一個面向緊急疏散的大規模人群運動模擬系統

任 越

(公安海警學院，浙江 寧波 315801)

一個面向緊急疏散的大規模人群運動模擬系統

任 越

(公安海警學院，浙江 寧波 315801)

本文就公共場所大規模人群模擬理論和實際應用展開研究，并系統講解了該系統功能模塊，指出了災害現象模擬技術、仿真技術、人群建模、海量人群實時渲染技術、人群疏散控制策略及場景建模技術的具體應用。

模擬系統；緊急疏散；突發危機

公共安全是維護社會穩定、保障國家安全的重要基石。每年因公共安全造成的生命、財產損失極大，這給我國造成了巨大的負面影響。突發危機情況下大規模人群疏散已經成為當今社會穩定、發展的重要研究課題。以下就大規模人群運動模擬系統應用加以分析論述，希望能夠準確掌握大規模人群運動模擬系統應用，提升緊急疏散效率和質量，保障人們的生命財產安全。

1 緊急疏散大規模人群運動模擬系統應用的概念及作用

人群疏散運動模擬系統研究就是利用仿真技術、心理學以及社會學等方面知識進行有效的人群疏散過程控制，很多國家政府機關、安全部門均開展了該方面應用系統研究。當前人群運動模擬系統應用主要存在以下幾方面問題：其一，應用系統可視化程度極為有限。其二，系統可負載人群有限。其三，應用系統主要針對特定場合中的危機事件且通用性較差。其四，輔助論證分析功能缺乏。因此，本文針對這類問題提出了面向緊急疏散大規模人群運動模擬系統，該系統要求在特定環境下和特殊人群，制定最佳的人群疏散方案，從而構建視覺效果更加逼真的動態模擬效果，制定研發危機實時繪制引擎，并通過輔助論證分析進行模擬結果預定。

2 人群運動模擬系統框架

當前較為常見的大規模人群疏散模擬系統有場景模擬、人群模擬、災害現象模擬、虛擬個體路徑規劃、危機實時渲染。可以將系統框架總結如下：

2.1 人群模擬

面對緊急疏散人群來說，人是疏散的主體和關鍵影響因素，這也是運動模擬方案中最復雜的部分。現今所研究的大規模模擬人群數量在5萬人以上，大規模人群模擬系統支持人群運動模擬和交互控制，能夠在極大程度上發揮渲染引擎可視化數據分析作用，盡可能的還原危機情況下的人群運動規律。

2.2 場景模擬

人群仿真模擬主要由構建和渲染兩方面構成，仿真模擬構建是在真實環境的基礎上進行的群體仿真需求模型模擬，渲染就可以簡單理解為通過場景管理技術進行三維虛擬環境模擬，進行緊急情況下人群疏散設計和控制。

2.3 災害模擬

災害模擬是危機處置預案中必須要考慮的模擬要素，該系統支持各種災害現象在系統當中不同情況模擬，這樣能夠極大程度的還原火災、積水、爆炸等災害現象可能產生的影響，提供三維可視化數據。

2.4 人群疏散、危機過程渲染

通過計算機模擬系統應用來進行虛擬個體行走路徑規劃研究，讓人們能夠明確疏散模擬系統核心服務的重要性及實用性，更好地滿足緊急情況下的大規模人群疏散最優路徑設計。危機渲染主要是針對災害現象和復雜場景虛擬人群運動的實時渲染，以配合災害實際發生效果，提升人群的危機應對能力，做好危機人群運動數據的動態調整，做好前期數據載入，對特定危機處置預案加以輔助論證分析。

