多智能体的体育场馆人群疏散模型
孔祥魁
摘 要： 为了更好地引导体育场馆人群疏散，保证人员的生命安全，提出多智能体的体育场馆人群疏散模型。首先对当前体育场馆人群疏散研究现状进行分析，然后分析了体育场馆人群疏散的个体移动特征，结合地理信息系统设计了与个体移动特征相适应的多智能体人群疏散模型，最后进行了人群疏散模拟测试。测试结果表明，多智能体可以描述体育场馆人群的移动特点，真实模拟了体育场馆人群疏散状态，为体育场馆应急事件处理提供了有价值的信息。
关键词： 体育场馆； 人群疏散模拟； 多智能体系统； 地理信息系统； 移动模型
中图分类号： TN911?34； TP391 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）03?0124?03
Multi?agent crowd evacuation model in stadium
KONG Xiangkui
（Institute of Physical Education， Yangtze University， Jingzhou 434023， China）
Abstract： In order to guide the crowd evacuation in stadium and ensure the life safety of crowd， a multi?agent crowd evacuation model in stadium is proposed. The research statue of the crowd evacuation in stadium is analyzed. The individual movement characteristics of crowd evacuation in stadium are analyzed. The multi?agent crowd evacuation model suitable for the individual movement characteristics was designed in combination with the geographic information system. The crowd evacuation was performed for simulation test. The results show that the multi?agent system can describe the movement characteristics of the crowd in stadium and simulate the crowd evacuation status in stadium really， and provide the valuable information for the emergency events handling in stadium.
Keywords： stadium； crowd evacuation simulation； multi?agent system； geographic information system； mobile model
0 引 言
随着我国体育竞技水平的不断提高，一些大学、城市以及企业都建立了大型的体育场馆，为人们锻炼，主办大型赛事提供了条件，同时体育场馆的安全问题也引起了国家的高度重视[1?2]。如果发生火灾、爆炸等紧急事件，如何快速、有效地疏散体育场馆内的人群，尽量减少人员伤亡成为安全管理研究中的重大课题[3]。
体育场馆人群疏散受到众多因素的影响，如个体心理、体育场馆结构等，而且这些因素之间相互影响，使得体育场馆人群疏散变得十分复杂[4]。针对体育场馆的人群疏散问题，国内外专家一直在不断地进行广泛的探索，当前主要有三种体育场馆的人群疏散方法：规则法、社会力法以及元胞自动机法[2]，规则法在人群数量较少的条件下具有较好的人群疏散模拟仿真效果，当人群数量较大时，无法模拟体育场馆的人群疏散[5]；社会力法在研究人与人之间的引力、斥力以及摩擦力的基础上建立体育场馆的人群疏散模型，但人群数量大时，执行效率低，无法满足体育场馆的人群疏散实时性要求[6]；元胞自动机法将体育场馆的行人看作是一个元胞，根据元胞不同时刻的状态决定行人的移动方向和速度，模拟效果比较接近真实的体育场馆人群疏散[7]。