用於人員疏散特徵測試及演練的虛擬實驗平臺系統及方法
2023-04-24 17:43:56 2
用於人員疏散特徵測試及演練的虛擬實驗平臺系統及方法
【專利摘要】本發明一種用於人員疏散特徵測試及演練的虛擬實驗平臺系統及方法，具體指一種基於虛擬實境技術和微觀仿真模擬技術用於人員疏散特徵測試及疏散演練的虛擬實驗平臺系統，涉及計算機虛擬應用【技術領域】。本發明通過搭建計算機虛擬環境，測試人員在不同場景條件下的疏散特徵。首先，在計算機可視化編程環境下構建人員疏散模型；其次，實現通過計算機輸入設備控制人員疏散模型中可控虛擬主角的運動；最後，通過改變模型中的建築結構、人員視野，導入突發事件產物實現多種虛擬疏散場景。在構建的虛擬實驗平臺上參與測試實驗，可以測試分析人員在不同場景下的疏散特徵及虛擬實驗平臺應用到突發事件下的疏散演練與培訓中，具有易開展、可重複等特點。
【專利說明】用於人員疏散特徵測試及演練的虛擬實驗平臺系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉計算機虛擬應用【技術領域】，具體指一種基於虛擬實境技術和微觀仿真模擬技術用於公共安全領域的人員疏散特徵測試及疏散演練的虛擬實驗平臺系統。
【背景技術】
[0002]人員密集的公共場所，一旦發生突發事件，極易引發擁擠踩踏事故，造成嚴重的人員傷亡。因此，保障突發事件下人員疏散安全，提高公共場所應急水平的措施仍是迫切的現實需求。近幾十年來，為深入了解人員疏散運動的動力學特徵，不同領域的研宄人員採用實驗與模型相結合的方式進行了細緻、深入的探索。其中，實驗方法是揭示人員運動行為規律，演化疏散模型的基礎。目前，主要採用的實驗方法有可控實驗法和觀測實驗法。可控實驗法主要是根據建築物的結構特徵或人員生理、心理特徵來構建特定的實驗場景並開展相似性實驗。可控實驗法可以得到行人運動的一些基本定量關係，如步幅-步頻、步幅-間距、速度-間距、步幅-速度關係等；也可以得到人員基本運動特徵及運動參量同建築物參數的相關關係，如瓶頸處的「拱形分布」、瓶頸處的流量和瓶頸寬度的關係、走廊及長通道中行人的速度等。觀測實驗法主要針對無法開展可控實驗的大範圍大規模人群運動場景，觀測統計場景內人員基本運動行為特徵。通過對實際的人群運動進行觀測與分析，研宄者們發現了人群運動過程中的自組織現象，如高密度人群中的「震蕩波」、相向行人流「分層」、交叉行人「分帶」等。
[0003]然而，相比較而言，可控實驗難以營造突發事件環境，而且開展突發事件下的疏散實驗具有一定危險性；觀測實驗雖然可以通過分析已發生的事件案例，得到突發事件下人員的疏散特點，但難以量化突發事件對疏散運動的影響規律。
【發明內容】
[0004]本發明目的在於克服現有公共安全【技術領域】存在的不足和缺失，提供一種用於人員疏散特徵測試及演練的虛擬實驗平臺系統，以計算機模擬疏散環境為基礎，通過調整虛擬實驗平臺中的參數條件構建多種虛擬場景，測試不同人員在不同環境下表現出的疏散規律特點及疏散能力。
[0005]本發明的技術解決方案如下:
[0006]—種用於人員疏散特徵測試及演練的虛擬實驗平臺系統的方法，其特點在於，搭建計算機虛擬環境，測試人員在不同場景條件下的疏散特徵，包括如下步驟:
[0007]A,在計算機可視化編程環境下構建人員疏散模型。
[0008]B,實現通過計算機輸入設備控制人員疏散模型中特定人員的運動。
[0009]C，通過改變模型中的建築結構、人員視野，導入突發事件產物實現多種虛擬疏散場景。
[0010]其中，定義:實驗人員為參與實驗的實際人員，模擬人員為計算機可視化編程環境中塑造的人員，可控虛擬主角是其運動受實驗人員控制的模擬人員。
[0011]其中，所述第一步中構建人員疏散模型，具體實施方法如下:
[0012]A.1將目標建築在平面上劃分成0.1mX0.1m大小的基本格點；
[0013]A.2標識每個基本格點，以代表建築各種內部結構，其中「被佔據」表示人員不可通行區域，如牆壁I及障礙物2，「未被佔據」代表人員可通行的區域，包括通道、出口 5，在可視化界面中，以深色表示「被佔據」格點，以淺色表示「未被佔據」格點；
