在行人行為模型的基礎上，開發(fā)出的模擬行人運動的行人仿真軟件在20世紀末得到了廣泛的開發(fā)與應用。近年來，國外研究機構(gòu)開發(fā)出一些高水平的人員安全疏散模型，眾多的消防安全工程師利用這些分析設計工具對各類建筑中人員的安全疏散進行評估，取得了令人囑目的效果。

目前的微觀行人仿真軟件基本上以歐洲開發(fā)的為主，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，文獻給出了非常詳細的人群疏散軟件的綜述。其中部分軟件是基于元胞自動機的行人模型，部分是基于力的行人模型，部分是基于規(guī)則的行人模型。其中商業(yè)化程度較高、應用較廣泛的為Legion、STEPS、Sim Walk、Ped Go等，下面簡要介紹幾種。

8．5．1 Building EXODUS軟件

EXODUS系列軟件由英國Greenwich大學FSEG(Fire Safety Engineering Group)開發(fā)，用于模擬不同空間內(nèi)的人群疏散運動。EXODUS是一種模擬大量個體在復雜結(jié)構(gòu)中的疏散運動的軟件，在目前國際上通用的同類軟件中，其人員行為模擬、仿真結(jié)果三維表現(xiàn)等性能均名列前茅，是最為成功的疏散模擬軟件之一，在倫敦千年穹頂體育場、德國杜塞爾多夫飛機場等大型建筑的性能化設計以及美國“9·11事件”的研究中都得到應用。

Building EXODUS是為建筑環(huán)境疏散模擬而設計的，適用于超市、醫(yī)院、電影院、火車站、小型機場、高層建筑、學校等。Building EXODUS可以用于評估所有類型建筑結(jié)構(gòu)的疏散能力以及分析建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)人群的運動效率。EXODUS系列軟件包括Air EXODUS、Building EXODUS和Maritime EXODUS。

Building EXODUS不只是避難模型，而且能評價緊急境況(或通常情況)下人群的行為。Building EXODUS模擬的是人與人、人與火災、人與構(gòu)造物的相互作用。此模型追蹤的是受到熱、煙、有毒煤氣影響后，從室內(nèi)逃出的每個人的避難路徑。

Building EXODUS軟件基于面向?qū)ο蟮募夹g，采用C++語言編寫，在基于規(guī)則的概念基礎上編寫的。因此，每個人的行為和運動是由一系列啟發(fā)式規(guī)則確定的。這些規(guī)則被分為5個相互影響的子模型: 避難者、運動、行為、毒性和危險子模型。

圖8－25 Buing EXODUS子模塊關系示意圖

圖8－26 Building EXODUS運行

圖8－27 用30cm×30cm的方格表示行人

Building EXODUS不僅可以對建筑物內(nèi)火災場景下的疏散進行模擬，并且還可以對開放空間中的疏散過程進行模擬，并對可能出現(xiàn)的擁擠、滯留等現(xiàn)象進行預測，如圖8－26所示。此外，該軟件還能對人群聚集過程進行預測，用以對公共場所中可能發(fā)生的人群擁擠踩踏事故進行預測，并根據(jù)預測結(jié)果對人群進行管理。

Building EXODUS軟件核心模型的主要特點充分考慮火災引起的有毒物質(zhì)的擴散及其與行人的相互作用，主要用于火災狀況下的疏散。這使得它在用途上和其他行人仿真存在明顯的不同。

8．5．2 Legion軟件

Legion軟件用于在奧運環(huán)境、公共交通換乘樞紐、站臺、飛機場、運動場、競技場、音樂會和一些高層建筑等地方的行人運動的仿真和分析。近來世界各地有大量的設計者、規(guī)劃者、工程師使用Legion軟件來評估和設計最佳行人空間，以提高行人運動的安全性、有效性以及改善觀眾的體驗。Legion的原始模型是由Keith Still于1996年開發(fā)的基于離散網(wǎng)格的行人模型，用30 cm×30 cm的方格表示行人，如圖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、數(shù)據(jù)分析三個相對獨立的模塊組成。Legion3D2006用于將建模模塊生成的3D空間模型和仿真模塊產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)相結(jié)合，產(chǎn)生具有足夠真實感的3D演示動畫，如圖8－28所示。