在体育场馆的人群疏散过程中，场馆空间的环境信息十分重要，当前很多应急事件中的人员疏散均引入了地理信息系统（Geographic Information System，GIS），通过GIS对建筑物的空间环境信息进行实时采集，建立动态的人群疏散模型，然而目前在体育场馆的人群疏散研究中很少利用GIS，使得建立的人群疏散模型不可靠[8]。体育场馆的人群疏散建模中，个体之间差异性明显，多智能体（Multi Agent，MA）可以描述人群的个体行为，具有交互性、协同性和自主性，可以应用于体育场馆人群疏散的建模中[9?10]。目前体育场馆人群疏散模型主要针对特定行为进行研究，缺乏通用性，应用范围窄，局限性明显[11]。
为了更好地引导体育场馆人群疏散，保证人员的生命安全，提出了多智能体的体育场馆人群疏散模型，该模型结合了地理信息系统和个体移动特征，模拟测试结果表明，多智能体可以真实模拟体育场馆人群的疏散状态，为体育场馆应急事件的研究提供了一种新的研究方法。
1 相关理论
1.1 GIS概述
地理信息系统（GIS）可以很好地描述体育场馆的出口和道路状态。GIS按图层组织的体育场馆地图包括多个图层，图层又包括节点、线、面。体育场馆由许多路和出口组成，道路之间有交叉，比较复杂，为了简化路的拓撲结构，地图分为节点和路段，交叉路口和路表示网络的点和边，这样体育场馆GIS的特点为：边是双向的，节点和边的数目相对较多，路的拓扑关系复杂。
1.2 多智能体概述
多智能体是一种可以对系统实现建模的工具，主要从微观上对系统进行描述，综合考虑系统中各部分间的关系，从而可以描述系统的宏观特性。
与其他技术相比，多智能体技术采用自上而下的建模方法，建模过程更加简单、直观，将复杂系统简单化，智能体（Agent）表示一个实体，描述自身和环境的变化，并且能够适应环境变化，通常情况下，智能体具有主动性、协同性，且有推理、决策能力。
2 多智能体的体育场馆人群疏散模型
2.1 元胞自动机
元胞自动机是一种经典的时空动力系统，元胞与系统的状态相对应，而系统状态是有限的，遵循相同的移动规则，根据规则进行相应的动作，元胞之间存在互作，通过互作进行状态更新描述系统的动态演化模型。体育场馆人群疏散的8邻域的元胞如图1所示，中心表示点的当前位置，它可以向周围8个方向移动。
元胞移动的动态参数模型为：
[Pij=Dij+Eij+Fij+Gij] （1）
式中[Dij]表示人移动到一个方向的代价，其初值为：
[Dij=1， 正上方元胞α， 左上，右上元胞0， 当前行元胞-α， 左下，右下元胞-1， 正下方元胞] （2）
[Eij]描述元胞的占用情况，具体如下：
[Eij=1，元胞为空0，人所在当前元胞-1， 元胞被其他人占据] （3）
[Fij]描述行人躲避拥塞的意愿，计算公式为：
[Fij=S1-S2R] （4）
式中：[S1]和[S2]分别表示空元胞和被占用元胞的数目、体育场馆大小。
[Gij]描述人的“随大流”思想，具体为：
[Gij=S3-S4R] （5）
式中：[S3]和[S4]分别表示与当前人移动方向相容和不相容的人数。
2.2 体育馆人群疏散模型
2.2.1 模型的框架
体育馆人群疏散模型的每一个人是一个独立智能体，它们间有一定的特征差异，根据自身的经验、心里、知识对自己的行为进行判断，并根据自身周围环境以及邻近人群不断调整自己的移动方向，朝安全的出口移动，体育馆人群疏散模型的框架如图2所示。
2.2.2 行为视觉感知
（1） 设行为的最优和最大视觉距离分别为[Rv1]和[Rv2，]行为的最优和最大视觉角度分别为[φv1]和[φv2，]那么行人的感知半径计算公式为：
[Rv2D=1-Cpanickv] （6）
式中：[Cpanic]表示行为的恐慌程度；[kv]表示视觉的能力；[D]为物体尺寸。
（2） 采用聚焦因子描述行为对具体目标的关注程度，计算公式为：
[fA=aOA*FOA*F+bOA+cVa-Vo] （7）
式中：[OA→]表示矢量；[Va]为目标的移动速度；[a，b，c]描述智能体间的差异参数。
（3） 在体育场馆发生突发事件后如火灾等，存在一定危险性，危险性与多种因素相关，计算公式为：
[Cpanic=ae-d+be-1ρ] （8）
式中：[d]为人与危险物之间的距离；[ρ]为感知密度。
2.2.3 行为决策
体育场馆的人群疏散有多种不同的行为，如从众行为、逃逸行为等，下面对它们进行具体描述。
