基于人工魚群算法的人群疏散路徑規(guī)劃方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于人工魚群算法的人群疏散路徑規(guī)劃方法，包括以下步驟：建立人工魚群模型，初始化相關(guān)參數(shù)；若為開放式出口疏散，計(jì)算每個網(wǎng)格到危險源的距離及每個網(wǎng)格的擁擠程度，更新人工魚位置；若為固定出口疏散，計(jì)算每個網(wǎng)格到出口的距離及每個出口區(qū)域的擁擠程度，更新人工魚位置；生成人工魚個體模擬人群疏散的最優(yōu)路徑。本發(fā)明有益效果：本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)群體自適應(yīng)的路徑規(guī)劃，通過可視化的界面，并設(shè)計(jì)了參數(shù)設(shè)置面板，模擬不同情境下的疏散行為，使生成的運(yùn)動更加符合真實(shí)世界的群體運(yùn)動，從而產(chǎn)生不可預(yù)測的群體行為，提高了運(yùn)動的真實(shí)性。
【專利說明】基于人工魚群算法的人群疏散路徑規(guī)劃方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種人群疏散路徑規(guī)劃方法，尤其涉及以基于人工魚群算法的人群疏散路徑規(guī)劃方法。
【背景技術(shù)】
[0002]虛擬人群疏散的傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法一般分為基于規(guī)則的路徑規(guī)劃和非規(guī)則的路徑規(guī)劃兩類?；谝?guī)則的路徑規(guī)劃方法包括元胞自動機(jī)模型等方法。元胞自動機(jī)模型的顯著優(yōu)點(diǎn)是僅僅通過少量的簡單的規(guī)則就能近似的模擬出現(xiàn)實(shí)中觀察到的行人現(xiàn)象，且這些規(guī)則在直覺上很容易理解，與那些復(fù)雜的行為模型相比，其計(jì)算過程簡單且高效。但是在這類模型中，個體無法與其他個體交換環(huán)境信息，無法逼真的描述人群疏散現(xiàn)象。
[0003]基于非規(guī)則的路徑規(guī)劃包括A*、人工勢能場模型和社會力模型等方法。A*算法通過定義代價評估函數(shù)對環(huán)境進(jìn)行啟發(fā)式搜索。人工勢能場模型通過計(jì)算環(huán)境中勢場能量決定下一步的運(yùn)動方向。社會力模型通過計(jì)算虛擬個體驅(qū)動力、排斥力與吸引力的合力，實(shí)時實(shí)現(xiàn)個體間的避碰。但是，上述方法仿真的速度較慢，特別是人群數(shù)量較多時，這個現(xiàn)象更加明顯。
[0004]本發(fā)明提出的基于人工魚群算法的人群疏散路徑規(guī)劃方法能夠很好的解決上述問題，既能夠逼真的模擬人群疏散現(xiàn)象，又能夠提高路徑規(guī)劃仿真的速度。人工魚群算法作為一種基于仿生學(xué)的群體智能算法，還具有對初值與參數(shù)選擇不敏感、魯棒性強(qiáng)、簡單易實(shí)現(xiàn)、收斂速度快和使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地對群體的運(yùn)動行為進(jìn)行模擬。因此，研究如何利用人工魚群算法對人群疏散進(jìn)行路徑規(guī)劃具有很大的應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提出了一種基于人工魚群算法的人群疏散路徑規(guī)劃方法。本方法基于ACIS/H00PS和VS.NET平臺，結(jié)合人工魚群算法的原理和流程設(shè)計(jì)出來，借助可視化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，支持操作人員手工設(shè)置參數(shù)，模擬不同情景下的疏散效果，為設(shè)計(jì)人員提供路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)支撐工具。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]一種基于人工魚群算法的人群疏散路徑規(guī)劃方法，包括以下步驟:
