大型建筑物中的人員快速疏散系統仿真

張泰永

(淄博市城鄉規劃發展中心，山東 淄博 255000)

在城鎮化建設進程的不斷推動下，城市建筑物呈現出規模大、密度大等特點，為了進一步提高人員疏散率，確保人員在第一時間內快速逃離安全地帶，我國對大型建筑物人員疏散仿真系統功能實現效果嚴格按照相關標準和要求，旨在提高建筑物安全管理水平，保證人們的人身安全和財產安全。因此，如何科學地設計人員疏散仿真系統是技術人員安全管理大型建筑物期間必須思考和解決的問題。

1 基于CAS疏散仿真模型的構建

本設計的人員疏散仿真系統，屬于比較具有代表性的復雜系統。為了保證系統設計水平，技術人員需要根據建筑物的特點，利用復雜適應系統(CAS)相關理論，完成對人員疏散模型的構建。該模型主要由以下3個部分組成：(1)環境：主要包含墻壁、桌椅等障礙物以及人員主體；(2)主體：指人員主體；(3)主體規則：主要指人員主體必須遵守的基本規則。

2 系統設計

2.1 系統設計思路

為了保證人員疏散仿真系統功能實現效果，技術人員要從大型建筑物空間構造狀態和障礙物存在狀態，完成對虛擬環境的設計。該虛擬環境主要包含二維空間、人員疏散時間以及障礙物有無狀態等。此外，還要根據人員所對應的行為準則，根據環境變化情況，及時更新和調整人員自身狀態。所以，在設計該系統期間，技術人員要做好對人員主體Agent模塊的設計。在這一過程中，首先，要借助二維對象空間，完成對Grid2dImpl對象類的實現，該類主要由網格組成[1]，在進行具體實現期間，要根據人員主體的大小，科學設置各個網格的大小。當大型建筑物內所有對象創建完畢后，需要進入到ModelSwarm模塊設計環節中。該模塊主要用于對以下2種對象的創建：一種是人員主體對象[2]；另一種是障礙物對象。同時，還用于對人員主體行為的自動化調度，當ModelSwarm模塊設計結束后，進入到ObserverSwarm模塊設計環節中，該模塊主要用于對人員疏散仿真界面的科學設計，確保大型建筑物內人員在緊急情況下能夠快速逃離到安全地帶[3]。另外，通過利用該模塊，可以實現對建探測器Probe的創建，以實現對人員疏散人數和人員疏散時間2個參數的變化規律和情況。當ObserverSwarm模塊設計結束后，說明整個系統設計完滿成功。

2.2 系統功能模塊設計

為了進一步提高人員疏散仿真系統的運行性能，技術人員要嚴格按照如圖1所示的系統功能模塊設計示意圖，完成對該系統的科學設計。

圖1 人員疏散仿真系統功能模塊設計示意圖Fig.1 Schematic diagram of functional module design of personnel evacuation simulation system

2.2.1人員主體模塊設計

人員主體模塊在具體的設計中，主要用于對人員主體相關模型的構建，在構建人員主體相關模型期間，需要做好對人員主體行為準則的正確設置。該主體的行為準則主要包含以下3個方法：selectPosition()方法、move()方法和exitFromHall()方法；3種方法描述如表1所示。

表1 人員主體主要方法功能描述Tab.1 Description of main methodsand functions of personnel

2.2.2ModelSwarm模塊設計

通過利用ModelSwarm模塊，可以將主體、主體行為規則和行為序列進行有效地結合，為后期精確地分析和追蹤人員疏散數量的變化情況打下堅實的基礎。該模塊主要包含以下3種方法：buildObjects()方法、buildActions()方法和activateln()方法；這3種方法描述如表2所示。

表2 ModelSwarm主要方法功能描述Tab.2 ModelSwarm main method function description

2.2.3ObserverSwarm模塊設計

ObserverSwarm模塊主要用于對系統仿真界面的創建，此外，通過利用該模塊，還能實現對探測器Probe相關參數的設置和監測。該模塊主要包含以下3種方法[4]，分別是buildObjects()方法、buildActions()方法、activateln()方法。bserverSwann主要方法功能描述如表3所示。

