港口火災場景下的人群智能疏散模擬研究

孫召才

(交通運輸部廣州打撈局，廣州 510260)

改革開放以來，我國經濟建設事業蓬勃發展，其中對外貿易發展尤為迅速，港口成為了人民生產生活所需物品的大型集散中心之一[1]。隨著航運事業的進一步發展和完善，港口的貨運總量持續增高，貨運品種不斷豐富增加，而且包含大量化工、建造等產業所需的易燃易爆物資，使發生火災的概率增大。如何有效控制港口火災事故的發生以及當事故發生時，如何保障港口內人員安全疏散，成為港口規劃運營的重點研究內容。針對火災模擬，孫紹南等[2]基于BIM技術使用Pyrosim軟件進行火災煙氣模擬；馬晨霞等[3]基于港口倉庫模型使用Pyrosim軟件對倉庫火災的發展過程進行了模擬仿真；針對突發火災災情下的應急疏散模擬，唐國磊等[4]針對港口客運站火災特點和人員疏散影響因素，建立了基于AnyLogic的港口客運站作業系統仿真模型和基于Pathfinder的人員疏散仿真模型；金澤人等[5]提出了基于元胞自動機的火災場景移動方向規則和基于行人流的異步型人流模擬模型；黃凱等[6]基于Pyrosim軟件對某教學樓一層全尺寸模型的火災數值模擬分析，建立基于火災產物影響下的人員疏散模型。賈幼磊等[7]基于Anylogic仿真軟件構建了考慮碼頭和堆場生產作業的全港道路交通系統仿真模型，對不同區域著火后人員和車輛疏散進行仿真分析，支撐碼頭著火安全應急疏散預案制定。

目前，對于火災發展蔓延規律的模擬主要著重于二維平面的研究，模擬結果雖然簡潔直觀，但是與真實場景的差別較大，隨著計算機三維建模技術的發展與成熟，借助相關軟件和算法，能夠將復雜現實場景在計算機中實現三維仿真模擬，因此可以將火災態勢發展、人群疏散的二維仿真結果在三維仿真環境中進行可視化模擬，使研究結果更加清晰直觀，更有利于消防指揮決策和疏散演練，盡量將災害帶來的經濟損失和人員傷亡降到最低。為此，以某港口為例，基于元胞自動機結合港口環境、氣象等條件提出火災蔓延模型，并在此基礎上以社會力改進的蟻群算法對疏散人群的疏散行動進行模擬，并基于Unity3D物理引擎平臺針對模擬結果進行可視化。

1 港口場景火災蔓延模型研究

1.1 元胞網格劃分

元胞空間是元胞在空間中分布的空間格點，為了便于在現有的計算機環境下進行火災蔓延過程的展示，采用類似圓形的二維Moore正方形網格劃分元胞空間[8]。元胞空間網格大小根據Hamada提出的在一定風速下火蔓延的極限距離公式來確定，公式如下

H=1.15×(5+0.5v)

(1)

式中：v表示風速，(m/s)；H表示一定風速下火災蔓延的極限距離，m。當風速為0時，火災蔓延的極限距離是5.75 m，如果元胞邊長值大于5.75 m，不便于模擬火災的真實蔓延情況，因此選取元胞邊長b=5 m。

模型元胞的狀態代表當前時間該地理位置的相應網格的火勢狀態，將港口火災模型元胞狀態屬性定義為0、1、2三種。其中0狀態表示當前元胞所處地理位置存在不可燃燒的障礙物，且無法進行狀態轉換；1狀態為可燃燒而尚未燃燒，狀態1可轉換為狀態2；2狀態代表當前元胞正在燃燒，且具有點燃鄰域中狀態1元胞的能力。

為了更好地描述元胞狀態的變化，元胞自動機通常將時間離散成等間隔的時間步，公式如下

(2)

式中：H為火災蔓延的距離，即元胞邊長b；v為火災蔓延的速度。以港口地勢開闊為基礎條件，在本實驗中設定火災蔓延的速度為2.5 m/s，模型的時間步為2 s。

1.2 元胞狀態轉換規則

在港口火災蔓延模型中，元胞狀態轉換的規則表示燃燒元胞擴燃的規則。預設元胞狀態的轉換規則如圖1所示。

圖1 元胞狀態轉換規則

根據上述對港口火災的影響因素的分析，定義點燃概率P(i,j)與場地結構耐火等級、風氣象荷載等影響因素相關，公式如下[9]

P(i,j)=R(i,j)×A(i,j)

(3)