[0008](I)在ACIS/H00PS支撐平臺上建立人工魚群模型，將整個實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行網(wǎng)格化劃分，初始化人工魚的相關(guān)參數(shù)。
[0009](2)判斷實(shí)驗(yàn)環(huán)境種類，若為開放式出口疏散轉(zhuǎn)步驟(3)，若為固定出口疏散轉(zhuǎn)步驟⑷。
[0010]其中，開放式出口是指場景中不指定固定的出口，人群可以向四周疏散，比如廣場；固定出口是指給場景指定固定的出口，人群只能從這些出口的一個疏散，比如電影院。
[0011](3)依據(jù)當(dāng)前人工魚與目標(biāo)人工魚的適應(yīng)度函數(shù)，魚群個體自適應(yīng)的選擇目標(biāo)移動位置；更新人工魚位置，轉(zhuǎn)至步驟(5)。[0012](4)人工魚依據(jù)優(yōu)化函數(shù)，自適應(yīng)的選擇某一個出口向其移動；更新人工魚位置，若到達(dá)安全區(qū)域出口，則停止運(yùn)動。
[0013](5)若算法滿足迭代條件，返回步驟(3)或步驟(4)，否則算法結(jié)束。
[0014](6)生成人工魚個體模擬人群疏散的最優(yōu)路徑。
[0015]所述步驟(1)中初始化的相關(guān)參數(shù)為:人工魚數(shù)目η、算法的迭代次數(shù)M、安全距離SafeDis、每個人工魚i到危險源的距離Dis (i)、擁擠因子σ、人工魚位置location、步長step、當(dāng)前人工魚視距范圍內(nèi)相鄰人工魚的數(shù)目nf和追尾行為最大嘗試次數(shù)Trynumber。
[0016]所述步驟(3)中魚群個體自適應(yīng)選擇目標(biāo)位置的步驟如下:
[0017](a)查找當(dāng)前人工魚i視距范圍內(nèi)人工魚到危險源的距離Dis值最大的人工魚j，根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)€(」)=0匕(]_)/%判斷，若€(]_)>0*0匕(1)，則按照位移移動公式一向人工魚j所在位置移動至Xnrart,否則再次查找；其中，nf為當(dāng)前人工魚視距范圍內(nèi)相鄰人工魚的數(shù)目，σ為擁擠因子。
[0018]所述位置移動公式一為:= Xi+Step* η其中，Xi是人工魚i當(dāng)前的位
置，Xj是離危險源距離最大的人工魚j的位置，r是[0，I]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)，step為步長。
[0019](b)若最大嘗試次數(shù)Trynumber后，仍沒有查找到，則在視距范圍內(nèi)隨機(jī)選擇人工魚j，若人工魚到危險源的距離Dis (j) >Dis (i)，則按照位置移動公式二向j方向前進(jìn)一步，
否則重新選擇狀態(tài)j ;所述 位置移動公式二為:= Xi + rand() * Stcp * 其中，Xi是人
工魚i當(dāng)前的位置，Xj是隨機(jī)選擇的人工魚j的位置；Dis(i)，Dis(j)分別為人工魚i和j到危險源的距離；rand()為隨機(jī)函數(shù)，step為步長。
[0020](c)再次嘗試Trynumber次后，若仍不能滿足前進(jìn)條件，則按照位置移動公式三隨機(jī)移動一步；所述位置移動公式三為=Xnext=XJrandOSt??；其中，Xi是人工魚i當(dāng)前的位置，rand()為隨機(jī)函數(shù)，step為步長。
[0021]所述步驟(3)或者步驟(4)中的更新人工魚位置需滿足限制在限制在區(qū)域內(nèi)部。
[0022]所述步驟(4)中優(yōu)化函數(shù)為gQXfDisJD + Q-C^nf* σ，其中，nf為每個出口處人工魚的數(shù)目，數(shù)目越大，該出口的擁擠程度越高，Dism(i)為人工魚i距離出口 m的距離，σ為擁擠因子，C1為[O~I]之間的常數(shù)值。
[0023]所述步驟(4)中人工魚個體根據(jù)每個出口處當(dāng)前人工魚視距范圍內(nèi)相鄰人工魚的數(shù)目nf及該人工魚距離所有出口的距離DisJi)，計(jì)算優(yōu)化函數(shù)g(i)，選出函數(shù)值最高的出口為X。，并以X。作為目標(biāo)按照位置移動公式四進(jìn)行移動；通過設(shè)置不同的C1值，選擇由最近的出口還是最不擁擠的出口進(jìn)行疏散；所述位置移動公式四為:
