基于Vicrowd模型的人群仿真研究

龔 偉

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都611756）

0 引言

大規(guī)模人群仿真即研究人群在各種環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)特征與規(guī)律，建立大規(guī)模人群運(yùn)動(dòng)的仿真模型，在三維虛擬環(huán)境下展示人群的運(yùn)動(dòng)過(guò)程的仿真技術(shù)。人群的行為是由群體中的個(gè)體行為構(gòu)成，它受外界環(huán)境及個(gè)體之間的相互影響。研究人群的行特點(diǎn)在許多領(lǐng)域有著較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

本文通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)，對(duì)地鐵站等場(chǎng)景中的乘客行走、聚集等行為進(jìn)行仿真研究，這對(duì)大型公眾設(shè)施的建設(shè)以及緊急狀況下的疏散方案建立有重要意義。

1 人群仿真建模技術(shù)

人群是指某個(gè)時(shí)段在相同的環(huán)境下，為共同目標(biāo)而組成的集合體。人群仿真模型，是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中人群行為特征的抽象。建立通用的人群運(yùn)動(dòng)模型是具有很大難度的，現(xiàn)實(shí)世界中每個(gè)人都是一個(gè)獨(dú)立的智能體，每個(gè)人的立場(chǎng)、性格不相同，甚至對(duì)共同目標(biāo)的認(rèn)識(shí)也不盡相同，因此很難抽象出隱藏在復(fù)雜現(xiàn)象背后的共性特征。

Vicrowd模型的群體仿真技術(shù)克服了傳統(tǒng)群體模擬的技術(shù)局限。本文基于此模型進(jìn)行展開，并在Unity3d環(huán)境下，對(duì)此模型進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。

1.1 Vicrowd模型介紹

Vicrowd作為一個(gè)通用的群體模擬系統(tǒng)模型，在人群模擬中起了非常重要的作用。該模型對(duì)人群的行為進(jìn)行了系統(tǒng)的抽象，劃分并定義了人群的不同屬性、行為層次和控制層次，并且Vicrowd模型不受場(chǎng)景、情節(jié)和人群行為模式的限制，是比較通用的人群仿真建模方法。在這一模型下，群體中的個(gè)體心里、情緒等屬性可以得到較好的體現(xiàn)。

ViCrowd模型把虛擬人群定義為三個(gè)不同的層次：人群（Crowd）、團(tuán)隊(duì)（Group）和個(gè)體（Agent）。團(tuán)隊(duì)由個(gè)體組成，人群由團(tuán)隊(duì)構(gòu)成。團(tuán)隊(duì)的行為分為組行為，組行為又被分成個(gè)體行為。在同一組內(nèi)的所有個(gè)體有共同的目標(biāo)和趨勢(shì)，因?yàn)樗鼈冇蓄A(yù)定的行為，這個(gè)目標(biāo)可以是一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)區(qū)域。

Vicrowd模型定義了虛擬人行為的三個(gè)自由度層次，即被引導(dǎo)的、規(guī)劃的和自治的。解釋如下：

被引導(dǎo)行為：受到用戶實(shí)時(shí)交互控制而激發(fā)的行為。規(guī)劃行為：受到程序預(yù)先設(shè)定的腳本并控制的行為。自治行為：有虛擬人根據(jù)自身的知識(shí)、環(huán)境的影響等而自我激發(fā)并控制的行為。

其分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 Vicrowd模型實(shí)現(xiàn)

為了更真實(shí)地實(shí)現(xiàn)虛擬人群的行為，虛擬人群中的個(gè)體應(yīng)具有高度的自治，能自動(dòng)進(jìn)行路徑規(guī)劃，產(chǎn)生從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的最優(yōu)路徑，引導(dǎo)虛擬人完成相應(yīng)的目標(biāo)。由于虛擬環(huán)境中存在各種靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)的障礙物，因此需要對(duì)進(jìn)行路徑規(guī)格。

圖1 Vicrowd模型分層結(jié)構(gòu)圖

在虛擬環(huán)境下，人群中具有不同的行為的個(gè)體不斷對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行探測(cè)、感知，絕對(duì)當(dāng)前的決策，采取相應(yīng)的策略對(duì)目標(biāo)路徑進(jìn)行規(guī)劃。

1.2.1 信息感知

虛擬人群個(gè)體的信息感知主要通過(guò)視覺(jué)信息獲取，碰撞檢測(cè)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先，虛擬人有一個(gè)圓形包圍體，其半徑即為碰撞區(qū)域的檢測(cè)半徑。其次，其還有一個(gè)感知半徑，用于感知或者施加行為的影響半徑。

人群個(gè)體在虛擬空間運(yùn)動(dòng)時(shí)，所感知的視覺(jué)信息時(shí)刻都在動(dòng)態(tài)變化著，當(dāng)障礙物（包括其他個(gè)體人）進(jìn)入感知區(qū)域時(shí)，障礙物最外層的點(diǎn)與虛擬人中心的距離d必須大約個(gè)體的包圍半徑。

1.2.2 決策

規(guī)避從另外一面可以理解為從起始位置到終點(diǎn)的路徑策略，由于虛擬個(gè)體處于一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的場(chǎng)景中，需要不斷對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，以更新個(gè)體信息。

本文采用了AStar算法，對(duì)整個(gè)虛擬環(huán)境進(jìn)行柵格，采用廣度優(yōu)先的策略篩選出一條路徑，使各個(gè)個(gè)體即不相互碰撞，由有相同的目標(biāo)，顯得更有條理。

1.2.3 行為調(diào)整

處于人群中的個(gè)體時(shí)刻受到周圍環(huán)境的影響而改變自己相應(yīng)的行為，比如一般狀況下的跟隨以及緊急狀況下的排斥行為。

本文采用了物理力學(xué)模型，將各個(gè)影響抽象成物理中的受力，以合力的形式表現(xiàn)當(dāng)前個(gè)體的行為。

綜上所述，通過(guò)在每一個(gè)時(shí)間片刻內(nèi)，采用BSP遍歷所有人群中個(gè)體，不斷檢測(cè)周圍其它個(gè)體和障礙物對(duì)當(dāng)前個(gè)體的狀態(tài)影響，分別以力的形式進(jìn)行表現(xiàn)，合力決定了當(dāng)前個(gè)體下一個(gè)時(shí)間片刻的行為。

2 總結(jié)

本文是基于Vicrowd模型，對(duì)人群仿真技術(shù)進(jìn)行了研究和分析，并在Unity3D引擎對(duì)此進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，取得了一定的成功，這些成果主要體現(xiàn)在對(duì)虛擬環(huán)境、人群行為的建模等方面。但是構(gòu)建一個(gè)完善的人群仿真系統(tǒng)仍面臨這許多的困難，這需要在以后進(jìn)行優(yōu)化。