[發明專利]基于Boids集群運動模型的人群運動仿真方法

在審

• 申請號: 202011128035.5
• 申請日: 2020-10-20
• 公開（公告）號: CN112257258A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發明（設計）人: 張旭光;朱燕娜
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙) 33213
• 代理人: 孫孟輝

1.基于Boids集群運動模型的人群仿真方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，依據人群在運動過程中的感知能力對個體的感知區域進行劃分；

步驟2，依據人群疏散的行為特征和個體感知區域的劃分，將生物集群運動的三大原則重新定義為符合人群運動規律的交互規則；

步驟3，根據步驟2，依據其他個體所在區域、運動狀態和群組信息計算求得個體間相互作用力，個體間相互作用力定義為三種力量的合力，即：個體間排斥力、個體一致吸引力和個體靠近吸引力；

步驟4，計算人群運動過程中個體的受力情況，利用牛頓第二定律仿真模擬個體與環境及其他個體的交互行為。

2.根據權利要求1所述的基于Boids集群運動模型的人群運動仿真方法，其特征在于，所述步驟1具體為：將個體作為中心，以一定范圍的圓形區域定義為個體的感知區域，將感知區域由近到遠依次劃分為排斥區域、一致區域、吸引區域，由于人群存在視野盲區，假設個體的視角均為α，則排斥區域與一致區域將被限制在圓心角為α的圓弧內，由于同組成員在運動過程中會進行交流，所以吸引區域不受到視野盲區的限制。

3.根據權利要求2所述的基于Boids集群運動模型的人群運動仿真方法，其特征在于，所述步驟2具體為：將生物集群運動的三大原則重新定義為符合人群運動規律的交互規則，為：

對于排斥區域內的其他個體：由于排斥區域內的其他個體與個體相對距離較近，個體通常會感到不舒服，靠的太近時就會盡量避開以免發生碰撞，這滿足避免碰撞原則；

對于一致區域內的其他個體：個體容易受到一致區域內的其他個體的運動狀態的影響，會盡量與一致區域內的其他個體的速度方向保持一致，甚至可能產生自動跟隨、從眾等現象，這滿足對齊原則；

對于吸引區域內的其他個體：在疏散過程中，每個個體的靠近原則可能存在差異性，但帶有社會關系屬性的個體會選擇與同群組成員共同疏散，因此個體會盡可能靠近吸引區域內群組其他成員的中心位置，這滿足靠近原則。

4.根據權利要求3所述的基于Boids集群運動模型的人群運動仿真方法，其特征在于，所述步驟3具體包括：

步驟3.1，根據人群交互原則及交互行為，計算個體與排斥區域內的其他個體的相互作用力，由于個體與排斥區域內的其他個體之間的交互行為滿足避免碰撞原則，所以個體之間存在個體間排斥力，個體與排斥區域內的其他個體之間的排斥力為公式為：

其中A_i、B_i、K、κ為模型常量，A_i代表了相互作用力強度，B_i表示相互排斥力范圍，r_ij和d_ij分別為個體i與個體j的半徑和以及個體j與個體i之間的距離，當兩個個體沒有產生物理接觸時，即d_ij＞r_ij，函數Θ(x)等于0，反之等于表達式x的值，為單位向量，方向為個體j指向個體i，代表切向速度差，表示切向方向，t為個體運動時間，同時，考慮人群存在視野盲區，引入λ作為視野因子，公式為：

α為個體i的視野范圍，β為個體i指向一致區域內的個體j的單位向量與個體i速度方向之間的夾角；

步驟3.2，由于個體與一致區域內其他個體之間的交互行為滿足對齊原則，因此個體感知一致區域內其他個體的速度方向及位置信息來計算個體間的一致吸引力公式為：

其中，v_j(t)表示個體j的速度向量，λ為視野因子；

步驟3.3，由于個體與吸引區域內其他個體之間的交互行為滿足靠近原則，因此個體通過感知視野范圍內吸引區域中具有相同社會關系的群組成員及位置信息來求得群組中心，產生指向群組中心的靠近吸引力公式為：

其中，d_ic為個體i與群組中心之間的距離，表示個體i的指向群組中心的單位向量，靠近吸引力的大小是由群組成員渴望保持群組形態的期望決定的，不同社會關系構成的群組的期望不同，即w_ij不同：

步驟3.4，計算人群運動過程中產生的個體間作用力；人群運動過程中產生的個體間作用力包括排斥區域內的個體間排斥力、一致區域內的個體間一致吸引力及吸引區域內的個體間靠近吸引力，公式為：

5.根據權利要求4所述的基于Boids集群運動模型的人群運動仿真方法，其特征在于，所述步驟4具體包括：

步驟4.1，根據牛頓第二定律，計算人群運動過程中個體的受力情況，公式為：

其中，為目的地的驅動力，為障礙物的排斥力，為人群運動過程中受到的不確定力；

步驟4.2，通過個體間作用力、目的地的驅動力、障礙物的排斥力仿真模擬個體與環境及其他個體的交互行為，經仿真平臺unity3D對仿真方法進行仿真驗證，在不同出口場景下，從個體的位置分布及運動軌跡分析個體疏散仿真情況。