X =xi + rand()*StcP*^^。
[0024]所述步驟(4)中安全區(qū)域出口指指遠(yuǎn)離危險源達(dá)到安全距離SafeDis的出口。
[0025]所述步驟(5)中算法滿足的迭代條件為算法達(dá)到迭代次數(shù)或收到暫停指示。
[0026]基于人工魚群算法的原理和流程，實(shí)現(xiàn)了群體自適應(yīng)路徑規(guī)劃。規(guī)劃設(shè)計(jì)人員通過系統(tǒng)提供的接口，在設(shè)置面板中設(shè)置參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境的搭建及對疏散行為的控制。在疏散行為實(shí)現(xiàn)過程中，兩種實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬了現(xiàn)實(shí)人群疏散行為中的兩種實(shí)際場景，適應(yīng)度函數(shù)對開放式出口人群疏散的目標(biāo)確定進(jìn)行了有效優(yōu)化，優(yōu)化函數(shù)對固定出口人群疏散的目標(biāo)確定進(jìn)行了有效優(yōu)化，保證了群體的智能性和精確性。通過上述過程，最終實(shí)現(xiàn)了群體疏散行為。
[0027]本發(fā)明的有益效果是:
[0028]本發(fā)明提出的基于人工魚群算法的人群疏散路徑規(guī)劃方法既能夠逼真的模擬人群疏散現(xiàn)象，又能夠提高路徑規(guī)劃仿真的速度。人工魚群算法作為一種基于仿生學(xué)的群體智能算法，還具有對初值與參數(shù)選擇不敏感、魯棒性強(qiáng)、簡單易實(shí)現(xiàn)、收斂速度快和使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地對群體的運(yùn)動行為進(jìn)行模擬。通過該方法規(guī)劃出來的人群疏散路徑成果能夠有效提高公共場所中通道的利用率以及危機(jī)情況下的人員安全性；對大型場館建設(shè)如何在應(yīng)急情況下產(chǎn)生流暢和穩(wěn)定的人流，減輕恐慌人群的擁擠壓力提供極大的參考價值。
[0029]同時，本發(fā)明通過可視化的界面設(shè)計(jì)，以及參數(shù)化的面板設(shè)置，可以模擬不同情境下的人群疏散行為，實(shí)現(xiàn)群體自適應(yīng)的路徑規(guī)劃，并使生成的運(yùn)動更加符合真實(shí)世界的群體運(yùn)動，提高了仿真的真實(shí)性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明人群疏散方法的算法流程圖；
[0031]圖2是程序場景設(shè)置面板；
[0032]圖3 Ca)是開放式出口人群疏散初始化后效果圖；
[0033]圖3 (b)是開放式出口人群疏散運(yùn)行后效果圖；
[0034]圖4 (a)是固定出口人群疏散初始化后效果圖；
[0035]圖4 (b)是固定出口人群疏散運(yùn)行后效果圖。
【具體實(shí)施方式】:
[0036]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明:
[0037]本方法的理論基礎(chǔ)取自于生物進(jìn)化科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)及設(shè)計(jì)方法的交叉學(xué)科，其主要算法進(jìn)化計(jì)算領(lǐng)域的群智能算法；其實(shí)現(xiàn)依賴于計(jì)算機(jī)科學(xué)的計(jì)算模型、算法及可視化技術(shù)，其最終服務(wù)對象是現(xiàn)實(shí)社會中安全生產(chǎn)及人類社會其他各個方面。
[0038]基于人工魚群算法的人群疏散方法主要包括以下幾個過程:
[0039]過程1:選擇要實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)效果，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。
[0040]過程2:人工魚依據(jù)適應(yīng)度函數(shù)及優(yōu)化函數(shù)自適應(yīng)選擇目標(biāo)移動位置。
[0041]過程3:更新人工魚群參數(shù)數(shù)值。