[0014]A.3設置一個或一個以上模擬人員4，在可視化界面中用擬人化的形狀表示；在每個模擬計算時間步內，每個模擬人員按照如下運動規則向出口進行疏散，其中:
[0015]A.3.1選定最近的出口為目標出口；
[0016]A.3.2以朝向目標出口的方向為主方向；
[0017]A.3.3判斷主方向上是否可通行，如果主方向可通行，則沿主方向運動一個格點距離；如果主方向不通行，再判斷相對主方向的左右方向是否可通行，如果左右方向皆可通行，則以相同概率向左或右方向運動一個格點距離；如果左右方向只有一個方向可通行，則向該方向運動一個格點距離；如果左右方向都不可通行，則該時間步該模擬人員停止運動。
[0018]所述概率指向左右方向運動的可能性，相同概率指向左右兩個方向運動的可能性是一樣的。
[0019]其中，所述步驟B.中的特定人員為虛擬實驗平臺系統的可控虛擬主角，實驗測試人員可以通過計算機輸入設備變換虛擬主角的運動方向及速度，具體實施方法如下:
[0020]B.1.1選定人員疏散模型中的一個模擬人員為可控虛擬主角，並在可視化界面中，用不同顏色將可控虛擬主角3與其它模擬人員4區別顯示；
[0021]B.1.2在人員疏散模型中實現對鍵盤、手柄等計算機輸入設備的輸入信號的響應，並將輸入信號對應的方向作為虛擬主角的運動方向；
[0022]B.1.3在實際測試實驗中，實驗測試人員通過操作計算機輸入設備控制可控虛擬主角的運動。
[0023]其中，所述步驟B.中可以實現對多個特定人員的並行控制，即虛擬實驗平臺支持多個可控虛擬主角，其運動分別由不同的實驗測試人員同時控制，具體實施方法如下:
[0024]B.2.1選定人員疏散模型中的多個模擬人員為可控虛擬主角，在可視化界面中用阿拉伯數字或指定名稱標記每個可控虛擬主角；
[0025]B.2.2在人員疏散模型中實現對多個鍵盤、手柄等計算機輸入設備的輸入信號的同時響應，並實現計算機輸入設備與虛擬主角的一一對應；
[0026]B.2.3在實際測試實驗中，多個實驗測試人員分別操作獨立的計算機輸入設備控制相應的可控虛擬主角的運動。
[0027]其中，所述步驟C.中虛擬疏散場景可根據實際需求進行更改，包括但不限於不同建築形式、不同出口布置、不同視野條件、不同疏散人員數量等場景，可導入突發事件產物並在可視化虛擬場景中直觀顯示突發事件的動態發展，具體實施方法如下:
[0028]C.1基於不同實際建築形式劃分格點並構建模型，實現不同建築形式場景；
[0029]C.2通過調節出口位置、數量、寬度等實現不同出口布置場景；
[0030]C.3根據可控虛擬主角的視野範圍，將可視化界面中顯示區域分為兩部分，一個是可見區域6，為可控虛擬主角運動方向上120°扇形區域，該區域內的元素正常顯示；一個是非可見區域7，該區域內各元素顏色無差異，即對於實驗測試人員不可見，通過調節可見區域扇形的半徑大小，實現不同視野條件場景；
[0031]C.4通過調節模擬人員數量，實現不同疏散人員數量場景；
[0032]C.5導入突發事件產物隨時間發展變化數據，並在可視化界面中以特殊顏色、動態雲圖8方式予以表徵，實現虛擬突發事件場景。
[0033]本發明針對突發事件下的人員疏散規律，提供一種新的方法，解決了實驗安全和結果可靠之間的矛盾，具有易開展、可重複等特點。而且，該方法可應用到疏散演練與培訓中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1為本發明的實施例:常規場景下的虛擬實驗平臺示意圖；
[0035]圖2為本發明的實施例:視野受限場景下的虛擬實驗平臺示意圖；
[0036]圖3為本發明的實施例:火災場景下的虛擬實驗平臺示意圖；
[0037]圖4a、4b、4c為本發明的實施例:人員疏散特徵測試結果圖。
[0038]圖中標號:1_建築牆壁；2_障礙物；3_可控虛擬主角；4_其它模擬人員；5-出口 ；6-可見區域；7_非可見區域；8_火場；9_人員生命條；10_疏散軌跡；11_火源。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述
