大型建筑物中的人员快速疏散系统仿真

张泰永

(淄博市城乡规划发展中心，山东 淄博 255000)

在城镇化建设进程的不断推动下，城市建筑物呈现出规模大、密度大等特点，为了进一步提高人员疏散率，确保人员在第一时间内快速逃离安全地带，我国对大型建筑物人员疏散仿真系统功能实现效果严格按照相关标准和要求，旨在提高建筑物安全管理水平，保证人们的人身安全和财产安全。因此，如何科学地设计人员疏散仿真系统是技术人员安全管理大型建筑物期间必须思考和解决的问题。

1 基于CAS疏散仿真模型的构建

本设计的人员疏散仿真系统，属于比较具有代表性的复杂系统。为了保证系统设计水平，技术人员需要根据建筑物的特点，利用复杂适应系统(CAS)相关理论，完成对人员疏散模型的构建。该模型主要由以下3个部分组成：(1)环境：主要包含墙壁、桌椅等障碍物以及人员主体；(2)主体：指人员主体；(3)主体规则：主要指人员主体必须遵守的基本规则。

2 系统设计

2.1 系统设计思路

为了保证人员疏散仿真系统功能实现效果，技术人员要从大型建筑物空间构造状态和障碍物存在状态，完成对虚拟环境的设计。该虚拟环境主要包含二维空间、人员疏散时间以及障碍物有无状态等。此外，还要根据人员所对应的行为准则，根据环境变化情况，及时更新和调整人员自身状态。所以，在设计该系统期间，技术人员要做好对人员主体Agent模块的设计。在这一过程中，首先，要借助二维对象空间，完成对Grid2dImpl对象类的实现，该类主要由网格组成[1]，在进行具体实现期间，要根据人员主体的大小，科学设置各个网格的大小。当大型建筑物内所有对象创建完毕后，需要进入到ModelSwarm模块设计环节中。该模块主要用于对以下2种对象的创建：一种是人员主体对象[2]；另一种是障碍物对象。同时，还用于对人员主体行为的自动化调度，当ModelSwarm模块设计结束后，进入到ObserverSwarm模块设计环节中，该模块主要用于对人员疏散仿真界面的科学设计，确保大型建筑物内人员在紧急情况下能够快速逃离到安全地带[3]。另外，通过利用该模块，可以实现对建探测器Probe的创建，以实现对人员疏散人数和人员疏散时间2个参数的变化规律和情况。当ObserverSwarm模块设计结束后，说明整个系统设计完满成功。

2.2 系统功能模块设计

为了进一步提高人员疏散仿真系统的运行性能，技术人员要严格按照如图1所示的系统功能模块设计示意图，完成对该系统的科学设计。

图1 人员疏散仿真系统功能模块设计示意图Fig.1 Schematic diagram of functional module design of personnel evacuation simulation system

2.2.1人员主体模块设计

人员主体模块在具体的设计中，主要用于对人员主体相关模型的构建，在构建人员主体相关模型期间，需要做好对人员主体行为准则的正确设置。该主体的行为准则主要包含以下3个方法：selectPosition()方法、move()方法和exitFromHall()方法；3种方法描述如表1所示。

表1 人员主体主要方法功能描述Tab.1 Description of main methodsand functions of personnel

2.2.2ModelSwarm模块设计

通过利用ModelSwarm模块，可以将主体、主体行为规则和行为序列进行有效地结合，为后期精确地分析和追踪人员疏散数量的变化情况打下坚实的基础。该模块主要包含以下3种方法：buildObjects()方法、buildActions()方法和activateln()方法；这3种方法描述如表2所示。

表2 ModelSwarm主要方法功能描述Tab.2 ModelSwarm main method function description

2.2.3ObserverSwarm模块设计

ObserverSwarm模块主要用于对系统仿真界面的创建，此外，通过利用该模块，还能实现对探测器Probe相关参数的设置和监测。该模块主要包含以下3种方法[4]，分别是buildObjects()方法、buildActions()方法、activateln()方法。bserverSwann主要方法功能描述如表3所示。

