一種基於關係親密度的複合避難場所分配方法與流程
2023-10-11 12:32:29
本發明涉及一種基於關係親密度的複合避難場所分配方法，屬於災害防護
技術領域：
。
背景技術：
：近年來，難以預測和控制的各類災難事件頻頻爆發，給人類帶來沉痛的災難和巨大的經濟損失，有些影響巨大而深遠。2005年，「卡特裡娜」颶風橫掃美國佛羅裡達州及墨西哥灣沿海地區，造成1800多人死亡，數百萬人無家可歸，經濟損失達340多億美元；2011年日本東部海域發生了9.0級地震，地震引發了巨大海嘯，造成了重大人員傷亡和財產損失，地震和海嘯還襲擊了福島核電站，引發了繼車諾比核洩漏以來，最大規模的核洩漏事故，緊急疏散人數達10餘萬人，這些大型災難事件都導致了大規模的群體性遷移避難行為。因此，如何針對災難事件的高突發性、破壞性、複雜性和不確定性等特點，開展快速有效的災難應急處理越來越受到世界各國政府及學術界的關注。而防止和減少事故造成人員傷亡的最重要措施是對處在災難影響範圍內的人員及時進行有序疏散規劃。對於應急疏散規劃問題(emergencyevacuationplanningproblem，eepp)，目前主要存在以下幾個難點：(1)災難發生時，由於災難實況信息傳播不及時，受災區域內的待疏散人員處於高度緊張恐懼狀態，影響了對災難形勢的判斷，從眾心理造成大範圍的道路擁堵，無組織的疏散行為造成避難場所分配的嚴重不均衡，延誤了寶貴的疏散時間。(2)現有的關於應急疏散規劃的相關研究成果可分為宏觀和微觀兩個方面。宏觀疏散研究關注大規模的人員疏散，但是缺乏人性化疏散的考慮；微觀疏散研究主要關注小規模人群在室內環境下的疏散，但是缺乏對宏觀上避難場所分配的考慮，不具有普適性。(3)影響應急疏散規劃的因素很多，例如待疏散人員位置、道路擁塞狀況、避難場所分布及其容量等，但現有的研究通常僅考慮單方面或某幾個方面的影響因素，進而影響了研究的科學性，且缺乏實際應用性。技術實現要素：本發明所要解決的技術問題是提供一種能夠有效提高求解效率，縮短疏散路線長度和疏散時間，使周邊避難場所剩餘容量達到均衡狀態的基於關係親密度的複合避難場所分配方法。本發明為了解決上述技術問題採用以下技術方案：本發明設計了一種基於關係親密度的複合避難場所分配方法，用於針對災難區中彼此存在親屬關係的各個待疏散人員，分部按如下步驟，實現待疏散人員向避難場所的疏散：步驟1.以待疏散人員的經緯度坐標x建立該疏散人員所對應的直角坐標系xoy，並進入步驟2；步驟2.獲得待疏散人員經緯度坐標x與災難發生點經緯度坐標o之前的歐幾裡得距離，作為危險距離do；獲得待疏散人員經緯度坐標x分別與各個避難所經緯度坐標gm之間的歐幾裡得距離，作為待疏散人員分別對應各個避難所的疏散距離1≤m≤m，m表示避難所的總數；同時，獲得待疏散人員經緯度坐標x分別與其所對應各個親屬關係待疏散人員經緯度坐標xr之間的歐幾裡得距離，作為待疏散人員分別對應其各個親屬關係待疏散人員的關係距離1≤r≤r，r表示與該待疏散人員具有親屬關係的待疏散人員總數，然後進入步驟3；步驟3.針對各個避難所，獲得滿足條件所對應的各個避難所，作為對應於待疏散人員的各個可選疏散避難所，ρg表示預設避難所安全疏散距離，然後進入步驟4；步驟4.