射過程（降維）,b) 逆映射過程（升維）,24,模擬流程,地,人,多層建筑,學(xué)生和教師,投影場,室內(nèi)外多層路徑搜索算法,社會(huì)力模型,室內(nèi)外一體化疏散模擬,25,應(yīng)用（二維場景）,投影場的二維可視化（降維的場景）,26,三層教學(xué)樓,道路,目標(biāo),原型系統(tǒng),樓梯,應(yīng)用（二維場景）,投影場的二維可視化（降維的場景）,27,應(yīng)用（三維場景）,投影場升維可視化,28,投影場升維可視化,29,應(yīng)用（三維場景）,應(yīng)用（三維場景）,30,投影場升維可視化,結(jié)果與分析,疏散時(shí)間-學(xué)生速度,（1）疏散時(shí)間隨學(xué)生速度增加而降低；

8、 （2）疏散時(shí)間隨年齡增加而降低；,31,結(jié)果與分析,疏散時(shí)間-教室布局,（1）平均疏散時(shí)間與年級(jí)分布相關(guān)； （2）最優(yōu)布局：S1（三層：三年級(jí)；二層：二年級(jí)：一層：一年級(jí)）； （3）最差布局：S6（三層：一年級(jí)；二層：二年級(jí)；一層：三年級(jí)）； （4）作為整體來考慮，速度越高應(yīng)布局在較高層，速度越慢應(yīng)布局在較低層 （5）虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢；,32,進(jìn)一步的研究,社會(huì)關(guān)系的引入與建模 本文的模擬是面向個(gè)體的，但學(xué)生和學(xué)生可能認(rèn)識(shí)，形成各種社會(huì)關(guān)系； 社會(huì)關(guān)系形成各種群組，構(gòu)成“個(gè)體”-“群組”-“群體”的層次關(guān)系； 社會(huì)關(guān)系會(huì)影響疏散的行為，如結(jié)團(tuán)隊(duì)跑等；,師生群體,教師,學(xué)生,朋友,親戚,親密伙伴,一般伙伴,近親,遠(yuǎn)親,不相識(shí),33,進(jìn)一步的研究,跟隨過程 學(xué)校疏散時(shí)不是學(xué)生自己在跑，而是在教師的帶領(lǐng)下、跟隨教師在跑，需要研究跟隨過程,室內(nèi)跟隨,室外跟隨,34,進(jìn)一步的研究,踩踏過程的建模與模擬 慌亂過程中極易導(dǎo)致摔倒，尤其是在下樓梯的過程中，需要研究踩踏過程建模； 尤其是考慮社會(huì)關(guān)系的踩踏建模（會(huì)有人去扶，從而使得過程更為復(fù)雜）；,35,昆明9.26踩踏事件 （起因：海綿墊）,進(jìn)一步的研究,踩踏過程的建模與模擬,36,2000-2014，5