表3 bserverSwann主要方法功能描述Tab.3 BserverSwann main method function description

2.2.4启动模块设计

启动模块作为系统的核心模块，为人员疏散提供了很好的入口。为此，技术人员通过借助显示仿真界面，可以对ObserverSwarm进行实例化操作，并构建各种对象[5]，启动模块主要包含以下6种方法：initSwarm()方法、buildObjects()方法、buildActions()方法、activateln()方法、go()方法以及drop()方法；启动模块的主要方法功能描述如表4所示。

表4 启动模块的主要方法功能描述Tab.4 Function description of the main methods of starting the module

3 系统实现

3.1 启动模块实现

整个仿真系统在具体的设计中，需要借助启动模块进行启动运行，该模块主要用于对Swarm仿真环境的初始化处理。同时，还负责对ObserverSwarm对象的创建。该模块在进行初始化处理期间，要完成对整个程序名称、Swarm版本号、命令行参数等相关参数的设置和传递；在此基础上，还要做好对ObserverSwarm对象的创建，便于系统在正式启动后，可以将用户控制面板自动呈现出来，使得用户能借助系统控制面板，实现对程序流程的自动化、规范化控制。当用户点击“Start”按钮后，程序一直保持继续执行状态；当用户点击“Quit”按钮时，系统会自动退出。

3.2 ObserverSwarm模块的实现

ObserverSwarm模块主要用于对用户界面的自动化显示，该模块在具体的实现中，要调用buildObject()方法，对人员主体进行科学创建，确保所创建的人员主体能够符合复杂系统应用需求；这是由于当所有人员主体始终处于所指定的时空，才能更好地适应复杂系统的应用需求。另外，还要从人员主体中获得相应的数据，并采用图形化的方式，将这些数据形象、直观地呈现出来。所以，通过利用该模块，可以借助图形化的方式，将抽象、难懂的数据形象，直观地呈现在用户面前。在此基础上，还要调用buildObject()方法，以实现对对象集的创建。

3.3 ModelSwarm模块的实现

ModelSwarm模块在具体的实现中，通过调用buildObject()方法，以实现对主体和系统空间内相关障碍物的自动化构建；同时，将构建好的消息队列发送于人员主体。此外，还要采用打包的方式，将该消息添加到指定的行为时序列表中，确保这些消息在合适的时间，能够安全、可靠地传输于指定的人员主体中。

4 实验仿真与结果分析

4.1 实验环境说明

该系统在具体的设计中，主要利用了Java语言；然后，根据大型建筑物紧急情况，开发出相应的人员疏散仿真系统。同时，系统开发中所用到的开发工具主要包含2种：一种是Eclipse340；另一种是JDKl6。为了更好地验证该系统的有效性和可靠性，现借助该系统，对某大型建筑物内的人员疏散进行真实化仿真和模拟[6]，从而将该建筑物内的人员疏散情况真实、有效地呈现在用户面前。对于人员疏散仿真系统而言，其用于监测系统参数变化情况的界面主要由以下几个部分组成：控制面板、疏散人数观察器、ModelSwarm探测器。一旦大型建筑物遇到紧急情况，该系统仿真界面会呈现出所有桌子的摆设状态。在此基础上，通过利用该系统所对应的仿真界面，可以开展人员疏散相关工作。这是由于该仿真界面很好地呈现出所有桌子等相关建筑结构所对应的摆设实际变化情况，为后期实现对人员疏散的精确化、真实化仿真打下坚实的基础。此外，通过利用该界面[7]，可以精确地观察和了解人员疏散整个过程；同时，还能清晰地观察和掌握不同人员在相应时间段内所对应的疏散情况。

4.2 环境初始化

当系统仿真界面构建结束后，要进入到环境初始化环节中。在这一环节中，需要保证大型建筑物内部桌椅摆设状态始终不变，并对大型建筑物内部空间进行初始化处理。对于人员而言，其初始化主要包含以下2种：一种是人员数量初始化；另一种是人员位置初始化。人员初始化主要是指根据当前人员所对应的实际分布情况，采用随机处理的方式，对相关参数进行初始化处理；此时，该系统会自动呈现出人员疏散仿真界面[8]。通过利用ModelSwarm探测器，将人员、墙壁、桌椅等障碍物存放于指定的对象空间内，并对人员所处的空间长度和宽度进行科学设置；然后，借助二维坐标，精确地表示出空间人员的个数。当人员进行疏散时，指定空间内人员数量会呈现出不断变化地趋势，且该变量也会出现相应的变化。此外，通过利用ObserverSwarm模块，对显示窗口所对应的显示频率进行科学调节和控制，根据相关参数，观察系统当前所处的人员疏散仿真状态。如果仿真状态没有结束，变量被设置为“false”；如果仿真状态结束，变量被设置为“true”状态。另外，还要设置相应的参数，用于表示人员疏散需消耗的时间，初始值为0。

