基于Netlogo的弱视条件疏散仿真研究

张乃平+陈龙+姚峣

摘 要：计算机仿真技术已经成为研究行人疏散的主要仿真手段，基于可基本实现复杂自然现象及社会现象建模与仿真的netlogo建模仿真平台，结合建筑室内弱视条件下行人疏散的相关理论，研究了视野距离、出口宽度、室内行人数量、出口数量的变化对疏散的影响。在仿真中发现，基于netlogo的建模仿真比元胞自动机建模仿真更能反映微观个体的运动，也能体现更多的个体特征，仿真结果更能客观反映现实。

关键词：仿真；弱视条件；室内疏散；netlogo

中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.18.109

0 引言

某些突发事件发生时，可能会发生在晚上，或者引发火灾、断电、产生大量粉尘的情况，使得此类突发时间在疏散时必须在能见度不高、视野受限的情况下进行。由于建筑室内空间有限，黑暗、烟气、粉尘等恶劣环境容易对逃生着造成较大的心理压力，行人的疏散及运动行为明显不同于正常可见度的情况。弱视条件下的人群疏散是一个动态过程，其运动规则、疏散策略、疏散过程的动态演化需要从疏散理论及仿真模拟两个方面进行研究。

对于弱视条件下的室内行人疏散，国内外已有部分研究成果。

Isobe，Helbing等利用实验及仿真手段，研究低可见条件下室内人员的疏散行为，发现疏散过程可以分为两个阶段：随机行走阶段及沿墙行走阶段；拥挤是影响疏散时间的重要原因，增加多个出口并不能非常有效的降低疏散时间，对于有着固定人数的低可见条件下的室内疏散，有着最小的疏散时间。

Ryoichi Nagai，Takashi Nagatani等研究了出口配置对不可见条件下室内人员疏散的影响，Jeon等人研究分析了不同照明条件下人员疏散的行为；Guillermo A等利用社会力模型，模拟了在低可见条件下的室内人员疏散，发现了低可见条件下的人员疏散行为的三种行为模式：个人主义行为、类从众行为、沿墙运动行为。

国内学者主要是计算机模型，探讨相关变量对应急疏散的影响。关超等根据人在弱视情况下的行为特征，建立基于元胞自动机的逃生模型，对弱视情况下的人群疏散进行了模拟。模拟过程中考虑了人的学习能力及人与人之间的相互作用等因素，模型加入吸引子使模拟人的疏散行为更为灵活。基于人能通过熟悉周围环境作出合理判断的学习能力，引入了“积累步长”的概念，使人的沟通判断能力在模型中得到体现。同时通过大量的模拟实验，并讨论不同的环境条件对人群疏散的影响。陈海涛对建筑室内的应急疏散发表了多篇文献，并基于前人成果的基础，通过引入从众效应阐述了可见度较低时的元胞自动机疏散理论模型，并定义区分了普遍性从众、 理性从众和盲目从众，并对这三种从众对低可见度条件下的疏散的影响进行了分析研究。宋卫国等人利用实验并建立多格子气模型研究了弱视条件下行人的运动特点。

在主要的模型中，元胞自动机模型对系统环境及对微观个体的模拟不够细致，而社会力模型不能完全保证人员之间不相互碰撞，仿真数据同实际现象之间没有实现校准。而利用Netlogo平台建模，不仅可以基本实现行人应急疏散的建模与仿真，达到对微观个体的细致观察，同时建立的模型具有简便、易开发、易理解的特点。

本文基于Netlogo平台，利用现有弱视条件下的疏散理论，建立符合行人疏散动力学特征的疏散模型，分析不同可见度、不同室内人群数量、不同出口宽度、不同出口数量对疏散时间的影响，寻找弱视条件下建筑室内达到最佳疏散效果所需要满足的条件。

