2010计算机仿真大赛之疏散仿真系统

第四届全国计算机仿真大奖赛

文字解答

参赛人员： 马良 刘跃如 郑永广 参赛证号：

（由组委会填写） 辅导老师： 满正行

参赛单位： 西北民族大学 题目选择

命题A

公共安全是经济发展和社会稳定的基础，请用仿真和建模研究人员疏散的过程。

摘 要

疏散在人们生活中随处可见，却直接影响着人们的安全。由于影响疏散的因素众多，疏散研究及实际应用相当困难。本队在充分探讨疏散问题的基础上，从一类建筑物内部的人员疏散的角度，采用集中的仿真策略控制和较灵活的初始条件设置方法，使用邻接矩阵的概念和ＭＦＣ的映射类CMap实现建筑物内部地图，在Microsoft Visual C++开发环境下完成仿真系统的设计与开发。最后，使用两种不同的初始条件和两类不同的仿真策略进行仿真实验，并在输出数据中得到详尽、完整的仿真结果，给领域专家提供进一步研究疏散问题的实验资料。

关键词： 疏散 计算机仿真 邻接矩阵 策略设置 初始条件

目 录

1 2 3

引言.......................................................................................................................... 1 研究现状................................................................................................................... 2 问题分析................................................................................................................... 3 3.1安全疏散最重要 .................................................................................................. 3 3.2避免拥挤是关键 .................................................................................................. 3 3.3疏散演习不安全 .................................................................................................. 4 4

仿真解决................................................................................................................... 4 4.1建筑物结构分析 .................................................................................................. 4 4.2本系统使用的建筑物结构 .................................................................................... 5 5 6

疏散地图构造与实现 ................................................................................................. 7 结构设计................................................................................................................... 8 6.1系统基础类 ......................................................................................................... 8 6.2系统状态图 ......................................................................................................... 8 7

过程设计及算法模型 ............................................................................................... 10 7.1主控流程 .......................................................................................................... 10 7.2人员选路模型 ....................................................................................................11 7.3人群速度模型 ................................................................................................... 12 7.4疏散指挥模型 ................................................................................................... 12 7.5紧急出口启用模型 ............................................................................................ 13 8

仿真实验与结果 ...................................................................................................... 14 8.1仿真实验 .......................................................................................................... 14 8.2仿真结果 .......................................................................................................... 16 9

小结........................................................................................................................ 17

参考文献........................................................................................................................ 18

1 引言

现代城市的人对疏散的概念并不陌生，在很多情况下我们都能见到人员疏散，疏散存在与我们的生活、工作、学习等各个方面。比如，电影散场之后人们走出电影院时，看完世界杯比赛后人们走出体育场时，节假日车站大量乘客等待离开时，学生下课拥堵在教学楼大门口时，都是随处可见的疏散。不同情景下的疏散有着一个共同的特征，就是大量的人员从某原先聚集的区域到达通常被称为安全区域的另外一个区域。

除了正常情况下的疏散，还有危险情况下的紧急疏散：当电影院、网吧等人员密集场所突然起火时需要尽快疏散人员，人数众多的高层建筑物发生紧急情况时需要各类人员及时撤离，地震等自然灾害发生时处于危险场所内的人员必须转移到安全区，当发生恐怖袭击时更需要紧急疏散人员。

紧急情况下的人员疏散有着与正常情况下的人员疏散最大的不同在于滞留人员直接面临着严重的危险甚至危及生命，还有开始疏散的时段不同，采取的措施不同，疏散时人员的安全性变化情况不同等特点。

在客观世界里，任何疏散都不可能完全相同，甚至不可能有些许相近。不同疏散情况要开始疏散的时间不同，有的需要一开始就进行人员疏散，如火灾发生时的疏散，滞留时间越长越危险；有的需要紧

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急情况结束之后开始人员疏散，比如地震等自然灾害，以免混乱时造成不必要的伤害。

针对不同形式的疏散，应采取不同的策略，这些策略应该考虑到待疏散的人员的年龄结构、身体状态等、疏散速度等很多因素。实际的疏散情况异常复杂，因此实际疏散难度巨大，很难找到解决不同情况下人员疏散的统一方案。

2 研究现状

疏散可能发生在任何地方，影响疏散的因素多种多样，导致疏散问题过于复杂。人们一直在研究这一问题,但该问题的解决为时尚早。

目前疏散方面较重要的研究有Von Neumann最早提出的元胞自动机模型（CA)理论，以及基于最初的CA模型演化而成的一些元胞自动机模型，如由Yang等人所提出的二维CA模型，Yu等人提出的不后退的元胞自动机模型（cellular auto matonmodel without stepback）。此外还有日本学者研究的比较多的格子气模型（lattice-gas model），以及Parisi等人通过使用Hel-bing等人提出的社会力模型（social force mode1），通过分析系统中形成的丛生结构(structure of the clusters)及引入阻塞丛生(blocking cluster)概念所提出的研究人员疏散问题的理论。