Legion的用戶包括: 倫敦地鐵、馬德里地鐵、香港地鐵，悉尼、雅典、北京、倫敦奧運會等，英國盧頓飛機場，紐約34街車站，倫敦的某花卉市場等。Legion軟件行人模型的自定義輸入?yún)?shù)包括行人的年齡、性別、擁擠程度、步行速度、個體大小、空間選擇策略、忍耐性、靈活性、出行目的、是否帶行李等。模型中涉及最短路徑和最短時間計算模型、路徑選擇、行人決策隨機過程、個人空間限制、行人的忍耐性等。仿真結(jié)果輸出形式包括: ①標準格式視頻輸出; ②繪圖表格輸出; ③圖形輸出(JPEG、BMP格式); ④參數(shù)輸出(密度、流率、空間占有率等)。

圖8－28 Legion的3D演示動畫截圖

8．5．3 Myriad軟件

Myriad是Crowd Dynamics公司開發(fā)的行人仿真工具，其最新版本是MyriadⅡ。MyriadⅡ是一個集成的人群動力學建模套件。MyriadⅡ廣泛地用于公共空間的建模和分析。MyriadⅡ內(nèi)置建筑物建模過程需要三種不同的模型，包括: Agent分析、空間分析和網(wǎng)絡分析模型，如圖8－29所示，MyriadⅡ軟件可以通過導入CAD文件建立復雜空間模型。

圖8－29 MyriadⅡ的三種模型關系

圖8－30 Sim Walk行人決策示意圖

8．5．4 Sim WALK軟件

Sim Walk是用于評估舒適度及安全的行人仿真軟件。Sim Walk中的每一個行人都是一個自治的Agent，沿著指向目的地的方向行走，受到其他行人以及建筑物空間的約束。該仿真工具不僅可以用于評估火災以及緊急狀況，還可以用于改進正常狀況下行人的運動。

Sim Walk的應用領域包括: 公共空間和建筑物(車站、醫(yī)院、機場、公共空間)的設計、安全以及出口檢測; 城市規(guī)劃及建造中的行人流控制和改進; 步行性能研究等等。

Sim Walk提供強大的服務水平分析、出口計數(shù)、空間利用率分析以及仿真錄像錄制等功能。Sim Walk可以模擬成千上萬人的運動，每一個人都擁有獨立的行為特征和出行目的。Sim Walk采用使用Wave算法計算的勢能場模型，考慮類似社會力模型的外在因素對行人的作用，如圖8－30所示。

以勢能場為基礎，行人將行走到勢能最低的區(qū)域，行人行進方向計算方法的關鍵是在需要檢索的元胞數(shù)量和方向真實性之間取得最佳的平衡。在每一個仿真周期中遍歷所有的行人，針對每一個行人，計算三種作用力，三種力疊加確定一個最優(yōu)的下一步。同時還要檢測該下一步位置的可行性，以確保行人決策的切實可行。檢查條件包括: ①不在仿真區(qū)域之外; ②不與障礙物重疊; ③不與行人重疊; ④不被障礙物遮擋。

8．5．5 Simulex軟件

Simulex軟件是由蘇格蘭集成環(huán)境解決有限公司的Peter Thompson博士開發(fā)，用來模擬大量人員在多層建筑物中的疏散。該軟件可以模擬大型、復雜幾何形狀、帶有多個樓層和樓梯的建筑物，可以接受CAD生成的定義單個樓層的文件。能容納上千人，用戶可以看到疏散過程中每個人在建筑物中的任意一點、任意時刻的移動。仿真模擬結(jié)束后，會生成一個包含疏散過程詳細信息的文本文件。

8．5．5．1 建筑的模擬

Simulex把一個多層建筑物定義為一系列二維樓層平面，它們通過樓梯連接。從每一個樓層進入樓梯的出口要在樓層平面窗口和樓梯窗口指定。樓梯和樓層平面由“連接”連接，它放置在出口的位置。在Simulex中，包含以下幾個建筑元素: 樓層平面圖、樓梯、連接和最終出口。

8．5．5．2 人員的模擬

Simulex用三個圓來代表每一個人的平面形狀，如圖8－31所示。精確地模擬了實際的人員。每一個被模擬的人由一個位于中間的不完全的圓圈和兩個稍小的、與中間的圓重疊的肩膀圓圈組成，它排列在不完全的圓兩側(cè)。Simulex的移動特性基于對每個人穿過建筑物空間時的精確模擬，位置和距離的精度高于±0.001m。模擬的類型包括: 正常不受阻礙的行走，由于與其他人接近而造成的步速降低、超越、身體的旋轉(zhuǎn)和避讓。Simulex模擬了一部分心理方面的東西，包括出口選擇和對報警的響應時間。但是，至今Simulex還沒有嘗試模擬能見度和毒性危害可能對人員產(chǎn)生的影響。此外，對心理因素模擬的進一步改進是該模型發(fā)展的一個部分。目前，該軟件已經(jīng)廣泛應用于安全工程的教學和咨詢以及火災中人員疏散的模擬。