（1） 当体育场馆发生一定突发事件时，行人马上会感觉到危险，就会立即进行逃逸行为，逃逸行为可以描述为：
[vprefer=（1+Cpanic）e-ε?ρλ?vmax] （9）
式中：[λ]表示行人的体力，不同年龄的行人取值不一样；[ε]为测定系数；[vmax]表示行为移动的最大速度。
（2） 行为的移动过程中，移动时间要考虑周围人的状态，即尽可能与其他人的行为保持相似，即从众行为。separate，alignment，cohesion分别表示行为的原则，从众的速度计算公式为：
[vprefer=λ（αvseparate+βvalign+γvcohesion）] （10）
式中：[vseparate，valign，vcohesion]分别为separate，alignment，cohesion的速度。
除了上述行为，还有帮助行为、排队行为、目标行为，具体描述见参考文献[11]。
2.2.4 行为执行
综合考虑各种因素，智能体决策系统会对智能体的位置更新，即有：
[Pt+1（x，y）=Pt（x，y）+vprefer?Δt] （11）
式中：[Pt（x，y）]和[Pt+1（x，y）]表示当前和将来的位置；[Δt]表示时间间隔。
3 体育场馆人群疏散的实例分析
为了分析本文提出的体育场馆人群疏散模型的性能，在4 核 Intel 2.85 GHz CPU，8 GB的内存计算机上实现模拟测试，采用文献[11]的体育场馆人群疏散模型进行对照实验，该模型没有利用GIS信息。当体育场馆的人群密度为1人/m2时，两种群疏散模型的模拟实验结果如图3所示。
从图3的模拟结果可以看出，对比模型的滞留人数多，人群疏散速度慢，拥挤现象十分严重，易造成人员的伤亡。本文模型充分利用体育场馆的道路和节点信息，不仅加快了人群的疏散速度，同时减少了人员的伤亡数量，实际应用价值更高，弥补了对比模型存在的不足，优越性明显。
本文模型和对比模型的体育馆人群疏散综合性能评价指标如表1所示。从表1可以看出，相对于对比模型，本文模型更好地模拟了体育馆人群疏散的真实情况，可以避免人群拥挤現象发生，平均疏散人群数量增加，人群疏散时间下降，加快了人群的疏散速度，为人群逃跑取得了宝贵的时间，模型简单、易实现，是一种有效的体育馆人群疏散模型。
4 结 论
体育馆人群疏散的研究具有重要的实际应用价值，为了更好地模拟体育馆人群疏散过程，提出了多智体的体育场馆人群疏散模型，该模型充分利用了体育馆场景的时空信息，考虑了行人间的相互碰撞，并且通过多智体描述行人之间的差异，对人群的未来状态进行估计，模拟测试结果表明，本文模型得到了比较满意的体育馆人群疏散仿真效果，为体育场馆人群疏散提供了一種新的研究思想，同时对一些大型建筑物的人群疏散具有一定的指导意义。
参考文献
[1] 刘真余，芮小平，董承玮，等.元胞自动机地铁人员疏散模型仿真[J].计算机工程与应用，2009，45（27）：203?205.
[2] 王兆其，毛天露，蒋浩，等.人群疏散虚拟现实模拟系统[J].计算机研究与发展，2010，47（6）：969?978.
[3] 陈涛，应振根，申世飞.相对速度影响下社会力模型的疏散模拟与分析[J].自然科学进展，2006，16（12）：1606?1612.
[4] 黄希发，王科俊，张磊，等.基于个体能力差异的人员疏散微观模型研究[J].中国安全生产科学技术，2009，5（5）：72?77.
[5] 史建勇，任爱珠.基于智能体的大型公共建筑人员火灾疏散模型研究[J].系统仿真学报，2008，20（20）：5677?5682.
[6] 崔喜红，李强，陈晋，等.基于多智能体技术的公共场所人员疏散模型研究[J].系统仿真学报，2008，20（4）：1006?1010.
[7] 赵巍，刘畅，廉兴宇，等.人群运动仿真和疏散优化方法设计与实现[J].系统仿真学报，2014，26（3）：523?529.
[8] 刘全平，梁加红，李猛，等.基于多智能体和元胞自动机人群疏散行为研究[J].计算机仿真，2014，31（1）：328?332.
[9] 陈鹏，王晓璇，刘妙龙.基于多智能体与GIS集成的体育场人群疏散模拟方法[J].武汉大学学报（信息科学版），2011，36（2）：133?139.
[10] 陈鹏，刘妙龙.基于多智能体的人群集散动态模拟模型与实现[J].同济大学学报（自然科学版），2008，36（2）：193?196.