前人的这些研究方法和成果给予我们深刻的启示，是我们继续研究人员疏散问题的宝贵财富。然而，疏散问题的过于复杂导致研究工作还远远没有完成，彻底解决这一问题还非常遥远。

2

在理论上解决问题遥遥无期之际，计算机仿真技术是研究疏散问题的重要方法。

3 问题分析

3.1安全疏散最重要

疏散直接或间接影响着人类的安全。即使对于非紧急情况下的疏散，一旦发生拥挤和踩踏，后果十分惨痛。历史上有太多人员疏散过程因为拥挤和踩踏造成了严重的伤亡事故：

1863年智利的圣地亚哥大教堂发生火灾紧急疏散时，惊慌失措的人群出现拥挤和踩踏，直接造成2000多人死亡；

1990年在沙特阿拉伯麦加城一处行人隧道发生件，由于过度拥挤，有7人从路面坠落，以致秩序大乱。混乱中除许多年老体弱者被踩死，还有不少青壮年也因窒息而死，共造成1426死亡。

可见，在疏散中如何避免拥挤和混乱，对安全疏散至关重要。 3.2避免拥挤是关键

但是在建筑物中，容易发生拥挤的地方很多，如楼梯、大厅、出口都是。人员过度拥挤，楼梯的承重和护栏都可能出现意外。一旦楼梯或护栏损坏，人员伤亡在所难免。

惊慌状态下人员出现盲目行为很多，一旦拥挤倒地，极易出现踩踏死亡。因此，疏散过程中为了保证人员安全，必须避免人员拥挤、惊慌等现象，但这在疏散过程中极难实现。如何解决这些问题，是疏

3

散需要解决的首要问题。 3.3疏散演习不安全

正是由于这些困难，为了减少疏散过程中的危险性，保证疏散顺利进行，在建筑物落成之后，往往需要事先对人员疏散进行演习，以克服盲目心理，增强人员的疏散经验。但是演习的成本较高，同时某些建筑内部的复杂性很高，所处的位置的也很复杂，人员疏散演习暗含极大风险：一旦发生紧急事件，演习马上变成真实的紧急情况。如何合理有效地进行人员疏散，就成为必须要认真研究的问题。

4 仿真解决

为了规避实际疏散演习的风险，充分了解实际疏散过程中人员疏散效率的变化情况，使用计算机仿真技术研究疏散过程最为恰当。

由于疏散涉及因素众多，很难开发出完整、准确、实用、具有良好适应性的高效的仿真系统。为此，本队在竭力理解疏散问题的基础，为了在15天的时间内能够开发出较为通用的普通高层建筑内人员疏散的仿真系统，简化实际疏散情况，降低问题规模，对实际的疏散问题附加了如下前提和： 4.1建筑物结构分析

教学楼、商场、宿舍楼、酒店、公寓等各种建筑的建筑类型不同，内部结构差异巨大。为使仿真系统具有一定通用性，同时降低开发阶

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段的数据复杂度而又不失一般性，假定：

1.建筑物有三层，每一层都含有大小不等的房间、宽度变化的楼道、楼梯等设施；

2.第一层应该有至少一个大厅，及至少一个出口；

3.每层有多个房间，至少一段楼道，至少一个楼梯，不同楼梯的宽度可能不同；

4.房间大小不一定相同，房间有至少一个房门。

4.2本系统使用的建筑物结构

为便于开发仿真系统，在符合以上假设的前提下，根据《民用建筑设计通则》（GB 50352—2005）中《民用建筑的安全疏散》相关规定，选取以下建筑作为本系统研究人员疏散的场所：

1.第一层的房间数量为26个，其中小房间18个，建筑面积24m2，大房间8个，建筑面积32m2； 2.一楼总建筑面积1104 m2； 3. 一层楼道2个，楼道宽度2m；

4.一二层楼梯3个，主楼梯1个，上下总宽度6m，次楼梯2个，上下总宽度3米；

5.一层大厅1个，面积80m2；

6.出口3个，其中正门口1个，宽4m，侧边2个，宽1.5m； 7. 一层大厅相邻的正门门厅1个，面积48m2； 8.二层三层每层建筑面积各1024m2；

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9.第二层及第三层的房间数量为28个，房间规格同第一层； 10. 二层三层楼道数为2个，规格如第一层； 11. 二三层楼梯数量3个，规格同一二层楼梯； 12.该建筑物内最多容纳5000人。

