城市地下综合管廊突发事件应急仿真系统的制作方法

本发明属于应急仿真技术领域，具体涉及一种城市地下综合管廊突发事件应急仿真系统。

背景技术：

目前，综合管廊在我国正在进行较大规模的建设，在综合管廊中专业工程管线可能出现安全事故，如火灾、水管爆裂、天然气管道泄漏等突发事件。考虑到突发事件本身造成的破坏性和不确定性，通过构建实验环境来进行模拟仿真极其耗费人力、财力和物力，且紧急条件下的人员疏散实验存在一定的危险，常常会借助仿真分析来研究特定场景下的人员疏散问题，从而为实际突发事件人员疏散应急预案提供参考。

现有应急仿真方案或模型主要是针对矿井、地下商业街、航空器等，不适用于综合管廊。由于综合管廊不仅运动空间受限，应急条件下人员疏散具有一些特殊性，例如:综合管廊的设施和结构、运营巡检维护人员的行为、人员疏散的原因等与上述建筑内人员应急疏散不同。因此，现有应急系统或模型无法应用到综合管廊内人员应急疏散的仿真过程中，需要根据综合管廊的特点建立综合管廊突发事件应急仿真方案。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：由于目前尚无适用于城市地下综合管廊的应急仿真方案，无法模拟突发事件发生时管廊内人员的疏散情景，从而无法为综合管廊实际突发事件人员疏散应急预案提供参考的情况，因此，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种城市地下综合管廊突发事件应急仿真方案。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种城市地下综合管廊突发事件应急仿真系统，所述城市地下综合管廊突发事件应急仿真系统包括：参数设置单元、仿真平台确定单元、仿真模型构建单元、仿真结果输出单元；其中，

所述参数设置单元用于依据《城市地下综合管廊工程技术标准》(gb50838-2015)，并结合全国综合管廊建设情况，以及入廊人员构成与人员的性别、年龄、体重、步速，以及紧急情况下的镇定、紧张和惊慌特征，来确定仿真参数；

所述仿真平台确定单元用于依据平台的主要应用领域、包含的功能模块、是否适合对随时间演化的复杂系统进行建模的特点，来确定仿真平台；

所述仿真模型构建单元用于依据所述参数设置单元确定的仿真参数和所述仿真平台确定单元确定的仿真平台，并根据综合管廊内的建筑几何参数、入廊人员类型和基本数据，包括性别、年龄、体重、步行速度、距出口的距离、紧急情况下的镇定、紧张和惊慌心理特征、从众因素，以及通讯系统的指令引导系数，采用元胞自动机理论构建元胞自动机人员行为模型；

所述仿真结果输出单元用于依据不同的突发事件场景设置，通过所述仿真模型构建单元构建的元胞自动机人员行为模型进行数据处理，输出各场景的仿真结果，包括人员平均速度数据、疏散时间数据、滞留人数统计数据，并输出不同场景的比较分析结果。

其中，所述仿真模型构建单元工作过程中，由于相比基于多智能体的仿真和基于系统动力学的仿真，基于元胞自动机的仿真可以将具体问题简化，由于元胞大多是单一、均匀的个体，适用于综合管廊少人狭长地下空间仿真处理，所以采用元胞自动机理论构建人员行为模型。

其中，所述仿真模型构建单元工作过程中，对所述元胞自动机人员行为模型的建模方法为：

将建筑物空间划分为一个个单元格，单元格是地形的抽象化表达，通过元胞在单元格之间的移动来模拟人员的移动，每个单元格可以被人员占据，也可以为空，人员依据概率模型计算单元格的进入概率；

其中，单元格的大小依据人员身体投影面积确定，每一个单元格每时间步只能有一个人进入，每个人下一时刻进入的单元格由其周围格点状态和目标点确定，人员依据特定规则选择下一步进入单元格。

其中，所述特定规则为：每个元胞都有一个偏好方向，建立一个偏好矩阵，表示元胞向其周围运动的概率，通过上述概率模型来确定；

根据城市地下综合管廊实际需求定义偏好矩阵，矩阵中单元格是地形的抽象化表达，依据综合管廊几何空间限制以及人体平均肩宽胸厚，确定入廊人员可向周围5个单元格方向运动，每个方向的运动概率不同；上述周围5个单元格包括：左边、左前、正前、右前、右边。

