人員疏散能力模擬軟件中的新尋路技術和支持研究

關鍵詞：人員疏散能力模擬軟件，Pathfinder人員疏散能力模擬分析軟件，消防安全評估軟件，結構安全計算分析軟件

Pathfinder中的新尋路技術和支持研究

Charles Thornton,  Richard O'Konski , Bryan Klein , Brian Hardeman, Daniel Swenson 

Thunderhead Engineering ,403 Poyntz Ave STE B, Manhattan , KS,66503 ,USA

{thornton , okonski , klein , swenson}@thunderheadeng.com

摘要，本文介紹了路徑查找器出口模擬器所使用的尋路算法和門選擇算法。我們將Pathfinder局部UI快算法的發(fā)展，以及不可預見的后果的初步嘗試。給出了新模型的驗證，以及使模型漆驗證成為可能的第三方研究的特點。消防安全評估設備軟件

Pathfinder是一個基于商業(yè)代理的緊急出口的模擬器。該軟件包括用戶界面、模擬器和三維可視化系統(tǒng)。本文所討論的尋路方法是模擬器的一個方面。

模擬agent或居住者，從他們的其實位置移動到出口時，必須選擇一條在向他們選擇的出口步行時要遵循的路線。此路線選擇過程（路徑查找）顯著影響總體模擬結果，因為排隊等待的時間控制了agent實現(xiàn)其目標所需的時間。

以前，Pathfinder使用一個簡單的過程來執(zhí)行這個尋路任務。使用AStar（A*）搜索算法，Pathfinder將為每個agent計算agent退出模型時可能采用的平均較短的路徑。由于此AP-Proach不考慮門口的隊列形成，選擇路由沿線的瓶頸以及等效的替代路徑，因此有必要使用各種工作回合來使agent走幾個額外的步驟以避免較長的排隊時間。圖1 顯示了這個問題的一個例子。

圖1 、僅平均較短的路徑agent無法利用分隔門的全寬度

圖1顯示了一個案例，其中模擬的代理程序視圖使用一個獨立的門退出一個房間。起初，agents被安置在房間的較低部分。在這種情況下，只有一個agent是用了分隔門的上部。這是因為基于平均較短的路徑的尋路算法只依賴于agent的初始起始位置和靠近預定出口路徑之間的距離。該計算沒有考慮到擁堵對總路程時間的影響。

在任何時候，當agents需要通過多個出口（例如，一個走廊桐鄉(xiāng)包含一排出口門的入口區(qū)域）的瓶頸時，都會發(fā)生類似的問題。在這種情況下，路徑規(guī)劃算法在到達一個公共點后對每個agent執(zhí)行相同的計算。這導致agents都只會去尋找許多可用門中靠近路徑的一扇門。

2、Locally算法

本地快速算法旨在克服上一節(jié)中提到的問題。Locally Quickest算法不是在模擬開始時計算出口的完整路徑，而是選擇一個同鄉(xiāng)當前房間的門。每次代理agent進入新房間是都會重復此過程，直到agent退出此模擬。在評估當前房間的路線是，agent會計算好每條路線（即門）的時間估算值。該估計考慮以下參數(shù)：

• 估計到達并通過當?shù)亻T需要多長時間

• 估計到達當?shù)亻T后到達有效出口需要都長時間 

選擇本地門時，agent將通過平均路徑較短的時間到門的時間與通過門上形成的隊列所需的時間進行比較。

進入房門意外所需的時間被假定為這兩個值中較大的一個。為了計算達到本地門外的出口的時間，Pathfinder基于A*路徑搜索執(zhí)行距離計算。agent使用距離計算的結果及平均速度偏大的數(shù)值來估算時間。

次計算假設agent不了解其他房間中的隊列，因此結果表示agent當前房間之外較快的時間。在估計當?shù)芈烦虝r間和當前房間之外的時間之后，agent選擇提供總時間較快的門。如果多個本地門似乎提供非常相似的路程時間，agent將選擇通過靠近等效門的路徑。http://www.zhihuixf.cn/

2.1、本地移動時間

本地移動時間對于確保智能地利用當前房間內(nèi)的可用出口門非常重要。ALGO-RIM的一元素為agent提供了一種方法，以便在路徑比較短的Availa-ble擁塞時間決定使用較長的路徑。

計算空房間中的本地移動時間是一個簡單的過程，可以使用A*搜索確定到下一個門道的距離，并且可以使用agent的速度從該距離移動時間。然而，其他agent的優(yōu)先級使得這個過程更具有挑戰(zhàn)性。agents有必要估計在排隊等候時到達門口需要多長時間。早期的算法基于這樣的假設，即擁堵主要發(fā)生在門周圍（例如，在代理等待通過門的區(qū)域），并且細粒度密度計算可以指示擁堵區(qū)域。這種方法的一個例子如圖2和圖3所示。

