一种实用的基于GIS的人员疏散模型

任竞颖

（商丘师范学院 计算机科学系，河南 商丘 476000）

近年来，在各种公共场所的人群聚集活动越来越多，各种事故和紧急事件频繁发生，直接威胁着人民的生命财产安全并带来不同程度的经济损失。故对于大量人群聚集的场所，应预先对人员的疏散方案进行充分地准备，做好各种应急的疏散预案。地理信息系统（GIS）[1]在信息管理、空间分析和可视化表现等方面具有强大的优势，可以为人群的疏散模型研究提供全新的技术支持。

1 模型所基于的假设

人员疏散量化的基础是对自然现象的观测，疏散仿真系统也正是以几条对疏散人群的观测结果为建模的基础的。从大量的分析结果可以看出，其中的一些是疏散人群行为的根本特征，而另一些则是由人的一些特征所导致的结果。为了尽量真实地模拟疏散人群的动态，必须对模型进行一些假设，从而体现出那些根本的、起决定性作用的因素的影响。

在疏散模型中，主要将体现以下几条人群疏散时的特征[2]：

1）在疏散时，个人总是想选择到最近的出口的最短路线；

2）疏散人员是清醒的，在疏散开始的时刻，同时同刻井然有序地进行疏散，且在疏散过程中，不会中途返回选择其他疏散路径；

3）个人十分不愿意偏离其意愿的行进方向，即使改方向已经比较拥挤了，个人也不愿意绕路；

4）在一定的情况下，个人十分容易受周围人的行为的影响，从而表现出一种盲从行为；

5）火灾的发展趋势、指示信息和命令对疏散的人有很大的影响。

2 空间的模型化

2.1 空间格网的划分与空间中的元素

在模型中，建筑平面被划分成大小相等的正方形单元格，格子边长为0.4 M[3]。待仿真的区域为被墙和出口包围的单元格集合，而待疏散的每个人都用一个单独的Agent来表示（在仿真术语中，作为研究对象的个人称为Agent）[4]。

在空间中，文中主要考虑5种不同的元素：墙（包括障碍物），人，门，走道，火灾发生区域。

因此，加上单元格不被占据的情况，单元格共有5种状态：被墙（或被障碍物）占据，被人占据，被门占据，被火灾区域占据，单元格为空。5种情况必居其一，且只能居其一。一个人也只能占据一个单元格。因此，人的位置不仅可以由其坐标来显示，也可以由其所处的单元格编号来表示。

对于空间及空间中的元素，采用图层（FeatureLayer）来表示，主要包括格网图层（线层，主要用来作为空间编辑图形的参考）、墙图层（面层）、火灾发生区域图层（面）和Agent图层（点层）等。

2.2 建筑物几何结构和周围环境影响的建模

在疏散过程中，个人的行为要受诸多因素的影响。大体上说，这些因素可以分为两大类。第一类，静态的物理场景（即建筑物几何结构）对人行为的影响[5]；第二类，动态的周围环境对人的影响。

首先，建筑物的空间结构是人做出行为判断的最根本依据，其中出口的位置又是最重要的。疏散时人总是要选择最近的出口，在模型中用一个参量—“距离场”来描述。对在仿真区域中任意的不为障碍物所占据的单元格，都有一个与之对应的静态场强值，它的大小为该单元格到达最近的出口的最短距离。显然，对于表示出口的单元格，表示个人的Agent只要始终沿着静态场的梯度方向，从场强高的地方移向低的地方，它的行动路径就是到达最近出口的最短路径。在本模型中的静态场中，一般给墙和被障碍物占据格设置比较大的场强值。这种用一个场来描述建筑空间信息的方法已经为很多疏散仿真模型所采用，几乎所有的离散微观仿真模型和一部分连续模型都采用了类似的方法。 对于一个房间多个出口的空间结构，模型中我们仍然以离房间门的距离确定其静态场，通过比较到多个出口的距离，按照一定的权，给门分配一定的单元格，在此单元格内的人，则从该门出去。