分別針對各個可選疏散避難所，根據如下公式：獲得各個可選疏散避難所分別針對待疏散人員的虛擬引力其中，i＝{1、…、i}，i≤m，i表示對應於待疏散人員的可選疏散避難所的個數，表示第i個可選疏散避難所針對待疏散人員的虛擬引力，k表示預設虛擬引力係數，ρ(x,gi)表示待疏散人員經緯度坐標x與第i個可選疏散避難所經緯度坐標gi之間的歐幾裡得距離；同時，根據如下公式：獲得災難發生點針對待疏散人員的虛擬斥力frep(x)，其中，m表示預設虛擬斥力係數，ρ(x,o)表示待疏散人員經緯度坐標x與災難發生點經緯度坐標o之間的歐幾裡得距離，▽ρ(x,o)表示待疏散人員經緯度坐標x與災難發生點經緯度坐標o之間的單位向量，ρ0表示災難發生點的虛擬斥力作用半徑，然後進入步驟5；步驟5.獲得待疏散人員經緯度坐標x分別與各個可選疏散避難所經經緯度坐標gi之間的連線，並分別獲得該各個連線與直角坐標系xoy中x軸之間的夾角αi，αi表示待疏散人員經緯度坐標與第i個可選疏散避難所經經緯度坐標之間連線和直角坐標系xoy中x軸之間的夾角；同時，獲得待疏散人員經緯度坐標x與災難發生點經緯度坐標o之間連線和直角坐標系xoy中x軸之間的夾角β，然後進入步驟6；步驟6.根據待疏散人員經緯度坐標x分別與各個可選疏散避難所經緯度坐標gi之間連線和直角坐標系xoy中x軸之間的夾角αi，以及待疏散人員經緯度坐標x與災難發生點經緯度坐標o之間連線和直角坐標系xoy中x軸之間的夾角β，獲得各個和frep(x)作用於直角坐標系xoy中x軸上的第一x軸分量合力fsumx1(x)，以及獲得各個和frep(x)作用於直角坐標系xoy中y軸上的第一y軸分量合力fsumy1(x)；由fsumx1(x)和fsumy1(x)獲得作用於待疏散人員的第一虛擬合力f1(x)，並獲得第一虛擬合力f1(x)與直角坐標系xoy中x軸的第一夾角η1，然後進入步驟7；步驟7.針對待疏散人員的各個親屬關係待疏散人員，判斷是否存在滿足條件所對應的各個親屬關係待疏散人員，是則針對滿足條件的各個親屬關係待疏散人員，選擇其中與待疏散人員之間最高親密度所對應的一位親屬關係待疏散人員，作為待疏散人員所對應的可選親屬關係待疏散人員，並進入步驟9；否則進入步驟8；ρe表示預設親屬關係待疏散人員的虛擬關係引力場作用距離；步驟8.根據合力f1(x)的夾角η1確定人員的疏散方向，獲取待疏散人員的親屬xr所在的應急避難場所，作為待疏散人員x的最終避難場所，完成針對該待疏散人員的疏散規劃；步驟9.根據如下公式：frel(x)＝-b·ρ(x,x*)獲得待疏散人員所對應可選親屬關係待疏散人員對待疏散人員的虛擬關係引力frel(x)，其中；b表示預設虛擬關係引力係數，ρ(x,x*)表示該待疏散人員經緯度坐標x與對應可選親屬關係待疏散人員經緯度坐標x*之間的歐幾裡得距離；同時，獲得待疏散人員經緯度坐標x與所對應可選親屬關係待疏散人員經緯度坐標x*之間的連線，並獲得該連線與直角坐標系xoy中x軸之間的夾角σ*，然後進入步驟10；步驟10.根據待疏散人員經緯度坐標x與所對應可選親屬關係待疏散人員經緯度坐標x*之間連線和直角坐標系xoy中x軸之間的夾角σ*，獲得frel(x)作用於直角坐標系xoy中x軸上的第二x軸分量合力以及獲得frel(x)作用於直角坐標系xoy中y軸上的第二y軸分量合力並且結合第一x軸分量合力fsumx1(x)和第一y軸分量合力fsumy1(x)，獲得作用於待疏散人員的第二虛擬合力f2(x)，並獲得第二虛擬合力f2(x)與直角坐標系xoy中x軸的第二夾角ηx，然後進入步驟11；步驟11.判斷夾角ε＝|σ*-η2|與預設可選親屬關係待疏散人員所對應的親屬關係是否對應，是則進入步驟12；否則返回步驟8；步驟12.