基于NETLogo模块的人群行为仿真

河北大学2016届本科生毕业论文（设计）基于NETLogo模块的人群行为仿真摘要现如今，人口不断加剧，大型公共环境中人群聚集现象通常是事故发生的隐患。人员拥挤度越高，事故风险也就越大，而且造成的人员伤亡和财产损失也会更为严重，所以人群行为的仿真在现实生活中的地位已经越来越高。本论文在人员疏散研究的背景下，应用基于Agent的仿真建模工具：Netlogo软件进行人群疏散的仿真。本文首先描述了课题的来源、意义、目标，然后在基于了解Netlogo的工作原理及产品特性的基础上，应用Netlogo模块来实现一个简单的人群疏散实验。本实验主要应用Flocking算法来实现人群疏散，模拟大量人群在发生灾害时撤离一个大型公共场所，通过修改人口的数量及旋转角度来更为真实地模拟人群疏散。因为本实验可以较好地再现人群疏散场景和调整变量，所以更加直观简单。关键词：人群行为；人员疏散；Netlogo；仿真；Flocking算法河北大学2016届本科生毕业论文（设计）TheCrowdSimulationBasedontheNetlogoModuleABSTRACTNowadays,thepopulationareincreasinglargely.Frequently,largecrowdsgatherinpublic,thereisusuallyahiddendangerofaccident.Theworkers'congestionlevelishigher,theriskisgreater,andcausecasualtiesandpropertylosswillbemoreserious,sothestatusofthecrowdbehaviorsimulationinreallifehavebeenalreadymoreandmoresignificant.Inthispaperunderthebackgroundoftheevacuationstudy,weusetheNetlogowhichisasimulationmodelingtoolbasedontheAgentfortheevacuationstudy.Thispaperdescribesthesourceofthesubject,thesignificance,goals,andthenbasedontheunderstandingoftheoperatingprincipleandtheproductfeatureofNetlogo,weapplyNetlogomoduletoachieveasimplecrowdevacuationexperiment.ThisexperimentmainlyusedFlockingalgorithmtoimplementtheevacuation,simulatethecrowdevacuationincaseofdisastersinalargepublicplaces.Inthisexperiment,wecanmodifythenumberofpopulationandtherotationAngletomoreaccuratelysimulatethecrowdevacuation.Thisexperimentcanbetterrepresentthecrowdevacuationscenarioandadjustvariables,soitismoreintuitiveandsimple.Keywords：crowdbehavior;crowdevacuation;Netlogo;simulation;Flockingalgorithm河北大学2016届本科生毕业论文（设计）目录1引言...............................................11.1课题的来源及意义........................................11.2国内外发展状况..........................................11.3课题的研究目标..........................................22Netlogo介绍........................................32.1Netlogo简介............................................32.2Netlogo特性............................................33flocking算法及在群体行为仿真的应用.................43.1Flocking算法的简介.....................................43.2Flocking在群体行为仿真中的应用.........................44基于Netlogo的人群行为仿真的实验....................64.1实验目的................................................74.2基于flocking算法的人群行为规则.........................74.3基于Netlogo软件的人群疏散模块..........................95总结及展望........................................15参考文献...............................................16致谢...................................................17附录...................................................18河北大学2016届本科生毕业论文（设计）11引言1.1课题的来源及意义人群在现实世界中是无处不在的,是一个重要的组件的疏散计划和应急培训系统。