一个面向紧急疏散的大规模人群运动模拟系统

任 越

(公安海警学院，浙江 宁波 315801)

一个面向紧急疏散的大规模人群运动模拟系统

任 越

(公安海警学院，浙江 宁波 315801)

本文就公共场所大规模人群模拟理论和实际应用展开研究，并系统讲解了该系统功能模块，指出了灾害现象模拟技术、仿真技术、人群建模、海量人群实时渲染技术、人群疏散控制策略及场景建模技术的具体应用。

模拟系统；紧急疏散；突发危机

公共安全是维护社会稳定、保障国家安全的重要基石。每年因公共安全造成的生命、财产损失极大，这给我国造成了巨大的负面影响。突发危机情况下大规模人群疏散已经成为当今社会稳定、发展的重要研究课题。以下就大规模人群运动模拟系统应用加以分析论述，希望能够准确掌握大规模人群运动模拟系统应用，提升紧急疏散效率和质量，保障人们的生命财产安全。

1 紧急疏散大规模人群运动模拟系统应用的概念及作用

人群疏散运动模拟系统研究就是利用仿真技术、心理学以及社会学等方面知识进行有效的人群疏散过程控制，很多国家政府机关、安全部门均开展了该方面应用系统研究。当前人群运动模拟系统应用主要存在以下几方面问题：其一，应用系统可视化程度极为有限。其二，系统可负载人群有限。其三，应用系统主要针对特定场合中的危机事件且通用性较差。其四，辅助论证分析功能缺乏。因此，本文针对这类问题提出了面向紧急疏散大规模人群运动模拟系统，该系统要求在特定环境下和特殊人群，制定最佳的人群疏散方案，从而构建视觉效果更加逼真的动态模拟效果，制定研发危机实时绘制引擎，并通过辅助论证分析进行模拟结果预定。

2 人群运动模拟系统框架

当前较为常见的大规模人群疏散模拟系统有场景模拟、人群模拟、灾害现象模拟、虚拟个体路径规划、危机实时渲染。可以将系统框架总结如下：

2.1 人群模拟

面对紧急疏散人群来说，人是疏散的主体和关键影响因素，这也是运动模拟方案中最复杂的部分。现今所研究的大规模模拟人群数量在5万人以上，大规模人群模拟系统支持人群运动模拟和交互控制，能够在极大程度上发挥渲染引擎可视化数据分析作用，尽可能的还原危机情况下的人群运动规律。

2.2 场景模拟

人群仿真模拟主要由构建和渲染两方面构成，仿真模拟构建是在真实环境的基础上进行的群体仿真需求模型模拟，渲染就可以简单理解为通过场景管理技术进行三维虚拟环境模拟，进行紧急情况下人群疏散设计和控制。

2.3 灾害模拟

灾害模拟是危机处置预案中必须要考虑的模拟要素，该系统支持各种灾害现象在系统当中不同情况模拟，这样能够极大程度的还原火灾、积水、爆炸等灾害现象可能产生的影响，提供三维可视化数据。

2.4 人群疏散、危机过程渲染

通过计算机模拟系统应用来进行虚拟个体行走路径规划研究，让人们能够明确疏散模拟系统核心服务的重要性及实用性，更好地满足紧急情况下的大规模人群疏散最优路径设计。危机渲染主要是针对灾害现象和复杂场景虚拟人群运动的实时渲染，以配合灾害实际发生效果，提升人群的危机应对能力，做好危机人群运动数据的动态调整，做好前期数据载入，对特定危机处置预案加以辅助论证分析。

图1 系统框架图Fig.1 System frame diagram

3 模块功能实现

3.1 人群建模与运动合成

针对当前运动个体特点，最常用的是个性化建模方式，而群体建模则不适用该方法。群体建模主要依据大规模人群运动特点，同时还对计算的质量和效率有着很高的要求，群体建模通过一个模板生产不同类型的模型，且利用随机方式来改变模型参数，进而实现多样化设计目的。笔者所提出大规模人群运动模拟系统是一种快速生成模拟人群运动的方法，该系统秉持Poser人体建模软件创建个体角色的办法，将其导入3Dmax软件中，以人群建模插件来实现人体模型骨架自动蒙皮和匹配，并结合FatMap创建原理建立了生长形态各异的人体模型库。模型与运动的相互结合，极大的提升了系统的实时性和视觉逼真性，合成数万个体模拟运动动作，提高系统模拟的准确性和全面性。因此，本文笔者以实时逼真的人体运动合成技术为基础，进行了常见危机情况下的人体动作数据，并综合这些动作数据模拟出更多的个体体型、运动速度、运动方向等新的动作数据模拟。

3.2 灾害模拟

为了提高危机情况下人群疏散的安全性，必须充分考虑到爆炸、烟雾、积水和燃烧等灾害现象中人群的运动体动力学规律，对其行为进行仿真模拟，还原人群在灾害中的运动规律和心理，进而实现对大规模人群运动的有效控制，减少灾害带来的伤害。系统模拟过程中，应根据流体不同特征，合理选择不同的系统构建表现方法，尽可能防止烟雾扩散或燃烧过程中与周围物品的物理、化学反应，通常爆炸会形成大量尘云、碎片和冲击波。同时灾害本身也有一定的共同性，这就给建筑物结构设定了一定的灾害模拟画面，提高了数据集合模拟蔓延现象。灾害蔓延过程中，可能会受到外力的冲击，造成模拟曲面移动，产生灾害扩散。

大规模人群疏散运动模拟系统要保证模拟个体与虚拟曲面的位置，并且定义了距离场函数，当灾害发生的边界点移动到虚拟曲面的内外侧时，一定要利用距离场函数将其移动到距离曲面最近的点上。笔者建议要综合利用各种运动模拟，充分提高系统计算的准确性和实时性。人群扩散速度和密度有着一定的规律，可将其整理为以三种颜色表示的纹理通道，并将其综合运算整合到一个统一的像素程度中，提升状态的稳定性，减少绘制次数，建议根据危机实际发生情况选用不同应对策略。

3.3 人群疏散

紧急情况下，人们所做的都是本能的求生反应，主要遵从“心理-行为”模式。人群在危机情况下的运动有以下几种行为特征：

首先，每个人本能的希望能够最快逃出危险。其次，人群集中于出口处，造成出口人流缓慢且拥挤。再次，受大量人群运动引导忽略其他逃生出口。最后，人群拥挤易造成其他伤害。笔者建议通过障碍避免、信息感知、行为调整和疏散速度几方面进行虚拟人群行为指导控制方式和实时控制方式，进而制定人群行动路径和人群目标。

综上所述，面向紧急疏散大规模人群运动模拟系统能够有效提升危机过程中的应对能力，保证人们的生命财产安全，维护社会稳定。

4 结语

为了做好大规模紧急人口疏散，减少公共安全所导致的人员伤亡，本文笔者对紧急疏散大规模人群运动模拟系统涉及的技术进行了简要阐述，希望能够增进对危机情况下大规模人群疏散过程的了解，实现模拟结果的有效分析，制定科学合理有效的人群紧急疏散策略。

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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，学生。

TP301

B

1674-8646(2016)24-0062-02