基于PHOENICS的开放式商业仿真模拟系统设计

2021-02-06万婷，殷晴

现代电子技术 2021年4期

万婷，殷晴

（东北林业大学，黑龙江哈尔滨150000）

0 引言

大型城市商业区普通高峰日的浏览客流高达数十万人次[1]，商业区内包含大量不同类型、功能的设施与布局[2]，构成了复杂的结构形式，同时复杂的人流活动对于商业区的有效运用提出更高的要求[3]。为保障商业区的有效运行，提升商业区经济效益，对商业区复杂的人流活动进行仿真模拟，以了解当前商业区商业结构规划下存在的问题[4]，依照所发现问题进行相应的优化十分重要。基于此，设计基于PHOENICS的开放式商业仿真模拟系统，在商业区三维模型基础上利用PHOENICS软件分析商业区人流量，实现商业区商业结构优化，提升商业区经济效益。

1 基于PHOENICS的开放式商业仿真模拟系统

1.1 系统整体结构设计

开放式商业仿真模拟系统主体选取以能量级为主体的仿真模拟形式[5]，仿真模拟过程中，需先对商业区地形数据库与材质数据库实施预处理，也就是依照仿真模拟商业区三维地形数据构建商业区环境，对不同纹理的地貌进行纹理映射[6]，利用地形数据处理软件包对商业区地形数据进行处理，构建地形地质体散射特性模型与目标特性模型，并以此作为PHOENICS商业软件包的输入数据。以商业区人流为研究对象，在商业区环境中，依照商业区的人流信息仿真商业区商业情况[7]，生成并输出对应的数据、图像，由此完成商业区环境仿真与模拟。基于PHOENICS的开放式商业仿真模拟系统的整体结构如图1所示。

图1 开放式商业仿真模拟系统整体结构

基于PHOENICS的开放式商业仿真模拟系统中分别采用Creator软件和TMM软件作为商业区三维地形建模工具与地形纹理映射工具。预处理模块中利用TMM软件、材质数据库以及地形数据库构建商业区地形纹理配置文件[8]，由此设定商业区不同区域基本单元的地物散射特性数据；商业区地形纹理配置文件内含有商业区地形纹理、散射截面积以及商业区地形纹理区域尺寸等。行人仿真模块提供商业区行人状态等参数信息。通过控制面板的功能实现商业区人流量等的选择与控制。

1.2 商业区三维地形建模

预处理模块中，商业区三维地形建模过程如图2所示。使用Creator软件进行商业区三维建模流程的具体过程为：确定模型位置、生成模型纹理、准备模型数据、导入模型数据、构建三维模型等。

将商业区.dwg格式的AutoCAD划分为数个较小区域并导入Creator软件内，此过程中需保障AutoCAD底图大小同显示距离一致[9]，以此确定所构建商业区域模型位置。

利用PS软件将商业区建筑区数字图像制作成三维模型，构建所需纹理，为保障纹理在实时渲染与漫游过程中不会出现改变与丢失问题，将纹理格式转换为.rgb或.bmp格式[10]，同时设定满足要求的图片像素。

图2 商业区三维模型构建

基于上述数据与纹理准备，通过Creator软件实施商业区三维地形建模，将所建模型存储为.flt格式。导入模型数据过程中需要注意对数据库结构与模型实施简化处理。选取二次开发软件实施编程，构建商业区虚拟三维场景，满足仿真需求。

1.3 行人仿真

在商业区三维地形模型基础上，行人仿真模块采用泊松分布模型生成商业区行人。商业区行人仿真模拟主要包括两个方面[11]：行人生成与行人移动。

选取泊松分布模型实现商业区行人生成，基于控制面板输入的商业区行人流量数据，依照泊松分布概率实现商业区行人随机生成：

式中：E(a)表示计算时间间隔t内行人数量达到a人的概率；δ为单位时间内达到的行人数量；ae表示时间为e时的行人数量。

采用格子气模型仿真行人移动，该模型将行人视为具有随机移动特性的气体粒子，当行人具备清晰运动路径时，可对行人的每一步运动赋予四种不同属性[12]：向前、向左、向右、停止，行人依照移动过程中可能出现的感兴趣的商业活动选择运动属性，不同运动属性均具有对应的概率。

