模拟仿真软件介绍

在行人行为模型的基础上，开发出的模拟行人运动的行人仿真软件在20世纪末得到了广泛的开发与应用。近年来，国外研究机构开发出一些高水平的人员安全疏散模型，众多的消防安全工程师利用这些分析设计工具对各类建筑中人员的安全疏散进行评估，取得了令人嘱目的效果。

目前的微观行人仿真软件基本上以欧洲开发的为主，主要包括FPETool、EVACNET4、TIMTEX、WAYOUT、STEPS、Sim Ped、Ped Go、EXODUS、EGRESS、Legion、Myriad、PAXPORT、Simulex、Term SIM、Sim WALK、Micro－Pedsim等，文献给出了非常详细的人群疏散软件的综述。其中部分软件是基于元胞自动机的行人模型，部分是基于力的行人模型，部分是基于规则的行人模型。其中商业化程度较高、应用较广泛的为Legion、STEPS、Sim Walk、Ped Go等，下面简要介绍几种。

8．5．1 Building EXODUS软件

EXODUS系列软件由英国Greenwich大学FSEG(Fire Safety Engineering Group)开发，用于模拟不同空间内的人群疏散运动。EXODUS是一种模拟大量个体在复杂结构中的疏散运动的软件，在目前国际上通用的同类软件中，其人员行为模拟、仿真结果三维表现等性能均名列前茅，是最为成功的疏散模拟软件之一，在伦敦千年穹顶体育场、德国杜塞尔多夫飞机场等大型建筑的性能化设计以及美国“9·11事件”的研究中都得到应用。

Building EXODUS是为建筑环境疏散模拟而设计的，适用于超市、医院、电影院、火车站、小型机场、高层建筑、学校等。Building EXODUS可以用于评估所有类型建筑结构的疏散能力以及分析建筑结构内人群的运动效率。EXODUS系列软件包括Air EXODUS、Building EXODUS和Maritime EXODUS。

Building EXODUS不只是避难模型，而且能评价紧急境况(或通常情况)下人群的行为。Building EXODUS模拟的是人与人、人与火灾、人与构造物的相互作用。此模型追踪的是受到热、烟、有毒煤气影响后，从室内逃出的每个人的避难路径。

Building EXODUS软件基于面向对象的技术，采用C++语言编写，在基于规则的概念基础上编写的。因此，每个人的行为和运动是由一系列启发式规则确定的。这些规则被分为5个相互影响的子模型: 避难者、运动、行为、毒性和危险子模型。

图8－25 Buing EXODUS子模块关系示意图

图8－26 Building EXODUS运行

图8－27 用30cm×30cm的方格表示行人

Building EXODUS不仅可以对建筑物内火灾场景下的疏散进行模拟，并且还可以对开放空间中的疏散过程进行模拟，并对可能出现的拥挤、滞留等现象进行预测，如图8－26所示。此外，该软件还能对人群聚集过程进行预测，用以对公共场所中可能发生的人群拥挤踩踏事故进行预测，并根据预测结果对人群进行管理。

Building EXODUS软件核心模型的主要特点充分考虑火灾引起的有毒物质的扩散及其与行人的相互作用，主要用于火灾状况下的疏散。这使得它在用途上和其他行人仿真存在明显的不同。

8．5．2 Legion软件

Legion软件用于在奥运环境、公共交通换乘枢纽、站台、飞机场、运动场、竞技场、音乐会和一些高层建筑等地方的行人运动的仿真和分析。近来世界各地有大量的设计者、规划者、工程师使用Legion软件来评估和设计最佳行人空间，以提高行人运动的安全性、有效性以及改善观众的体验。Legion的原始模型是由Keith Still于1996年开发的基于离散网格的行人模型，用30 cm×30 cm的方格表示行人，如图8－27所示。

Legion的最新版本是Legion Studio2006以及配套的Legion3D2006。其中Legion Studio 2006由建模、仿真、数据分析三个相对独立的模块组成。Legion3D2006用于将建模模块生成的3D空间模型和仿真模块产生的仿真数据相结合，产生具有足够真实感的3D演示动画，如图8－28所示。