1 模型建立

1.1 模型概况

在本文中，每个“瓦片”代表着0.4m*0.4m的区域，每个“海龟”代表一个行，房间大小为8m*8m的正方形，随机分布着N（N=20，40，60，80，100，140）个行人，房间中有M（M=1，2，3，4）个出口，每个出口位于墙的中央，并对称分布，门的宽度为W（W=0.4，0.8，1.2，1.6）。可见度用S（S=1，2，3，4，5）表示，行人的视野距离为0.4S。模型建立后，共设计多种不同的仿真方案，图1显示的是某方案（S=3，N=60，M=2，W=0.8）的初始状态。

1.2 疏散策略

弱视条件下行人疏散的具体运动方式由行人视野范围的具体情况决定。如图2所示，根据行人的视野距离可以将疏散区域分为3部分：出口可见区域、墙壁可见区域、盲目运动区域。出口可见区域是到出口的距离小于或等于行人视野距离的区域；墙壁可见区域是到墙壁的距离小于或等于视野距離的区域；盲目运动区域是指疏散空间排除出口可见区域和墙壁可见区域后剩余的区域。行人随机分布在疏散空间内，由于视野有限，不同区域行人感知的信息不同，其疏散策略也不同。具体疏散策略为：

1）盲目运动区域内行人沿初始方向运动，到达出口可见区域或者墙壁可见区域，然后根据出口可见区域或墙壁可见区域行人运动策略进行运动；

2）墙壁可见区域行人先朝可见的墙壁运动，达到墙壁后沿着墙壁运动，直到达到出口可见区域，然后根据出口可见区域运动策略运动；

3）位于出口可见区域内的行人或行人到达出口可见区域后，直接向出口运动，直至到达外部安全空间。

1.3 行人运动规则

在系统内，行人（海龟）的大小同瓦片一样，但并不是刚好占据某个完整的瓦片，但每个行人没有重叠的部分。行人的仿真过程被离散成相等的时间步长，经过若干个时间步，行人最终通过出口安全离开房间。由于行人有着向左转的偏好，行人在达到墙壁后需要转向沿着墙壁运动时，设定向左运动及向右运动的概率都为0.5。在盲目区域，行人运动速度按照可见度为0的情况处理并设置为0.4m/s；在可见区域，行人的速度按可见度正常的情况处理，其运动速度为1.2m/s。

1.4 冲突处理

冲突是由于人与人之间行动不协调或竞争造成的 。竞争行为常发生在空间内人口密度很大时 ，因而冲突是不可避免的。本系统中，某时刻当两个行人按照既有疏散策略运动时在下一个时间步会出现重叠部分，这样就产生了冲突，针对冲突的处理办法如下：

（1）冲突发生在盲目运动区域时：系统随机选择其中的某个行人改变自己原来的运动方向并同另外一人一致。

（2）冲突发生在沿墙运动的阶段时：引入沿墙累计步长L的概念，表示行人从达到墙壁开始时到发生冲突时经历的时间步长。一旦行人到达墙壁就开始积累他所经历的时间步， 这相当于Agent对环境的认识。行人相遇之后双方选择墙壁累计步长较大的人所指向的方向为前进方向， 如果步长一致，则随机选择其中一个行人的方向为二者共有的方向，这样有利于行人尽量避免多余的路径寻找，也是行人之间信息共享及学习行为的表现。

在Netlogo平台上实现上述模型，并建立弱视条件下室内群体疏散的仿真系统，该系统总体效果图如图4所示。

2 仿真分析

仿真开始时行人初始位置随机分布，初始方向也随机分配，一旦行人初始位置及初始方向确定，行人按上述疏散策略和规则运动，疏散时间也就确定。可见，在疏散策略及规则确定的情况下，行人的初始状态对疏散有着很大的影响。为消除因行人初始状态对疏散时间带来的不确定性，每种方案，都模拟1000次。