式中：R(i,j)為港口發生火災的區域建筑類型對于火災發展蔓延的影響；A(i,j)為港口場景下風速以及風向對于火災發展蔓延的影響。選用符合港口場景的建筑結構類型影響參數[10]作為R(i,j)的取值，如表1所示。

表1 R(i,j)取值參考

模型在理想無風和有風狀態下進行模擬分析，假定港口火災受東風影響，選取1～5 m/s的輕微風、6～8 m/s的輕勁風作為兩種風速變量，A(i,j)的取值如圖2所示。

2-a 風速為1～5 m/s 2-b 風速為6～8 m/s 2-c 從左到右影響依次為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0

1.3 模擬結果

構建發生火災的港口場景，假定火災發生在集裝箱裝卸區域，該區域呈正方形，面積為10 000 m2，共設E1、E7兩個應急疏散專用出口，其中E2-E6區域為集裝箱擺放區域，E8區域為可供人員疏散行走區域，如圖3所示。為了方便對比，設定起火位置如圖4所示，火災發展蔓延的結果如圖5～圖7所示。

圖3 模擬港口區域平面示意圖

5-a t=20 s 5-b t=40 s 5-c t=60 s 5-d t=80 s

6-a t=20 s 6-b t=40 s 6-c t=60 s 6-d t=80 s

7-a t=20 s 7-b t=40 s 7-c t=60 s 7-d t=80 s

(1)理想無風條件下火災蔓延結果。

(2)東風風速1～5 m/s條件下火災蔓延結果。

(3)東風風速6～8 m/s條件下火災蔓延結果。

2 港口火災場景下的人群疏散模擬

基于火災蔓延元胞自動機模型模擬結果，考慮到人與人、災害和障礙物之間的相互作用力，使用社會力模型改進蟻群算法中的信息素更新準則[11]，對港口火災場景下的人群疏散進行模擬。

2.1 社會力模型

Dirk Helbing和Peter Molnar兩位學者[12]在研究中將運動中的人員個體簡化為受力學影響、具有運動規律的粒子，假設粒子的重量為m，針對粒子分析其運動過程中受到的作用力，粒子在疏散過程中所受的社會力Fo公式如下

Fo=fo+∑o≠o′foo′+∑xfox

(4)

式中：fo為粒子o自身主觀引導對疏散出口產生的自驅動力，foo′為粒子o與粒子o′小于一定距離時的排斥力，fox為粒子o在疏散過程中與障礙物、災害等之間的排斥力。

2.2 基于社會力蟻群算法的疏散模擬

選擇出口作為條件對啟發函數進行改進，使人群疏散的目標方向為離當前節點最近的出口方向[13]，公式如下

(5)

(6)

式中：μab(t)為路徑ab上信息素的濃度；ρab(t)為o在路徑ab的啟發函數值；α和β分別為μab(t)和ρab(t)的影響因子。

在整個疏散過程中，個體所受到的排斥力會由于人群擁擠和火災逼近等原因不斷增加，對疏散出口的驅動力維持穩定，社會力總和Fo會呈現整體上升的趨勢[6]。在一定時間間隔內針對所有個體，記錄其所受社會力的情況

[Fo1(t1)，Fo2(t2)，…，Fon(tn)]

(7)

式中：on表示n個疏散個體；tn表示某時刻。計算個體社會力標準差，若當前時刻個體o的社會力標準差與前時刻相比出現了大幅度增長變化，則下一時刻通過以下規則對場景中的信息素濃度進行更新

(8)

(9)

圖8 疏散流程示意圖

2.3 模擬結果

在火災蔓延模型基礎上的人群疏散模擬結果如下。

(1)理想無風狀態下火災場景疏散模擬結果。

①40人疏散模擬結果如下，無被困人員，如圖9所示。

9-a t=20 s 9-b t=40 s 9-c t=60 s 9-d t=80 s

②60人疏散模擬結果如下，被困3人，如圖10所示。

10-a t=20 s 10-b t=40 s 10-c t=60 s 10-d t=80 s

③80人疏散模擬結果如下，被困3人，如圖11所示。

11-a t=20 s 11-b t=40 s 11-c t=60 s 11-d t=80 s

(2)東風下火災場景60人疏散模擬結果。

①風速為1～5 m/s疏散模擬結果如下，被困5人，如圖12所示。

12-a t=40 s 12-b t=60 s 12-c t=80 s 12-d t=100 s

②風速為6～8 m/s疏散模擬結果如下，被困8人，如圖13所示。

3 基于Unity3D火災場景人群疏散仿真可視化

Unity3D是一個實時3D互動內容創作和運營的物理引擎平臺，擁有高制作速度和簡易操作等優點，支持Windows、iOS、MacOS等多個平臺。Unity平臺具有強大的兼容性與適配性，支持3dx Max、Maya、Lightwave、Collade等多種格式導入[15]，除了模型原有內容外，還可以添加模型的Mesh、Vertex、Color以及骨骼動畫等，可通過搭建逼真的三維場景以及動畫制作等來對災害應急場景進行模擬?；?中對港口火災發展和人群疏散模擬的試驗結果，使用Unity3D引擎對2中實驗結果進行可視化模擬。

