一种基于移动机器人行为的人员疏散的元胞自动机模型

第51卷第23期 2006年12月论文一种基于移动机器人行为的人员疏散的元胞自动机模型翁文国袁宏永范维澄(清华大学工程物理系公共安全研究中心, 北京100084. E-mail: wgweng@)摘要紧急情况(如火灾等)下的人员疏散研究可为减少人员受到伤害提供必要的指导. 提出一种基于移动机器人行为的人员疏散的元胞自动机模型. 将疏散的人员看作是智能移动机器人, 其运动模式包括目标制导、避障、绕行和紧张行为驱动人员与环境的相互作用. 将移动机器人的运动模式与元胞自动机理论结合, 建立人员疏散模型. 针对不同移动速度的人员疏散模拟研究表明, 提出的模型能够比较准确地预测紧急情况下的人员疏散现象.关键词疏散模型 元胞自动机 移动机器人随着社会和经济的发展, 安全问题越来越引起了人们的关注, 特别是1994年“一二·八”新疆克拉玛依市友谊宫特大火灾(330人死亡), 2000年“一二·二五”洛阳市东都特大火灾(309人死亡), 2004年北京密云县元宵灯会踩踏事故(37人死亡)等的灾难事件, 迫切要求进行人员疏散的研究. 在火灾等紧急情况下, 安全疏散是保证人员安全的重要手段. 火灾安全设计和评估中通常可用的是安全疏散时间(the available safe egress time, ASET)和必需的安全疏散时间(the required safe egress time, RSET). ASET与建筑物的防火性能和火灾发展速度等因素有关; RSET与人员行为和人群特征等因素有关.目前, 人员疏散模型的建模方法大致可分为两种: 一种是宏观的方法, 即把人员视为连续流动介质, 可以利用现成的流体力学的研究成果, 但此方法忽略个体的作用和个体间的差异; 另一种方法是微观的方法, 即充分考虑人员行为. 微观方法又可分为连续模型和离散模型, 连续模型中最为著名的是Helbing等人[1,2]的社会力模型, 离散模型中使用最多的是元胞自动机模型和格子气模型[3~9]. Helbing等人[1,2]用社会力模型展现了人员疏散过程中的一些动力学特征: 失调、扎堆、快即是慢等, 但连续性模型运行速度慢, 计算机模拟时间随人数的增加呈指数增长, 因此不太适合行人众多情况下的模拟. 离散型模型的特点是规则简单、运算速度快. Muramatsu等人[3]运用一种有偏随机走动者格子气模型来模拟二维问题中的行人流, Tajima等人[4]则把这种格子气模型应用到特定的建筑结构中, Maniccam[5]讨论了格子气模型中更新规则和后退步对四向行人流的影响, Kirchner等人[6]建立了基于生物趋向规律的元胞自动机人员疏散模型; 国内杨立中等人[7,8]建立了参考社会力模型和基于总危险度的人员疏散微观离散模型, 以及宋卫国等人[9]建立了考虑摩擦与排斥的人员疏散元胞自动机模型. 本文中, 亦将采用元胞自动机模型, 但利用移动机器人的运动模式驱动人员与环境的相互作用.运动模式源于心理学[10]和神经学[11], 而本文的思想是利用更新的模式[12]——应用于大脑和机器人的运动模式. 基于行为的移动机器人研究, 其最终目标是利用非生命部件构造生命系统[13]和计算机算法, 如强化学习、神经网络和进化算法等, 使机器人拥有越来越多的智能, 其行为最大限度地类似于人类. 相反, 智能移动机器人的行为也接近于人类某些典型的行为, 如目标制导, 避障等. 因此人类大力发展智能移动机器人的同时, 也可以利用智能移动机器人的一些理论来指导人类在某些情况下的行为. 本文将建立一种基于移动机器人行为的人员疏散的元胞自动机模型, 并描述一个模拟算例, 即不同移动速度的人员从一层办公楼的疏散过程.1提出模型本文的模型是以元胞自动机更新规则为基础, 结合移动机器人的运动模式的研究思路建立起来的[14]. 