表3 bserverSwann主要方法功能描述Tab.3 BserverSwann main method function description

2.2.4啟動模塊設計

啟動模塊作為系統的核心模塊，為人員疏散提供了很好的入口。為此，技術人員通過借助顯示仿真界面，可以對ObserverSwarm進行實例化操作，并構建各種對象[5]，啟動模塊主要包含以下6種方法：initSwarm()方法、buildObjects()方法、buildActions()方法、activateln()方法、go()方法以及drop()方法；啟動模塊的主要方法功能描述如表4所示。

表4 啟動模塊的主要方法功能描述Tab.4 Function description of the main methods of starting the module

3 系統實現

3.1 啟動模塊實現

整個仿真系統在具體的設計中，需要借助啟動模塊進行啟動運行，該模塊主要用于對Swarm仿真環境的初始化處理。同時，還負責對ObserverSwarm對象的創建。該模塊在進行初始化處理期間，要完成對整個程序名稱、Swarm版本號、命令行參數等相關參數的設置和傳遞；在此基礎上，還要做好對ObserverSwarm對象的創建，便于系統在正式啟動后，可以將用戶控制面板自動呈現出來，使得用戶能借助系統控制面板，實現對程序流程的自動化、規范化控制。當用戶點擊“Start”按鈕后，程序一直保持繼續執行狀態；當用戶點擊“Quit”按鈕時，系統會自動退出。

3.2 ObserverSwarm模塊的實現

ObserverSwarm模塊主要用于對用戶界面的自動化顯示，該模塊在具體的實現中，要調用buildObject()方法，對人員主體進行科學創建，確保所創建的人員主體能夠符合復雜系統應用需求；這是由于當所有人員主體始終處于所指定的時空，才能更好地適應復雜系統的應用需求。另外，還要從人員主體中獲得相應的數據，并采用圖形化的方式，將這些數據形象、直觀地呈現出來。所以，通過利用該模塊，可以借助圖形化的方式，將抽象、難懂的數據形象，直觀地呈現在用戶面前。在此基礎上，還要調用buildObject()方法，以實現對對象集的創建。

3.3 ModelSwarm模塊的實現

ModelSwarm模塊在具體的實現中，通過調用buildObject()方法，以實現對主體和系統空間內相關障礙物的自動化構建；同時，將構建好的消息隊列發送于人員主體。此外，還要采用打包的方式，將該消息添加到指定的行為時序列表中，確保這些消息在合適的時間，能夠安全、可靠地傳輸于指定的人員主體中。

4 實驗仿真與結果分析

4.1 實驗環境說明

該系統在具體的設計中，主要利用了Java語言；然后，根據大型建筑物緊急情況，開發出相應的人員疏散仿真系統。同時，系統開發中所用到的開發工具主要包含2種：一種是Eclipse340；另一種是JDKl6。為了更好地驗證該系統的有效性和可靠性，現借助該系統，對某大型建筑物內的人員疏散進行真實化仿真和模擬[6]，從而將該建筑物內的人員疏散情況真實、有效地呈現在用戶面前。對于人員疏散仿真系統而言，其用于監測系統參數變化情況的界面主要由以下幾個部分組成：控制面板、疏散人數觀察器、ModelSwarm探測器。一旦大型建筑物遇到緊急情況，該系統仿真界面會呈現出所有桌子的擺設狀態。在此基礎上，通過利用該系統所對應的仿真界面，可以開展人員疏散相關工作。這是由于該仿真界面很好地呈現出所有桌子等相關建筑結構所對應的擺設實際變化情況，為后期實現對人員疏散的精確化、真實化仿真打下堅實的基礎。此外，通過利用該界面[7]，可以精確地觀察和了解人員疏散整個過程；同時，還能清晰地觀察和掌握不同人員在相應時間段內所對應的疏散情況。

4.2 環境初始化

當系統仿真界面構建結束后，要進入到環境初始化環節中。在這一環節中，需要保證大型建筑物內部桌椅擺設狀態始終不變，并對大型建筑物內部空間進行初始化處理。對于人員而言，其初始化主要包含以下2種：一種是人員數量初始化；另一種是人員位置初始化。人員初始化主要是指根據當前人員所對應的實際分布情況，采用隨機處理的方式，對相關參數進行初始化處理；此時，該系統會自動呈現出人員疏散仿真界面[8]。通過利用ModelSwarm探測器，將人員、墻壁、桌椅等障礙物存放于指定的對象空間內，并對人員所處的空間長度和寬度進行科學設置；然后，借助二維坐標，精確地表示出空間人員的個數。當人員進行疏散時，指定空間內人員數量會呈現出不斷變化地趨勢，且該變量也會出現相應的變化。此外，通過利用ObserverSwarm模塊，對顯示窗口所對應的顯示頻率進行科學調節和控制，根據相關參數，觀察系統當前所處的人員疏散仿真狀態。如果仿真狀態沒有結束，變量被設置為“false”；如果仿真狀態結束，變量被設置為“true”狀態。另外，還要設置相應的參數，用于表示人員疏散需消耗的時間，初始值為0。

