三维疏散仿真平台研究与开发

●蔡 芸，李胜利，邢 君，王跃琴

(武警学院 消防工程系，河北廊坊 065000)

随着经济的发展和城市化进程的加快，体量大、人员密集的大型公共建筑越来越多，一旦发生火灾人员逃生困难。建筑防火设计时，这些建筑的功能需求有时会采用新技术、新工艺、新材料，突破现行规范的要求，为此须采用性能化防火设计方法。疏散仿真平台是性能化疏散设计的必备工具，可为大型集会及公共建筑疏散预案和灭火救援预案的制定、灭火救援仿真训练、疏散逃生仿真训练、人员疏散行为特征采集和人群疏散行为规律研究提供工具支持。随着采用性能化方法进行防火设计的建筑不断增多，对疏散仿真平台的需求日益增加。目前国内性能化防火疏散设计多采用国外开发的商业软件，常用的疏散软件有 buildingEXODUS、Simulex、STEPS、EXIT89、EVACNET、EXITT等。这些软件采用的疏散原则及疏散基础数据与我国人员的实际情况差异较大，且软件价格较高。因此，公安部应用创新项目“三维疏散仿真平台研究与开发”课题组通过对疏散模型与仿真软件的特点分析，确定采用针对我国人群疏散行为特征构建的元胞自动机模型开发三维疏散仿真平台。本文主要介绍三维疏散仿真平台CDS研究内容及其应用。

1 构建三维疏散仿真平台CDS的基本原则

CDS疏散仿真平台的构建采用基于我国人群疏散行为特征的元胞自动机模型，以Visual C++6．0为开发环境。其构建原则基于以下几个方面:

1．1 适合我国人群疏散特征

为准确模拟人群疏散行为，CDS的构建应充分考虑我国人群疏散特征，比如突发事故中人群一般不会排队有序疏散，而是尽量占据对自己疏散有利的位置，争取自己尽早疏散。再如，在商场等公共场所中，顾客很少知道商场的所有出口，而是只清楚面临主要街道的出口，这样会造成出口的不均匀利用，延长总体疏散时间。

1．2 仿真结果准确

这是疏散仿真平台的基本要求，主要包括要能准确模拟预想的疏散行为、单个人的疏散时间及对外安全出口的通行系数符合等。

1．3 操作简单，使用方便

该原则是衡量疏散仿真平台易用性的重要依据。课题组在建筑结构的表示、楼梯模型及人员模型上均进行精心设计。为形象表示人群疏散过程，软件设置二维显示和三维立体显示两种方式。

1．4 可扩展性强

疏散仿真平台具有广泛的应用前景，除常规的疏散模拟之外，还可在此基础上开发其他功能，如开发疏散风险评估系统与体验式疏散仿真系统等。

2 疏散仿真平台CDS的研究

疏散仿真平台CDS由建筑模型的导入、网格的自动剖分、人员模型的构建、人员行走规则、模拟结果的显示5部分组成。

2．1 建筑模型的导入

CDS选择读取Autocad的DXF格式文件构建建筑模型，可直接导入DXF格式的Autocad图纸。考虑图纸特点及软件编制的简单高效性，CDS只读取Autocad图纸的线段、圆和圆弧，且识别后把圆和圆弧转化为线段。最后采用特定格式的文本文件方式建立疏散模型。CDS导入的DXF格式图纸如图1所示。

图1 CDS导入的DXF格式的图纸

在导入图纸后，关键点是楼梯的构建。本着操作简单与使用方便的原则，疏散平台构建开发直跑楼梯和双跑楼梯两种模型。对于双分对折楼梯、剪刀楼梯等其他形式的楼梯可由用户采用直跑楼梯与双跑楼梯两种基本形式的楼梯拼成。在建立双跑楼梯的模型时，首先确定楼梯位置，然后确定楼梯原点，以此位置为基点，确定楼梯方向，用楼梯与水平轴的夹角表示。之后确定指出第一跑的位置，每跑踏步数、踏步高及宽度、梯段宽度和休息平台的深度，如图2所示。

图2 双跑楼梯模型输入界面

2．2 网格的自动剖分

为模拟任何复杂建筑中的人员疏散过程，CDS设有网格自动剖分功能。用户在建筑内任意一点单击鼠标，软件以此点为起点，向四周逐步循环划分网格，遇到障碍物时自动终止，遇到疏散通道时自动通过，直至划分完整栋建筑，如图3所示。