Legion的用户包括: 伦敦地铁、马德里地铁、香港地铁，悉尼、雅典、北京、伦敦奥运会等，英国卢顿飞机场，纽约34街车站，伦敦的某花卉市场等。Legion软件行人模型的自定义输入参数包括行人的年龄、性别、拥挤程度、步行速度、个体大小、空间选择策略、忍耐性、灵活性、出行目的、是否带行李等。模型中涉及最短路径和最短时间计算模型、路径选择、行人决策随机过程、个人空间限制、行人的忍耐性等。仿真结果输出形式包括: ①标准格式视频输出; ②绘图表格输出; ③图形输出(JPEG、BMP格式); ④参数输出(密度、流率、空间占有率等)。

图8－28 Legion的3D演示动画截图

8．5．3 Myriad软件

Myriad是Crowd Dynamics公司开发的行人仿真工具，其最新版本是MyriadⅡ。MyriadⅡ是一个集成的人群动力学建模套件。MyriadⅡ广泛地用于公共空间的建模和分析。MyriadⅡ内置建筑物建模过程需要三种不同的模型，包括: Agent分析、空间分析和网络分析模型，如图8－29所示，MyriadⅡ软件可以通过导入CAD文件建立复杂空间模型。

图8－29 MyriadⅡ的三种模型关系

图8－30 Sim Walk行人决策示意图

8．5．4 Sim WALK软件

Sim Walk是用于评估舒适度及安全的行人仿真软件。Sim Walk中的每一个行人都是一个自治的Agent，沿着指向目的地的方向行走，受到其他行人以及建筑物空间的约束。该仿真工具不仅可以用于评估火灾以及紧急状况，还可以用于改进正常状况下行人的运动。

Sim Walk的应用领域包括: 公共空间和建筑物(车站、医院、机场、公共空间)的设计、安全以及出口检测; 城市规划及建造中的行人流控制和改进; 步行性能研究等等。

Sim Walk提供强大的服务水平分析、出口计数、空间利用率分析以及仿真录像录制等功能。Sim Walk可以模拟成千上万人的运动，每一个人都拥有独立的行为特征和出行目的。Sim Walk采用使用Wave算法计算的势能场模型，考虑类似社会力模型的外在因素对行人的作用，如图8－30所示。

以势能场为基础，行人将行走到势能最低的区域，行人行进方向计算方法的关键是在需要检索的元胞数量和方向真实性之间取得最佳的平衡。在每一个仿真周期中遍历所有的行人，针对每一个行人，计算三种作用力，三种力叠加确定一个最优的下一步。同时还要检测该下一步位置的可行性，以确保行人决策的切实可行。检查条件包括: ①不在仿真区域之外; ②不与障碍物重叠; ③不与行人重叠; ④不被障碍物遮挡。

8．5．5 Simulex软件

Simulex软件是由苏格兰集成环境解决有限公司的Peter Thompson博士开发，用来模拟大量人员在多层建筑物中的疏散。该软件可以模拟大型、复杂几何形状、带有多个楼层和楼梯的建筑物，可以接受CAD生成的定义单个楼层的文件。能容纳上千人，用户可以看到疏散过程中每个人在建筑物中的任意一点、任意时刻的移动。仿真模拟结束后，会生成一个包含疏散过程详细信息的文本文件。

8．5．5．1 建筑的模拟

Simulex把一个多层建筑物定义为一系列二维楼层平面，它们通过楼梯连接。从每一个楼层进入楼梯的出口要在楼层平面窗口和楼梯窗口指定。楼梯和楼层平面由“连接”连接，它放置在出口的位置。在Simulex中，包含以下几个建筑元素: 楼层平面图、楼梯、连接和最终出口。