4.3 人員疏散仿真及結果分析

通常情況下，大型建筑物內所對應的空間尺寸、出口位置以及出口個數是固定不變的；而桌椅擺設始終處于不斷變化的狀態。人員在進行疏散期間，桌椅擺放狀態不同，直接影響了人員的整個疏散時間。因此，桌椅擺放對人員移動情況產生了一定的阻礙作用。在進行仿真期間，技術人員要根據有無障礙物的狀態，做好對相關模型的構建[9]。為此，技術人員要根據以下2種情況，做好對人員疏散仿真處理，一種是有障礙物情況；另一種是無障礙物情況。當大型建筑物處于無障礙物情況下，對人員疏散進行仿真模擬，在此基礎上，對有障礙物的大型建筑物進行人員疏散仿真處理。

4.3.1無障礙物情況下人群疏散仿真

在完成系統參數設置的基礎上，通過利用系統檢測界面，對人員數量和疏散時間進行不同處理，從而得出如圖2所示的無障礙物時疏散人數與時間的關系。

圖2 無障礙物時疏散人數與時間的關系Fig.2 The relationship between the number of people evacuated and time when there are no obstacles

由圖2可知，在起始階段，大量的人員距離出口較遠，在這一時間段內，疏散的人員數量往往相對較少；經過5 s后，到達出口的人員數量逐漸呈現出不斷增多的趨勢，因此，在這一時期，所對應的疏散人員數量增長幅度不斷加快。當經過15 s后，由于出口具有一定的瓶頸，單位時間內通過出口的人員數量有限，在初始階段，人員疏散狀態逐漸轉向一種比較穩定的趨勢；當經過71 s后，整個空間全體人員已經完全疏散完畢。

4.3.2存在障礙物情況下人群疏散仿真

存在障礙物情況主要是指人員在進行疏散期間，所對應的疏散環境主要存在以下2種障礙物，一種是桌椅；另一種是講臺。由于受到這些障礙物的影響，人員在實際疏散期間，要及時改變移動方向。因此，需要借助該系統所設置好的參數，對人員數量和人員疏散時間進行精確計算和統計，從而得出人員數量與人員疏散時間之間的關系；存在障礙物時疏散人數與時間的關系如圖3所示。

圖3 存在障礙物時疏散人數與時間的關系Fig.3 The relationship between the number of people evacuated and time when there are obstacles

由圖3可知，在初始階段，大部分人員距離出口較遠，在這段時間內，所對應的疏散人數相對較小，當經過6 s后，到達出口的人數呈現出不斷增多的趨勢，在這一時間段內，疏散人員數量增長幅度不斷加快；當經過15 s后，由于出口具有一定的瓶頸作用，單位時間內，通過出口的人員數量是有限的。由此可見，人員疏散數量與人員疏散時間之間具有一定的線性關系；當時間經過77 s后，整個空間全體人員全部疏散結束。在不存在障礙物和存在障礙物2種情況下，通過分析和對比大型建筑物內人員疏散仿真結果，發現本設計的人員疏散仿真系統，功能強大、適用性強，完全符合人員疏散仿真模型相關評價標準和要求。

5 結語

綜上所述，對于大型建筑物而言，其人員疏散仿真是一個漫長、復雜的過程。本文通過利用CAS理論，完成對人員疏散仿真模型的構建，并借助CAS仿真平臺，設計和實現了人員疏散仿真系統，有效地保證了系統功能實現效果，為用戶帶來良好的使用體驗，完全符合人員安全疏散相關標準和要求；為快速解決安全事故，降低人員傷亡概率提供重要的平臺支持。由此可見，本文所設計的人員疏散仿真系統具有非常高的應用價值和應用前景，值得被進一步推廣和應用。