2.1 室内视野距离对疏散的影响

视野距离是弱视条件下室内行人信息判断的第一要素，视野距离越大，行人越容易接收到墙壁及出口的信息，对自身疏散路径的选择也更为准确。在弱视条件下，视野距离对疏散效率有着重要影响。

图5通过仿真给出了疏散时间随视野距离变化的变化曲线，仿真中，出口宽为0.8m，出口数量为1，初始行人分别为20人、60人、100人。从图中可以发现，在不同的行人数量下，疏散时间随着视野距离的增加而减小，然而减小的幅度同文献[]相比显得更加平缓，这是因为由于本研究中可见区域内行人的运动速度较盲目运动区域内更快，同时加入“累计步长”的作用，相对于文献【7】而言，增加了仿真时的疏散效率，减小了视野距离对疏散时间的影响。同时，本研究发现，初始行人较大时，随着视野距离的增大，疏散时间减小的程度会越来越大，这主要是由于视野距离减小了盲目运动区域的面积，同时可见区行人速度更快，使得疏散效率提高。而初始人数较少时，随着视野距离的增大，疏散时间的减少程度较初始人数较多时平缓。

2.2 初始行人數量对疏散的影响

行人是疏散的主体，在正常视野条件下，初始行人的数量很大程度上决定着疏散效率及最终的疏散时间。图6给出了弱视条件下初始行人数量对疏散时间的影响，仿真中，出口宽度为0.8m，出口数量为1，视野距离为3。从中可以明显看出，随着初始人数的增加，疏散时间随之增加。然而同正常视野条件下相比，增加的疏散时间并不多。

为解释这一现象，图7给出了出口宽度为0.8m，出口数量为1，视野距离为3，初始行人人数分别为20人、100人时的单次仿真疏散时间步-疏散人数图。从图中可以发现，在初始人数为20人的某次仿真中，在第18个时间步，就有行人成功疏散，而直到第110个时间步，最后一位行人才成功疏散，在大部分的时间步内，出口并没有得到利用。在初始人数为100人时，第1个时间步就有行人成功疏散，而第126个时间步，所有行人成功疏散，大部分的时间步内出口都得到满负荷利用。在弱视条件下，由于视野的限制，行人看不到出口，可能存在着初始运动方向并不朝出口以及沿墙壁运动阶段选择方向也不朝出口的行人的情况，这样导致该行人花费了大量时间寻找出口，这种存在于弱视条件下，行人疏散过程中存在某一运动阶段离出口越来越远的现象，称之为“远离出口”现象。即便初始人数较少，由于存在“远离出口”现象，出口的利用率不高，疏散时间较长。“远离出口”现象正是导致弱视条件下随着初始疏散行人的增加疏散时间较正常视线条件下增加幅度不明显的原因。表1给出了在门宽为0.8m、出口数量为1、视野距离为1条件下不同初始行人数量下的疏散时间标准差，从表中可以看出，随着初始人数的增加，疏散时间的离散程度减小。这是由于初始人数较少时，“远离出口”现象的存在使得最后一人疏散时间的变化范围比较大，而初始人数多时，累计步长的存在减小了“远离出口”现象的影响，这体现了人与人之间的信息交互有助于提高疏散效率。

2.3 出口宽度对疏散的影响

出口宽度是决定室内建筑疏散能力的一个重要标志，其大小对疏散时间有着明显的作用和影响。

图8给出了出口数量为1，视野距离为3，初始行人分别为20人、60人、100人、140人条件下疏散时间随出口宽度的变化关系曲线。从图中可以发现，在初始人数为100时，随着门宽的增加，疏散时间先是迅速减小，随后基本保持不变。而初始人数分别为20人，60人时，疏散时间的减小十分缓慢，疏散时间基本不受门宽的影响。这是由于当人数较多时，若出口宽度为0.4m时，出口处一个时间步只能疏散一个行人，这样会在出口处形成拥堵，降低出口疏散效率。随着出口宽度的增大到0.8m，每个时间步最多能疏散的行人增加到2人，出口处很少形成拥堵，疏散效率大大加快，迅速降低了疏散时间。而随着出口宽度的继续增加，出口越来越难以形成拥堵，疏散时间主要取决于行人疏散路径，导致疏散时间依然会随着出口宽度的增加而减少，但是减小的速度变缓。而初始人数较少时，由于疏散人数较少，出口出极少会出现拥堵，因而随着出口宽度的增加，疏散时间的减小并不明显。