商业区行人生成过程中采用同步更新标准[13]，行人生成、更新流程如图3所示。

商业区行人生成更新流程如下：

1）初始化。

2）通过行人波动实现模型生成行人，设定行走时间，获取行人位置与速度等信息并对信息实施存储。

3）通过存储的行为位置与速度等信息，判断行人位置是否到达对面边界[14]，当行人位置到达对面边界值，清空该行人，存储其行走时间；相反，则依照行人位置冲突与速度情况，使行人继续移动。

4）更新全部行人的位置与速度等信息，并存储信息。

5）通过行人波动实现模型生成行人，设定行走时间，确定新行人的位置与速度信息并存储信息。

6）模拟方式时间+1。

7）判断是否满足模拟仿真时间标准，当满足标准后，停止更新，输出仿真数据；相反则返回步骤3），继续模拟仿真过程。

图3 商业区行人生成、更新流程

1.4 PHOENICS软件仿真建模

将商业区三维地形模型与行人仿真结果导入PHOENICS软件内，利用PHOENICS软件进行商业仿真模拟，具体过程如下：

1）打开PHOENICS软件，点击开始菜单，点击程序，点击PHOENICS下“PHOENICS-VR”选项。

2）于工具箱内，点击Menu下“Geometry”选项，coordinate system，点击“cylindrical-polar”选项，设定domain size坐标值：（x，y，z）=（6.17，1，0.001）。

3）点击工具箱，点击“obj”选项，设定坐标值：（x，y，z）=（6.172，0.020，0.001）；点击geometry，点击“poldef”选项；在shapes文件内确定polcu7；点击typs，点击“solid”选项；点击copper at 27 deg c，于ennergy source内点击“fixed neat flux”选项，其value在initial temperature内可表示为商业区初始人流量。

4）选取计算模型：点击工具箱menu，点击“model”选项，设定solution for velcoities and pressure为on，于energy quuation内点击temperature。

5）设定初始环境：点击工具箱menu，点击“initialisation”选项，设置initial value for each variable内的P1值、U1值、V1值和TEM1值分别为100 214，0，0，20。

6）设置边界条件[15]。

7）划分网格：点击工具箱menu，点击Geometry，确定“number of bells”选项，确定划分网格数量；在PHOENICS软件相应界面内确定网格图标，在圆中随机确定一点均能够完成细化网格目的。

8）确定松弛因子和计算过程：点击工具箱menu，点击numeries，进入“total numbers of iterations”内，输入计算过程所需步骤；进入“relaxatons control”确定不同项目内容的松弛因子。

9）运行与调试：点击开始菜单，点击run，选取earth；优化松弛因子值，确保误差降至0.01，确保商业区空间内不同点值在正常值范围内。

10）监测模拟仿真结果：点击run内“vr viewer”选项，修正P.V.E.呈现商业区空间内各点人流量的分布情况。

基于上述10个具体步骤，能够获取商业区不同区域人流量情况，并经过变化商业区划分网格数量，初始人流数量等方式完成商业模拟仿真。

2 性能测试

实验为验证本文所设计基于PHOENICS的开放式商业仿真模拟系统对于商业仿真模拟的性能，选取某市南区商业区为研究对象，采用本文系统对其实施商业仿真模拟。

2.1 研究对象概况

该研究对象位于所在城市南区的核心区块，总建筑面积和容积率分别为401 100 m2和0.7，建筑密度与绿化率分别为19%和40%，规划整体自南向西延伸，整体分为4个区域、3个停车场、5个出入口，分别为：A区（电器与贵重物品区域）、B区（服装、鞋、帽、针织品区域）、C区（百货区域）、D区（快餐与食品区域），1号停车场、2号停车场、3号停车场，a入口、b入口、c入口、d入口、e入口。不同区域之间由绿化、水体、天桥、景观组等连接，不同区域之间既有效区分，又相互关联。

研究对象概况整体区域如图4所示。