圖8－31 用三個圓表示人的平面狀態(tài)

8．5．6 EXIT89軟件

EXIT89是由國際防火協(xié)會的Rita·Faby開發(fā)的，是用于大量人員從高層建筑疏散而設計的模型。例如，在高層建筑中它可以跟蹤個體在建筑物內(nèi)的行動軌跡。EXIT89還可以模擬煙氣對疏散的影響。從消防安全的視角來評估建筑設計時，該模型可以處理一些疏散場景中最相關的因素，包括:

(1)考慮各種不同行動能力的人員，包括限制行動能力的人員和孩子。

(2) 延遲時間，既包括可以用來代替移動前的準備活動時間，也包括隨機的額外時間，可以當作人員疏散開始時間。

(3)提供選擇路徑功能，使用模型計算出來的最短路徑，可以用來模擬經(jīng)過良好訓練的或者由工作人員協(xié)助的疏散過程，或者使用用戶指定的路徑，可以用來模擬人員使用熟悉的出口或者忽略某些緊急出口的疏散過程。

(4)提供選擇步速功能，可以反映正常移動和緊急狀況下移動的差別，前者可能適于演習情況下，后者更適宜于人員在緊急情況下的反應。

8．5．7 網(wǎng)格疏散模型(SGEM)

香港城市大學的有關研究人員提出了利用計算機虛擬現(xiàn)實的技術收集人員在火災中行為量化數(shù)據(jù)的調(diào)查方法，并結(jié)合火災后的問卷調(diào)查及疏散演習等手段收集了大量有關火災中人員行為的數(shù)據(jù)。比較詳細地研究了建筑物防火通道內(nèi)的標志(如燈光、張貼、指引、廣播等)對人員疏散行為的影響，得出了一些有價值的結(jié)論。建立了網(wǎng)格疏散模型(SGEM)。該模型在幾何空間上將建筑物劃分成能反映人員具體位置的細網(wǎng)格，并利用拉格朗日方法分析每個人員在建筑物內(nèi)的移動速度。采用此模型對香港的一些實際工程進行了較為成功的疏散模擬。

8．5．8 Anylogic簡介

Anylogic是目前唯一一款創(chuàng)新開發(fā)混合建模的商用仿真工具，它的離散建模和連續(xù)建模能力都非常強，尤其是同時需要離散建模和連續(xù)建模的時候，它能夠比較真實反映災時影響人員疏散的各種因素，比如: 煙塵、毒氣、熱效應、地下結(jié)構(gòu)設計、人員心理生理、人員互動及各種安全設施對人員疏散的作用。Anylogic專業(yè)虛擬原型環(huán)境，用于設計包括離散、連續(xù)和混合行為的復雜系統(tǒng)，能幫助你快速地構(gòu)建被設計系統(tǒng)的仿真模型(虛擬原型)和系統(tǒng)的外圍環(huán)境，包括環(huán)境設施和人員。

8．5．8．1 Anylogic的優(yōu)點

Anylogic的動態(tài)仿真具有獨創(chuàng)的結(jié)構(gòu)可以通過模型的層次結(jié)構(gòu)以模塊化的方式快速地構(gòu)建復雜交互式的動態(tài)仿真，與傳統(tǒng)工具相比Anylogic提供了更多的功能:

(1)在建模環(huán)境中可以直接使用一組優(yōu)秀的分析和優(yōu)化工具;

(2)使用Java語言形象、靈活、可擴展、重用性好的活動目標以及標準快速建模;

(3)多種建模方法更精確建?？梢圆东@更多現(xiàn)象并可以針對獨特問題進行實時調(diào)整;

(4)直接從模塊環(huán)境使用優(yōu)秀的分析組和最優(yōu)化的工具;

(5)方便有效地使Anylogic開放架構(gòu)模具與辦公或公司軟件集成電子制表軟件，電子數(shù)據(jù)庫ERP、CRM系統(tǒng)或?qū)⒛＞咧苯忧度氲綄崟r操作環(huán)境中;

(6)隨著真實系統(tǒng)的發(fā)展通過有效的維護模具從而增加模具的壽命;

(7)Anylogic的建模語言是UML－RT的擴展，模型的主要方圖是活動對象，有其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和行為可以任意向下封裝其他對象。