模型的框架是将建筑物平面进行均匀的网格论 文第51卷 第23期 2006年12月划分, 每个网格或被障碍物占据, 或被人员占据, 否则为空. 模型中每个元胞对应0.5 m ×0.5 m 的空间, 是人流中典型的人员空间分配[15], 模型中的每个人员占据一个元胞. 每个人员只能在某个时间步沿东、西、南、北四个方向中的一个方向移动一格, 移动方向的选择将由每个方向的移动权重确定, 移动权重是基于移动机器人的运动模式计算的.考虑真实环境中的人员, 可能的运动模式包括目标制导(向门口或其他人员, 如朋友等的移动)、避障(躲避其他人员或障碍物, 如墙壁等)、绕行(绕过低速度的人员或障碍物, 如桌子等)以及紧张行为(如发生火灾时人员的紧张不安导致的错误行为). 当人员检测到障碍物时, 运动模式会产生一个斥力使人员远离这个障碍物:avd S S d M d S S Md M ⎧⎪−⎪=<⎨−⎪∞<⎪⎩≥≤S , (1) av av /S S 为沿障碍物中心到行人的连线, 远离障碍物的方向, 其中S 是影响半径, 超出此半径的障碍物不会对其产生影响, M 是安全边界, d 是行人与障碍物之间的距离. 绕行的幅值与避障的相同, 即: sw av ,=S S 方向是垂直于沿障碍物中心到行人的连线, 显然它有两个方向, 本文的模型选择随机的一个. 目标制导的运动模式提供行人到目标物的吸引力:mo1d C d D D d C C D d D ⎧⎪−⎪=<⎨−⎪∞<⎪⎩≥≤S , (2) mo mo /S S 为沿行人到目标物中心的连线, 朝目标物的方向, 其中C 和D 分别是控制区和死区的半径. 当人员在紧张情况下, 可能会导致错误行为, 我们将之称为紧张行为:ne ||1=S , (3)ne ne /S S 为0和2π 之间的伪随机方向, 这些运动模式都是相互独立的, 能并行处理. 而这些运动模式之间的相互重要性用相应的权重值表示, 比如, 当一个房间内发生火灾时, 目标(门)制导比其它的运动模式都重要. 权重值一般由人为设定, 也有通过自动方式确定, 如在线学习[16]、基于案例[17]或者进化算法[18]等. 本文为了简化元胞自动机的更新规则将人为设定各个运动模式的权重值, 运动模式的矢量与其权重值相乘, 这些乘积在四个方向的加和值即是各个方向的移动权重. 图1(a)表示了四个方向移动权重的确定图.本文的元胞自动机模型按以下规则进行更新: (ⅰ) 每个人员的四个方向的移动权重由上文描述的运动模式确定;(ⅱ) 如果某个方向的最近邻域的元胞被障碍物或者别的人员占据, 这个方向的移动权重设为0;(ⅲ) 人员在某个时间步仅向移动权重最大的方图1 四个方向的移动权重的确定图(a)以及二维网格(元胞)中人员的邻域设置(b)运动模式S mo , S av , S sw 和S ne 分别代表目标制导、避障、绕行和紧张行为的运动模式, 权重值W mo , W av , W sw 和W ne是相应运动模式的重要性的体现, 四个方向的移动权重是运动模式与其权重值乘积的矢量求和第51卷第23期 2006年12月论文向移动一格;(ⅳ) 如果四个方向的移动权重均为0, 人员将静止不动.这个模型采用顺序更新策略, 在每个更新, 所有人被随机编号为1到N, 其中N是系统中的人数, 然后从1到N按顺序进行更新.本文采用图1(b)所示的二维网格(元胞)中人员的邻域设置[19], 因此避障和绕行的运动模式的参数设为: 3S=, 1M=. 为了简单起见, mo1=S.2模拟算例根据上文模型的描述, 我们模拟一个典型的人员疏散算例: 人员从一层办公楼的疏散过程, 如图2(a). 这一层的办公楼有三类房间, A类、B类和C类房间的大小分别是4 m×6 m, 12 m×6 m和8 m×6 m.