其次，疏散中人的行为还要受一些别的因素的影响。比如说，某个地方着火了或者有清晰的指令要求人们到达某处，这些都会对人产生很大的影响。由于这些因素会随着时间的流逝而变化，有可能哪个地方不能去，也有可能那个地方是人们要去的，在模型中统一以另一个参量—“动态场”来描述。与静态场类似，每一个不为障碍物所占据的单元格，都有一个与之对应的动态场强值。某单元格对个人的吸引力越高，则该格的场值越小（与距离场统一）。比如说，在疏散过程中有指令要求人员疏散至某处，则该地点的动态场强值就小。在仿真时，就会吸引更多的Agent到达该处[5]。总之，在模型中，所有的对疏散的影响因素都被用“距离场”和“动态场”描述。

2.3 房间、走道和楼层出口之间的关系处理

当房间中的疏散人员离开房间后，连接房间和楼层出口之间的部分都属于走道部分。对于复杂的建筑物来说，走道可能是多个入口、一个出口的空间，也可能是多个入口、多个出口的空间。入口是指与上一疏散通道相连的各房间单元，出口是指楼层的出口。

当走道是多个入口、一个出口时，所有从房间等通道单元出来的人，都进入了走道部分，他们的移动目标都是楼道出口。人们只需要按照离楼道出口最短的路线移动，就可以完成疏散动态的模拟。但是，当走道是多个入口、多个出口时，即楼道出口有多个，那么所有人并不一定从一个出口出去，问题就复杂很多，国内在这方面的研究成果非常少。此时，需要考虑哪些房间的哪部分人会从哪个出口出去，即需要给各个楼道出口分配一定的通过人数。文中根据房间的出口处的单元格到各个楼层出口的通道长度来定权分配，并确定房间内疏散人员离开房间后会以哪个楼层出口为移动的目的地。

3 建立人的模型

3.1 人员类型的建模

人员的行进速度不仅与火灾事故现场的空间结构状态和事故状态有关，而且受疏散人员年龄、性别、生理、心理及工作状态等因素的影响，与人员的着装及荷载情况、疏散人员的分布特点以及人员相互之间的社会关系有关[3]。由于时间和能力有限，将人群仅分为男人、女人、小孩和老人这4大类，且未对人群种类的速度与密度之间的关系以及各种影响人员速度的因素做深入的研究。假定人群的速度为常量值，如男人和女人的步行速度为1.2 m/s，用半径为0.2 m的小圆表示。小孩和老人的步行速度为0.8 m/s，用半径为0.12 m的小圆表示。通过对各种类型的人的属性参数的计算，显示其在建筑空间中的位置和动态疏散的情况。人的属性参数包括人所在单元格的状态、单元格的静态场值、疏散人员的速度等多种属性。

国外学者Fruin建议一个人占据0.45 m×0.61 m的矩形面积[6]。根据我国人体的体厚与肩宽测量数据：按椭圆计算时人体的平均投影面积为0.164 m2；按矩形计算时人体的平均投影面积为0.197 m2。因此，从以上人体投影面积的相关数据，取一个中间量，选择0.4 m×0.4 m的正方形方格为疏散人员的投影面积[7]。

3.2 人的行为的建模

微观模型的重点在于单个人的建模，这也真是本模型的核心。本模型对于单个人，采用一个点图层来表示，用人的初始位置的单元格编号来标识人。同时，考虑到人移动的速度，定义人的4方向为邻居，如图1所示，在仿真模型中，任意人在下一个时间段内可能的位置有5个，即原来的位置加上相邻的4个单元格。人依照一定的规则或算法在这5个格子中选取一个作为下一步所处的位置。

图1 人的四方向行走图Fig.1 The four direction map

对于某个人而言，它依照自己所处的单元格子加上相邻4格共5格的状态，从中选择一个单元格作为自己下一时间段所处的位置。假设它在t时刻的位置的单元格编号为（i，j），则其他相邻的 4个格子的单元格编号分别为 （i，j-1）、（i-1，j）、（i，j+1）和（i+1，j）。 若 5 个格子中某个单元格被别的人或者障碍物占据，称之为不可达格，赋予其对应的属性值；否则称为可达格，赋予其对应的属性值。

3.3 人的行为冲突的协调

首先所有个体做出决策，对应的单元格编号和将移动到的下一个单元格的编号存放到一个数组中，当两个个体同时走向同一单元格时，规定只有一个个体不移动，而另外一个个体不移动，保持原来的位置。