[11] 曹爱春，杨晓艇，侯旭东.Agent?CA的体育场馆人群疏散模型[J].计算机工程与应用，2013，49（24）：229?232.
摘 要： 为了更好地引导体育场馆人群疏散，保证人员的生命安全，提出多智能体的体育场馆人群疏散模型。首先对当前体育场馆人群疏散研究现状进行分析，然后分析了体育场馆人群疏散的个体移动特征，结合地理信息系统设计了与个体移动特征相适应的多智能体人群疏散模型，最后进行了人群疏散模拟测试。测试结果表明，多智能体可以描述体育场馆人群的移动特点，真实模拟了体育场馆人群疏散状态，为体育场馆应急事件处理提供了有价值的信息。
关键词： 体育场馆； 人群疏散模拟； 多智能体系统； 地理信息系统； 移动模型
中图分类号： TN911?34； TP391 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）03?0124?03
Multi?agent crowd evacuation model in stadium
KONG Xiangkui
（Institute of Physical Education， Yangtze University， Jingzhou 434023， China）
Abstract： In order to guide the crowd evacuation in stadium and ensure the life safety of crowd， a multi?agent crowd evacuation model in stadium is proposed. The research statue of the crowd evacuation in stadium is analyzed. The individual movement characteristics of crowd evacuation in stadium are analyzed. The multi?agent crowd evacuation model suitable for the individual movement characteristics was designed in combination with the geographic information system. The crowd evacuation was performed for simulation test. The results show that the multi?agent system can describe the movement characteristics of the crowd in stadium and simulate the crowd evacuation status in stadium really， and provide the valuable information for the emergency events handling in stadium.
Keywords： stadium； crowd evacuation simulation； multi?agent system； geographic information system； mobile model
0 引 言
随着我国体育竞技水平的不断提高，一些大学、城市以及企业都建立了大型的体育场馆，为人们锻炼，主办大型赛事提供了条件，同时体育场馆的安全问题也引起了国家的高度重视[1?2]。如果发生火灾、爆炸等紧急事件，如何快速、有效地疏散体育场馆内的人群，尽量减少人员伤亡成为安全管理研究中的重大课题[3]。
体育场馆人群疏散受到众多因素的影响，如个体心理、体育场馆结构等，而且这些因素之间相互影响，使得体育场馆人群疏散变得十分复杂[4]。针对体育场馆的人群疏散问题，国内外专家一直在不断地进行广泛的探索，当前主要有三种体育场馆的人群疏散方法：规则法、社会力法以及元胞自动机法[2]，规则法在人群数量较少的条件下具有较好的人群疏散模拟仿真效果，当人群数量较大时，无法模拟体育场馆的人群疏散[5]；社会力法在研究人与人之间的引力、斥力以及摩擦力的基础上建立体育场馆的人群疏散模型，但人群数量大时，执行效率低，无法满足体育场馆的人群疏散实时性要求[6]；元胞自动机法将体育场馆的行人看作是一个元胞，根据元胞不同时刻的状态决定行人的移动方向和速度，模拟效果比较接近真实的体育场馆人群疏散[7]。