采用标记路径节点的社会力人群仿真模型

采用标记路径节点的社会力人群仿真模型

洪瑶磊1，黄锦良1

1. 宁波工程学院 网络空间安全学院，浙江宁波  315211)

摘要：社会力模型（SFM）是一种常见的人群仿真模型，但该模型在进行人群仿真时存在一些问题，如行人运动轨迹单一、行人不能避开障碍物等情况。本文通过对仿真场景标记路径节点、计算路径节点疏散参数、路径节点与SFM相结合来优化人群仿真效果。通过人群仿真实验对比，该人群仿真模型可以有效的改善SFM的行人运动轨迹，表明该模型可以较好的进行行人的疏散仿真。

关键词：人群仿真，社会力模型，路径节点

人群仿真是一种利用计算机技术进行行人场景复现的仿真技术，近年随着计算机图形学的不断创新发展，人们提出多种人群仿真的技术。这些方法利用计算机对疏散场景进行建模，通过虚拟的行人成疏散的仿真，对疏散仿真数据进行科学的评价，为建筑物的规划、疏散通道的设计提供决策支持。

通过SFM模型可以进行人群疏散仿真，但在该模型中，行人的运动轨迹始终指向出口，疏散轨迹好似向出口流出，不符合实际的疏散情况，仿真中行人可能会收到阻挡而无法抵达出口。为了解决这些问题，本文引入了对路径节点进行标记方式用以优化行人的疏散过程，通过对场景变更对仿真结果进行了验证，表明本改进模型的有效性。

1前言

SFM模型是由Helbing等人1951年提出,该模型通过牛顿动力学公式来构建行人的受力方式,将行人的受力分别表示为：行人指向出口的自身驱动力、行人间的相互作用力、行人与建筑物之间的相互作用力，通过将这些力的合力作用于行人，使行人产生一个加速度驱动行人运动，实现人群的仿真。社会力模型应用较为广泛，张开冉等人[1]采用基于社会力模型仿真火车站中搬运行李人群的疏散仿真。焦宇阳等人[2]通过增加下降速度心理力，使传统社会力模型应用于三维空间的仿真。马尚等人[3]通过引入主动避让力,并结合颗粒离散元模型的接触理论对社会力模型进行改正。

本文在实现SFM的基础上，通过在仿真场景中增加路径节点改善了行人疏散的轨迹。在原始SFM进行疏散仿真时，行人的疏散路径基本一致，都是沿着障碍物的边缘指向目的地移动，并且当行人的运动方向与障碍物边缘接近呈垂直状态时，行人的运动速度会大大降低，甚至会速度变为零，从而导致行人不能到达目的地。本文采用增加路径节点的方式改进行人的疏散仿真。本文通过改进的SFM来实现多种情景下的人群疏散仿真。

2采用标记路径节点优化SFM的人群仿真

本文通过如下的方法改SFM型仿真过程中的疏散路径，首先通过人工的方式在场景中标记路径节点，其次通过路径节点与出口的联通性和距离来标记疏散参数，最后将路径节点与SFM结合驱动行人疏散仿真。具体算法描述如下。

2.1标记路径节点

在仿真场景中选择路径节点时需要满足如下两个条件：1在场景中的任意区域至少与一个路径节点的连线（直线）不相交于障碍物。2场景中的出口作为一个路径节点，所有路径节点的连线应为连通图，确保通过任意节点可以抵达出口。3在场景中随机增加路径节点来改善仿真的疏散路径。

2.2  计算路径节点疏散参数

输入：已计算路径节点集合；未计算路径节点集合；场景障碍物集合。

输出：已计算疏散参数的路径节点集合。

步骤：1、将出口点放入集合中，将出口点的疏散参数值标记为0。2、循环集合中的路径节点，计算和集合中的路径节点之间连接的线段，判断这些线段是否与集合中障碍物的区域相交，如果不相交则计算和之间的欧式距离作为的疏散参数(e)，计算方法如公式为。3、将集合中已经计算疏散参数路径节点移到集合中。4、如果集合中的节点数量不为零则跳转到步骤2执行，否则继续执行。5、输出集合。

3  人群仿真实验

本文进行多组不同场景的原始社会力和优化后模型的人群仿真，绘制行人的运动轨迹，图中绿色的线为行人轨迹，其中图 A、C为优化后的模型行人轨迹图，图B、D为原始行人轨迹图。从图中可以看出原始SFM中行人的轨迹呈现出以出口点的放射线，不够符合行人的运动规律，并且部分行人会被障碍物阻挡，影响仿真效果，但是优化后模型，行人都可以找到邻近的路径节点完成仿真。

图A                    图B                  图C                   图D

4  结论

本文通过标记路径节点、计算路径节点的疏散参数的方式优化SFM，进行了多组的人群仿真实验，实验效果表明该方法可以有效的弥补SFM的不足，改善人群的仿真效果。

参考文献

[1]张开冉, 杨树鹏, 何琳希,等. 基于社会力模型的车站负重人群疏散模拟研究[J]. 中国安全科学学报, 2017, 27(1):30-35.

[2]焦宇阳, 马鸿雁. 基于改进社会力模型的楼梯疏散研究[J]. 消防科学与技术, 2018(5).

[3]马尚, 张蕊, 齐泽阳,等. 对向行人避让与接触行为社会力模型改进研究[J]. 计算机仿真, 2021, 38(3):6.

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目(项目名称：基于最短路径改进的社会力人群疏散仿真模型研究，项目编号：202011058017)