模拟大量的虚拟因素的问题和人类在不同领域中研究人群,包括计算机图形学、社会和行为科学、建筑、物理学、心理学、民事和交通运输工程和机器人。特别是,人群被视为复杂的动力系统,表现出不同的特征,如紧急行为,自组织和模式形成由于个人和团体之间的的多范围的相互作用。如今的第一反应者需要新一代的技术和资源准备和应对恐怖主义袭击,自然灾害,以及大规模的紧急情况。下一代模拟和经验技术的第一反应者能帮助他们更好地准备疏散计划和灾难响应,便于培训经验,使领导和执法人员优化策略,通过使用基于真实的情况下的假设仿真,他们可能工作和更有效地评估各种备选方案。用适当的集体行为模型模拟人群行为对于在城市环境下疏散计划和培训的急救人员对意外事件是必需的。这些技术在建筑设计、应急疏散、城市规划、人员培训、教育和娱乐方面也有不同的应用。一个关键的挑战是模拟大规模人群拥有数万或数十万因素。在世界各城市如此大规模的人群越来越普遍。此外,比如游戏或虚拟环境的一些应用程序需要交互仿真模拟功能，例如以30帧/秒(fps)或更多模拟当前的桌面系统。除了整体性能,另一个主要的挑战是产生现实的人群的行为。尽管几十年的观察和研究,集体行为对于关于非均匀空间分布的组和异构行为特征尤其不清楚。这样的场景包括行人运动,关于复杂结构的疏散流和耦合的人类自然系统[1]。由以上看来，人群行为仿真在现实生活中的地位越来越高。本文应用Netlogo模块对人群行为进行仿真。Netlogo是一个用来对自然和社会现象进行仿真的可编程建模环境。它特别适合对随时间演化的复杂系统进行建模，这正对应现实生活中的各种现象，将现实转化在虚拟环境下研究更加方便简单，通过模拟环境下各参数变化研究各种环境下的个体行为。NetLogo拥有自己丰富的模型库，可立即使用或修改。使用NETLogo对人群行为仿真是非常简单直接的。基于NETLogo模块的人群行为仿真可以解决人群行为仿真中的路径规划、避免碰撞、紧急情况下人群疏散等。1.2国内外发展状况1.2.1国外发展对人群的运动和疏散动态的研究大约近50年的历史。最早，一个日本研究者于1955年提出疏散所需时间的公式。随之，1971年由统计得出的人群平均行进速度与人群密度的关系曲线开创了对人群运动的研究。与此同时，Henderson运用热力学Maxwell-Boltz-mann分布给出了人前进速度的概率分布，并最早提出了宏观模型。在前面理论基础上，提出了“排队网络”仿真模型，因为它在理论组织和计算速度方面有较大优势，所以在七八十年河北大学2016届本科生毕业论文（设计）2代成为了疏散仿真模型研究了重点。该模型“排列网络”将建筑物的平面布局抽象为一个连通图，丢失了大亮的空间信息，把众多的人群作为一个整体来考虑，不能够考虑个体的不同反映、个体特点、个体行为等因素[2]。近十年来，微观模型逐渐成为研究重点。它可以准确描述在疏散过程中的任何时刻每个个人的位置，把重点放在个体上，主要针对个人而非总体。该模型分为两大类：连续性模型和离散型模型，其中最具有代表性的是社会力模型、元胞自动机模型。但是微观模型数据量大，且对计算机的要求非常高。1.2.2国内发展在我国，对于人员疏散的研究始于90年代末，处于起步阶段，并且缺乏创新，主要引进外国知识。在国内刊物上发表关于人员安全疏散的模型有少之又少。黄恒栋对人群在安全出口的流动特性、聚集特性进行了研究；东北大学的陈宝智、肖国清等人对紧急状态下的疏散模型进行了研究；武汉大学和香港大学人员提出了网络疏散模型；上海大学一学者通过离心力模型对人群疏散进行了模拟；中国科技大学建立了火灾科学国家重点实验室，采用元胞自动机模型对火灾下人群疏散[2]进行研究；王兆其等人又对奥运体育场等密集场所进行了人群疏散的仿真研究……总之，国内研究者对人群疏散模型的研究相对外国学者的研究相差很多，我们不应该总是借鉴外国成果，应该加以创新，使我们的研究赶上或超过他们。1.3课题的研究目标当前疏散模型软件有很多，本课题使用Netlogo对人群行为模拟。通过修改本软件flocking模型来实现简单的人员撤离。该软件模拟度已很高，且能够通过直接调整各种因素研究各个因素对人群行为的影响。最主要的是简单直接，我们可以随时观察人群行为的变化。当设计大型交通工具及公共场所时，可以通过NETLogo模块对人群行为的仿真来充分考虑各个因素，以此更好地设计走廊宽度、出口数量、出口位置、人群疏散应急方案、分配警力等等。河北大学2016届本科生毕业论文（设计）32Netlogo介绍2.1Netlogo简介Netlogo是由UriWilensky在1999年发起，由美国西北大学网络学习和计算机建模中心（CCL）负责持续开发，最终推出的一个基于多智能体的可编程建模平台。CCL是一个致力于有创造性的使用技术来深化学习的研究机构，Netlogo软件就是该机构免费提供的一个计算机建模和仿真的平台，为人们学习和使用建模提供了更好的平台。Netlogo软件应用非常广泛，它可将自然和社会的各种现象进行仿真，使之在计算机所营造的虚拟环境下进行相互作用并演化，让人们对各种现象更好的研究。它特别适用于对随时间演化的复杂系统进行建模和仿真。建模人员可以通过发出指令对独立运行的成百上千的主体（agent）进行控制，已达到各种环境变化下主体变化。建模人员控制独立运行的主体，实现了宏观层面的人与微观层面的个体行为形成了联系，通过微观层面的个体之间的相互作用涌现出宏观现象。Netlogo可以让学生参与其中，通过修改条件，探究不同条件下的变化。它是一个很好的编程环境，对各类人群来说都很简单掌握，然后再创建自己需要的模型。NetLogo足够简单，学生、教师和编程人员都可以非常容易的进行仿真，或者创建自己的模型。并且它也足够先进，在许多领域都可以做为一个强大的研究工具。而且Netlogo包含有完备的帮助文档和教