在体育场馆的人群疏散过程中，场馆空间的环境信息十分重要，当前很多应急事件中的人员疏散均引入了地理信息系统（Geographic Information System，GIS），通过GIS对建筑物的空间环境信息进行实时采集，建立动态的人群疏散模型，然而目前在体育场馆的人群疏散研究中很少利用GIS，使得建立的人群疏散模型不可靠[8]。体育场馆的人群疏散建模中，个体之间差异性明显，多智能体（Multi Agent，MA）可以描述人群的个体行为，具有交互性、协同性和自主性，可以应用于体育场馆人群疏散的建模中[9?10]。目前体育场馆人群疏散模型主要针对特定行为进行研究，缺乏通用性，应用范围窄，局限性明显[11]。
为了更好地引导体育场馆人群疏散，保证人员的生命安全，提出了多智能体的体育场馆人群疏散模型，该模型结合了地理信息系统和个体移动特征，模拟测试结果表明，多智能体可以真实模拟体育场馆人群的疏散状态，为体育场馆应急事件的研究提供了一种新的研究方法。
1 相关理论
1.1 GIS概述
地理信息系统（GIS）可以很好地描述体育场馆的出口和道路状态。GIS按图层组织的体育场馆地图包括多个图层，图层又包括节点、线、面。体育场馆由许多路和出口组成，道路之间有交叉，比较复杂，为了简化路的拓撲结构，地图分为节点和路段，交叉路口和路表示网络的点和边，这样体育场馆GIS的特点为：边是双向的，节点和边的数目相对较多，路的拓扑关系复杂。
1.2 多智能体概述
多智能体是一种可以对系统实现建模的工具，主要从微观上对系统进行描述，综合考虑系统中各部分间的关系，从而可以描述系统的宏观特性。
与其他技术相比，多智能体技术采用自上而下的建模方法，建模过程更加简单、直观，将复杂系统简单化，智能体（Agent）表示一个实体，描述自身和环境的变化，并且能够适应环境变化，通常情况下，智能体具有主动性、协同性，且有推理、决策能力。
2 多智能体的体育场馆人群疏散模型
2.1 元胞自动机
元胞自动机是一种经典的时空动力系统，元胞与系统的状态相对应，而系统状态是有限的，遵循相同的移动规则，根据规则进行相应的动作，元胞之间存在互作，通过互作进行状态更新描述系统的动态演化模型。体育场馆人群疏散的8邻域的元胞如图1所示，中心表示点的当前位置，它可以向周围8个方向移动。
元胞移动的动态参数模型为：
[Pij=Dij+Eij+Fij+Gij] （1）
式中[Dij]表示人移动到一个方向的代价，其初值为：
[Dij=1， 正上方元胞α， 左上，右上元胞0， 当前行元胞-α， 左下，右下元胞-1， 正下方元胞] （2）
[Eij]描述元胞的占用情况，具体如下：
[Eij=1，元胞为空0，人所在当前元胞-1， 元胞被其他人占据] （3）
[Fij]描述行人躲避拥塞的意愿，计算公式为：
[Fij=S1-S2R] （4）
式中：[S1]和[S2]分别表示空元胞和被占用元胞的数目、体育场馆大小。
[Gij]描述人的“随大流”思想，具体为：
[Gij=S3-S4R] （5）
式中：[S3]和[S4]分别表示与当前人移动方向相容和不相容的人数。
2.2 体育馆人群疏散模型
2.2.1 模型的框架
体育馆人群疏散模型的每一个人是一个独立智能体，它们间有一定的特征差异，根据自身的经验、心里、知识对自己的行为进行判断，并根据自身周围环境以及邻近人群不断调整自己的移动方向，朝安全的出口移动，体育馆人群疏散模型的框架如图2所示。
2.2.2 行为视觉感知
（1） 设行为的最优和最大视觉距离分别为[Rv1]和[Rv2，]行为的最优和最大视觉角度分别为[φv1]和[φv2，]那么行人的感知半径计算公式为：
[Rv2D=1-Cpanickv] （6）
式中：[Cpanic]表示行为的恐慌程度；[kv]表示视觉的能力；[D]为物体尺寸。
（2） 采用聚焦因子描述行为对具体目标的关注程度，计算公式为：
[fA=aOA*FOA*F+bOA+cVa-Vo] （7）
式中：[OA→]表示矢量；[Va]为目标的移动速度；[a，b，c]描述智能体间的差异参数。
（3） 在体育场馆发生突发事件后如火灾等，存在一定危险性，危险性与多种因素相关，计算公式为：
[Cpanic=ae-d+be-1ρ] （8）
式中：[d]为人与危险物之间的距离；[ρ]为感知密度。
2.2.3 行为决策
体育场馆的人群疏散有多种不同的行为，如从众行为、逃逸行为等，下面对它们进行具体描述。
