论文总字数：31687字

摘 要

人员密集场所的人群疏散方法是关系到国家公共安全的重要研究课题。虚拟人群疏散仿真就是利用虚拟现实技术来模拟突发事件中人群的逃离路径选择以及行为模型，优化人群疏导预案，最大限度地减少人员的伤亡。本文主要研究了一种基于势能场元胞自动机模型的虚拟人群疏散仿真系统，对不同场景和不同类型人群的疏散行为、路径和时间进行了对比研究，课题具有一定的理论意义和实用价值。

本课题的主要研究内容包括：

（1）分析了影响行人行为的各种因素与在紧急状态下人群的行为特征，研究了基于势能场的元胞自动机模型的算法。

（2）利用元胞自动机模型进行空间离散化与时空网络变换，创建了基于不同行为特征的虚拟人群。利用势能场进行路径规划和拥堵预测，实现局部避碰，从而实现了人群疏散行为的仿真。

（3）开发了相应的仿真软件，针对不同的场景，根据疏散人群的行为特征创建不同的虚拟人群，并设置了各类人群的原始人数和初始位置。对仿真结果进行分析处理，研究了不同环境及其他因素对人群疏散效果的影响。

关键词：人群疏散，元胞自动机，势能场，仿真系统

Abstract

The evacuation method in crowded places is an important research topic for national public safety. Virtual evacuation simulation is to use virtual reality technology to simulate the route selection and behavior of people in emergencies, optimize the crowd grooming plan, and minimize the casualties. In this paper, a virtual population evacuation simulation system based on the floor field cellular automata model is studied, and the different evacuation behaviors under different situations are compared. This research has certain theoretical and practical value.

The main contents of this research include:

(1) Analyze the factors that affect pedestrian behavior and the behavioral characteristics under emergencies. Study the algorithm of cellular automata model based on floor field.

(2) Use the cellular automata model to dicretize the space, create the virtual crowd based on different behavior characteristics. Use the floor field for route planning and congestion prediction.

(3) Develop the simulation software. Create different virtual crowds according to different behavior features and different situations. The simulation results for the effects of different situations and other factors on the evacuation effect are analyzed.

KEY WORDS: Evacuation Simulation, Cellular Automaton Model, Floor Field, Simulation System

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 研究现状 1

1.2.1 宏观研究 1

1.2.2 微观研究 2

1.3 论文主要研究内容 3

1.4 论文结构安排 4

第二章 人群的行为特征和疏散模型研究 5

2.1 人群的行为特征 5

2.1.1 人群的疏散能力 5

2.1.2 人群的分类 5

2.2 人群运动规律与疏散模型的关系 6

2.2.1 密集场所人群的移动规律 6

2.2.2 人群疏散模型 6

2.3 人群疏散模型的理论基础 7

2.3.1 元胞自动机模型 7

2.3.2 势能场元胞自动机模型 9

第三章 虚拟人群疏散模型的建立 12

3.1 人群疏散仿真系统的整体方案和仿真流程 12

3.2 虚拟场景的时空网格化 13

3.3 虚拟人群建模 14

3.4 基于FFCA的人群疏散仿真模型 14

3.4.1 路径规划 14

3.4.2 规避拥堵 16

3.4.3 基于FFCA的人群疏散模型 17

第四章 虚拟人群疏散仿真的实现 20

4.1 虚拟人群疏散仿真软件的开发环境 20

4.2 虚拟人群疏散仿真软件的功能模块 20

4.3 虚拟人群疏散仿真软件的操作界面 21

4.4 软件仿真结果分析 23

4.4.1 不同场景下的仿真结果 23

4.4.2 不同因素对人群疏散效果的影响 26

第五章 总结与展望 34

5.1 研究总结 34

5.2 研究展望 34

致谢 35

参考文献 36

绪论

研究背景与意义

近年来，随着社会城市化水平的快速发展，我国人口数量不断增加。截至2016年，我国总人口数已超过14亿。城市的人口密集区域越来越多，因而城市公共安全的研究更是显得尤为重要。城市内人群聚集的公共场所，如火车站，地铁站，机场和商场等，人数经常超过其建筑物所允许的人数极限，风险类型多、风险隐患大。特别是当火灾、地震、爆炸等突发事件发生时，在恐慌的情况下极其容易导致踩踏事故，造成巨大的人员伤亡和财产损失。众多悲剧给人们敲响了警钟，让人们意识到了公共场所安全问题研究的迫切性。因此为了提高人口密度较大的公共场所的安全性，人们开始关注危急状况下人群的高效疏散。采取积极主动的疏散措施，可以避免造成人员的大量伤亡和财产损失以及政治局面的不稳定。对疏散问题进行研究可以协助相关立法机构制定合理的公安管理条例与应急机制。人群疏散研究常用的方法主要有动物实验、疏散演习、灾后访问与计算机仿真等^[1]。

在这些方法中，疏散演习需要大量人员参与，也需要较高的预算，比较费时费力，除此之外，演习中对所有个体情况的捕捉与把握也十分困难。而且由于人类行为具有随机性，演习需要重复多次以得到具有一般性的结果，因此现在较少使用这种方式来研究疏散的规律。目前，随着科技水平的不断提高与计算机的广泛应用，学者们开始使用计算机软件编程来仿真人群疏散过程中的规律以及特征，此后使用软件来仿真已成为已成为了主流。在用软件模拟人群疏散时，可以更为方便有效地研究影响疏散效果的各种因素以及行人的行动规律。

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