8．5．8．2 Anylogic的部分功能介紹

1． 模型元素

Anylogic模型是等級化地組織起來的，工程(project)由包(package)組成，包中含有活動對象、消息、其他類和外部文件。包可以用于更好地對工程的結(jié)構(gòu)進行組織。一個工程可以使用其他工程作為庫(library)。Anylogic支持幾種不同的實驗類型，以用于不同的仿真任務，一個實驗(experiment)中存儲了模型的一組配置參數(shù)，實驗顯示動畫，同時允許對模型進行調(diào)試。其他的Anylogic實驗類型(優(yōu)化實驗optimization experiment，參數(shù)變化實驗parameter variation experiment)只用于模型參數(shù)起重要作用，并且需要分析這些參數(shù)如何影響模型行為的情形，或希望找到模型對應的最優(yōu)參數(shù)。自定義參數(shù)(custom parameter)允許使用Java語言定義自定義的實驗腳本。

2． 活動對象

活動對象是Anylogic模型的主要構(gòu)建模塊?；顒訉ο罂梢杂糜诮，F(xiàn)實世界中類型廣泛的各種對象，例如: 加工工作臺、資源、人員、硬件、具體的物體、控制器等等。

一個活動對象是一個活動對象類的一個實例。活動對象類可以由用戶開發(fā)，或者從庫中得到。

圖8－32 結(jié)構(gòu)圖

圖8－33 活動對象樹

(1)結(jié)構(gòu)圖。每個活動對象類都有一個與之相聯(lián)系的結(jié)構(gòu)圖(如圖8－32所示)，由各種不同的形體構(gòu)成: 當前對象(this object)，被封裝的對象(encapsulatedobject)，端口(port)，變量(variable)，連接器(connector)，圖表定時器(charttimer)，狀態(tài)圖(statechart)和文本框(textbox)

(2)被封裝的對象?；顒訉ο罂梢栽谌我馑璧纳疃葘哟紊戏庋b其他活動對象。被封裝的對象是其他活動對象類的實例，并且將被此活動對象類的每個實例封裝。封裝一個類是創(chuàng)建模型等級結(jié)構(gòu)的必需步驟。

(3)根對象。一個Anylogic模型是由互相封裝的活動對象類所構(gòu)成的一棵樹(如圖8－33所示)。由于每個活動對象通常代表模型中的一個邏輯部分，因此一個模型可以被分解到若干個細節(jié)層次。Anylogic支持簡單的模型修改方法，方便地調(diào)整模型結(jié)構(gòu)。

(4)活動對象的數(shù)據(jù)。你可以通過定義參數(shù)和變量來定義活動對象的數(shù)據(jù)。也可以通過編寫你自己的Java代碼來定義類成員變量?；顒訉ο罂梢杂袇?shù)，也可以定義一個變量。

(5)活動對象的行為?；顒訉ο罂梢跃哂袃?nèi)部的行為。在Anylogic中你可以定義離散時間行為，連續(xù)時間行為以及混合行為。

①連續(xù)的過程用具有連續(xù)變化變量的微分和代數(shù)方程來描述。

②在非常簡單的情況下，對象內(nèi)部的離散行為可以使用定時器來定義; 在事件和時間順序變得更為復雜的時候可以使用狀態(tài)圖(擴展的狀態(tài)機)來定義。

③當離散和連續(xù)時間行為之間存在相互依賴關系時，則需要混合模型。可以使用混合狀態(tài)圖來定義混合的行為。

現(xiàn)實的應急疏散安全問題促進了對疏散系統(tǒng)進行科學、系統(tǒng)的研究，因疏散系統(tǒng)及人員的高度不確定性、動態(tài)性、與眾多因素相關的復雜性決定了它是一個復雜的不確定性系統(tǒng)，這給本領域的研究者提出了一個巨大的挑戰(zhàn)。疏散系統(tǒng)仿真從早期的以觀察定性總結(jié)為主的經(jīng)驗研究，到后來的數(shù)學模型計算，直到現(xiàn)在借助計算機仿真進行人員疏散研究; 從最初人群宏觀模型的研究到如今的Agent智能體的微觀模型研究。應急領域的專家、學者們嘗試了各種各樣的方法，使得仿真軟件的功能越來越強大，仿真模型越來越復雜、系統(tǒng)，仿真過程與結(jié)果更加直觀、逼真。隨著應急管理理論方面研究的進一步深入，將為建立系統(tǒng)、科學、形象的計算機疏散仿真模型提供了可靠的理論保障，計算機技術的發(fā)展也使模型的現(xiàn)實描述能力越來越強，擴大了模型的改進空間，它們必將在實際中得到越來越廣泛的應用。