[0040]本實施例中軟體程序由C++語言編制，編譯環境為C++builder2010 ;主機為聯想ThinkPad L440筆記本電腦；計算機輸入設備為該筆記本電腦的自帶鍵盤；計算機顯示設備為該筆記本電腦的自帶屏幕。
[0041]常規場景(如附圖1所示):在二維平面上構建了一種常規條件下針對正方形廳室建築的虛擬疏散實驗平臺。平臺中，正方形廳室建築內尺寸為1mX 10m，包括四周牆壁1，四個對稱的障礙物3，在一側牆壁上有一個寬度為Im的出口。平臺中有一特殊顏色標記的可控虛擬主角3，其運動由實驗測試人員通過鍵盤的方向鍵控制，平臺中有一定數量的模擬疏散人員4，其運動由給定的疏散規則確定。
[0042]視野受限場景(如附圖2所示)，在常規場景基礎上，構建了一種視野受限條件下虛擬疏散實驗平臺，採用與常規場景完全一致的建築環境。實際實驗過程中，實驗測試人員只能看到可控模擬主角運動方向上一定區域，記為可見區域6，其它區域為非可見區域7。在測試人員控制下，可控虛擬主角的位置及方向變化，可見區域和非可見區域隨之變化。
[0043]火災場景(如附圖3所示)，在常規場景和視野受限場景基礎上，構建了一種火災場景下虛擬疏散實驗平臺，採用與常規場景完全一致的建築環境。具體實現步驟如下:
[0044](I)設定四個障礙物2中的其中一個為火源11。
[0045](2)採用火災模擬軟體FDS(Fire Dynamics Simulator)模擬計算火災蔓延發展過程，得到隨時間變化的溫度場數據及其它火災產物數據。
[0046](3)將溫度場數據導入到虛擬疏散實驗平臺中，用溫度雲圖8表示可見區域內的溫度場變化，溫度雲圖隨著溫度場數據的更新動態變化。
[0047](4)考慮溫度及其它火災產物對可控虛擬主角的生理傷害，用人員生命條9表示可控虛擬主角的健康狀態。
[0048]測試結果(如附圖4所示):通過組織人員參與測試實驗，可以測試分析人員在不同場景下的疏散特徵。給出了不同場景下測試人員控制的可控虛擬主角的疏散路徑，如附圖4a常規場景下測試人員控制的可控虛擬主角的疏散路徑和如附圖4b視野受限場景下測試人員控制的可控虛擬主角的疏散路徑及如附圖4c火災場景下測試人員控制的可控虛擬主角的疏散路徑。
[0049]基於本發明，可以構建各種建築形式、不同出口布置、其它突發事件影響等條件下的虛擬疏散實驗平臺。而且，採用較為先進的計算機技術及硬體，包括並行計算技術、區域網技術、虛擬三維空間技術、體感控制技術、多方向控制手柄、頭戴式顯示設備等，可以實現支持多人同時在線控制的虛擬實驗平臺系統，並且更加接近真實疏散場景。
[0050]綜上所述，本發明針對突發事件下的人員疏散，提供一種新的研宄應用方法。相比目前常用的方法，該方法解決了實驗安全和結果可靠之間的矛盾，具有易開展、可重複的特點。一方面，採用本方法可以有效研宄揭示不同建築結構、不同出口布置及不同突發事件等場景下的人員疏散規律，為建築內人員疏散安全管理提供理論依據。另一方面，該方法可應用到公共安全領域的疏散演練與培訓中，提升民眾的應急疏散逃生意識與能力。
【權利要求】
1.一種用於人員疏散特徵測試及演練的虛擬實驗平臺系統的方法，其特徵在於，搭建計算機虛擬環境，測試實驗人員在不同場景條件下的疏散特徵，包括如下步驟: A.在計算機可視化編程環境下構建人員疏散模型； B.實現通過計算機輸入設備控制人員疏散模型中可控虛擬主角的運動； C.通過改變模型中的建築結構、人員視野，導入突發事件產物實現多種虛擬疏散場景; 其中，定義:實驗人員為參與實驗的實際人員； 模擬人員為計算機可視化編程環境中塑造的人員； 可控虛擬主角是其運動受實驗人員控制的模擬人員。
