连续型仿真模型

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连续型仿真模型

与离散仿真模型不同,在连续型仿真模型中,人的坐标为方便起见表示为位置矢量、时间,及其他的一些量都是连续而非离散的。这种模型的核心是建立一组动力学的微分方程或运动学方程,通过这些方程将各个量的变化联系在一起。只要给出了初始的条件,模型就可以模拟出后续的运动状况。

最近一段时间以来,此类仿真模型成为了研究的热点,有不少模型和系统被开发了出来。包括“社会力”模型、 “网格模型”等。

在连续型仿真模型的研究逐渐增多的情况下,有些学者又在模型模拟运行的基础上,引入了热力学和流体力学的知识,建立了人群运动的力学方程,很好地扩展了的研究。其中比较成功的有建立的人群运动。

离散型仿真模型

离散模型通常又被称为元胞自动机模型。在这种模型中,通常的做法是把建筑物的平面空间划分为微小的正方形单元格。在任意时刻,一个单元格要么被占据障碍物或一个个体要么为空。因此,个体的空间位置可以由个体所处的单元格的编号所唯一标示。在仿真的运行过程中,时间被划分为等长的时间段,在每一时间段,所有个体依照所处的环境和自己的行为规则选择是留在原格还是移动到相邻的个单元格中的一格。此类模型中,一般的做法是用概率的方法给出个体移动到邻格或留在本格的概率,再通过蒙特卡罗法确定个体的行为。目前,较为优秀的离散仿真模型有“网格模型'。

本课题研究的目的和意义

一般的科学研究的过程通常是,对自然现象进行大量的观察与统计。如果有可能的话,再进行必要的实验。最后,在观察与实验得到的经验数据的基础上,总结出隐藏在现象背后的规律,并用严格的数学语言描述之。但是,人群的运动是一个极其复杂的物理过程。疏散的人群尤其如此。在整个运动的过程中,其动态要受许多因素的直接或间接的影响。而群体中个体间的相互作用,甚至人的心理状态也都是影响运动过程的重要因素。由于人群疏散具有的这些特点,决定了其研究方式有一定的特殊性。

对疏散人群的研究有两个重要的特点。第一,在研究的过程中难以进行试验。首先,像体育场馆等大量人员聚集场所的疏散研究,涉及的人员都是成千上万,远远超过了一般试验的规模。其次,人群的疏散往往与别的事故的突发相关联如火灾、停电、恐怖事件等。而在实验中,是无法真实地模拟这种危急状况的。这也就使实验的结果与真实的状况有较大的差别,起不到参考的作用。再次,实验的进行中也潜伏着不安全因素,一旦实验失控就容易造成人员的伤亡。以上三点就造成了在人员疏散的研究中,试验不能作为一个主要的手段。第二,对疏散人群运动规律的数学建模十分困难。人群都至少是在二维空间上运动的。空间维度的增加增大了数学描述的困难度,此其一。其二,组成人群的个体都是有主观思维的人,其行为在一定的程度上有其不可预测性。基于这两点,在用数学公式描述疏散人群行为方面有极大的困难。

由于疏散人群研究的以上两个特点,为了从大量的观测数据中得到其背后的规律,指导实践,需要以计算机仿真技术作为主要的研究手段。通过计算机仿真,可以将在现实中难于实行的实验放到计算机生成的虚拟空间中去进行,而不受试验场景、规模和经费的限制,也不存在事故发生的可能。另外,由于计算机仿真技术的发展,在建立仿真模型时并不需要对人群的行为建立方程,所需要的只是一些观测所得的行为特征和数据。这样,就绕开了对疏散人群数学建模的这一难题。

由此可见,对人群疏散的研究,采用计算机仿真或称为疏散仿真,是其最重要的研究手段。这也正是最近几十年来对人群疏散的研究都集中在疏散仿真上的原因。

除了理论研究上的因素之外,疏散仿真还具有更大的实际意义。这进一步促进了它的发展。通过疏散仿真系统,可以对还在图纸上的建筑物进行人员疏散方面的评价,找出其设计中存在的不利于人员撤离的地方。这样比在建筑物建成之后再进行修正可以节省大量的投资。另外,通过疏散仿真系统,

可以模拟各种状况下建筑的疏散状况,为设计紧急情况下的疏散预案提供参考。在设计阶段如何评价北京奥运会体育场馆在突发事件下的疏散状况,以及对体育场馆的疏散预案的制定,显然不可能组织上万人进行试验。且不说此类试验的巨大的花费,在实验中极有可能发生安全事故,造成人员或财产的损失。因此,经济可行的手段就是通过计算机的仿真模拟,对设计方案或应对预案进行检查、验证。凡此种种,都表明了疏散仿真研究所具有的巨大的经济效益和社会效益。

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