其中，所述概率模型的计算方式为：

其中，pij表示人员向单元格(i,j)运动的概率。

其中，kij为正规化系数，使得周围5个单元格和自身共6个单元格概率之和等于1；

bij表示单元格(i,j)在t时刻人数，bij＝1表示被占据，不可进入，bij＝0表示未被占据，可以进入。

其中，dij表示单元格(i,j)到出口的距离；

maxdij表示单元格距离出口的最大距离值；

mindij表示单元格距离出口最小距离值；距离出口越近，进入该单元格概率越大。

其中，f∈(0,1]表示人员对于疏散环境的熟悉程度，0表示熟悉程度最低，1表示对疏散通道和出入口非常熟悉；

p∈[1,+∞]表示人员的惊慌失措程度，1表示非常镇静，可以完全根据所获取的信息进行理性判断，p越大则越不理性；

监控中心通过通讯广播告知廊内人员事故发生地点和事故类型o∈(0,1]表示该指令引导系数，引到系数越小表示通讯系统作用越小，系数接近于0表示通讯系统失效。

其中，c∈(0,1]表示从众值。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提出了一种城市地下综合管廊突发事件应急仿真方案，其包含参数设置模块、仿真平台确定模块、仿真模型构建模块和仿真结果输出模块，提供了综合管廊内突发事件发生时的人员疏散应急指导方法流程。依据综合管廊内的建筑几何参数、入廊人员类型和基本数据，包括性别、年龄、体重、步行速度、距出口的距离、紧急情况下的镇定、紧张和惊慌心理特征、从众因素等，以及通讯系统的指令引导系数，构建应急仿真模型，对综合管廊内人员疏散行为进行仿真，得到突发事件人员疏散行为仿真结果，从而为实际突发事件人员疏散应急预案提供参考，弥补了无适用于综合管廊的应急仿真系统与模型的空白。

附图说明

图1为偏好矩阵方向示意图；

图2为建模流程示意图；

图3为城市地下综合管廊突发事件应急仿真方案处理流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决现有技术问题，本发明提供一种城市地下综合管廊突发事件应急仿真系统，所述城市地下综合管廊突发事件应急仿真系统包括：参数设置单元、仿真平台确定单元、仿真模型构建单元、仿真结果输出单元；其中，

所述参数设置单元用于依据《城市地下综合管廊工程技术标准》(gb50838-2015)，并结合全国综合管廊建设情况，以及入廊人员构成与人员的性别、年龄、体重、步速，以及紧急情况下的镇定、紧张和惊慌特征，来确定仿真参数；

所述仿真平台确定单元用于依据平台的主要应用领域、包含的功能模块、是否适合对随时间演化的复杂系统进行建模的特点，来确定仿真平台；

所述仿真模型构建单元用于依据所述参数设置单元确定的仿真参数和所述仿真平台确定单元确定的仿真平台，并根据综合管廊内的建筑几何参数、入廊人员类型和基本数据，包括性别、年龄、体重、步行速度、距出口的距离、紧急情况下的镇定、紧张和惊慌心理特征、从众因素，以及通讯系统的指令引导系数，采用元胞自动机理论构建元胞自动机人员行为模型；

所述仿真结果输出单元用于依据不同的突发事件场景设置，通过所述仿真模型构建单元构建的元胞自动机人员行为模型进行数据处理，输出各场景的仿真结果，包括人员平均速度数据、疏散时间数据、滞留人数统计数据，并输出不同场景的比较分析结果。

其中，所述仿真模型构建单元工作过程中，由于相比基于多智能体的仿真和基于系统动力学的仿真，基于元胞自动机的仿真可以将具体问题简化，由于元胞大多是单一、均匀的个体，适用于综合管廊少人狭长地下空间仿真处理，所以采用元胞自动机理论构建人员行为模型。

其中，所述仿真模型构建单元工作过程中，对所述元胞自动机人员行为模型的建模方法为：

将建筑物空间划分为一个个单元格，单元格是地形的抽象化表达，通过元胞在单元格之间的移动来模拟人员的移动，每个单元格可以被人员占据，也可以为空，人员依据概率模型计算单元格的进入概率；

其中，单元格的大小依据人员身体投影面积确定，每一个单元格每时间步只能有一个人进入，每个人下一时刻进入的单元格由其周围格点状态和目标点确定，人员依据特定规则选择下一步进入单元格。

其中，所述特定规则为：每个元胞都有一个偏好方向，建立一个偏好矩阵，表示元胞向其周围运动的概率，通过上述概率模型来确定；

根据城市地下综合管廊实际需求定义偏好矩阵如图1所示，矩阵中单元格是地形的抽象化表达，黑色圆圈代表入廊人员，依据综合管廊几何空间限制以及人体平均肩宽胸厚，确定入廊人员可向周围5个单元格方向运动，箭头表示入廊人员运动方向，每个方向的运动概率不同；上述周围5个单元格包括：左边、左前、正前、右前、右边。