2.根據權利要求1所述的用於人員疏散特徵測試及演練的虛擬實驗平臺系統的方法，其特徵在於，所述步驟A.中構建人員疏散模型，具體方法如下: A.1將目標建築在平面上劃分成0.1mX0.1m大小的基本格點； A.2標識每個基本格點，以代表建築各種內部結構，其中「被佔據」表示不可通行人員區域，如牆壁(I)及障礙物(2)，「未被佔據」代表可通行人員的區域，包括通道、出口(5)，在可視化界面中，以深色表示「被佔據」格點，以淺色表示「未被佔據」格點； A.3設置一個或一個以上模擬人員(4)，在可視化界面中用擬人化的形狀表示；在每個模擬計算時間步內，每個模擬人員按照如下運動規則向出口進行疏散: A.3.1選定最近的出口為目標出口 ； A.3.2以朝向目標出口的方向為主方向； A.3.3判斷主方向上是否可通行，如果主方向可通行，則沿主方向運動一個格點距離；如果主方向不通行，再判斷相對主方向的左右方向是否可通行，如果左右方向皆可通行，則以相同概率向左或右方向運動一個格點距離；如果左右方向只有一個方向可通行，則向該方向運動一個格點距離；如果左右方向都不可通行，則該時間步該模擬人員停止運動。
3.根據權利要求1所述的用於人員疏散特徵測試及演練的虛擬實驗平臺系統的方法，其特徵在於，所述步驟B.中實現通過計算機輸入設備控制可控虛擬主角的運動，具體方法如下: B.1.1選定人員疏散模型中的一個模擬人員為可控虛擬主角，並在可視化界面中，用不同顏色將可控虛擬主角(3)與其它模擬人員(4)區別顯示； B.1.2在人員疏散模型中實現對鍵盤、手柄計算機輸入設備的輸入信號的響應，並將輸入信號對應的方向作為可控虛擬主角的運動方向； B.1.3在實際測試實驗中，實驗人員通過操作計算機輸入設備控制可控虛擬主角的運動。
4.根據權利要求1所述的用於人員疏散特徵測試及演練的虛擬實驗平臺系統的方法，其特徵在於，所述步驟B.中可以實現對兩個以上可控虛擬主角的並行控制，即虛擬實驗平臺支持兩個以上實驗人員同時控制不同的可控虛擬主角，具體實施方法如下: B.2.1選定人員疏散模型中兩個以上模擬人員為可控虛擬主角，在可視化界面中用阿拉伯數字或指定名稱標記每個可控虛擬主角； B.2.2在人員疏散模型中實現對兩個以上鍵盤、手柄計算機輸入設備的輸入信號的同時響應，並實現計算機輸入設備與可控虛擬主角的一一對應； B.2.3在實際測試實驗中，兩個以上實驗人員分別操作獨立的計算機輸入設備控制相應的可控虛擬主角的運動。
5.根據權利要求1所述的用於人員疏散特徵測試及演練的虛擬實驗平臺系統的方法，其特徵在於，所述步驟C.中虛擬疏散場景可根據實際需求進行更改，包括但不限於不同建築形式、不同出口布置、不同視野條件、不同疏散人員數量場景，可導入突發事件產物並在可視化虛擬場景中直觀顯示突發事件的動態發展，具體方法如下: C.1基於不同實際建築形式劃分格點並構建模型，實現不同建築形式場景； C.2通過調節出口位置、數量、寬度實現不同出口布置場景； C.3根據可控虛擬主角的視野範圍，將可視化界面中顯示區域分為兩部分，一個是可見區域(6)，為可控虛擬主角運動方向上120°扇形區域，該區域內的元素正常顯示；一個是非可見區域(7)，該區域內各元素顏色無差異，即對於實驗人員不可見，通過調節可見區域扇形的半徑大小，實現不同視野條件場景； C.4通過調節模擬人員數量，實現不同疏散人員數量場景； C.5導入突發事件產物隨時間發展變化數據，並在可視化界面中以特殊顏色、動態雲圖(8)方式予以表徵，實現虛擬突發事件場景。
6.根據權利要求1所述的用於人員疏散特徵測試及演練的虛擬實驗平臺系統，其特徵在於，所述系統由軟體程序、計算機主機、計算機輸入設備和計算機顯示設備組成，其中: a.實現計算機編程的軟體程序； b.用以運行軟體程序、接收計算機輸入設備控制信號並輸出顯示信號至計算機顯示設備的計算機主機； c.實驗人員控制可控虛擬主角運動的計算機輸入設備如鍵盤或手柄； d.計算機顯示設備如計算機顯示器或頭戴式顯示設備，顯示系統的可視化界面。
【文檔編號】G06F17/50GK104517003SQ201410449127
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年9月4日 優先權日:2014年9月4日
【發明者】房志明, 蔣利學, 許清風 申請人:上海市建築科學研究院(集團)有限公司