改进元胞自动机人员疏散仿真模型探究

《改进元胞自动机人员疏散仿真模型探究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、改进元胞自动机人员疏散仿真模型探究　　摘要：近几年来，地震、火灾等自然灾害频繁发生，恐怖袭击事件突发频率也呈日益攀升之势，公共安全问题成为社会热点，灾难突发时人员疏散问题的建模与仿真技术成为研究热点。立足已有的元胞自动机模型，充分考虑了人员在疏散时的心理特点和行为特点，提出了一种改进的元胞自动机模型，通过改进的元胞自动机模型对人员疏散问题进行建模与仿真，更加真实再现了行为人在紧急疏散时表现出来的从众性和自组织性，其研究成果为人群疏散仿真研究提供了有力支持。关键词：元胞自动机；蚁群算法；信息素中图分类

2、号：TP337文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2014）001003403作者简介作者简介：王丹青（1990-），女，武警工程大学信息工程系硕士研究生，研究方向为人群疏散的计算机仿真；巩青歌（1964-），女，武警工程大学研究所教授、硕士生导师，研究方向为数据库技术、计算机仿真。0引言8元胞自动机是一个具有行为规则的动态模型，通过它可以表现出复杂的行为，因此它已经成为复杂系统建模的一个重要工具。其中，复杂环境下的人群疏散就是元胞自动机模型的一个重要应用领域。在元胞自动机理论基础之上

3、建立人员疏散模型的方法是：在均匀一致的网格上建立由元胞构成的动力系统[1]。目前，利用元胞自动机研究人群疏散模型主要有以下几个方向：①针对大空间中的人员疏散问题，考虑偏好矩阵[2]与场地设计的元胞自动机模型；②根据人员在不同网格内的移动特性来确定其行走速度与方向，改进传统元胞自动机模型中人员行为的简单规则；③利用二维矩阵来定义元胞的状态，开发了元胞自动机的可视模型；④在经典元胞自动机模型的基础上，量化确定摩擦力和排斥力[3]等，精确行为规则运算。通过查阅大量资料，发现种种改进的元胞自动机模型，在确定

4、人员运动规则时，大多忽略了其紧急情况下疏散时特有的相互影响行为特点，只是单一计算各个孤立人员的行为规则，这样的模型无法准确度量人员在密度较大或情况较为紧急时，疏散行为中表现出的跟随行为和从众心理[4]。本文在前人研究成果的基础上，从人员在突发事件中疏散行为的相互影响特性出发，建立了更加详细的元胞选择规则，重点表现人员在疏散中的从众性和自组织性。1改进的元胞自动机模型1.1模型改进8传统的元胞自动机模型往往是建立单纯的网格，并没有考虑到不同网格在实际环境中的差异，因此，在刻画突发事件的现场态势时仍有缺

5、陷。本文在原来模型的基础之上，建立了环境场。环境场是添加在元胞自动机模型基础之上的背景，以描述元胞所在的不同环境，包括每一元胞的危险程度，及疏散过程中备选为下一迁移目标的次数等个体特点。加入了环境场之后的模型因为考虑到不同网格之间环境因素的差异，从而可以更加真实地表现现场态势。根据环境因素的不同特点，环境场分为两类，一类是静态环境，主要是指不随智能体的运动和时间而变化的环境因素，例如建筑物内部结构，或危险发生地理环境；另一类是动态环境场，主要是指随着智能体运动和时间变化而变化的抽象的环境因素，例如人

6、员在疏散时，现场个别元胞表现出的拥塞等情况。由以上关于环境场的分析得知，在建立模型中的行为规则时，考虑这两种场强对行为人的影响作用，可以将元胞自动机模型中的人员行为规则准确化，以表现出人与人、人与环境的相互影响，由此得到的改进元胞自动机模型更为逼近现实情况。1.2人员迁移规则计算1.2.1人员疏散行为和蚁群算法8通过人员在疏散时的行为研究，发现在不能准确判断出选择哪一个方向能够成功逃脱危险的情况下，人员在路径选择上表现出很强的从众性和自组织性，这与自然界中蚁群寻找食物的情况十分相似。在现实中，蚂蚁在

7、寻找食物时也不知道哪里有食物，他们根据之前蚂蚁选择的路径来决定自己的路径选择。根据蚂蚁觅食的智能行为，建立起了经典的蚁群算法[5]，就是根据许多蚂蚁共同完成寻找食物的过程，着眼于每只蚂蚁在空间中独立地搜索觅食路径的行为，分析每只蚂蚁在所寻得的解路径上留下一定的信息素，路径的性能越好，蚂蚁留在其上的信息素量越大，同时，信息量越大反过来说明该路径在蚁群觅食时被选择的概率也越大。随着算法的推进，较优解路径上的信息素量逐渐增加，算法渐渐收敛，最终形成一条最优路径。本文基于人员疏散行为和蚁群觅食行为的相似性，

8、引入蚁群算法中信息素动态更新的策略来改进元胞行为规则。本文中定义的信息素是指人员在元胞自动机模型的环境里迁移时留在其选择的元胞中的信息量。某一元胞的信息量越大，则说明有越多的人员选择该元胞作为下一迁移目标。根据人员疏散行为与蚁群算法描述的蚂蚁寻找食物行为的相似性，从仿生学的角度进行建模，在计算人员疏散行为规则时可以借鉴经典的蚁群算法中的相关方法。1.2.2动态信息策略8在蚁群算法中，通常需要设置一个初始信息素强度。由于这个初始信息素强度具有静态环境场所具有的时间不变性