（1） 当体育场馆发生一定突发事件时，行人马上会感觉到危险，就会立即进行逃逸行为，逃逸行为可以描述为：
[vprefer=（1+Cpanic）e-ε?ρλ?vmax] （9）
式中：[λ]表示行人的体力，不同年龄的行人取值不一样；[ε]为测定系数；[vmax]表示行为移动的最大速度。
（2） 行为的移动过程中，移动时间要考虑周围人的状态，即尽可能与其他人的行为保持相似，即从众行为。separate，alignment，cohesion分别表示行为的原则，从众的速度计算公式为：
[vprefer=λ（αvseparate+βvalign+γvcohesion）] （10）
式中：[vseparate，valign，vcohesion]分别为separate，alignment，cohesion的速度。
除了上述行为，还有帮助行为、排队行为、目标行为，具体描述见参考文献[11]。
2.2.4 行为执行
综合考虑各种因素，智能体决策系统会对智能体的位置更新，即有：
[Pt+1（x，y）=Pt（x，y）+vprefer?Δt] （11）
式中：[Pt（x，y）]和[Pt+1（x，y）]表示当前和将来的位置；[Δt]表示时间间隔。
3 体育场馆人群疏散的实例分析
为了分析本文提出的体育场馆人群疏散模型的性能，在4 核 Intel 2.85 GHz CPU，8 GB的内存计算机上实现模拟测试，采用文献[11]的体育场馆人群疏散模型进行对照实验，该模型没有利用GIS信息。当体育场馆的人群密度为1人/m2时，两种群疏散模型的模拟实验结果如图3所示。
从图3的模拟结果可以看出，对比模型的滞留人数多，人群疏散速度慢，拥挤现象十分严重，易造成人员的伤亡。本文模型充分利用体育场馆的道路和节点信息，不仅加快了人群的疏散速度，同时减少了人员的伤亡数量，实际应用价值更高，弥补了对比模型存在的不足，优越性明显。
本文模型和对比模型的体育馆人群疏散综合性能评价指标如表1所示。从表1可以看出，相对于对比模型，本文模型更好地模拟了体育馆人群疏散的真实情况，可以避免人群拥挤現象发生，平均疏散人群数量增加，人群疏散时间下降，加快了人群的疏散速度，为人群逃跑取得了宝贵的时间，模型简单、易实现，是一种有效的体育馆人群疏散模型。
4 结 论
体育馆人群疏散的研究具有重要的实际应用价值，为了更好地模拟体育馆人群疏散过程，提出了多智体的体育场馆人群疏散模型，该模型充分利用了体育馆场景的时空信息，考虑了行人间的相互碰撞，并且通过多智体描述行人之间的差异，对人群的未来状态进行估计，模拟测试结果表明，本文模型得到了比较满意的体育馆人群疏散仿真效果，为体育场馆人群疏散提供了一種新的研究思想，同时对一些大型建筑物的人群疏散具有一定的指导意义。
参考文献
[1] 刘真余，芮小平，董承玮，等.元胞自动机地铁人员疏散模型仿真[J].计算机工程与应用，2009，45（27）：203?205.
[2] 王兆其，毛天露，蒋浩，等.人群疏散虚拟现实模拟系统[J].计算机研究与发展，2010，47（6）：969?978.
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[4] 黄希发，王科俊，张磊，等.基于个体能力差异的人员疏散微观模型研究[J].中国安全生产科学技术，2009，5（5）：72?77.
[5] 史建勇，任爱珠.基于智能体的大型公共建筑人员火灾疏散模型研究[J].系统仿真学报，2008，20（20）：5677?5682.
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[7] 赵巍，刘畅，廉兴宇，等.人群运动仿真和疏散优化方法设计与实现[J].系统仿真学报，2014，26（3）：523?529.
[8] 刘全平，梁加红，李猛，等.基于多智能体和元胞自动机人群疏散行为研究[J].计算机仿真，2014，31（1）：328?332.
[9] 陈鹏，王晓璇，刘妙龙.基于多智能体与GIS集成的体育场人群疏散模拟方法[J].武汉大学学报（信息科学版），2011，36（2）：133?139.
[10] 陈鹏，刘妙龙.基于多智能体的人群集散动态模拟模型与实现[J].同济大学学报（自然科学版），2008，36（2）：193?196.
[11] 曹爱春，杨晓艇，侯旭东.Agent?CA的体育场馆人群疏散模型[J].计算机工程与应用，2013，49（24）：229?232.