8．5．5．2 人员的模拟

Simulex用三个圆来代表每一个人的平面形状，如图8－31所示。精确地模拟了实际的人员。每一个被模拟的人由一个位于中间的不完全的圆圈和两个稍小的、与中间的圆重叠的肩膀圆圈组成，它排列在不完全的圆两侧。Simulex的移动特性基于对每个人穿过建筑物空间时的精确模拟，位置和距离的精度高于±0.001m。模拟的类型包括: 正常不受阻碍的行走，由于与其他人接近而造成的步速降低、超越、身体的旋转和避让。Simulex模拟了一部分心理方面的东西，包括出口选择和对报警的响应时间。但是，至今Simulex还没有尝试模拟能见度和毒性危害可能对人员产生的影响。此外，对心理因素模拟的进一步改进是该模型发展的一个部分。目前，该软件已经广泛应用于安全工程的教学和咨询以及火灾中人员疏散的模拟。

图8－31 用三个圆表示人的平面状态

8．5．6 EXIT89软件

EXIT89是由国际防火协会的Rita·Faby开发的，是用于大量人员从高层建筑疏散而设计的模型。例如，在高层建筑中它可以跟踪个体在建筑物内的行动轨迹。EXIT89还可以模拟烟气对疏散的影响。从消防安全的视角来评估建筑设计时，该模型可以处理一些疏散场景中最相关的因素，包括:

(1)考虑各种不同行动能力的人员，包括限制行动能力的人员和孩子。

(2) 延迟时间，既包括可以用来代替移动前的准备活动时间，也包括随机的额外时间，可以当作人员疏散开始时间。

(3)提供选择路径功能，使用模型计算出来的最短路径，可以用来模拟经过良好训练的或者由工作人员协助的疏散过程，或者使用用户指定的路径，可以用来模拟人员使用熟悉的出口或者忽略某些紧急出口的疏散过程。

(4)提供选择步速功能，可以反映正常移动和紧急状况下移动的差别，前者可能适于演习情况下，后者更适宜于人员在紧急情况下的反应。

8．5．7 网格疏散模型(SGEM)

香港城市大学的有关研究人员提出了利用计算机虚拟现实的技术收集人员在火灾中行为量化数据的调查方法，并结合火灾后的问卷调查及疏散演习等手段收集了大量有关火灾中人员行为的数据。比较详细地研究了建筑物防火通道内的标志(如灯光、张贴、指引、广播等)对人员疏散行为的影响，得出了一些有价值的结论。建立了网格疏散模型(SGEM)。该模型在几何空间上将建筑物划分成能反映人员具体位置的细网格，并利用拉格朗日方法分析每个人员在建筑物内的移动速度。采用此模型对香港的一些实际工程进行了较为成功的疏散模拟。

8．5．8 Anylogic简介

Anylogic是目前唯一一款创新开发混合建模的商用仿真工具，它的离散建模和连续建模能力都非常强，尤其是同时需要离散建模和连续建模的时候，它能够比较真实反映灾时影响人员疏散的各种因素，比如: 烟尘、毒气、热效应、地下结构设计、人员心理生理、人员互动及各种安全设施对人员疏散的作用。Anylogic专业虚拟原型环境，用于设计包括离散、连续和混合行为的复杂系统，能帮助你快速地构建被设计系统的仿真模型(虚拟原型)和系统的外围环境，包括环境设施和人员。

8．5．8．1 Anylogic的优点

Anylogic的动态仿真具有独创的结构可以通过模型的层次结构以模块化的方式快速地构建复杂交互式的动态仿真，与传统工具相比Anylogic提供了更多的功能:

(1)在建模环境中可以直接使用一组优秀的分析和优化工具;

(2)使用Java语言形象、灵活、可扩展、重用性好的活动目标以及标准快速建模;

(3)多种建模方法更精确建模可以捕获更多现象并可以针对独特问题进行实时调整;

(4)直接从模块环境使用优秀的分析组和最优化的工具;

(5)方便有效地使Anylogic开放架构模具与办公或公司软件集成电子制表软件，电子数据库ERP、CRM系统或将模具直接嵌入到实时操作环境中;

