[发明专利]一种火灾应急疏散模拟方法

摘要

本发明提供一种火灾应急疏散模拟方法。该方法在建立真实火灾三维场景的基础上，以为火灾场景内多个体进行实时逃生导航为目标，围绕基于向量场的全局运动规划算法展开研究，首先算法实时计算出基于向量场的安全场，然后结合基于社会力模型的局部碰撞避免算法，构建火灾场景下的人群行为模型，最后依据此模型为为场景中每个逃生个体提供火灾逃生指导。本发明建立了有理论依据且保证计算精度的火灾应急疏散模拟方法，并在多种实验条件下开展了验证性应用。该发明具有计算复杂度低以及仿真效果真实度高等特点，在实际应用中可支持上百位逃生个体的实时应急疏散模拟。

主权项

一种火灾应急疏散模拟方法，其特征在于：包括以下三个步骤：步骤(1)、利用安全场计算逃生个体的全局速度：二维向量场表示为在平面上的若干带有长度和方向的箭头，即平面空间内每一区域的数量都可以用一个矢量来表示该区域的速度、运动趋势等特性，基于向量场的原理，安全场定义为二维平面上的单位向量集，即SF：R2→S1，S1＝[0，2π]，其中R2表示二维欧式空间，S1表示用于描述向量的极坐标角度，并用其描述火灾现场内的动态情况；然后，通过将可动态更新的安全场映射为一张全局代价地图，设计了全局运动规划算法来计算处于其中的逃生个体的全局速度，即：给出安全场内每位逃生个体ak在时刻t所处的状态Sk(t)，利用安全场计算出个体在下一时刻的状态Sk(t+τ)，从而将其导航至目标点gk；步骤(2)、基于流体动力学建立的社会力模型可用于描述运动行人个体与个体之间的相互作用以及个体与边界、障碍物之间的相互影响，该模型不仅适用于日常状态下的人群局部动力学的计算，还适用于紧急状态下处于恐慌中的人群的局部动力学模拟，利用社会力模型来计算逃生个体的局部速度：以逃生个体为单位，将步骤(1)计算得出的全局速度作为该步骤的输入参数，再通过基于个体的社会力模型的引入，利用基于社会力模型的局部碰撞避免算法计算出每个个体的实时受力状况，从而计算出其对应的局部速度；步骤(3)、在计算出全局规划速度vg、局部碰撞避免速度vl以及每个逃生个体一定范围内的烟雾浓度之后，接着利用烟雾浓度‑逃生速度公式计算出个体的运动速度标量值，再通过求解个体逃生速度方程得出个体的最终逃生速度，从而建立了为火灾现场的逃生者提供导航的火灾逃生行为模型：本步骤通过构建火灾场景内火焰源粒子系统以及针对火焰粒子的烟雾浓度进行采样，根据步骤(1)中计算得到的逃生个体的全局速度与步骤(2)中计算得出的局部速度，通过火灾逃生行为模型计算得出每个逃生个体的最终逃生速度；基于安全场的全局运动规划算法包括安全场计算与逃生个体全局规划速度计算步骤：针对模拟过程的每一帧，基于安全场的路径规划算法都要事先读取上一帧的火灾场景的动态信息，然后依次执行危险等级设定、Astar寻路、自适应等级计算、扩散势能计算、危险等级更新、逃生方向计算操作来自适应的更新步骤(1)中所述的安全场，并实时描述火灾现场的动态信息；在安全场内的各个元素值完成动态更新后，算法将以场景内的逃生个体为单位，结合个体自身属性计算出每位逃生个体的全局规划速度；步骤(2)中所述的社会力模型蕴含了对驱动力、排斥力、吸引力、行人总体运动趋势的建模表示：(1)驱动力：驱动力是模型中最显著的力，它决定着行人个体以期望速度朝向目的地运动，本模型假设如果没有任何外部因素干扰当前行人个体α的运动，该个体将以速度向期望方向进行运动；由于个体实际运动过程中存在必要的减速或躲避过程，模型通过确定的“反应时间”τα来修正个体实际速度与期望速度之差，以达到逼近期望速度(2)排斥力：社会力模型中的排斥力来自于两个方面：行人个体之间的相互作用与行人个体与障碍物之间的相互作用；首先，行人个体运动的方向受其他行人个体的影响，行人个体会根据自己的期望速度与周围的人群密度来与其他个体之间保持一定的距离，即，当行人个体α在接近另一个陌生的行人个体β时通常会感觉越来越不舒适；(3)吸引力：行人个体α有时会被其他个体或物体吸引；该模型假设在处有一个体或物体对个体α产生吸引效应利用单调递增势函数来定义吸引力，并且吸引力的作用范围大于行人个体之间作用力的作用范围，从而有助于形成行人群体；(4)行人总体运动趋势影响：由于行人个体运动存在随机性与多变性，人群运动时的密度和方向是不均匀的，而不同位置的其他行人个体对当前行人影响通常是不同的；基于以上事实，该社会力模型规定对于当前行人个体α，其视域内的行人个体应该比视域外的个体对其影响大，其他行人运动趋势只作用当前个体期望方向上；因此，基于社会力模型的局部碰撞避免算法可为每位逃生个体计算出其局部速度，该速度反应了逃生个体基于自身周围信息考虑而得出的运动速度与运动方向，是逃生个体出自本能甚至是下意识的运动决策，并且，当将其应用于规模较大的人群时，表现出惊恐逃窜个体的行为特点；步骤(3)中所述的火灾逃生行为模型利用经过验证的烟雾浓度‑逃生速度公式对处于烟雾中的逃生个体运动速度进行约束；该模型使得人火交互成为可能，为火场中个体逃生的模拟提供更加真实的行为模型。