郁彤彤,王 堅(jiān),陳曉薇
(同濟(jì)大學(xué) CIMS研究中心,上海 201804)
發(fā)生突發(fā)事件時(shí),能否高效安全疏散直接關(guān)系到公眾生命財(cái)產(chǎn)安全,是對安保能力的巨大挑戰(zhàn)。因此,研究人群的安全有序疏散,建立合理安全快速的疏散模型并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬仿真,是國內(nèi)外一直以來的重要研究課題。目前人群疏散模型主要分為微觀模型[1-2]、介觀模型[3]和宏觀模型[4]。由于微觀疏散模型以個(gè)體建模為出發(fā)點(diǎn),能夠?qū)?fù)雜動(dòng)態(tài)疏散環(huán)境中個(gè)體間的微觀相互作用進(jìn)行描述,在目前研究中更為廣泛。
相比社會(huì)力、元胞自動(dòng)機(jī)等微觀模型,群智能疏散模型由于模型簡單、運(yùn)算速度快、且能夠較真實(shí)的模擬行人運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn),為越來越多學(xué)者關(guān)注。Aymaz等[5]針對火災(zāi)疏散場景,采用PSO算法對疏散路徑進(jìn)行了優(yōu)化;王超等[6]基于靜態(tài)地面場模型和粒子群優(yōu)化模型,構(gòu)建了地面場PSO(FF-PSO)人群疏散模型,可用于高密度人群的擁擠管理和快速疏散問題;Yamamoto等[7]使用蟻群算法對東京市中心的疏散路線安全性進(jìn)行了量化評估;Yan等[8]構(gòu)建了一種基于ACO算法的實(shí)時(shí)消防疏散系統(tǒng)(RFES-ACO),公眾可以使用移動(dòng)Web3D設(shè)備順暢地實(shí)時(shí)體驗(yàn)火災(zāi)疏散演練。
然而這些模型大多只考慮了粒子群算法、蟻群算法等單一的經(jīng)典算法,不足以描述復(fù)雜的群體疏散行為,且應(yīng)用新型群智能算法進(jìn)行人群疏散建模的研究較少。由于生物群體動(dòng)力學(xué)與人群疏散動(dòng)力學(xué)具有一定的相似性[9],許多新型群智能算法十分適合描述疏散中的不同場景。如,螢火蟲算法適合描述疏散中的從眾心理與行為;人工魚群算法適合描述團(tuán)體逃生、小群體聚集行為;人工蜂群算法適合描述引導(dǎo)行為;蝙蝠算法適合描述親情行為、對出口有感知力的人群(如引導(dǎo)者)行為等。因此,本文在構(gòu)建人群疏散模型時(shí),將人群分類,并嘗試綜合使用多種群智能算法對各類人群進(jìn)行建模,以使模型更加符合實(shí)際。
除此以外,疏散過程中的恐慌情緒會(huì)導(dǎo)致一系列混亂無序的非適應(yīng)性行為,增加踩踏等事故發(fā)生的可能,同時(shí)人群也會(huì)自發(fā)產(chǎn)生小群體聚集等自組織行為,對疏散起到積極的作用。因此,疏散人群的混亂與有序程度會(huì)對人群疏散的效率、安全性等產(chǎn)生重要影響,然而現(xiàn)有模型較少考慮這一因素,也較少將定量表征混亂程度的疏散熵[10]用于構(gòu)建人群疏散模型。因此本文在人群疏散模型中引入描述人群混亂程度的疏散熵模型,使模型更加貼合實(shí)際,更具實(shí)際指導(dǎo)意義。
蝙蝠算法是一種高效的生物啟發(fā)式優(yōu)化算法,其模擬了蝙蝠利用回聲定位來捕食獵物的行為[11]。主要包括位置更新、局部搜索和脈沖頻率與響度更新3個(gè)步驟。
1.1.1 位置更新
蝙蝠算法通過調(diào)整頻率、追尋全局最優(yōu)蝙蝠來控制速度與位置的更新,公式如下:
fi=fmin+(fmax-fmin)β
