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1、文章编号:1007-3817(2009)02-0023-02中图分类号:P208文献标志码:B基于地理信息的大型场馆区域人员疏散模型设计王若晶 蔡先华(东南大学交通学院,南京市四牌楼 2 号,210096)摘要采用了 Geodatabase 空间数据模型,建立了地理信息数据库,设计了基于地理信息的人员疏散模型。关键词地理信息;Geodatabase 空间数据模型;人员疏散模型;距离图在大型活动结束后散场时,由于短时间内疏散大量人员,很容易在通道上发生拥挤和堵塞。为了保证人员安全,可以用仿真软件模拟人员的疏散过程,以帮助大型活动的组织者制定有针对性的管理疏导措施。现有的人员疏散模拟大多采用微观模
2、型,即记录每个个体在每一时刻的几何位置,从而动态地显示人员疏散移动的全过程。其中比较著名的是 Helbing 的社会力模型1和元胞自动机模型 2-5。为了表现复杂地理环境下人员的疏散过程,建立了基于地理信息的人员疏散模型。利用 GIS 技术对疏散场所的地理数据进行组织和管理,建立了地理因素对疏散过程的作用关系,对复杂地理环境下人员的疏散过程进行了模拟。1 地理要素将位于疏散起点和疏散终点之间的路网区域作为人群疏散模拟区间,对疏散过程起作用的地理要素主要有如下的五种。疏散起点要素。即起点位置、起点宽度、起点数目、各起点处的人员生成率(人/ms)、各起点疏散人数等,同时还包括距离起点最近的步行出口
3、和停车场入口。疏散终点要素。包括终点位置、终点宽度、终点数目、终点类型(停车场入口或步行出口)以及预期疏散人数。疏散路段要素。包括路段长度、路段宽度、路段形状、地面坡度、地面铺装、平均步行速度以及障碍物的位置等。指示牌要素。包括指示牌的数目、位置和影响范围。引导员要素。包括引导员的数目、位置、影响范围、发生堵塞的疏散终点、引导后的疏散终点以及引导作用比例。大型场馆不仅承办体育赛事,而且还具有文化、娱乐、购物、休闲、餐饮等功能。对于每一项功能,其参与者数量不同、在场馆内的分布不同、活动规律也不同,可以通过设置每个疏散起点的人员生成率和预期疏散人数及每个疏散终点的预期疏散比例,近似模拟各种大型活动
4、人员的疏散情况。2 数据库设计由于地理要素普遍具有复杂的几何特征、空间关系特征、非结构化数据特征以及海量数据特征,因此一般的商用关系型数据库系统难以对地理数据进行有效管理。利用ArcGIS 8 中引入的 Geodatabase 空间数据模型7对疏散模型中的地理要素进行组织和管理,创建了三种类型共 14 个要素类。点状要素:Grids(疏散网格要素)、Guide(引导员要素)、Signpost(指示牌要素)。线状要素:StartLine(疏散起点要素)、TerminalLine(疏散终点要素)、LMainRoad(主要道路边线要素)、LOtherRoad(其它道路边线要素)。面状要素:ZoneM
5、ap(区域索引要素)、RoadBlock(障碍物要素)、PMainRoad(主要道路路段要素)、POtherRoad(其他道路路段要素)、Building(建筑物要素)、GreenLand(绿地要素)、Pool(水塘要素)。3 模型设计大型场馆区域面积大、地形结构复杂、参与疏散的人员多,为了能够细致地反映地理因素对疏散过程中个体移动速度、路径选择及疏散时间的影响,采用了微观离散模型中的元胞自动机模型,对大型体育场馆区域的人员疏散进行模拟。元胞自动机模型 2-5将建筑物空间完全离散化为大小均匀的网格,假设疏散人员在一定的启发式行为规则的指导下,沿着这些固定的网格移动,该方法的特点是规则简单,运算
6、速度快。1)疏散区域网格化。首先将大型体育场馆区域完全离散化为大小均匀的网格,由于人体所占空间大致在 0.5 m0.5 m 的范围内,因此将网格边长规定为 0.5 m。由于场馆区域面积在1 000 m2以上,如果完全进行离散化将产生海量的网格数据,因此对整个区域建立区域索引(ZoneMap 要素层),即将整个区域划分成多个等面积矩形,仅在与疏散道路相交的矩形内划分网格,其他矩形区域不做处理,如此大大压缩了网格数据量。在每个矩形区域内,仅保留位于疏散道路上的网格,其他网格全部删除,又进一步压缩了数据量,并且得到了从疏散起点到疏散终点的疏散道路上的全部网格数据,存入 Grids(疏散网格要素,按点
7、状要素存储,即存储了每个网格的中心点坐标及网格属性)要素层中,供模拟时调用。此外,由于疏散道路上还散布着许多障碍物,因此将障碍物要素(RoadBlock)与疏散网格要素(Grids)求交,删除位于障碍物多边形内的网格,就保证了人员疏散时不会从障碍物上通过。2)计算距离图。为了使人员疏散时无论身在何处,都能找到一条通向目标终点的最短路径,计算了每个网格与每个疏散终点之间的距离,作为网格的属性之一,保存在网格属性表中。对于每一个疏散终点,所有网格到这个终点的距23测绘信息与工程Journal of Geomatics Apr.2009;34(2)离值就组成了一幅距离图,称为这个疏散终点对应的距离图