針對待疏散人員經緯度坐標x分別與各個可選疏散避難所經緯度坐標gi之間連線和直角坐標系xoy中x軸之間的夾角αi，獲得各個可選疏散避難所所對應|η2-αi|的值，最後將最小值所對應的可選疏散避難所，作為待疏散人員x的最終疏散避難所，完成針對該待疏散人員的疏散規劃。作為本發明的一種優選技術方案：採用力的正交分解法執行所述步驟6和步驟10的操作。本發明所述一種基於關係親密度的複合避難場所分配方法採用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：(1)本發明設計的基於關係親密度的複合避難場所分配方法，該方法的基本思想是通過建立虛擬力場，將複雜的大規模疏散問題通過力場函數進行描述，並通過力場函數的負梯度方向決定待疏散人員的疏散方向，解決了對於複雜的災難環境下的人性化疏散建模問題，使問題描述簡單，算法在實現人性化疏散的同時，提升了算法的計算效率和準確性；(2)本發明設計的基於關係親密度的複合避難場所分配方法中，通過引入虛擬關係引力，將待疏散人員之間的親屬關係通過虛擬關係引力函數進行描述，並對親屬關係進行等級劃分，根據等級的不同對虛擬關係引力係數進行調整，從而對虛擬關係引力的大小進行調節。此外，通過設置親屬關係待疏散人員的虛擬關係引力場作用距離ρe，對是否存在虛擬關係引力進行判斷，從而避免了因虛擬關係引力對算法的計算效率和準確性的影響，使算法性能得到保證。附圖說明圖1是本發明設計災難環境下的待疏散人員在虛擬關係力場中的受力圖；圖2是本所設計基於關係親密度的複合避難場所分配方法的流程圖。具體實施方式下面結合說明書附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明。通過對大規模應急疏散規劃問題建立虛擬力場的方法進行建模，對災難環境建立的虛擬力場如圖1所示。其基本思想是假設待疏散人員作為一個質點在虛擬的力場中移動，虛擬力場中的待疏散人員受到其周圍作為目標點的多個避難場所的虛擬引力、災難發生點作為障礙物點產生的虛擬斥力，以及其親屬作為次要目標點產生的虛擬關係引力，虛擬引力由目標點產生並且指向目標點，虛擬斥力由障礙物產生且指向遠離障礙物的方向。於是，待疏散人員在虛擬力場中朝著下降的力場函數方向進行移動。通過虛擬引力和虛擬斥力的共同作用實現有效疏散。分別針對各個待疏散人員，具體按如下步驟，實現待疏散人員向避難場所的疏散實際應用中，設各個避難場的經緯度坐標為gm，單個待疏散人員的經緯度坐標為x，其親屬的經緯度坐標為xr。於是，環境空間中待疏散人員的總虛擬力場函數v(x)為：其中，v(x)表示虛擬複合力場，表示避難場所gm產生的虛擬引力場，vrep(x)表示災難發生點經緯度坐標o位置產生的虛擬斥力場，vrel(x)為親屬經緯度坐標點xr產生的虛擬關係引力場。待疏散人員受到的虛擬力被定義為力場的負梯度。因此，待疏散人員受到的虛擬合力為其中，f(x)表示虛擬合力；表示避難場所gm產生的虛擬引力，frep(x)表示災難發生點經緯度坐標o位置產生的虛擬斥力，frel(x)為親屬經緯度坐標點xr產生的虛擬關係引力。多個避難場所對待疏散人員產生的虛擬引力場可以將待疏散人員拉向目標點。由目標避難場所產生的虛擬引力場為其中，k為虛擬引力係數，ρ(x,gm)表示待疏散人員經緯度坐標x至避難場所gm的歐幾裡得距離。目標避難場所對待疏散人員產生的虛擬引力為其中，是一個朝向待疏散人員經緯度坐標x、並且大小與x和gm相關聯的矢量。