(1)
(2)
(3)
式中:fi為蝙蝠i的脈沖頻率;fmin、fmax分別為頻率最小、最大值,且為常數(shù);β為值在[0,1]之間的隨機(jī)函數(shù);xi為蝙蝠i的位置;vi為蝙蝠i的速度;x*為整個(gè)空間具有最佳適應(yīng)度的蝙蝠所在的位置。
1.1.2 局部搜索
若脈沖發(fā)射率較低,則在全局最優(yōu)蝙蝠附近進(jìn)行隨機(jī)搜索,公式為
(4)
式中∈為值在[-1,1]之間的隨機(jī)數(shù),At為t時(shí)刻所有蝙蝠的響度平均值。
1.1.3 脈沖頻率與響度更新
蝙蝠在尋找獵物初期,脈沖發(fā)射率低、響度高,便于廣泛尋找。當(dāng)感知到獵物后會(huì)提高脈沖發(fā)射率,降低響度,由廣泛搜索慢慢轉(zhuǎn)向向著目標(biāo)前進(jìn)。故隨著向最優(yōu)解的靠近,脈沖發(fā)射率與響度按如下公式更新:
(5)
(6)
疏散熵由魏心泉等[10]在2015年提出,用于定量刻畫人群運(yùn)動(dòng)的混亂與有序程度。首先將疏散空間離散化成均勻網(wǎng)格,將每個(gè)離散網(wǎng)格里人群的速度方向和大小分別離散化成等間距的8個(gè)區(qū)間,得到群體速度方向和大小的離散化如圖1所示,其中Vmax為疏散個(gè)體前進(jìn)的最大速度。
圖1 速度方向與大小的離散化
然后通過統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)間上的疏散個(gè)體總數(shù)計(jì)算疏散熵值。每個(gè)離散網(wǎng)格內(nèi)群體運(yùn)動(dòng)速度方向熵值En1、速度大小熵值En2和總疏散熵值En計(jì)算公式為:
(7)
(8)
En=α1En1+α2En2
(9)
式中:N為每個(gè)離散化網(wǎng)格中個(gè)體的總數(shù),ni為第i個(gè)速度方向區(qū)間上個(gè)體的總數(shù),mj為第j個(gè)速度大小區(qū)間上個(gè)體的總數(shù),αi為權(quán)重系數(shù),一般設(shè)定α1=α2=0.5。
最后根據(jù)疏散熵的大小,將每一個(gè)離散網(wǎng)格的疏散熵值映射到疏散場景中,即可得到整個(gè)場景的疏散熵圖,整個(gè)求解過程如圖2所示。
圖2 整個(gè)空間疏散熵圖的求解過程
目前疏散模型大多將人群視為無差別的個(gè)體,但實(shí)際上人群疏散是一個(gè)由不同行人組成的復(fù)雜系統(tǒng)。通過對真實(shí)疏散視頻中的行人行為進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),人群疏散過程中會(huì)形成自組織群組,普遍存在群組引導(dǎo)者、群組成員和離散人員3類人群[12-13]。因此為了使疏散過程更加符合實(shí)際,本文在構(gòu)建疏散模型時(shí)將人群分為群組引導(dǎo)者、群組成員和離散人員。
本文采用DBSCAN(density-based spatial clustering of applications with noise)算法達(dá)到群組劃分目的。具體步驟如下:隨機(jī)選擇一個(gè)沒有被訪問過的個(gè)體,將所有在距離ε內(nèi)的個(gè)體都視為鄰居點(diǎn)。若鄰居點(diǎn)不大于minpoints,則該個(gè)體標(biāo)記為離散人員,否則將該點(diǎn)及鄰居點(diǎn),以及鄰居點(diǎn)的鄰居點(diǎn),即所有在ε臨域內(nèi)的個(gè)體聚集為一個(gè)新群組。不斷重復(fù)該過程,直到所有個(gè)體都被訪問,即每個(gè)個(gè)體都被標(biāo)記為屬于一個(gè)群組或?yàn)殡x散人員。