3.1 港口仿真場景搭建

創建合理的港口場景是火災場景人群疏散仿真模擬的重要前提，將在3ds Max中制作好的模型導出為FBX文件格式，在Unity3D的Scene窗口下進行擺放，添加光源，調整光源的方向、強度等參數，以及調整其他場景屬性、環境屬性，增強場景美觀感和真實感。并將研究區域離散成20×20的四邊形元胞空間，港口建模與試驗模擬區域如圖14、圖15所示。

圖14 港口全景建模

3.2 港口火災蔓延效果制作

通過腳本控制火焰和煙氣粒子的尺寸，制作火勢和煙氣增大的效果。由于火焰和煙氣會隨風進行擺動，因此通過腳本為其添加強制力模擬風力使其向力的方向進行擺動。記錄每一時間步模擬區域火災的變化，編寫腳本根據時間控制粒子的實例化，從而實現火災和煙氣蔓延過程的三維動態可視化。

3.3 火災場景下人群疏散模擬

為工人模型添加剛體組件使其在仿真物理環境下進行運動，保證疏散模擬的真實性。為模型設置動畫轉換樹，通過運動速度的大小來切換靜止、行走和奔跑狀態。為了防止在疏散模擬過程中模型和模型互相穿過的現象出現，需要為模型添加符合形狀的碰撞體，并通過NevMesh組件對場景進行烘焙提取可運動的區域，如圖16所示。

圖16 烘焙場景可通過區域

為工人模型添加NevMeshAgent組件設置導航代理實現疏散運動，根據疏散模擬結果在離散區域設置人員疏散位置，在腳本中調用nav.destination方法將疏散出口設置為人員運動目標位置，直至與出口發生碰撞完成疏散。

3.4 仿真結果

調整攝像機的位置來記錄和觀察港口火災場景人群疏散過程，仿真結果如下圖，其中用○標注表示被火災圍困的人員。

(1)理想無風狀態下疏散結果可視化，如圖17所示。

17-a t=0 s 17-b t=20 s 17-c t=40 s 17-d t=60 s

(2)1～5 m/s東風火災場景疏散結果可視化，被困5人，如圖18所示。

18-a t=20 s 18-b t=40 s 18-c t=60 s 18-d t=80 s

(3)6～8 m/s東風火災場景下疏散結果可視化，被困8人，如圖19所示。

19-a t=20 s 19-b t=40 s 19-c t=60 s 19-d t=80 s

基于Unity3D物理引擎平臺，結合搭建的港口場景以及制作的火焰煙氣粒子系統針對2中的數學模擬結果進行可視化模擬，為工人模型添加必要組件作為可運動的前提，添加動畫狀態機基于人物速度控制人物運動狀態，基于疏散模型結果編寫腳本為人物制定疏散路徑，實現港口火災場景下人群疏散模擬可視化。

4 總結和展望

本文使用元胞自動機作為理論基礎，結合港口特殊地理場景發生火災的特征，構建了火災蔓延模型，并以此為基礎，使用社會力蟻群算法對火災場景下的人群疏散運動過程進行了模擬，最后基于Unity3D物理引擎平臺對港口火災場景下的人員疏散過程進行可視化展示。港口火災的發展蔓延過程的模擬和仿真可視化可以精確到某一特定時間點的火災發展情況，包括蔓延方向、蔓延趨勢以及已經覆蓋的火災面積等信息，能夠使港口工作人員、消防官兵以及與此密切相關的工作人員更好地了解到火災發展蔓延的全部過程，幫助消防人員高效使用消防力量；同樣的，港口火災場景下的人員疏散模擬和仿真可視化能夠為港口相關機構組織工作人員消防演練提供參考，對于在火災發生后降低人員傷亡有極其重要的意義。在后續的研究中，隨著計算機運算能力的增強、火災發展理論的成熟完善，對火災的模擬方式更趨向于大規模網絡模擬，模擬結果會更接近于火災真實發展過程。