8、 8,其形状有些类似于常见的等值线图,距离图示例如图 1所示,其中阴影部分为疏散终点。人员疏散时,无论位于哪一网格,只要比较其周围八个网格的距离值,然后移动至距离值最小的那个网格即可,若这个网格被他人占据,那么依图 1距离图示例次选取距离值次小的网格作为下一步的移动目标。若有正向网格与斜向网格的距离值相同,则优先选择正向网格作为移动目标。所找到的一条路径,就是疏散起点和疏散终点之间的最短路径。距离图的计算方法是:若网格(p,q)的距离值为 i,则网格(p,q+1)、(p,q-1)、(p+1,q)、(p-1,q)的距离值为(i+2),网格(p-1,q-1)、(p-1,q+1)、(p+1,q-1)
9、、(p+1,q+1)的距离值为(i+3)。定义疏散终点处网格的距离值为 0,计算其周围八邻域网格的距离值,再以新计算出的网格的距离值为准,计算其周围八邻域网格的距离值,一层一层向外递推计算,直至所有网格的距离值计算完毕。由于一个网格同时是周围八个网格的邻域,因此在距离图的计算过程中,大部分网格要被计算八次,在算出的所有八个距离值中,选取最小的一个作为这个网格的最终距离值。3)疏散行为规则。假定参与疏散的人员共有三种类型。一是有目标疏散终点并且熟悉路径的,采用到达目标终点的最短路径进行疏散;二是有目标疏散终点但是不熟悉路径的,暂时选取距离起点最近的终点作为自己的当前终点,按照到达当前终点的最短路
10、径进行疏散;三是无确定的目标疏散终点的,将距离起点最近的终点作为目标终点,自始至终按照到达目标终点的最短路径进行疏散。在人员的疏散过程中,当第二种类型的人看到指示牌后(即步入指示牌的作用范围后),假定就知道了自己的目标疏散终点在何处,于是改为采用到达目标终点的最短路径进行疏散。在人员疏散过程中,如果有很多人选取了同一个疏散终点作为目标终点,那么在这个疏散终点的附近,就很可能会发生堵塞,就需要引导员来发挥引导作用。当目标终点为堵塞终点的人员步入引导员的作用范围后,就按照引导比例改变疏散终点,然后再按照到达新的疏散终点的最短路径进行疏散。在模拟人员的疏散过程时,仿真系统将采用时间驱动的运行方式,在
11、每一个时间步,根据各疏散起点的人员生成率(人/ms),在各起点处生成新的待疏散人员,直到人员总数达到各疏散起点的预期疏散人数为止。新生成人员从生成之后的下一个时间步开始,按照各自的行为类型,开始由疏散起点向疏散终点移动。移动速度由所在路段的平均步行速度决定,移动方向通过调用距离图来确定。4 实例分析对南京市奥体中心区域的栅格影像数字化,得到矢量数据,建立奥体中心区域地理信息数据库,根据模型设计建立一个人员疏散模拟系统。通过设置不同模拟参数,可以得到模拟结果,各起点疏散人数与疏散时间关系表如表 1所示。表 1各起点疏散人数与疏散时间关系2505001 0001 5002 000143747154
12、0596664254659869278288635155566257077594427465549620704表 1 中第一行表示疏散人数,第一列表示疏散起点编号,对应的数据表示完成疏散所需的时间(s)。模拟数据表明由于每个疏散起点到疏散终点之间路径的地理特性不同,疏散时间存在一定差异。将模拟数据绘制成曲线图,各起点疏散人数与疏散时间关系图如图 2 所示。做一条水平直线,图 2各起点疏散人数与疏散时间关系图使其与纵轴和各曲线相交,就得到在一定疏散时间内,各起点能够完成疏散的人数。如果给定了总疏散人数,仍然做水平直线,使得各个起点的疏散人数之和刚好等于总人数,就得到完成疏散的最短时间和各起点的最
13、佳人数分配。5 结束语提出了基于地理信息的人员疏散模型,较全面地归纳、组织了疏散场所的地理要素,建立了地理信息数据库,在疏散模型中引入了地理因素的作用,模拟了大型体育场馆区域的人员疏散过程。因为目前对于地理要素的总结与归纳还是有限的,对于其在疏散模型中所起的作用也是一种初步尝试,试验结果还需要与实际情况进行比较,才能更好地确定试验参数,目前该疏散模型尚处于原型阶段,还有许多问题亟待研究解决。参考文献 1 Helbing D,Farkas I,Vicsek T.Simulating Dynamical Features ofEscape Panic J.Nature,2000,407(6803)
14、:487-490 2 崔喜红,李强,陈晋,等.大型公共场所人员疏散模型研究 考虑个体特性和从众行为 J.自然灾害学报,2005,14(6):175-179 3 李强,崔喜红,陈晋.大型公共场所人员疏散过程及引导作用研究 J.自然灾害学报,2006,15(4):92-99 4 崔喜红,陈晋,李强.大型公共场所人员疏散模型研究 J.应用基础与工程科学学报,2006,14(增刊):94-100 5 朱艺,杨立中,李健.不同房间结构下人员疏散的 CA 模拟研究 J.火灾科学,2007,16(3):175-17 6 陈涛,宋卫国,范维澄,等.十字出口宽度与人员阻塞的依赖关系24测绘信息与工程Journa