在每個(gè)群體內(nèi)部群組引導(dǎo)者一般始終在群組的前方引導(dǎo)其他人,因此基于人工蜂群算法,將適應(yīng)度高的前百分比例per疏散個(gè)體確定為群組引導(dǎo)者、剩下的為群組成員。到目前為止,疏散環(huán)境中的人群被分為了群組引導(dǎo)者、群組成員和離散人員。
2.2.1 群組引導(dǎo)者位置與速度更新
群組引導(dǎo)者是指對疏散環(huán)境較為熟悉,對出口有較強(qiáng)感知,能夠快速向出口疏散的人員。蝙蝠算法模擬了蝙蝠通過回聲定位感知并捕食獵物的能力,十分適合模擬對出口感知力較強(qiáng)的引導(dǎo)者行為。因此群組引導(dǎo)者的位置更新機(jī)制基于蝙蝠算法,包含位置更新、局部搜索、脈沖發(fā)射率與響度更新3個(gè)步驟,并針對蝙蝠算法中不適用于人群疏散建模的部分進(jìn)行改進(jìn),使模型更加合理。
1)位置更新。由于人每一步的前進(jìn)距離是有限的,故將疏散個(gè)體的速度分為速度大小Si和速度方向Di=[Dix,Diy]T兩部分,位置更新公式如下:
(10)
(11)
(12)
(13)
式中s-Di為個(gè)體i的搜索方向。
3)脈沖發(fā)射率與響度更新。脈沖發(fā)射率與響度的更新公式同式(5)、(6),表示疏散個(gè)體正向著出口堅(jiān)定快速的前進(jìn)。
2.2.2 群組成員位置與速度更新
群組成員對出口感知力弱,易受周圍人影響,在疏散過程中傾向跟隨他人一起疏散。人工蜂群算法基于蜂群采蜜行為,核心是分工與合作,觀察蜂受引領(lǐng)蜂指引得到蜜源信息進(jìn)行采蜜[14],與人群疏散中群組成員跟隨群組引導(dǎo)者疏散類似,因此群組成員基于人工蜂群算法進(jìn)行位置更新。
群組成員基于輪盤賭算法選擇引導(dǎo)者進(jìn)行跟隨,引導(dǎo)者適應(yīng)度越高被選擇的概率越大,選擇概率公式為
(14)
式中:pc,i為群體c中群組引導(dǎo)者i被選擇的概率,fitc,i為群體c中群組引導(dǎo)者i的適應(yīng)度,n為群體c中群組引導(dǎo)者的數(shù)量。
進(jìn)而,群組成員跟隨選擇的群組引導(dǎo)者進(jìn)行位置更新,公式為:
(15)
(16)
2.2.3 離散人員位置與速度更新
離散人員對出口感知力弱于群組引導(dǎo)者,不能馬上定位出出口位置,且距離群組有一定距離,需要依靠自身搜索出口進(jìn)行疏散。故基于粒子群算法進(jìn)行速度與位置更新[15],公式如下:
(17)
(18)
疏散熵修正是指在得到的預(yù)計(jì)更新位置的基礎(chǔ)上,考慮混亂程度對疏散的影響,對群組引導(dǎo)者的位置進(jìn)行修正,主要步驟如下。
1)判斷是否進(jìn)行修正。是否進(jìn)行疏散熵修正取決于疏散熵修正閾值。判斷個(gè)體相鄰的8個(gè)區(qū)域的疏散熵值是否都小于疏散熵修正閾值,若存在大于閾值的區(qū)域,則進(jìn)行疏散熵修正,否則不進(jìn)行修正。當(dāng)個(gè)體周圍疏散熵值都較低時(shí),表示周圍疏散環(huán)境較為穩(wěn)定,不需要引導(dǎo)個(gè)體朝相對穩(wěn)定的區(qū)域前進(jìn)。
2)確定修正方向。若進(jìn)行疏散熵修正,則選擇視野內(nèi)疏散熵值最低的區(qū)域?yàn)樾拚较?。根?jù)個(gè)體速度方向確定視野內(nèi)的5個(gè)相鄰區(qū)域,選擇其中疏散熵值最低的區(qū)域?yàn)樾拚较?,若存在兩個(gè)及以上熵值同為最低的區(qū)域,則選擇速度夾角最小的區(qū)域。