[0042]過程4:生成人群疏散路徑。
[0043]通過本方法，借助ACIS/H00PS為相應(yīng)的支撐平臺，設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)兩種場景下的疏散行為仿真模型。以下詳細(xì)介紹本方法的幾個過程。
[0044]過程1:選擇要實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)效果，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。
[0045]在如圖2所示的場景設(shè)置面板中，選擇要執(zhí)行的實(shí)現(xiàn)效果，再設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)值，需設(shè)定步長step、擁擠因子σ、距離權(quán)重C1、種群規(guī)模η、目標(biāo)點(diǎn)等，生成場景初始化效果圖，如圖3 (a)和圖4 (a)所示，圖3 (a)是開放式出口人群初始化效果圖，圖4 (a)為四出口固定出口人群疏散疏散初始化效果圖。[0046]過程2:人工魚依據(jù)適應(yīng)度函數(shù)及優(yōu)化函數(shù)自適應(yīng)選擇目標(biāo)移動位置。
[0047]群體自適應(yīng)的選擇目標(biāo)移動點(diǎn)，通過改進(jìn)的人工魚群算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，生成實(shí)現(xiàn)人群疏散的無碰撞最優(yōu)路徑。
[0048]步驟1:初始化人工魚群狀態(tài)集合X= (X1, X2, X3,…，XJ，依據(jù)在場景面板中實(shí)現(xiàn)效果的設(shè)置執(zhí)行下面的算法。
[0049]步驟2:針對兩種場景的疏散行為，分別計(jì)算每個網(wǎng)格距離危險源或出口的距離Dis (m)及每個網(wǎng)格或出口區(qū)域的擁擠程度nf。
[0050]步驟3:依據(jù)開放式出口和固定出口兩種不同場景，運(yùn)用適應(yīng)度函數(shù)或優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行人群疏散。
[0051]( 1)在開放式出口人群疏散場景下:
[0052]①人工魚Xi查找當(dāng)前位置周圍離危險源距離最遠(yuǎn)的人工魚Y」，依據(jù)適應(yīng)度函數(shù)f(m) =Dis (m) /nf，判斷是否可以向其方向移動，若f(j) > σ *Dis (i)，則向j移動，否則繼續(xù)查找；
[0053]②位置移動公式為
【權(quán)利要求】
1.一種基于人工魚群算法的人群疏散路徑規(guī)劃方法，其特征是，包括以下步驟: (1)在ACIS/HOOPS支撐平臺上建立人工魚群模型，初始化相關(guān)參數(shù)，將整個實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行網(wǎng)格化劃分； (2)判斷實(shí)驗(yàn)環(huán)境種類，若為開放式出口疏散轉(zhuǎn)步驟(3)，若為固定出口疏散轉(zhuǎn)步驟(4)； (3)依據(jù)當(dāng)前人工魚與目標(biāo)人工魚的適應(yīng)度函數(shù)f(m)，魚群個體自適應(yīng)的選擇目標(biāo)移動位置；更新人工魚位置，轉(zhuǎn)至步驟(5)； (4)人工魚個體依據(jù)優(yōu)化函數(shù)g(i)，自適應(yīng)的選擇某一個出口向其移動；更新人工魚位置，若到達(dá)安全區(qū)域出口，則停止運(yùn)動； (5 )若算法滿足迭代條件，返回步驟(3 )或步驟(4 )，否則算法結(jié)束； (6)生成人工魚個體模擬人群疏散的最優(yōu)路徑。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于人工魚群算法的人群疏散路徑規(guī)劃方法，其特征是，所述步驟(1)中初始化的相關(guān)參數(shù)為:人工魚數(shù)目η、算法的迭代次數(shù)M、安全距離SafeDis、人工魚i到危險源的距離Dis (i)、擁擠因子σ、人工魚位置location、步長step、當(dāng)前人工魚視距范圍內(nèi)相鄰人工魚的數(shù)目nf和追尾行為最大嘗試次數(shù)Trynumber。