因此，选择有效的出口宽度，首先应当考虑室内行人的数量，行人数量较多时，增加门宽能有效的降低疏散时间，而人数较少时，增加门宽并不能有效降低疏散时间，相反，门宽过大，则对疏散没有帮助。

2.4 出口数量对疏散的影响

出口数量是室内环境的重要组成部分，对疏散也有着重要影响。本研究中，门的配置都是在墙壁的中央并成对称分布，不同出口数量的门的分布如图9。

图10给出了门宽为0.8m，视野距离为3，初始行人数量分别为20人、60人、100人时疏散时间同出口数量的关系曲线。从图中可以看出，当在建筑室内的出口相對一面墙多增加一个出口时，疏散时间迅速的减少。室内初始行人越多，多增加一个出口时疏散时间减少的速度越快，当出口数量增加到4时，疏散时间减少，但是减少的速度降低。这是由于越多的出口，降低了“远离出口”现象对疏散时间的影响。但是增加过多的出口对疏散时间的降低作用会越来越小。

结合2.3中的图8来看，相对于增加出口的宽度，在出口的相对一面增加一个出口，更能有效的提高疏散效率，减少疏散时间。

3 结论及建议

利用netlogo，建立弱视条件下的行人疏散模型，通过仿真，分析不同条件下视野受限时建筑室内行人疏散的情况，得出相关结论：

（1）视野距离的增加、初始行人的减少、出口宽度的增加、出口数量的增加，都有利于减少疏散时间。其中，在行人数量较大的情况下，出口宽度一定程度上的增加，能有效避免行人在出口处的拥堵，因而有效提高疏散效率降低疏散时间。

（2）“远离出口”现象是导致弱视条件下疏散效率不高的重要原因，在人数较多时，人与人之间的信息交互，能减少“远离出口”现象对疏散效率的负面影响。而在相对的墙面上设置出口，能快速的减少疏散时间，极大的降低行人寻找出口路径长度，降低“远离出口”现象对疏散时间的作用。

（3）相比元胞自动机模型及社会力模型，利用netlogo建模，可以体现个体（Agent）更多更复杂的属性，使得仿真结果同现实现象更加接近。

（4）为保证疏散效率，获得较好的疏散效果，体现出建筑最佳的疏散状态，在设计建筑时，需要同时考虑建筑室内所能容纳的最大人数、出口宽度、出口数量及出口设置三个因素，使得疏散过程高效快速，降低“远离出口”现象对疏散的负面影响，确保弱视条件下室内人员快速安全疏散。

影响行人疏散的原因众多，除了室内环境，个人特征也是很重要的因素。未来，行人的个体特征，如年龄、性别等也可在Netlogo平台中Agent的属性中得到体现，以期仿真数据更客观的反映实际。

参考文献

[1]岳昊， 邵春福， 关宏志，等. 基于元胞自动机的行人视线受影响的疏散流仿真研究[J]. 物理学报， 2010， 59（7）：4499-4507.

[2]关超， 袁文燕. 基于元胞自动机的弱视条件下群体疏散的仿真研究[J]. 中国安全科学学报， 2008， 18（12）.

[3]陈海涛， 张立红， 杨鹏，等. 视野受限时行人疏散模型分析与仿真研究[J]. 复杂系统与复杂性科学， 2014， 11（3）.

[4]陈海涛，刘占，张立红，等.低可见度情况下从众行为对疏散的影响分析[J]，中国安全生产科学技术，2016，12（8）.