如圖3所示,黑色箭頭為預(yù)計(jì)更新方向,藍(lán)色虛線箭頭為修正方向,1-5為視野內(nèi)的5個(gè)相鄰區(qū)域。圖3(a)為個(gè)體選擇視野內(nèi)熵值最低的區(qū)域?yàn)樾拚较?,圖3(b)為當(dāng)存在多個(gè)熵值最低區(qū)域時(shí),選擇夾角最小的區(qū)域?yàn)樾拚较?,圖3(c)為當(dāng)個(gè)體相鄰區(qū)域熵值均小于疏散熵修正閾值時(shí),不進(jìn)行方向修正。
圖3 方向修正
3)確定修正參數(shù)。確定修正方向后,按照以下公式進(jìn)行速度與位置的修正:
(19)
(20)
式中:e-Di為個(gè)體i進(jìn)行疏散熵修正后的速度方向,e-xi為個(gè)體i進(jìn)行疏散熵修正后的位置,c-Di為修正方向;ce為修正參數(shù),表示參考修正方向的權(quán)重,根據(jù)是否看見出口確定,若個(gè)體不能看見出口,會(huì)傾向選擇穩(wěn)定的區(qū)域進(jìn)行疏散,此時(shí)ce=2,若個(gè)體看見出口,則會(huì)傾向于向著出口前進(jìn),此時(shí)ce=0。
在得到疏散個(gè)體下一步的位置以后,需要判斷新位置是否可達(dá),即新位置上是否存在靜態(tài)障礙物和其他疏散個(gè)體。若新位置存在障礙物,則需要進(jìn)行避障。本文利用代價(jià)值確定下一步可接受的概率,當(dāng)可接受概率為0時(shí),即新位置不可接受,則采取避障措施[15]。
避障機(jī)制采用周邊搜索的方式。具體規(guī)則為:若新位置不可接受,則選擇下一步方向偏差-10°~10°的隨機(jī)角度為新方向,若此方向?qū)?yīng)的位置仍不可接受,則再擴(kuò)大10°,選擇下一步方向偏差-20°~20°的隨機(jī)角度為新方向……依次類推,直到下一步位置可達(dá)。
熵修正的混合人工蜂群-蝙蝠算法人群疏散模型流程如圖4所示。
圖4 熵修正的混合人工蜂群-蝙蝠算法人群疏散模型流程圖
疏散場景設(shè)定為40 m×40 m的單出口二維矩形區(qū)域,四周灰色部分為墻壁,紅色矩形為出口,并隨機(jī)放置了一些深灰色矩形和圓形障礙物,設(shè)定疏散人數(shù)為80人。參數(shù)的設(shè)定見表1。
表1 參數(shù)取值
首先,不引入疏散熵修正模型,將本模型與文獻(xiàn)[15]中的PSO疏散模型(即所有個(gè)體為離散個(gè)體)進(jìn)行對比,驗(yàn)證群組疏散效果。將兩個(gè)模型的初始位置設(shè)為相同,分別試驗(yàn)了200組取平均值,以減輕初始位置及群組分布隨機(jī)性的影響,得到表2。
表2 200組實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比
由表2可以看到,本模型的每個(gè)個(gè)體的平均疏散時(shí)間和疏散完成時(shí)間均小于PSO疏散模型,其中每個(gè)個(gè)體平均疏散時(shí)間減少5.3%,疏散完成時(shí)間減少7.76%。這說明相比每個(gè)個(gè)體單獨(dú)疏散,以合適的群組形式疏散可以提高疏散效率。
圖5為仿真過程圖,對比了PSO疏散模型和本模型的疏散過程。文獻(xiàn)[14]通過對真實(shí)疏散視頻中的行人行為進(jìn)行研究,歸納了疏散過程中自組織群組的形狀特點(diǎn):疏散群組多呈現(xiàn)隊(duì)列行或排行,群組內(nèi)部有一定程度的彎曲且相對緊密。
