一种基于图优化的导航标牌布局优化方法及系统

本发明属于计算机仿真，具体涉及一种基于图优化的导航标牌布局优化方法及系统。

背景技术：

1、随着社会经济的发展，高密度人群的聚集活动不断增加，因此高密度人群在紧急情况下的人群疏散受到越来越多的学者关注；

2、通过分析和研究公共场所中行人运动特征及人群管理措施，设计和优化步行设施，提高空间使用效率，为提高突发事件中人群的疏散效率提供依据成为研究的热点之一；

3、针对大型商场等建筑内部设施复杂，身处其中的行人难以辨别方向的问题，适当添加导航指示牌，帮助行人指引方向，成为提高疏散效率的重要方法之一；

4、紧急情况下，导航标牌可以帮助人们快速找到逃生路线和紧急出口，从而减少疏散时间和人员伤亡风险。

5、目前，诸如商场、展览馆和游乐场等建筑内部大多采用静态导航标识，在紧急情况下提供的疏散信息有限，存在一定的缺陷；

6、首先，静态导航标识仅仅提供方向，不能展示指示方向上的拥堵情况；

7、其次，静态导航标识总是引导人们通过最短的路线到达对应的出口，并不能有效地平衡各个环境资源的使用效率；

8、为解决上述问题，本技术中提出一种基于图优化的导航标牌布局优化方法及系统。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供了一种基于图优化的导航标牌布局优化方法及系统，该方法采用rvo技术仿真人群疏散运动，将商场中的导航标牌布局简化为拓扑图，进而通过分析最短疏散策略中的拥堵状态优化图结构，以减少疏散过程中的拥堵；其次利用出口在疏散过程中的利用率进一步优化指示牌的拓扑结构(指示方向)，促进各出口充分利用，获得最佳的人群疏散效率，为密集人群管理，突发事件安全疏散计划等提供科学指导。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于图优化的导航标牌布局优化方法，包括如下步骤：

3、步骤1、依据商场疏散导航指示牌构架邻接拓扑图；

4、步骤2、采用最短路径疏散策略，进行人群疏散仿真，分析拥堵成因，通过增删导航标牌，优化导航指示牌的拓扑结构；

5、步骤3、采用基于社交网络搜索算法优化导航牌权重。

6、作为本发明一种种基于图优化的导航标牌布局优化方法优选的，所述步骤1中还包括如下步骤：

7、步骤1.1、利用rvo技术建立基于导航指示牌的大型商场疏散仿真系统和导航指示牌的拓扑结构图，并产生均匀分布的疏散人群；

8、步骤1.2、综合拥堵和距离实时计算拓扑图点之间的弧长；

9、步骤1.3、计算人数统计，包括走廊之间的导航标牌；穿过房间的两个导航标牌和出口附近的走廊上的导航标牌；

10、步骤1.4、行人根据导航标牌的方向进行疏散运动，直到疏散结束；

11、步骤1.5、采用路径代价增益来评估原有路径，满足条件才会导航标牌系统更新路径，并在导航标牌上显示新的方向。

12、作为本发明一种基于图优化的导航标牌布局优化方法优选的，所述步骤1.2中，设拓扑图结构为g＝g(v，e)，导航标牌为图的节点v＝{vi|0≤i≤m}，图的弧长计算公式如下：

13、

14、其中，表示弧长，β表示拥塞衡量度，表示两个导航标牌vi和vj之间的距离，vk表示行人的速度，c表示路径或者出口的特定流量，wb是指出口或走廊的宽度，表示行人数量；

15、其中，表示拥堵情况下，行人通过这段路径的时间；

16、表示非拥堵情况下，行人通过路径的时间。

17、作为本发明一种基于图优化的导航标牌布局优化方法优选的，所述步骤1.3中，走廊之间的导航标牌公式为：

18、

19、其中，为两个导航标牌vi和vj之间的走廊区域内的所有行人；pz表示行人；为导航标牌vi和vj之间走廊区域，δ(·)为狄拉克函数，当行人pz位于区域中，否则为0，qj为导航标牌vj的权重；

20、所述步骤1.3中，穿过房间的两个导航标牌公式为：

21、

22、是导航标牌vi和vj穿过的房间区域，g(pz)是行人i的目标，是指行人z距离导航标牌的距离，公式(3)指房间内，目标为两个导航标牌vi，vj，且长度小于两个标牌之间的距离的所有人，qj为导航标牌vj的权重；

23、所述步骤1.3中，出口附近的走廊上的导航标牌公式为：

24、

25、公式(4)的含义是指动态导航标牌vi和vj之间的走廊内和房间内的所有行人。

26、作为本发明一种基于图优化的导航标牌布局优化方法优选的，所述步骤1.5中，满足条件公式如下：

27、(ta-tc)/ta＞σ   (5)