圖2. 一個Pathfinder模擬，其中一個大組轉(zhuǎn)過一個拐角，然后通過一系列旋轉(zhuǎn)門退出。

圖3. 在圖2所示的模擬中用于確定密度的基于Voronoi圖的細粒度密度計算的可視化。

圖二中所示的模型是具有十二個出口門的L形房間。出口門的結構類似于0.5米深的分裂的十字轉(zhuǎn)門。agent初期都裝在模型的左上部分，使得頂部出口接近大多數(shù)agent。圖3是當agent開始到達出口門時基于Voronoi圖的細粒度密度計算的可視化。使用細粒度密度信息實現(xiàn)的本地快速方法比原始較短路徑算法產(chǎn)生更好的門道利用率，但它有嚴重的缺點。

由于該算法在直線路徑上集成了密度，因此對另一扇門隊列遠端的門的估計將接收組合多個門的時間估計。

此外，密度計算的計算速度不夠快，無法擴展到體育場大小的模型。

2.2 Door隊列近似

由于基于密度估計方法的困難，提出了一種基于門隊列估計的局部路程時間計算方法。要估計到達門的等待時間，座席只能使用兩個值：

• 基于相對較小旅行距離和代理速度的簡單估計

• 估計在該門的隊列中等待的時間

要估計在門的隊列中等待的時間，Pathfinder需要一種估計隊列大小的方法，這由于每個agent進行門選擇的不同時間而變的復雜。在隊列排列良好之前（即當其他agent仍在靠近其選定的門時），agent必須選擇一扇門。

所選擇的方法是村相互每個房間內(nèi)那些agent正在使用每個門的記錄。然后agent需要測量門的隊列大小時，可以通過計算等待agent并比agent離門更近的agent來決定該值。一旦確定了此計數(shù)，Pathfinder就可以使用SFPE手冊[2]中較大特定流量估計值來計算門處的等待時間。此計算中較大部分和純移動時間隨后被用作到達的本地時間估計。對于每個agent，定期重復此計算，以說明其他代理所做的不斷變化的門決定。

3、Backtrack預防

agent只知道當前房間中的隊列大小。當他們進入一個新房間時，靠里的一個房間的信息被當前房間的信息所取代。在沒有任何類型的回溯防止的情況下，大型隊列可能導致agent在兩個房間之間來回移動，直到隊列狀況發(fā)生改變。

為了防止這些變化，當選擇允許在考慮退出計劃時評估的門時，本地快速算法使用以下規(guī)則：

可用的本地本必須具有到agent目的的較短路徑，而不是agent進入當前房間的門。

本地門可能無法返回agent之前占用的房間。

如果先前的標準消除了可用的門（例如，已經(jīng)推動了agent進入一個壁櫥）或者agent被人推進了一個非預期的門，回溯預防被禁用。當?shù)亻T都可用。

4個下游隊列某些平面圖發(fā)生的另一個問題是未能在下游應用排隊知識。以前，從本地門道目的地的時間一直是作為優(yōu)化值討論。但是，因為算法放置了這么多強調(diào)當前房間，當前房間也是隨后的情況房間要求將當前房間的信息應用于任何時間估計當?shù)亻T通過當前房間后的路段。圖4顯示了一個包含較小房間和兩個門的房間。agent表示通過字母“A”必須在三個可用門之間進行選擇。倆扇門屬于小房間包含在較大房間的左上象限。第三道門是右邊的目標門。

當快速算法的當前表明，評估超出小房間門的時間是一個相對較小的，基于距離的時間計算使用。但是在這種情況下，這將導致agent通過消防架，相信一旦出現(xiàn)右邊的大排隊就會消散。如果您在此配置中初始化模擬，則會有許多agent從隊列后面剝離，然后排隊等待通過這個小房間在“真正的”門后面再出現(xiàn)并排隊。

Pathfinder通過存儲出每個路線的數(shù)據(jù)來解決。如果路徑通過agent的當前房間，則agent替換基于的更準確版本的路線段的時間估計agent對當前房間的了解。估計是完全準確的與初始門排隊時間近似相同，通過比較他的時間將段距離移動到等待隊列和保持所花費的時間較大值。

5、門選擇案例研究

為了測試本地快速移動算法agent選擇門的影響，來自VTTResearch Notes2562[3]的門選擇案例研究被使用。在這研究中心，大學生在從一個集結地區(qū)搬到地方受到監(jiān)控走廊和演講廳。演講廳有兩個入口門連續(xù)沿著同一堵墻。將Pathfinder與進行的研究人員的一般觀察結果進行了比較測試，“......人們在右邊（相對于運動方向）上的啟動網(wǎng)格選擇[第二門]。網(wǎng)格左側(cè)或中心的人前排選擇了一門：門1.在后排，有一種傾向使用門2.”圖5顯示了案例研究的平面圖

圖5 中的平面圖顯示了Pathfinder的起始位置和移動路徑該測試用例的仿真模型

模擬結果如圖6所示

在圖6 中，一號門表示為“”，第二扇門表示為“底部”向左、向右和向后的人表示為“Right（red）”、“Left（藍色）”和“背面（黑色）”。這些結果表明Pathfinder中的結果與一般觀察結果一致。有Rinne，Tillander和Grnberg提供。此案例研究的成功代表了。對于Pathfinder來說，這是向前邁出的重要一步。在情況下都會對一扇門產(chǎn)生明顯差異。

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