4.3 人员疏散仿真及结果分析

通常情况下，大型建筑物内所对应的空间尺寸、出口位置以及出口个数是固定不变的；而桌椅摆设始终处于不断变化的状态。人员在进行疏散期间，桌椅摆放状态不同，直接影响了人员的整个疏散时间。因此，桌椅摆放对人员移动情况产生了一定的阻碍作用。在进行仿真期间，技术人员要根据有无障碍物的状态，做好对相关模型的构建[9]。为此，技术人员要根据以下2种情况，做好对人员疏散仿真处理，一种是有障碍物情况；另一种是无障碍物情况。当大型建筑物处于无障碍物情况下，对人员疏散进行仿真模拟，在此基础上，对有障碍物的大型建筑物进行人员疏散仿真处理。

4.3.1无障碍物情况下人群疏散仿真

在完成系统参数设置的基础上，通过利用系统检测界面，对人员数量和疏散时间进行不同处理，从而得出如图2所示的无障碍物时疏散人数与时间的关系。

图2 无障碍物时疏散人数与时间的关系Fig.2 The relationship between the number of people evacuated and time when there are no obstacles

由图2可知，在起始阶段，大量的人员距离出口较远，在这一时间段内，疏散的人员数量往往相对较少；经过5 s后，到达出口的人员数量逐渐呈现出不断增多的趋势，因此，在这一时期，所对应的疏散人员数量增长幅度不断加快。当经过15 s后，由于出口具有一定的瓶颈，单位时间内通过出口的人员数量有限，在初始阶段，人员疏散状态逐渐转向一种比较稳定的趋势；当经过71 s后，整个空间全体人员已经完全疏散完毕。

4.3.2存在障碍物情况下人群疏散仿真

存在障碍物情况主要是指人员在进行疏散期间，所对应的疏散环境主要存在以下2种障碍物，一种是桌椅；另一种是讲台。由于受到这些障碍物的影响，人员在实际疏散期间，要及时改变移动方向。因此，需要借助该系统所设置好的参数，对人员数量和人员疏散时间进行精确计算和统计，从而得出人员数量与人员疏散时间之间的关系；存在障碍物时疏散人数与时间的关系如图3所示。

图3 存在障碍物时疏散人数与时间的关系Fig.3 The relationship between the number of people evacuated and time when there are obstacles

由图3可知，在初始阶段，大部分人员距离出口较远，在这段时间内，所对应的疏散人数相对较小，当经过6 s后，到达出口的人数呈现出不断增多的趋势，在这一时间段内，疏散人员数量增长幅度不断加快；当经过15 s后，由于出口具有一定的瓶颈作用，单位时间内，通过出口的人员数量是有限的。由此可见，人员疏散数量与人员疏散时间之间具有一定的线性关系；当时间经过77 s后，整个空间全体人员全部疏散结束。在不存在障碍物和存在障碍物2种情况下，通过分析和对比大型建筑物内人员疏散仿真结果，发现本设计的人员疏散仿真系统，功能强大、适用性强，完全符合人员疏散仿真模型相关评价标准和要求。

5 结语

综上所述，对于大型建筑物而言，其人员疏散仿真是一个漫长、复杂的过程。本文通过利用CAS理论，完成对人员疏散仿真模型的构建，并借助CAS仿真平台，设计和实现了人员疏散仿真系统，有效地保证了系统功能实现效果，为用户带来良好的使用体验，完全符合人员安全疏散相关标准和要求；为快速解决安全事故，降低人员伤亡概率提供重要的平台支持。由此可见，本文所设计的人员疏散仿真系统具有非常高的应用价值和应用前景，值得被进一步推广和应用。