28、路径ta为旧路径的时间，tc为当前路径的时间，(ta-tc)/ta是路径的代价增益，σ是路径转变界限；

29、面对导航标牌给出的新方向，行人是否选择基于以下公式：

30、

31、其中srd为[0，1]之间的随机数，t为当前疏散时间，k为抑制衰减的参数。ta为旧路经的时间，tc为当前路径的时间。

32、作为本发明一种基于图优化的导航标牌布局优化方法优选的，所述步骤2包括如下步骤：

33、步骤2.1，进行人群疏散，检测拥堵发生的位置，分析拥堵发生的原因；

34、步骤2.2，增加导航标牌缓解拥堵，设立导航标牌；

35、所述步骤2.2中，设立导航标牌遵循规则如下公式：

36、

37、其中，cr表示拥堵，na表示导航标牌，r表示距离拥堵最近的门内区域。

38、作为本发明一种基于图优化的导航标牌布局优化方法优选的，所述步骤3包括如下步骤：

39、步骤3.1，设置种群数量为m，迭代轮数为k，利用社交网络搜索算法初始化多个导航标牌的种群，导航标牌种群的初始化的公式如下：

40、xi＝lb+rand(0,1)*(ub-lb) (0≤i≤m)   (8)；

41、其中，lb和ub分别表示导航标牌权重的上下边界，rand是[0，1]之间的随机数，m为初始化的种群数量，xi为导航标牌权重的向量；

42、xi＝[xi0,xi1,xi2,xi3,xi4,xi5,xi6,xi7,xi8,xi9]   (9)；

43、其中，xij(0≤j≤9)为导航标牌的权重；

44、步骤3.2，计算不同导航标牌权重下的人群疏散的时间，其公式如下：

45、tet＝e(x0，x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9)   (10)；

46、其中，xi(0≤i≤9)为出口前关键路径上的导航标牌的权重；

47、步骤3.3，在导航标牌权重种群中随机选取导航标牌的权重xi，权重xi会在四种更新方式中随机选择一种进行更新；

48、步骤3.4，初始的导航标牌权重在四种更新模式中选择一种进行更新，更新之后导航标牌权重先进行限制处理。

49、作为本发明一种基于图优化的导航标牌布局优化方法优选的，所述步骤3.3包括模仿式更新、交流式更新、争论式更新和创新式更新；

50、所述模仿式更新，代表权重xi模仿随机选取的权重xj(j≠i，0≤j≤m)进行更新，公式如下所示：

51、

52、其中，r是权重xj与权重xi的差异，r代表权重xi对权重xj的模仿效果，rand(0，1)代表0和1之间随机选择的数，xi new是更新后的权重；

53、所述交流式更新，代表权重xk与权重xi交谈之后，进行更新，公式如下所示：

54、

55、其中，fi＝e(xi)和fj＝e(xj)，sign为阶跃函数，大于0值为1，反之为1，xk为xk和xi随机选择的谈论对象，即另一个导航标牌权重；

56、所述争论式更新，导航标牌权重xi受到许多导航标牌的影响，进行更新，更新公式如下所示：

57、

58、其中，af为许可因子，表示对问题的赞成程度，为1或者2，round四舍五入函数，rand是在0到1之间随机取值，nr为选中的导航标牌向量的数量；

59、所述创新式更新，改变的公式如下所示：

60、

61、其中，d为搜索空间的维度，0≤d≤9，rand1和rand2为[0，1]之间的随机数，udb和lbd表示权重的上限和下限，表示创新的想法，xi new是创新的结果，并且是xi new的第i个维度的值；

62、所述步骤3.4中的处理公式如下所示：

63、

64、其中，xi new为更新之后的结果，lb和ub分别表示导航标牌权重的上下边界。

65、作为本发明一种基于图优化的导航标牌布局优化方法优选的，所述步骤3还包括如下步骤：

66、步骤3.5、经过限制处理的导航标权重需要判断是否采用，公式如下所示：

67、

68、其中，xi表示更新前的导航标牌权重，xi new为更新之后的导航标牌权重，e(·)表示人群疏散的流程函数；

69、步骤3.6、不断重复所述步骤3.3、所述步骤3.4和所述步骤3.5，直至满足以下截至条件之一：

70、截至条件(1)：

71、e(xi)<tend   (17)

72、其中，tend是社交网络搜索算法迭代结束的界限，当算法生成的权重对应的疏散时间小于tend时，算法终止；

73、截至条件(2)：

74、iter＝k   (18)

75、其中，iter为算法已经迭代的轮数，k为最初设置的算法轮数，当算法迭代到设定轮数，算法终止；

76、截至条件(3)：

77、e(xi)iter-20＝…＝e(xi)iter   (19)

78、其中，iter为算法已经迭代的轮数，e(xi)为疏散时间，当算法迭代20轮疏散时间不发生变化，算法终止。

79、本发明还提供一种图优化的导航标牌布局系统，包括疏散模拟模块、基于图的路径优化模块、基于拥堵的图结构优化模块和基于社交网络搜索算法的图结构优化模块；

80、所述疏散模拟模块：构建大型商场的建筑设施布局，模拟人群疏散过程；

81、所述基于图的路径优化模块：根据商场内部的动态导航标牌构建图结构，使用弗洛伊德优化算法获取最短路径，为遭遇导航标牌的行人指引方向；

82、所述基于拥堵的图结构优化模块：检测疏散过程中发生的拥堵，优化图结构，缓解拥堵；

83、所述基于社交网络搜索算法的图结构优化模块：使用社交网络搜索算法，优化出口附件关键路径上动态导航标牌的权重，实现出口利用时间相等，提升人群疏散的效率。

84、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

85、1、本发明是为了探究疏散效率最佳的动态导航标牌布局，主要考虑疏散过程中的拥堵和出口利用时间对人群疏散效率的影响。该发明将动态导航标牌构建为图，使用弗洛伊德算法为行人计算最短路径，为商场内部的人群疏散安全演练提供重要的依据，为复杂建筑物中导航标牌设置提供参考，优化实际疏散过程以及提高疏散效率；

86、2、同时本发明将考虑路径转换界限以及行人的心理因素，不仅符合人群疏散的运动规律，同时符合行人在疏散中的心理规律。首现，面对路径代价差距极小的路径，我并不会改变路径；其次行人随着疏散的进行，对于导航标牌给出的方向，行人选择跟随导航标牌指引的概率不断降低，提高了人群疏散仿真的真实性，增加了本发明的可信度。