其中，所述概率模型的计算方式为：

其中，pij表示人员向单元格(i,j)运动的概率。

其中，kij为正规化系数，使得周围5个单元格和自身共6个单元格概率之和等于1；

bij表示单元格(i,j)在t时刻人数，bij＝1表示被占据，不可进入，bij＝0表示未被占据，可以进入。

其中，dij表示单元格(i,j)到出口的距离；

maxdij表示单元格距离出口的最大距离值；

mindij表示单元格距离出口最小距离值；距离出口越近，进入该单元格概率越大。

其中，f∈(0,1]表示人员对于疏散环境的熟悉程度，0表示熟悉程度最低，1表示对疏散通道和出入口非常熟悉；

p∈[1,+∞]表示人员的惊慌失措程度，1表示非常镇静，可以完全根据所获取的信息进行理性判断，p越大则越不理性；

监控中心通过通讯广播告知廊内人员事故发生地点和事故类型o∈(0,1]表示该指令引导系数，引到系数越小表示通讯系统作用越小，系数接近于0表示通讯系统失效。

其中，c∈(0,1]表示从众值。

此外，本发明还提供一种城市地下综合管廊突发事件应急仿真方法，所述应急仿真方法基于城市地下综合管廊突发事件应急仿真系统来实施，所述城市地下综合管廊突发事件应急仿真系统包括：参数设置单元、仿真平台确定单元、仿真模型构建单元、仿真结果输出单元；

所述城市地下综合管廊突发事件应急仿真方法包括如下步骤：

步骤1：所述参数设置单元依据《城市地下综合管廊工程技术标准》(gb50838-2015)，并结合全国综合管廊建设情况，以及入廊人员构成与人员的性别、年龄、体重、步速，以及紧急情况下的镇定、紧张和惊慌等特征，来确定仿真参数；

步骤2：所述仿真平台确定单元依据平台的主要应用领域、包含的功能模块、是否适合对随时间演化的复杂系统进行建模的特点，来确定仿真平台；

步骤3：所述仿真模型构建单元依据步骤1中确定的仿真参数和步骤2中确定的仿真平台，并根据综合管廊内的建筑几何参数、入廊人员类型和基本数据，包括性别、年龄、体重、步行速度、距出口的距离、紧急情况下的镇定、紧张和惊慌心理特征、从众因素，以及通讯系统的指令引导系数，采用元胞自动机理论构建元胞自动机人员行为模型；

步骤4，所述仿真结果输出单元依据不同的突发事件场景设置，如通讯系统正常工作或通讯系统失效等，通过步骤3构建的元胞自动机人员行为模型进行数据处理，输出各场景的仿真结果，包括人员平均速度数据、疏散时间数据、滞留人数统计数据，并输出不同场景的比较分析结果。

所述步骤3中，由于相比基于多智能体的仿真和基于系统动力学的仿真，基于元胞自动机的仿真可以将具体问题简化，由于元胞大多是单一、均匀的个体，比较适用于综合管廊少人狭长地下空间仿真处理，所以采用元胞自动机理论构建人员行为模型。

所述步骤3中，对所述元胞自动机人员行为模型的建模方法为：

将建筑物空间划分为一个个单元格，单元格是地形的抽象化表达，通过元胞在单元格之间的移动来模拟人员的移动，每个单元格可以被人员占据，也可以为空，人员依据概率模型计算单元格的进入概率；

其中，单元格的大小依据人员身体投影面积确定，每一个单元格每时间步只能有一个人进入，每个人下一时刻进入的单元格由其周围格点状态和目标点确定，人员依据特定规则选择下一步进入单元格。

所述特定规则为：每个元胞都有一个偏好方向，建立一个偏好矩阵，表示元胞向其周围运动的概率，通过上述概率模型来确定；

根据城市地下综合管廊实际需求定义偏好矩阵如图1所示，矩阵中单元格是地形的抽象化表达，黑色圆圈代表入廊人员，依据综合管廊几何空间限制以及人体平均肩宽胸厚，确定入廊人员可向周围5个单元格方向运动，箭头表示入廊人员运动方向，每个方向的运动概率不同；上述周围5个单元格包括：左边、左前、正前、右前、右边。