中间走廊的宽度为2 m, 仅有一个东面出口, 宽度也是图2 疏散模型的典型阶段图(a) 开始阶段t = 0 s; (b) 中间阶段t = 10 s; (c) 中间阶段t = 55 s; (d) 仅剩下不多人员的结束阶段论 文第51卷 第23期 2006年12月2 m. 而各个房间门的分布如图2(a): A 类房间的门(宽度为1 m)紧挨着东墙, B 类房间有两个门(宽度均为2 m)分别离东、西墙各1 m, C 类房间的门(宽度为1 m)置于正中间. 在模拟过程中, 所有的门均是开放的.A 类、B 类和C 类房间的人员初始随机均匀分布30、90和60人, 其中移动速度2.0(白色), 1.5(灰色)和1.0 m/s(黑色)的人员均为10、30和20人. 模拟中时间步设为1/12 s, 在模型中体现人员不同移动速度是通过分别间隔3, 4和6个时间步移动一格. 对于有两个门的房间(B 类房间), 本文设定人员从最近的门疏散. 各个运动模式的权重值由人为设定: W mo =1, W av = W sw = W ne = 0.1. W mo 可以认为是人员对于出口处熟悉程度的测度, 本文设定的W mo 为最大值, 意味着人员在疏散过程中知道离出口处的最短路径, 但由于与别的人员的相互作用和紧张行为(W av , W sw 和W ne )无法沿着最短路径疏散.图2(a)~(d)显示了人员疏散过程, 分别是t = 0, 10, 55和115 s 的疏散模型的典型阶段图. 从图2中可以观察出疏散动力学的一个重要特征: 疏散过程中人员靠着他们之间的空隙往出口处移动. 图2(b)的中间阶段可以看出, 人员疏散过程中在出口处会出现一个半圆形的人员堵塞形状. 当大量人员疏散到走廊时, 人员并不在走廊的东面出口处集结, 相反走廊西面的人员密度比东面的要多, 如图2(c), 这是由于走廊的宽度不够大, 造成人员疏散效率的下降. 从图2(d)的疏散结束阶段, 可以看到, 剩下不多人员中移动速度慢(1.0 m/s,黑色)的居多, 这意味着移动速度快的在疏散过程中会占据优势. 这个结论也可以从图3中观察得出. 图3是不同速度的疏散成功的人员数量, 疏散成功是指人员跑出走廊的东面出口, 图3的图3 不同速度的疏散成功的人员数量数据是100个算例的统计平均值. 显然在疏散过程中的任何时刻, 移动速度快的疏散成功的人员数量比移动速度慢的要多, 如t = 60 s 时刻, 移动速度为2.0 m/s 的人员疏散成功人数为123人, 而1.5 m/s 的人数为104人, 但是1.0 m/s 的人数最少为82人. 而不同速度的疏散成功时刻也不一样: 移动速度快的人都成功疏散的时间短, 相反移动速度慢的人疏散时间长, 如移动速度为2.0 m/s 的疏散时间为132.5 s, 1.5 m/s 的疏散时间为141.7 s, 1.0 m/s 的疏散时间为152.5 s.通过本算例的模拟可以看出通过适当的参数选择, 本文模型可以得到比较合理的模拟结果, 这证明了本模型的适用性.3 结论本文提出了一种基于移动机器人行为的人员疏散的元胞自动机模型. 该模型将疏散的人员看作是智能移动机器人, 其运动模式包括目标制导、避障、绕行和紧张行为驱动人员与环境的相互作用. 将移动机器人的运动模式与元胞自动机理论结合, 建立人员疏散模型. 应用该模型对不同移动速度的人员从一层办公楼疏散过程的模拟结果, 观察出一些合理的疏散动力学的现象, 如人员疏散过程中在出口处会出现一个半圆形的人员堵塞形状, 移动速度快的在疏散过程中会占据优势等. 这一模拟结果表明了本模型的适用性.进一步工作将利用移动机器人的计算机控制算法, 如强化学习、神经网络、进化算法等实现对人员疏散过程中的智能控制, 使之更符合人员的行为.