图3 网格剖分示意图

2．3 人员模型的构建

CDS可设置人员的行走速度、对出口的熟悉程度及颜色，如图4所示。CDS设置3种人员生成方法:(1)在需要放置人员的地方用鼠标左键点击;(2)在当前楼层随机添加指定个数的人员，如图5所示;(3)为所有楼层随机添加指定个数的人员，各楼层人员按面积大小分配。人员类型共有10组，不同类型的人员可输入性别、人数比例、平地及上下楼的行走速度，且每类人员的平地速度又可选择呈常值、均匀、正态3种分布中的1种。

图4 人员的基本设置框图

图5 人员添加

2．4 人员行走规则

人员疏散时一般按最短的疏散距离进行疏散，因此在模拟时需先建立距离势图。距离势图是疏散模型中以安全出口为起始点计算出的各点至安全出口的最小距离。距离势图的形成与网格剖分类似，以安全出口为计算的起始点，迭代计算各网格的势值。人员行走时由高势网格向低势网格或等势网格行走。当人员目标网格有两个以上时，随机选择一个作为前进方向。当两个以上人员竞争同一网格时，随机抽取决定获胜人员。如图6所示，人员位于建筑右下角网格①，其势值为 2．9，与之相连的有三个网格，势值分别为 2．2、2．4 和 2．7，因此人员下一步向势值最小的网格②前进，随后依③→④→⑤→⑥顺序最终到达安全出口。对人员不知道部分出口的现象，CDS采用降低部分出口势值的措施模拟。对于部分人员不知道建筑全部出口的现象，CDS把安全出口分为主要出口和次要出口，按所有安全出口和仅由主要出口分别计算势图，分别供清楚全部出口人员和只知道主出口人员选择最近出口疏散。

图6 人员行走规则

当人群密度较小时，由于人员之间的相互影响较小，人员行走速度取决于人员自身属性，包括性别、年龄及心理等。当人群密度较大时，人员行走受到前方人员影响，速度随人群密度增大而减小。国外对人员行走速度与人员密度的关系进行了深入研究，CDS采取了Predtechenskii＆Milinskii研究结果与Togawa，Ando和Aoki等人研究结果的平均值作为本平台模拟的取值。

2．5 模拟结果的显示

模拟过程中，可在CDS的标题栏查看当前疏散时间，可在状态栏查看疏散人数。模拟结束后即可查看模拟结果。疏散时间显示在CDS软件的标题栏，软件的“结果”菜单主要用于查看每个安全出口的使用情况。安全出口每时刻逃出的人数保存于“模拟结果．csv”文件。该文件为文本文件，可用记事本或excel软件查看。“模型的三维显示与控制”部分选用OpenGL为三维图形开发应用程序接口。以Visual C++6．0为开发环境，通过MFC框架调用OpenGL函数进行三维模型开发。通过OpenGL直接对建筑进行建模;利用3D MAX建立人物模型，然后导入OpenGL中编程，利用OpenGL读取和操作人物模型。在显示函数中完成三维模型显示与控制，包括创建三维建筑模型、显示人物模型、实现人物行走动画、实现场景漫游的控制，如图7所示。

图7 模拟结果演示

3 结束语

课题组对疏散平台的功能进行了测试验证，包括模型的建立、疏散行为的模拟、疏散时间。通过验证，CDS的各项功能均能实现。同时，通过组织千余人的疏散演习对CDS的模拟结果进行验证。结果表明，CDS平台模拟结果与真实疏散的误差较小(误差为8．56%)，能准确预测大规模人流的疏散时间，且预测结果较为保守，当然具体疏散细节与真实疏散还有差异。同时，课题组利用buildingEXODUS软件对疏散演习进行模拟，将其与CDS的模拟结果进行比较。结果表明，CDS软件模拟结果均与疏散演习结果接近，而EXODUS软件模拟疏散时间与疏散演习及CDS模拟结果有较大差别。

三维疏散仿真平台综合考虑了人员疏散路径与出口类型的关系、人员疏散速度与疏散距离的关系，采用了建立楼梯模型新方法，首次在疏散平台中实现了二维建模三维显示、建筑标准层模型快速复制和自动连接等功能。该疏散仿真平台界面友好，操作方便，建筑设计单位可使用三维疏散仿真平台进行疏散设计;建筑使用单位可用来制定疏散预案;消防安全评估单位及咨询单位可使用该平台进行疏散安全评估;公共安全管理机构和消防基层部队可使用该平台分析公共建筑灾害中的疏散过程和瓶颈位置，制定救援方案。因此，三维疏散仿真平台必将具有广泛的应用前景。

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