一场模拟的火灾中,假设的走廊里挤满了逃生人员。在左侧的电脑屏幕上,人员相互穿过彼此的身体,毫无阻滞地涌向出口;而右侧屏幕上,人员则互相推挤、避让,在狭窄处形成了短暂的堵塞。
这并非软件故障,而是疏散模拟中“带碰撞”与“不带碰撞”两种核心建模理念的直接体现。当虚拟的“人”能够互相穿透,我们得到的是理想化的数学效率;而当他们拥有“实体”并遵循物理规则时,我们看到的则是逼近真实的复杂社会行为。
知行INS运用一种基于元胞自动机的碰撞算法。通过网格化划分场景空间,根据障碍物位置判定网格占用状态,当发现到碰撞风险时触发规则化避障机制,在提高仿真真实性的同时平衡计算效率。
相关研究中,疏散及碰撞风险的定义大体可归纳为2种:
①从数理模型角度出发,认为疏散风险是时间的函数,是触发时间和疏散完成时间的差值。
②从疏散过程角度出发,认为疏散风险是疏散过程中人群受到突发事件影响导致受到损害的风险,而碰撞风险则是由于人群出现碰撞、推搡等行为导致受到损害的风险。
对于疏散风险的评价指标,相关研究多沿用经典行人动力学中人群密度、通行速度、流量、比流量等指标;也有在此基础上针对地区和人群特点提出的评价指标;但对于碰撞风险指标的描述却鲜有涉及。
对比维度 | 带碰撞的精细化模型 | 不带碰撞的简化模型 |
核心原理 | 视行人为有尺寸、质量的物理实体,进行实时碰撞检查与响应。 | 视行人为无体积的点或网格占位符,运动基于预设规则,忽略物理交互。 |
模拟的行为特征 | 拥挤减速、排队、避让、绕行、恐慌推挤、可能发生的跌倒堵塞。 | 人员以理想化速度移动,可相互“穿透”,出口处按顺序“瞬移”。 |
关键算法/理论 | 社会力模型、方位距离效应函数、包围盒碰撞检查算法、元胞自动机避障。 | 元胞自动机(基础版)、路径算法、流体力学类比模型。 |
典型适用场景 | 精细设计与防护评估:大型交通枢纽、体育场馆、复杂商业综合体、影视。事故复盘与高保真演练。 | 快速评估与筛查:建筑方案初期的疏散时间估算。宏观策略分析:大规模区域(如城市街区)疏散的路径规划。 |
优势与局限性 | 优势:结果高度贴近现实,能识别微观瓶颈,评估踩踏等次生风险,可信度高。 | 优势:计算速度极快,模型简单易用,便于进行大量情景的快速对比。 |
这款国产疏散模拟系统知行INS融合社会力模型与元胞自动机算法,实现从微观行为到宏观态势的全维度推演。接下来,使用知行INS进行碰撞控制模拟实验。
1.模拟参数
场馆大小为12 m×6 m。在场景的模拟建模中仅仅设置1个疏散出口,出口的宽度为2 m。场景中共有65人。人员个体都统一设置为成年男性角色。人员速度设置为:1.19m\s。在保障其他条件都一致的情况下,一个模拟进行碰撞控制的场景,一个模拟不进行碰撞控制的场景。碰撞控制:该选项是控制人员是否可以避免彼此之间相互碰撞的参数。
2.实验结果
进行碰撞控制,在该情形中,所有个体均为普通个体,启用碰撞控制情况下的人员疏散过程用时较短,疏散完成共用时80s。禁用碰撞控制的场景情况下,疏散完成共用时84s。两种情况的对比如下图所示,碰撞控制不仅缩短了总耗时,更通过避免无效推挤减少 了二次伤害风险。
当虚拟世 界中的行人学会礼让、停顿、推挤,数字的演练场便具备了温度与重量。每一次成功的“避让”,都是对现实保护的一次加固。随着计算能力的提高和理论的深化,未来的疏散模拟将能容纳更复杂的行为与情绪,在灾难发生之前,就为我们点亮更多通往平安的路径。
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