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于人工魚群算法的人群疏散路徑規(guī)劃方法，其特征是，所述步驟(3)中魚群個體自適應(yīng)選擇目標(biāo)位置的步驟如下: (a)查找當(dāng)前人工魚i視距范圍`內(nèi)人工魚到危險源的距離Dis值最大的人工魚j，根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)f (m)=Dis (m)/nf判斷,若f (j)> σ *Dis(i),則按照位移移動公式一向人工魚j所在位置移動，否則再次查找；其中，nf為當(dāng)前人工魚視距范圍內(nèi)相鄰人工魚的數(shù)目，σ為擁擠因子，Dis(i)為人工魚i到危險源的距離； 所述位置移動公式一為=X- = Xi+ ^^Step* η其中，^>是[0，I]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)，step為步長，其中，Xi是人工魚i當(dāng)前的位置，Xj是離危險源距離最大的人工魚j的位置； (b)若最大嘗試次數(shù)Trynumber后，仍沒有查找到，則在視距范圍內(nèi)隨機(jī)選擇人工魚j，若人工魚到危險源的距離Dis (j)>Dis(i)，則按照位置移動公式二向j方向前進(jìn)一步，否則重新選擇狀態(tài)j ;



X-Xi 所述位置移動公式二為:= xi + randO * stcP *其中，Xi是人工魚i當(dāng)前的位置，Xj是隨機(jī)選擇的人工魚j的位置；Dis(i)，Dis (j)分別為人工魚i和j到危險源的距離；rand()為隨機(jī)函數(shù)，step為步長。 (c)再次嘗試Trynumber次后，若仍不能滿足前進(jìn)條件，則按照位置移動公式三隨機(jī)移動一步； 所述位置移動公式三為=Xnext=XJrandO*Step ;其中，乂1是人工魚i當(dāng)前的位置，rand()為隨機(jī)函數(shù)，step為步長。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于人工魚群算法的人群疏散路徑規(guī)劃方法，其特征是，所述步驟(3 )或者步驟(4 )中的更新人工魚位置需限制在區(qū)域內(nèi)部。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于人工魚群算法的人群疏散路徑規(guī)劃方法，其特征是，所述步驟(4)中優(yōu)化函數(shù)為g(i) =C1=KDisJi)+ (1-C1)=Knf* σ，其中，nf為當(dāng)前人工魚視距范圍內(nèi)相鄰人工魚的數(shù)目，數(shù)目越大，則越擁擠；DisjQ)為人工魚i距離出口 m的距離，σ為擁擠因子，C1為[O~I]之間的常數(shù)值。
6.如權(quán)利要求1所述的一種基于人工魚群算法的人群疏散路徑規(guī)劃方法，其特征是，所述步驟(4)中人工魚個體根據(jù)每個出口處當(dāng)前人工魚視距范圍內(nèi)相鄰人工魚的數(shù)目~及人工魚距離每個出口的距離Dis (m)，計(jì)算優(yōu)化函數(shù)g (m)，選出函數(shù)值最高的出口為X。，并以X0作為目標(biāo)按照位置移動公式四進(jìn)行移動；通過設(shè)置不同的C1值，選擇由最近的出口還是最不擁擠的出口進(jìn)行疏散； 所述位置移動公式四為:X =Xi + rand() * Step *
7.如權(quán)利要求1所述的一種基于人工魚群算法的人群疏散路徑規(guī)劃方法，其特征是，所述步驟(4)中安全區(qū)域出口指指遠(yuǎn)離危險源達(dá)到安全距離SafeDis的出口。
8.如權(quán)利要求1所述的一種基于人工魚群算法的人群疏散路徑規(guī)劃方法，其特征是，所述步驟(5)中算法滿足的迭代條件`為算法達(dá)到迭代次數(shù)或收到暫停指示。
【文檔編號】G06F19/00GK103679264SQ201310717029
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】陸佃杰, 劉弘, 張桂娟, 鄭向偉, 丁艷輝, 李焱, 楊增橋, 呂遠(yuǎn)陽 申請人:山東師范大學(xué)