對災難影響範圍內的待疏散人員建立虛擬斥力場，其函數如下式所示：式中，l表示為虛擬斥力係數，ρ(x,o)表示待疏散人員經緯度坐標x至災難發生點o的歐幾裡得距離，ρ0表示災難發生點的虛擬斥力作用半徑。定義虛擬斥力為虛擬斥力場的負梯度：對具有親屬關係的個體之間產生的虛擬關係引力構建虛擬關係引力場，其函數如下式所示：式中，b為虛擬關係引力係數，ρ(x,xr)表示疏散人員經緯度坐標x與其親屬經緯度坐標xr之間的歐幾裡得距離，ρe表示預設親屬關係待疏散人員的虛擬關係引力場作用距離，在ρe範圍內的疏散人員受到其親屬關係個體的虛擬引力作用。定義虛擬關係引力為虛擬關係引力場的負梯度則如圖2所示，即本發明所設計的一種基於關係親密度的複合避難場所分配方法，分別針對各個待疏散人員，具體按如下步驟，實現待疏散人員向避難場所的疏散：步驟1.以待疏散人員的經緯度坐標x建立該疏散人員所對應的直角坐標系xoy，並進入步驟2。步驟2.獲得待疏散人員經緯度坐標x與災難發生點經緯度坐標o之前的歐幾裡得距離，作為危險距離do；獲得待疏散人員經緯度坐標x分別與各個避難所經緯度坐標gm之間的歐幾裡得距離，作為待疏散人員分別對應各個避難所的疏散距離1≤m≤m，m表示避難所的總數；同時，獲得待疏散人員經緯度坐標x分別與其所對應各個親屬關係待疏散人員經緯度坐標xr之間的歐幾裡得距離，作為待疏散人員分別對應其各個親屬關係待疏散人員的關係距離1≤r≤r，r表示與該待疏散人員具有親屬關係的待疏散人員總數，然後進入步驟3。步驟3.針對各個避難所，獲得滿足條件所對應的各個避難所，作為對應於待疏散人員的各個可選疏散避難所，ρg表示預設避難所安全疏散距離，然後進入步驟4。步驟4.分別針對各個可選疏散避難所，根據如下公式：獲得各個可選疏散避難所分別針對待疏散人員的虛擬引力其中，i＝{1、…、i}，i≤m，i表示對應於待疏散人員的可選疏散避難所的個數，表示第i個可選疏散避難所針對待疏散人員的虛擬引力，k表示預設虛擬引力係數，ρ(x,gi)表示待疏散人員經緯度坐標x與第i個可選疏散避難所經緯度坐標gi之間的歐幾裡得距離。同時，根據如下公式：獲得災難發生點針對待疏散人員的虛擬斥力frep(x)，其中，m表示預設虛擬斥力係數，ρ(x,o)表示待疏散人員經緯度坐標x與災難發生點經緯度坐標o之間的歐幾裡得距離，▽ρ(x,o)表示待疏散人員經緯度坐標x與災難發生點經緯度坐標o之間的單位向量，ρ0表示災難發生點的虛擬斥力作用半徑，然後進入步驟5。步驟5.獲得待疏散人員經緯度坐標x分別與各個可選疏散避難所經緯度坐標gi之間的連線，並分別獲得該各個連線與直角坐標系xoy中x軸之間的夾角αi，αi表示待疏散人員經緯度坐標與第i個可選疏散避難所經緯度坐標之間連線和直角坐標系xoy中x軸之間的夾角；同時，獲得待疏散人員經緯度坐標x與災難發生點經緯度坐標o之間連線和直角坐標系xoy中x軸之間的夾角β，然後進入步驟6。步驟6.採用力的正交分解法，根據待疏散人員經緯度坐標x分別與各個可選疏散避難所經緯度坐標gi之間連線和直角坐標系xoy中x軸之間的夾角αi，以及待疏散人員經緯度坐標x與災難發生點經緯度坐標o之間連線和直角坐標系xoy中x軸之間的夾角β，獲得各個和frep(x)作用於直角坐標系xoy中x軸上的第一x軸分量合力fsumx1(x)，以及獲得各個和frep(x)作用於直角坐標系xoy中y軸上的第一y軸分量合力fsumy1(x)；由fsumx1(x)和fsumy1(x)獲得作用於待疏散人員的第一虛擬合力f1(x)，並獲得第一虛擬合力f1(x)與直角坐標系xoy中x軸的第一夾角η1，然後進入步驟7。