圖1 系統框架圖Fig.1 System frame diagram

3 模塊功能實現

3.1 人群建模與運動合成

針對當前運動個體特點，最常用的是個性化建模方式，而群體建模則不適用該方法。群體建模主要依據大規模人群運動特點，同時還對計算的質量和效率有著很高的要求，群體建模通過一個模板生產不同類型的模型，且利用隨機方式來改變模型參數，進而實現多樣化設計目的。筆者所提出大規模人群運動模擬系統是一種快速生成模擬人群運動的方法，該系統秉持Poser人體建模軟件創建個體角色的辦法，將其導入3Dmax軟件中，以人群建模插件來實現人體模型骨架自動蒙皮和匹配，并結合FatMap創建原理建立了生長形態各異的人體模型庫。模型與運動的相互結合，極大的提升了系統的實時性和視覺逼真性，合成數萬個體模擬運動動作，提高系統模擬的準確性和全面性。因此，本文筆者以實時逼真的人體運動合成技術為基礎，進行了常見危機情況下的人體動作數據，并綜合這些動作數據模擬出更多的個體體型、運動速度、運動方向等新的動作數據模擬。

3.2 災害模擬

為了提高危機情況下人群疏散的安全性，必須充分考慮到爆炸、煙霧、積水和燃燒等災害現象中人群的運動體動力學規律，對其行為進行仿真模擬，還原人群在災害中的運動規律和心理，進而實現對大規模人群運動的有效控制，減少災害帶來的傷害。系統模擬過程中，應根據流體不同特征，合理選擇不同的系統構建表現方法，盡可能防止煙霧擴散或燃燒過程中與周圍物品的物理、化學反應，通常爆炸會形成大量塵云、碎片和沖擊波。同時災害本身也有一定的共同性，這就給建筑物結構設定了一定的災害模擬畫面，提高了數據集合模擬蔓延現象。災害蔓延過程中，可能會受到外力的沖擊，造成模擬曲面移動，產生災害擴散。

大規模人群疏散運動模擬系統要保證模擬個體與虛擬曲面的位置，并且定義了距離場函數，當災害發生的邊界點移動到虛擬曲面的內外側時，一定要利用距離場函數將其移動到距離曲面最近的點上。筆者建議要綜合利用各種運動模擬，充分提高系統計算的準確性和實時性。人群擴散速度和密度有著一定的規律，可將其整理為以三種顏色表示的紋理通道，并將其綜合運算整合到一個統一的像素程度中，提升狀態的穩定性，減少繪制次數，建議根據危機實際發生情況選用不同應對策略。

3.3 人群疏散

緊急情況下，人們所做的都是本能的求生反應，主要遵從“心理-行為”模式。人群在危機情況下的運動有以下幾種行為特征：

首先，每個人本能的希望能夠最快逃出危險。其次，人群集中于出口處，造成出口人流緩慢且擁擠。再次，受大量人群運動引導忽略其他逃生出口。最后，人群擁擠易造成其他傷害。筆者建議通過障礙避免、信息感知、行為調整和疏散速度幾方面進行虛擬人群行為指導控制方式和實時控制方式，進而制定人群行動路徑和人群目標。

綜上所述，面向緊急疏散大規模人群運動模擬系統能夠有效提升危機過程中的應對能力，保證人們的生命財產安全，維護社會穩定。

4 結語

為了做好大規模緊急人口疏散，減少公共安全所導致的人員傷亡，本文筆者對緊急疏散大規模人群運動模擬系統涉及的技術進行了簡要闡述，希望能夠增進對危機情況下大規模人群疏散過程的了解，實現模擬結果的有效分析，制定科學合理有效的人群緊急疏散策略。

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A large-scale population motion simulation system for emergency evacuation

REN Yue

(Marine Police College, Ningbo 315801, China)

This paper studies the simulation theory and practical application of large-scale population in public places, and systematically explains the function modules of the system. It points out the specific application of disaster simulation technology, simulation technology, crowd modeling, real-time rendering technology of mass crowd, crowd evacuation control strategy and scene modeling technology.

Simulation system; Emergency evacuation; Sudden crisis

2016-09-23

任越(1995-)，男，學生。

TP301

B

1674-8646(2016)24-0062-02