各层的平面图布局如下：（缺口表示门口，红色表示窗户） 第一层布局：

图1

第二、三层布局：

图2

6

说明：紧急情况下一层及二层的窗户可以当成紧急出口，窗户的宽度为2m

5 疏散地图构造与实现

我们设计系统时，最重要的环节是设计出建筑内部的地图，设计地图的时，首先考察建筑内部不同区域的连接情况，先建立Area类的一个数组area[M]，用于保存楼层中每块单独区域的信息，然后建立一个Link类型的邻接矩阵link[M][M],对于link[i][j]中的i，j分别对应area[i]、area[j],在此，我们使用CMap类建立从下标i到area[i]的映射，我们还建立了另外一组映射：从area[i].Area_Name到下标i的映射。对于link[M][M]，若某一元素link[i][j].Type！=-1，则说明area[i]与area[j]相连通，利用上述两组映射，可将所有相连通的区域“连接”在一起，而这一系列的“连接”便形成某一区域到最终出口的路径，即我们所需的地图。表明建筑中相邻关系的图如图3所示，邻接矩阵的每一个元素代表着 Ｌｉｎｋ类的一个对象。

7

图３

6 结构设计

6.1系统基础类

采用面向对象的开发方法，疏散中主要涉及三类实体：人员，路径，出口，分别用C++类CPerson、CArea、CLink表示。这三个类及类间关联如图4所示：

图4

6.2系统状态图

待疏散人员的位置和安全性对于疏散问题至关重要。为了有效地观察和控制人员安全状况，对处于不同位置的人员的安全性，分为安

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全、拥挤、拥堵、摔倒、掉落、已离开等六种不同状态：

安全状态：疏散开始前，正常、稳定行走在非拥挤楼道或楼梯上； 拥挤：楼道、楼梯、大厅、门厅、出口等处聚集的人员数量大于该处可能容纳的最大人数的80%的状态。此时人员之间距离很小，人员移动相当困难，疏散效率大幅下降，接近拥堵状态，并极易出现人员摔倒或掉落楼梯的可能；

拥堵：楼道、楼梯、大厅、门厅、出口等处聚集的人员数量达到该处可能容纳的最大人数的状态。此时人员之间已经没有空闲空间，人员移动已不可能，即使出口处的人员也已无法离开出口，极度拥挤而堵塞，除易出现人员大规模摔倒、掉落楼梯外，还可能破坏楼梯、护栏、出口等设施，带来更严重的安全问题；

摔倒：人员在行进中由于自己或外力的原因无法保持行进而倒地的状态。在拥挤人群中，摔倒就意味着伤亡，因此本系统不考虑摔倒向其它状态的转化；

掉落：人员从楼梯、窗户、护栏等处掉落地面的状态。从拥挤的建筑物高层掉落意味着伤亡，本系统不考虑掉落向其它状态的转化；

已离开：疏散完成，人员已安全离开疏散场所。 状态转换图如图5所示。

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图5

7 过程设计及算法模型

7.1主控流程

仿真系统的主控流程如图6所示：

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图6

7.2人员选路模型

处于某一位置的人员下一时刻运动方向的选择，本系统考虑5种选路策略，在仿真控制台策略设置中选择（参看图8）： 1按固定路标运动 2向最近的出口运动 3向最空闲的出口运动 4向人少处运动 5向人多处运动

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7.3人群速度模型

1固定速度模型

在安全状态以固定的行进速度运动，在拥挤状态依拥挤程度以固定速度按比例运动，在拥堵状态不移动； 2局部速度模型

类似固定速度模型，但在不同的楼道、楼梯等位置处，速度与所处位置、楼道楼梯宽度等局部环境有关； 3社会力学模型

应用排队论相关知识和社会力学模型，人群的疏散速度vn：

vnv100maxv(0.39A0.014B0.24)(其他)1

式中A1.320.82ln(),B3.00.76

max——最大承受人员密度，根据经验，楼道上max=5人/m2,楼

梯上max=3人/m2。

7.4疏散指挥模型

1底层先出模型

位于一层的人员优先接近出口并离开。这种模型在疏散初期使更多人员离开疏散场所，但位置距出口较远的人员可能滞留；

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2高层先出模型

位于三层的人员优先接近出口并离开。在三层人员未到达出口处时，一层人员原地等候。这种模型在疏散初期效率不高，但整体人员的心理惊慌程度较低；

3随机排队模型

每个出口、楼道、大厅、楼梯、门厅等的人数严格控制在最大容纳人数的80%以内，以防系统进入拥挤状态，造成人员伤亡。但由于建筑物内部人数众多，该模型会导致疏散开始很长一段时间内某些人员无法移动，滞留原地；

4随机自由模型

每个人完全按照自己的选路结果运动，完全不考虑整体疏散效率，最容易出现拥挤、拥堵以至造成伤亡。

7.5紧急出口启用模型

1自动启用模型

当仿真系统监控到安全系数等于或低于紧急出口的安全系数、系统进入拥堵状态的概率达到制定的阈值时，自动开启紧急出口；

2手动启用模型

具有策略设置权限的仿真指挥控制人员监控到整体系统运行安全系数较低、大量人员滞留在各楼梯或出口处、进入拥堵状态的概率较大等状况时，结合各状态参数和仿真指挥的实际经验，手工通过仿真控制台的相关操作开启紧急出口。