步驟7.針對待疏散人員的各個親屬關係待疏散人員，判斷是否存在滿足條件所對應的各個親屬關係待疏散人員，是則針對滿足條件的各個親屬關係待疏散人員，選擇其中與待疏散人員之間最高親密度所對應的一位親屬關係待疏散人員，作為待疏散人員所對應的可選親屬關係待疏散人員，並進入步驟9；否則進入步驟8；ρe表示預設親屬關係待疏散人員的虛擬關係引力場作用距離。步驟8.根據合力f1(x)的夾角η1確定人員的疏散方向，獲取待疏散人員的親屬xr所在的應急避難場所，作為待疏散人員x的最終避難場所，完成針對該待疏散人員的疏散規劃。步驟9.根據如下公式：frel(x)＝-b·ρ(x,x*)獲得待疏散人員所對應可選親屬關係待疏散人員對待疏散人員的虛擬關係引力frel(x)，其中；b表示預設虛擬關係引力係數，ρ(x,x*)表示該待疏散人員經緯度坐標x與對應可選親屬關係待疏散人員經緯度坐標x*之間的歐幾裡得距離；同時，獲得待疏散人員經緯度坐標x與所對應可選親屬關係待疏散人員經緯度坐標x*之間的連線，並獲得該連線與直角坐標系xoy中x軸之間的夾角σ*，然後進入步驟10。步驟10.採用力的正交分解法，根據待疏散人員經緯度坐標x與所對應可選親屬關係待疏散人員經緯度坐標x*之間連線和直角坐標系xoy中x軸之間的夾角σ*，獲得frel(x)作用於直角坐標系xoy中x軸上的第二x軸分量合力以及獲得frel(x)作用於直角坐標系xoy中y軸上的第二y軸分量合力並且結合第一x軸分量合力fsumx1(x)和第一y軸分量合力fsumy1(x)，獲得作用於待疏散人員的第二虛擬合力f2(x)，並獲得第二虛擬合力f2(x)與直角坐標系xoy中x軸的第二夾角η2，然後進入步驟11。步驟11.判斷夾角ε＝|σ*-η2|與預設可選親屬關係待疏散人員所對應的親屬關係是否對應，是則進入步驟12；否則返回步驟8；其中，預設可選親屬關係待疏散人員所對應親屬關係與夾角ε，以及預設虛擬關係引力係數b的對應關係如下表1所示。親屬度親屬關係虛擬關係引力係數b夾角ε1父母、子女、夫妻10°≤ε≤90°2親戚0.80°≤ε≤60°3朋友、同學0.60°≤ε≤30°表1步驟12.針對待疏散人員經緯度坐標x分別與各個可選疏散避難所經緯度坐標gi之間連線和直角坐標系xoy中x軸之間的夾角αi，獲得各個可選疏散避難所所對應|η2-αi|的值，最後將最小值所對應的可選疏散避難所，作為待疏散人員x的最終疏散避難所，完成針對該待疏散人員的疏散規劃。本發明設計的基於關係親密度的複合避難場所分配方法，通過建立虛擬力場，將複雜的大規模疏散問題通過力場函數進行描述，並通過力場函數的負梯度方向決定人員的疏散方向，解決了對於複雜的災難環境難以建模的問題，使問題描述簡單，同時提升了算法的計算效率；不僅如此，能夠將待疏散人員位置、避難場所分布及其容量等影響應急疏散規劃的因素考慮在內，給待疏散人員提供及時的疏散引導，並且在算法的求解過程中，將應急避難場所實時剩餘容量參數作為引力係數，使得整個疏散過程中避難場所的容量達到均衡狀態，節省了大量疏散時間。隨著疏散人數規模的增加，算法優勢愈加明顯。上面結合附圖對本發明的實施方式作了詳細說明，但是本發明並不限於上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識範圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下做出各種變化。當前第1頁12