15、l of Geomatics Apr.2009;34(2)及其模拟和分析 J.自然科学进展,2004,14(4):567-572 7 韩鹏,徐占华,褚海峰,等.地理信息系统开发 ArcObjects 方法 M.武汉:武汉大学出版社,2005 8 T hompson P A,Marchant E W.A Computer Model for the Ev-acuation of Large Building Populations J.Fire Safety Journal,1995,24(2):131-148收稿日期:2008-10-24。第一作者简介:王若晶,硕士研究生,现研究GIS 与交通
16、仿真。E-mail:DESIGN OF EVACUATION MODEL FOR LARGE SPORTS VENUESBASED ON GEOGRAPHICAL INFORMATIONWANGRuojingCAI Xianhua(Department of Geographical Information System,Transportation College,Southeast University,2 Sipailou,Nanjing 210096,China)ABSTRACT A geographical information database is built by using
17、 geodatabase spatial datamodel.Then the evacuation simulation model based on geographical information is designed.KEY WORDS geographical information;geodatabase spatial data model;evacuation simulationmodel;distance map文章编号:1007-3817(2009)02-0025-03中图分类号:P208文献标志码:B数字流域中的 WebGIS设计与实现季芳1张万昌2(1 南京大学国际
18、地球系统科学研究所,南京市汉口路 22 号,210093;2 中国科学院大气物理研究所东亚区域气候环境重点实验室,北京华严里,100029)摘要研究了基于 WebGIS 体系的数字流域系统的建设,提出了以渭河流域为试点的数字流域建设的设计及实现方案,实现了该流域信息的可视化及地图交互操作。关键词数字流域;WebGIS;水文模拟;渭河数字流域是数字地球的一个重要区域层次,其开发和研究是实施数字地球的一个很好试验场所和切入点。同时,数字流域是实现流域综合管理的有效手段。只有当流域信息通过网络和通信协议发布出来,使其具有类似因特网的互操作性,实现对流域地理数据信息的查询、共享和可视化及相关空间分析、
19、交互操作,才能最大化实现流域有效地全民关注和管理。WebGIS(网络地理信息系统)正是将网络与流域集成在一起,实现数字流域的最佳技术。1 系统概述在我国,随着数字黄河、数字长江、数字淮河等工程的引入,数字流域的建设也开始发展起来。其中如何有效地将流域数据用高效的数据库系统集成起来,利用 WebGIS 可视化技术,在网络平台上实现更进一步的空间分析和互操作,并且进行流域的水文模拟,水质监测等,实现抗洪减灾,水资源的可持续利用等,都是数字流域工程需要解决与实现的重要问题之一。在进行水文规律研究和解决生产实际问题中,流域水文模型起着重要的作用 1。对于防洪减灾,流域水文模型是现代实时洪水预报调度系统
20、的核心部分;对于水资源可持续利用,流域水文模型是水资源评价、开发、利用和管理的理论基础。在本系统设计的功能模块中,嵌入了新安江模型,以丰富数字流域的功能于实际应用价值。本文设计的基于 WebGIS 的数字流域系统可分为 Web-GIS 流域可视化和水文模型两大部分。WebGIS 提供技术支持,将数字化后的流域数据,包括遥感影像、DEM、土壤分布图、土地利用图等发布到网络上,以可视化的直观形式供浏览者浏览查询。而流域特有的观测数据,包括气象、水文数据,通过表格的形式录入进数据库,一方面可进行查询及报表生成,并实时生成水雨情图表,另一方面数字流域系统中集成的水文模型功能模块,利用这些数据可对流域进
21、行水文模拟,以期实现在线的辅助决策支持。在系统开发软件选用方面,WebGIS 软件使用 Autodesk公司的 MapGuide,数据库软件选用 MySQL,网络服务器采用 Tomcat 和 Apache,用它们管理和执行 JSP 和 Servlet。为了将系统做成一个开放的体系,运用系统工程的理论和方法,对各业务模块进行统一系统功能分析,各功能模块之间采用统一的对象模型、约定的处理方式和通用的接口,充分利用 MapGuide 所提供的现有功能,并在此基础上拓展渭河数字流域的具体功能需求,力求开发出界面友善、功能完善、结构灵活、性能良好的系统。25测绘信息与工程Journal of Geomatics Apr.2009;34(2)