致谢 本工作受国家重点基础研究发展计划(批准号: 2001CB409603)资助.参 考 文 献1 Helbing D, Farkas I, Vicsek T. 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Phys Rev Lett, 1996, 77: 1675—1678(2006-07-21收稿, 2006-10-13接受)《科学通报》投稿指南在《科学通报》发表的原创性研究论文应同时具备以下条件:(ⅰ) 是自然科学基础理论或应用研究的最新成果;(ⅱ) 有重要科学意义, 属国际研究热点课题;(ⅲ) 有创新(新思路、新方法、新认识、新发现等);(ⅳ) 对本领域或(和)相关领域的研究有较大促进作用;(ⅴ) 就内容和写作风格而言, 对大同行或非同行科学家都有可读性和启发性.对原创性研究论文的写作要求:文章应论点明确、数据可靠、逻辑严密、结构简明; 尽量避免使用多层标题; 文字、图表要简练, 用较少的篇幅提供较大的信息量; 论述应深入浅出、表达清楚流畅; 专业术语运用准确, 前后保持一致.题目是文章的点睛之处, 要紧扣主题, 简明扼要, 但要有足够的信息, 能引起读者的兴趣; 应避免使用大而空的题目, 最好不用“…的研究”、“…的意义”、“…的发现”、“…的特征”等词; 尽可能回避生僻字、符号、公式和缩略语. 一般不超过24个汉字, 英文以两行为宜. 不使用副标题.摘要应反映论文的主要观点, 概括地阐明研究的目的、方法、结果和结论, 能够脱离全文阅读而不影响理解. 尽量避免使用过于专业化的词汇、特殊符号和公式. 摘要的写作要精心构思, 随意从文章中摘出几句或只是重复一遍结论的做法是不可取的. 摘要中不能出现参考文献序号.关键词用于对研究内容的检索. 因此, 关键词应紧扣文章主题, 尽可能使用规范的主题词, 不应随意造词. 关键词一般为3~8个.正文应以描述文章重要性的简短引言开始. 专业术语应有定义, 符号、简略语或首字母缩略词在第一次出现时应写出全称.引言是文章的重要组成部分, 关系到文章对读者的吸引力. 在引言中应简要回顾本文所涉及到的科学问题的研究历史, 简要介绍相关理论或研究背景. 需列举相关的参考文献, 尤其是近2~3年内的研究成果. 应非常明确地给出本研究的目的, 以及与以往研究的不同之外, 并在此基础上提出本文要解决的问题, 最后扼要交代本研究所采用的方法和技术手段等. 引言部分不加小标题, 不必介绍文章的结构.材料和方法主要是说明研究所用的材料、方法和研究的基本过程, 使读者了解研究的可靠性, 也使同行可以根据本文内容验证有关实验.讨论和结论应该由观测和实验结果引申得出, 并注意与其他相关的研究结果进行比较, 切忌简单地再罗列一遍实验结果. 讨论得出的结论与观点应明确, 实事求是.图和表应按正文中出现的先后顺序编号, 并置于文中相应位置处. 图的分辨率不能低于600 dpi, 图中线条要清晰, 图插在正文内. 表用三线表. 图表中物理量符号和单位符号之间以“/”分隔, 如“t/min”.公式以阿拉伯数字连续编号, 并用圆括号括起置于公式右侧.参考文献采用顺序编码制进行文内标注和文后著录, 即按正文中引用的先后顺序编号, 序号用方括号括起, 置于文中提及的文献著者、引文或叙述文字末尾的右上角. 参考文献引用是否得当是评价论文质量的重要标准之一. 如果未能在论文中引用与本项研究有关的主要文献, 尤其是近2~3年内的文献, 或是主要引用作者自己的文献, 编辑可能会认为对这篇文章感兴趣的读者不多. 对文中所引参考文献, 作者均应认真阅读过, 对文献的作者、题目、发表的刊物、年代、卷号和起止页码等, 均应核实无误, 切忌转引二手文献的不负责任的做法.。