如圖5可以看到,在疏散初期,相比PSO疏散模型,本模型出現(xiàn)了明顯的疏散群組,群組內(nèi)部較為緊密;在疏散中期,本模型中的疏散群組呈現(xiàn)隊(duì)列形狀,群組后方的個(gè)體跟隨群組前方的引導(dǎo)者向出口前進(jìn),且群組內(nèi)部有一定程度的彎曲,符合真實(shí)群組的疏散形狀;在疏散后期,由于人群在出口處聚集,群組被一定程度的沖散,但相比PSO疏散模型,人群更為緊密。兩個(gè)模型都復(fù)現(xiàn)了“出口拱形”現(xiàn)象,本模型中的疏散群組也符合真實(shí)群組的疏散形狀,證明了模型的有效性。
圖5 PSO疏散模型和本模型疏散過程對比
圖6為疏散空間中不同種類人群的變化趨勢??梢钥吹?,群組個(gè)體的下降速度快于離散個(gè)體。在群組個(gè)體多于離散個(gè)體的初始條件下,出現(xiàn)了離散個(gè)體晚于群組個(gè)體疏散出去的情況。這說明在疏散過程中,群組成員在引導(dǎo)者的帶領(lǐng)下能迅速向出口處疏散,避免了尋找出口等造成的時(shí)間浪費(fèi),能一定程度上提高疏散效率。
圖6 疏散空間中不同種類人群的變化趨勢
3.3.1 疏散熵修正閾值對疏散時(shí)間的影響
在相同設(shè)定下改變疏散熵修正閾值仿真50遍取平均值得到圖7。由圖7可以觀察出,整體上隨著疏散熵修正閾值的增大,疏散完成時(shí)間和每個(gè)個(gè)體平均疏散時(shí)間呈先減小后增大的趨勢,當(dāng)疏散熵修正閾值為0.4時(shí),疏散完成時(shí)間和每個(gè)個(gè)體平均疏散時(shí)間最小。
圖7 疏散熵修正閾值與疏散時(shí)間的關(guān)系
分析可知,當(dāng)疏散熵修正閾值較小時(shí),個(gè)體在前進(jìn)時(shí)過多考慮疏散混亂程度的影響,即使前方不是特別混亂也會(huì)朝向混亂程度更低的方向前進(jìn),延長了疏散路線進(jìn)而增加了疏散時(shí)間;隨著疏散熵修正閾值的提高,個(gè)體只有在前方特別混亂時(shí)才會(huì)進(jìn)行速度修正,以避開混亂區(qū)域盡快到達(dá)出口;當(dāng)疏散熵修正閾值較大時(shí),個(gè)體基本不進(jìn)行速度修正,即使前方混亂也會(huì)向其前進(jìn),進(jìn)一步加劇了混亂程度,導(dǎo)致了疏散時(shí)間的增加。下面的仿真將疏散熵修正閾值設(shè)定為0.4。
3.3.2 引入疏散熵對疏散過程的影響
圖8對比了有無疏散熵修正對疏散過程的影響。疏散初期,兩個(gè)模型的差別不大,疏散個(gè)體的分布都較為分散,每個(gè)網(wǎng)格的疏散熵值較低,此時(shí)基本不進(jìn)行疏散熵修正。疏散中后期,疏散熵修正的作用明顯起來,無疏散熵修正的模型,人群尤其是群組傾向于選擇圖8(b)中的紅色箭頭對應(yīng)的路徑進(jìn)行疏散,導(dǎo)致這條路變得擁擠;引入疏散熵修正后,后面的綠色和藍(lán)色群組中的引導(dǎo)者引導(dǎo)各自群組成員,向圖8(e)中的紅色箭頭對應(yīng)的路徑疏散,有效避免了混亂擁擠,提高了疏散效率,也增加了疏散安全性,一定程度上避免了因擁堵造成的二次傷害。
圖8 疏散熵修正對疏散過程的影響
圖9(a)為疏散時(shí)間與總疏散熵值的關(guān)系,反映整體混亂程度的變化趨勢,圖9(b)為疏散時(shí)間與個(gè)體分布網(wǎng)格平均疏散熵值的關(guān)系,反映局部混亂程度的變化趨勢。下面分別分析總疏散熵值的變化趨勢、個(gè)體分布網(wǎng)格平均疏散熵值的變化趨勢、以及疏散熵修正對兩者的影響。
圖9 疏散熵修正對疏散混亂程度的影響
總疏散熵值在疏散前期迅速升高,中期在較高值處波動(dòng),后期逐漸降低。這是因?yàn)槭枭⑶捌谌航M成員迅速向各自的引導(dǎo)者靠近,運(yùn)動(dòng)方向不一致導(dǎo)致整體的混亂程度迅速上升;疏散中期人群逐漸聚集到出口附近,個(gè)體與個(gè)體、個(gè)體與障礙物相互作用,混亂程度較高;疏散后期隨著人數(shù)的減少總熵值逐漸降低。