(6)随着真实系统的发展通过有效的维护模具从而增加模具的寿命;

(7)Anylogic的建模语言是UML－RT的扩展，模型的主要方图是活动对象，有其内部结构和行为可以任意向下封装其他对象。

8．5．8．2 Anylogic的部分功能介绍

1． 模型元素

Anylogic模型是等级化地组织起来的，工程(project)由包(package)组成，包中含有活动对象、消息、其他类和外部文件。包可以用于更好地对工程的结构进行组织。一个工程可以使用其他工程作为库(library)。Anylogic支持几种不同的实验类型，以用于不同的仿真任务，一个实验(experiment)中存储了模型的一组配置参数，实验显示动画，同时允许对模型进行调试。其他的Anylogic实验类型(优化实验optimization experiment，参数变化实验parameter variation experiment)只用于模型参数起重要作用，并且需要分析这些参数如何影响模型行为的情形，或希望找到模型对应的最优参数。自定义参数(custom parameter)允许使用Java语言定义自定义的实验脚本。

2． 活动对象

活动对象是Anylogic模型的主要构建模块。活动对象可以用于建模现实世界中类型广泛的各种对象，例如: 加工工作台、资源、人员、硬件、具体的物体、控制器等等。

一个活动对象是一个活动对象类的一个实例。活动对象类可以由用户开发，或者从库中得到。

图8－32 结构图

图8－33 活动对象树

(1)结构图。每个活动对象类都有一个与之相联系的结构图(如图8－32所示)，由各种不同的形体构成: 当前对象(this object)，被封装的对象(encapsulatedobject)，端口(port)，变量(variable)，连接器(connector)，图表定时器(charttimer)，状态图(statechart)和文本框(textbox)

(2)被封装的对象。活动对象可以在任意所需的深度层次上封装其他活动对象。被封装的对象是其他活动对象类的实例，并且将被此活动对象类的每个实例封装。封装一个类是创建模型等级结构的必需步骤。

(3)根对象。一个Anylogic模型是由互相封装的活动对象类所构成的一棵树(如图8－33所示)。由于每个活动对象通常代表模型中的一个逻辑部分，因此一个模型可以被分解到若干个细节层次。Anylogic支持简单的模型修改方法，方便地调整模型结构。

(4)活动对象的数据。你可以通过定义参数和变量来定义活动对象的数据。也可以通过编写你自己的Java代码来定义类成员变量。活动对象可以有参数，也可以定义一个变量。

(5)活动对象的行为。活动对象可以具有内部的行为。在Anylogic中你可以定义离散时间行为，连续时间行为以及混合行为。

①连续的过程用具有连续变化变量的微分和代数方程来描述。

②在非常简单的情况下，对象内部的离散行为可以使用定时器来定义; 在事件和时间顺序变得更为复杂的时候可以使用状态图(扩展的状态机)来定义。

③当离散和连续时间行为之间存在相互依赖关系时，则需要混合模型。可以使用混合状态图来定义混合的行为。

现实的应急疏散安全问题促进了对疏散系统进行科学、系统的研究，因疏散系统及人员的高度不确定性、动态性、与众多因素相关的复杂性决定了它是一个复杂的不确定性系统，这给本领域的研究者提出了一个巨大的挑战。疏散系统仿真从早期的以观察定性总结为主的经验研究，到后来的数学模型计算，直到现在借助计算机仿真进行人员疏散研究; 从最初人群宏观模型的研究到如今的Agent智能体的微观模型研究。应急领域的专家、学者们尝试了各种各样的方法，使得仿真软件的功能越来越强大，仿真模型越来越复杂、系统，仿真过程与结果更加直观、逼真。随着应急管理理论方面研究的进一步深入，将为建立系统、科学、形象的计算机疏散仿真模型提供了可靠的理论保障，计算机技术的发展也使模型的现实描述能力越来越强，扩大了模型的改进空间，它们必将在实际中得到越来越广泛的应用。