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8 仿真实验与结果

8.1仿真实验

在以上分析、设计的基础上，使用Microsoft Visual C++开发环境，实现了如下简单的多层建筑物疏散仿真系统，并进行仿真实验 1、系统基本操作如下：

系统启动

系统退出

2、系统主界面：

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3、策略设置

选取不同的仿真策略进行人员疏散仿真，提高系统灵活性。

图８

4、初始条件设置

初始条件指建筑物内每个单元处的人员分布情况及总人数。系统有四组预定义的初始条件和一种自定义设置，自定义设置下的人数分布用下图的对话框进行输入：

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5、开始仿真

注：图中A、B、C、D、E为五个人群，初始状态为人员全在楼梯处。图中所示为仿真开始后，人群A从楼梯1向出口1运动，人群B从楼梯2向出口1运动，人群C从楼梯1向出口2运动，人群D从楼梯1向出口3运动，人群E从楼梯3向出口1运动。

8.2仿真结果

系统运行时，设置好初始条件及仿真策略后，完整的输出数据保存在result.txt中，每个人员的移动轨迹及状态变化情况存入path.txt中。以下为使用两组初始数据和两种不同策略时的四次仿真实验及结果：

1、初始状态为预定义的“房间全满，楼道全满”，紧急出口不启用和启用紧急出口两种不同策略下的仿真实验及结果：

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初始状态 房间全满楼道全满 启用紧急出口

======================================================================================= 楼层1 楼层2 楼层3 出口1出口2 出口3 紧急出口 楼层1楼梯 楼层2楼梯 待疏散人数 已疏散人数 2000 1500 1500 0 0 0 0 0 0 5000 0 038 924 954 63 57 0 150 150 3216 1784 1037 418 416 85 56 62 0 150 150 2171 2829 513 209 181 96 63 58 0 146 134 1183 3817 128 0 0 54 22 24 0 0 0 128 4872

初始状态 房间全满楼道全满 √启用紧急出口

=======================================================================================

楼层1 楼层2 楼层3 出口1 出口2 出口3 紧急出口 楼层1楼梯 楼层2楼梯 待疏散人数 已疏散人数 2000 1500 1500 0 0 0 0 0 0 5000 0 1109 3 8 79 61 60 153 150 150 3166 1834 785 418 412 88 59 156 150 150 2071 2929 316 1 142 87 58 51 134 126 140 888 3112 95 3 0 4 3 0 24 0 0 98 4902

2、初始状态为自定义设置，楼道全满，紧急出口不启用和启用紧急出口两种不同策略下的仿真实验及结果：

初始状态 自定义 启用紧急出口

======================================================================================= 楼层1 楼层2 楼层3 出口1

出口2 出口3 紧急出口 楼层1楼梯 楼层2楼梯 待疏散人数 已疏散人数

0 500 0 0 0 0 0 0 0 500 0 178 91 0 69 23 23 0 104 0 373 127 178 18 0 65 16 21 0 72 0 268 232 95 9 0 47 13 8 0 36 0 140 360 42 0 0 14 8 5 0 0 0 42 458 初始状态 自定义 √启用紧急出口

======================================================================================== 楼层1 楼层2 楼层3 出口1 出口2 出口3 紧急出口 楼层1楼梯 楼层2楼梯 待疏散人数 已疏散人数 0 500 0 0 0 0 0 0 0 500 0 167 121 0 29 13 10 43 54 0 342 127 101 18 0 35 9 11 55 44 0 163 232 35 9 0 7 3 5 24 16 0 60 360 12 0 0 4 1 0 3 0 0 12 458

9 小结

时间一天天过去，大奖赛已接近尾声，我们的Evacsimu仿真系统1.0版终于开发了出来，按时提交了答卷。我们深知在十五天的时间内要完成一个仿真系统的设计和实现，而且考虑到方方面面的功能,

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并且逐步完善。这对于项目经验并不丰富的大三学生来讲，难度巨大，极富挑战性。我们的仿真系统有很多不足，但借组委会提供参赛机会，我们组通过付出很大的心血进行开发，已经收获了大量宝贵的实践经验。

经过本次大奖赛的努力，我们对仿真科学有了较为清晰和具体的了解。大赛给我们提供一个发挥自己创新能力的平台，对我们深入了解仿真领域，学习仿真技术提供了最好的帮助。仿真科学与技术不断推动着现代科技的稳步发展，在众多领域发挥着不可替代的作用。希望以后我们有机会参与仿真科学与技术的研究与应用，在科技强国的道路上贡献我们微薄的力量。

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