個(gè)體分布網(wǎng)格的平均疏散熵值在疏散前期上升緩慢,中期持續(xù)波動(dòng)并略微升高,后期劇烈波動(dòng)下降。這是因?yàn)槭枭⑶捌谌巳赫w分散,局部混亂程度較低;隨著人群的聚集,局部混亂程度升高;疏散后期人數(shù)較少且分布集中,局部混亂程度的變化變得敏感,波動(dòng)劇烈。
結(jié)合兩圖來看,疏散前期,由于疏散熵修正未發(fā)揮作用,曲線高度重合;疏散中期,相比未引入疏散熵修正的模型,引入疏散熵修正的模型降低了混亂程度,局部混亂程度降低的更為明顯,這是因?yàn)榻?jīng)過速度修正后,疏散個(gè)體的分布更加均勻化,減輕了局部的擁堵混亂程度;疏散后期,引入疏散熵修正的模型剩余個(gè)體更少,整體混亂程度和局部混亂程度均低于未引入疏散熵修正的模型。
人群疏散問題是關(guān)切民生安全的問題,需對應(yīng)用問題進(jìn)行考量。該模型可以為人群仿真推演系統(tǒng)提供模型參考,人群仿真推演系統(tǒng)可以模擬推演疏散全過程,并給出疏散方案。該系統(tǒng)的疏散模擬步驟如下:
1)確定事故發(fā)生點(diǎn)、疏散區(qū)域、疏散時(shí)間。
2)確定出口數(shù)量及分布,獲取疏散時(shí)間對應(yīng)的疏散區(qū)域內(nèi)疏散人群數(shù)量及分布。
3)對疏散過程進(jìn)行推演仿真(該疏散模型可為本步驟提供模型參考)。
4)給出疏散過程及疏散方案。示意圖如圖10所示,可以查看人群的疏散路徑、每個(gè)時(shí)刻人群的疏散情況、每個(gè)出口所疏散的人數(shù)等具體疏散信息。
通過人群仿真推演系統(tǒng)進(jìn)行仿真推演,具有很好的應(yīng)用價(jià)值,探討如下:
1)安全評估。針對新建的建筑物、風(fēng)景區(qū)、娛樂場所等等,通過仿真可以知道現(xiàn)布局的安全性如何,并可以通過仿真來改進(jìn)布局提高安全性。
2)人群疏散演練預(yù)案。針對場景人員比較固定的區(qū)域,如學(xué)校、住宅區(qū)。在進(jìn)行疏散演練前,可利用該系統(tǒng)進(jìn)行仿真,確定較好的疏散方案,進(jìn)而根據(jù)該疏散方案組織疏散演練。
3)疏散工具準(zhǔn)備。通過仿真可以了解各疏散出口所疏散的人數(shù)、時(shí)間等信息,可以據(jù)此設(shè)計(jì)疏散預(yù)案,為每個(gè)出口提前準(zhǔn)備合適的撤離交通工具類別(如公交、地鐵、出租車等)及數(shù)量。
圖10 疏散過程及疏散方案示意
1)本文將疏散人群分為群組引導(dǎo)者、群組成員、離散人員3類以合理化疏散模型,并引入定量表征人群混亂程度的疏散熵模型,對模型進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化,構(gòu)建了熵修正的混合人工蜂群-蝙蝠算法人群疏散模型。
2)仿真結(jié)果表明,該模型中的疏散群組較符合真實(shí)疏散群組的疏散形狀,以群組形式疏散可以減少疏散時(shí)間。引入疏散熵修正模型后,引導(dǎo)者可以引導(dǎo)群組成員避開混亂方向,避免擁擠造成的二次傷害,提高疏散安全性;同時(shí),也避免了人群過度集中于某一條疏散路徑上,提高了空間利用率,一定程度提高了疏散效率。
3)本文雖然對應(yīng)用方向進(jìn)行了探討,但是并沒有針對具體的突發(fā)事件情境進(jìn)行應(yīng)用仿真分析,后續(xù)可對其進(jìn)一步研究,使模型更具應(yīng)用價(jià)值。