4 实现疏散模型的关键技术

模型是以元胞自动机更新规则为基础，结合了多自主体、人工智能等研究思路建立起来的。模型的基本框架是将建筑物平面进行均匀的网格划分，每个网格或被墙壁或其他障碍物占据、或被人员占据、或者为空。每个网格必须是这3种状态中的一种，而且只能有一种状态。模型中人员的运动将遵循一定的局部规则并具有一定的智能性，其行为会随周围环境的变化做出相应的调整。

模型中每个元胞对应0.4 m×0.4 m的空间，规定每个时间步每个人员都只能动一格。模型局部的运动规则在每个时间步有两个基本问题需要解决，一是路线的选择问题，二是如何解决当多于一人同时竞争一个空格点时产生的冲突。模型中，赋予每个人员所在网格一个静态场值，场值越小，表明该元胞（即网格）对人员的吸引力的越大，各出口点的场强值为0，对人们的吸引力最大。所有人员将根据其周围邻域内的所有元胞的状态和静态场值来选择一个相邻的元胞作为下一步的移动目标，当多个人员竞争同一个网格时，只能有一个留下，其他的回到原来的网格。如图2所示。

图2 四方向行走及其行走概率Fig.2 Four direction and walking probability

用元胞自动机模拟一个物理过程，省去了用微分方程作为过渡而直接通过指定简单的规则来模拟非线性物理现象[3]。也就是说，元胞自动机具有利用简单的、局部规则的和离散的方法描述复杂的、全局的、连续系统的能力。

5 疏散模型的试验

疏散模型在应用前，需要验证以确定其预测功能。火灾中的人员疏散是一项十分复杂的过程，即使试验条件控制得非常好，也需要进行重复试验。因为，即使是重复进行由多人参加的真实疏散演习，得出的结果也不会相同。由于篇幅有限,仅对单一房间内人员的疏散进行描述。

单一房间是指疏散空间只有一个出口的单元建筑物空间。下面选用一个长6 m、宽4 m的单一房间，出口宽度为1.2 m，随机分布了10个人的状态。其在几种时刻下的疏散状态如图3所示。

从图3中，可以看出，对于人数来说，24 m2的空间相对很大，人口密度仅为0.42人/m2，总共疏散时间为6 s，人群没有发生过度拥挤的情况。同时，可以发现模型可以很好的重现实际观察到的“同向人同道”现象。因此，该模型可以在行人运动和人员疏散研究工作中起到相应的作用。

6 结 论

图3 单一房间人员疏散图Fig.3 Single room evacuation map

由于实际工作的需要和其理论上的价值，对人群运动规律，特别是疏散中人群的运动规律的研究，近来逐步成为公共安全研究的一个热点。最主要的研究方法是建立疏散仿真系统，对各种情况下的运动做出模拟。文中在现有的各种仿真模型的基础上，建立了一个基于GIS的微观离散疏散仿真模型，并在此模型基础上开发了相应的仿真系统。通过仿真系统的试验，可以看出通过仿真来研究人群的疏散有很大的优势。人员疏散本身是比较复杂的，涉及到人的心理素质、文化背景、教育、生活习惯等难以量化的因素，这些影响因素很难准确地用数学模型来进行描述，必然造成模拟计算结果的偏差，仿真软件不可能完全模拟人员在火灾过程中的行为，模拟得到的疏散时间不可能做到十分精确，强调某一个模型的计算精度在几秒钟之内是没有必要的，值得重视的是应该对不同疏散场景的比较，以找出可能出现的最不利位置，从而优化疏散路线的设计。

[1]龚建雅.地理信息系统基础[M].北京：科学出版社，2001.

[2]Owen M.The EXODUS evacuation model applied to building evacuation scenarios[J].Fire Engineers Journal，2010，20（7）:27-28.

[3]陈静.基于ArcGIS的动态显示模型开发与应用[D].上海:华东师范大学，2009:34-36.

[4]蒋波涛.ArcObjects开发基础与技巧—基于VB.NET[M].武汉：武汉大学出版社，2006.

[5]Lo S M，Fang Z，Lin P，et al.An evacuation model:the SGEM package[J].Fire Safety Journal， 2009（39）:16-17.

[6]胡广霞.火灾模化法对大空间建筑人员疏散安全评估[J].沈阳航空工业学院学报，2010，2（3）:27-29.HU Guang-xia.The fire modeling method for large space building evacuation safety assessment[J].Journal of Shenyang Aerospace University， 2010，2（3）:27-29.

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