所述概率模型的计算方式为：

其中，pij表示人员向单元格(i,j)运动的概率；

kij为正规化系数，使得周围5个单元格和自身共6个单元格概率之和等于1；

bij表示单元格(i,j)在t时刻人数，bij＝1表示被占据，不可进入，bij＝0表示未被占据，可以进入；

dij表示单元格(i,j)到出口的距离；

maxdij表示单元格距离出口的最大距离值；

mindij表示单元格距离出口最小距离值；距离出口越近，进入该单元格概率越大；

f∈(0,1]表示人员对于疏散环境的熟悉程度，0表示熟悉程度最低，1表示对疏散通道和出入口非常熟悉；

p∈[1,+∞]表示人员的惊慌失措程度，1表示非常镇静，可以完全根据所获取的信息进行理性判断，p越大则越不理性；

监控中心通过通讯广播告知廊内人员事故发生地点和事故类型o∈(0,1]表示该指令引导系数，引到系数越小表示通讯系统作用越小，系数接近于0表示通讯系统失效；

c∈(0,1]表示从众值。

综上，与现有技术相比，本发明提出了一种城市地下综合管廊突发事件应急仿真方案，其包含参数设置单元、仿真平台确定单元、仿真模型构建单元和仿真结果输出单元，提供了综合管廊内突发事件发生时的人员疏散应急指导方法流程。依据综合管廊内的建筑几何参数、入廊人员类型和基本数据，包括性别、年龄、体重、步行速度、距出口的距离、紧急情况下的镇定、紧张和惊慌心理特征、从众因素等，以及通讯系统的指令引导系数，构建应急仿真模型，对综合管廊内人员疏散行为进行仿真，得到突发事件人员疏散行为仿真结果，从而为实际突发事件人员疏散应急预案提供参考，弥补了无适用于综合管廊的应急仿真系统与模型的空白。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

实施例1

本实施例如图2所示，为建模流程示意图。

上述实施例中提供的一种城市地下综合管廊突发事件应急仿真的方法，包括以下步骤：

s101，参数设置单元依据《城市地下综合管廊工程技术标准》(gb50838-2015)，并结合全国综合管廊建设情况，以及入廊人员构成与人员的性别、年龄、体重、步速，以及紧急情况下的镇定、紧张和惊慌等特征，来确定仿真参数。

理想情况下：干线综合管廊、支线综合管廊内人行通道最小净宽不小于0.9m；每个防火分区长度为100-400m，其中热力舱中，防火分区长度不大于400m，人员疏散的最远距离不大于200m；燃气、电力舱和综合舱中，防火分区长度不大于200m，人员疏散的最远距离不大于100m。每个防火分区两端均设置逃生口。廊内环境传感设备实时监测环境和危险源状态参数，包括：温度、湿度、有害气体浓度、氧气浓度和液位等。入廊人员构成单一，通常为入廊专业运维检修人员，人员特征参数包括人员的性别、年龄、体重、步行速度；紧急情况下的镇定、紧张和惊慌等心理特征。根据“中国成年人人体数据统计”可知95％的中国男性肩宽为40.3cm，胸厚24.5cm，女性肩宽和胸厚均小于男性，考虑到着装情况予以修正取每个行人占据面积为0.4m×0.4m，这也是目前学术界的离散微观仿真模型大多采用的数值。据文献调研可知：一般人在松懈的情况下速度约为，正常情况下为，紧张情况下可达左右。规定每个时间步每个人员只能移动一格，则紧急情况下每个时间步为。

s102，仿真平台确定单元依据平台的主要应用领域、包含的功能模块、是否适合对随时间演化的复杂系统进行建模的特点、复用性以及易学易用性等，确定使用netlogo仿真平台。

s103，仿真模型构建单元依据步骤1中确定的参数和步骤2确定的仿真平台，依据综合管廊内的建筑几何参数、入廊人员类型和基本数据，包括性别、年龄、体重、步行速度、距出口的距离、紧急情况下的镇定、紧张和惊慌心理特征、从众因素等，以及通讯系统的指令引导系数，采用元胞自动机理论构建人员行为模型；

s104，仿真结果输出单元依据不同的突发事件场景设置，如通讯系统正常工作或通讯系统失效等，通过步骤3构建的仿真模型进行数据处理，输出各场景的仿真结果，包括人员平均速度、疏散时间、滞留人数统计等，并输出不同场景的比较分析结果。

如图3为城市地下综合管廊突发事件应急仿真模型处理流程示意图。

上述实施例中步骤3中的针对城市地下综合管廊突发事件构建的应急仿真模型的处理流程，包括以下步骤：

s201，突发事件发生，报警系统立即启动；

s202，管廊中各个防火分区的报警指示灯开启；

s203，监控中心接收到报警信息；

s204，判断通讯系统是否正常工作，如果通讯系统正常工作，进入步骤s205，否则进入步骤s206；

s205，监控中心通过调用知识库和综合数据库，告知廊内人员事故位置和类型，减少人员心里因素影响，用元胞自动机理论构建指导性人员行为模型；

s206，根据人员的性别、年龄、体重、步速及紧急状况下的镇定、紧张、惊慌等心理特征，用元胞自动机理论构建人员自判断行为模型；

s207，安全疏散后结束仿真。

上述实施例通过考虑了综合管廊内的几何参数、人员特征参数和环境与危害状态参数，可以得到突发事件人员疏散行为仿真结果，为实际突发事件人员疏散应急预案提供参考，弥补了无适用于综合管廊的应急仿真系统和模型的空白。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。