面向智慧城市的人性化高效...
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面向智慧城市的人性化高效疏散规划系统
第三届3S杯全国大学生物联网技术与应用“三创”
大赛
团队成员：张雷、胡留赟
指导老师：徐小龙
目录 content
技术背景
1
核心技术与算法
2
系统设计与构建
3
验证与测试
4
成果与创新点
5
Page04 07 14 22 26
1
近年来，危险来源和诱因日益多元化和复杂化，难以预测和控制的各类灾难事件频频爆发，给人类带来沉痛的灾难和巨大的经济损失，有些影响巨大而深远。
2
2008年四川省汶川发生8.0级特大地震，造成69227人遇难，374643人受伤，17923人失踪；
2010年青海省玉树县发生地震，最高震级7.1级，造成2220人遇难，70人失踪；
2015年8月12日，天津滨海新区一处集装箱码头发生爆炸，事故造成85人死亡，400余人受伤。
2016年以来全国14省(区、市)遭遇暴雨，受灾人口近900万人。
现有系统分析 3
目前世界各国研究出众多应急疏散系统（OREMS、EVACNET4、VISSUM、Pathfinder、TransCAD等)，无法和移动终端相结合，为用户提供实时疏散引导。
现有导航软件中，不能有效结合实际灾难环境为人群进行疏散规划。
项目意义 4
灾难发生时，根据现有城市内部建成的应
急避难场所设施，为灾难影响范围内的疏散
人员提供及时有效的疏散引导，保障人员的
生命安全。
服务器端功能图移动终端功能图
5
6基于人工势能场的疏散规划算法(EPAAPF)
基于人工势能场的疏散规划算法（Evacuation Planning Algorithm based on Artificial Potential Field，EPAAPF）。该算法的基本思想是通过建立人工势能场，将复杂的大规模疏散问题通过势场函数进行描述，待疏散人员受到其周围作为目标点的多个避难场所的引力和灾难发生点作为障碍物点产生的斥力，在势场中朝着下降的势场函数方向进行移动。通过引力和斥力的共同作用实现有效疏散。
人工势能场势能效果图
灾难发
生点
避难场所
避难场所
避难场所
避难场所
避难场所避难场所
避难场所
避难场所
避难场所
避难场所
待疏散人员
位置
G1
Frep(X)
Fatt1(X)
F1=Fatt1(X)+Frep(X)
F2=Fatt2(X)+F1
F3=Fatt3(X)+F2
F(X)=F4=Fatt4(X)+F3
G2G3
G4
O
Fatt2(X)
Fatt3(X)
Fatt4(X)
避难场所
避难场所
避难场所
避难场所
待疏散
人员
灾难发
生点
待疏散人员势场受力图
7基于关系引力人工势能场的疏散规划算法(EPAAPF-RA)
在EPAAPF算法的基础上，定义了关系引力势场，进一步提出基于关系引力人工势能场的疏散规划算法（Evacuation Planning Algorithm based on Artificial Potential Field with Relationship Attraction，EPAAPF-RA）。通过引入关系引力势场，对总势场函数进行改进，在满足安全性和疏散时间限制的条件下，可以将具有亲属关系的待疏散人员疏散至同一处避难场所内，实现人性化疏散。
人工势能场势能效果图
灾难发
生点
避难场所
避难场所
避难场所
避难场所
避难场所避难场所
避难场所
避难场所
避难场所
避难场所
待疏散人员
位置
待疏散人员关系引力势场受力图
G1
G2G3
G4
O
避难场所
待疏散
人员
灾难发
生点
亲属所在
避难场所
避难场所
避难场所
Fatt1(X)
F1=Fatt1(X)+Frep(X)
F2=Fatt2(X)+F1
F3=Fatt3(X)+F2
Fatt2(X)
Frep(X)
Fatt3(X)
Fatt4(X)
Frel(X)
F4=Fatt4(X)+F3
F(X)=F4+Frel(X)
算法流程图 8
引力势场函数：
( ) ( ) ( )att repU X U X U X
21( ) ( , )
2attU X k X G
总势场函数：
2
0
1 1 1( ) ( )
2 ( , )repU X m
X O 斥力势场函数：
因此，多个避难场所环境下产生的待疏散人员的总势场函数：
1
( ) ( ) ( )n
atti rep
i
U X U X U X
合力函数： ( ) ( ) ( ) ( )att repF X U X F X F X
引力函数： ( ) ( ( )) ( , )att attF X U X k X G
斥力函数： 2
0
1 1 1( ) ( ( )) ( ) ( , )
( , ) ( , )rep repF X U X m X O
X O X O
待疏散人员的总势场的合力函数：
1
( ) ( ) ( ) ( )n
atti rep
i
F X U X F X F X
Start
Parameter Initialization
Calculate Evacuation Distance and Dangerous
Distance
Calculate the Angle of Attraction and
Repulsion
Calculate the Next Attractive Field and
Attraction of the Shelter
Complete the Calculation of the Attractive Field and
Attraction of Multiple Shelters?
N
End
Calculate the Repulsion Field and
the Repulsion
Calculate the Resultant Force and the Direction
of Motion
Determine the Direction of Evacuation
Y
Flow chart of Evacuation planning algorithm based on artificial potential field.
定义A(Lng1,Lat1)、B(Lng2,Lat2)两个经纬度坐标之间的欧几里得距离：
137.6378))2
(sin)2cos()1cos()2
(sinarcsin(2 22 b
LatLata
SFlow chart of Evacuation planning algorithm based on artificial potential field with relationship
attraction.
End
Calculate the Resultant Force and the Direction
of Motion
Determine the Direction of Evacuation
Include Relationship Attraction?
Y
N
Comply with the requirements for
evacuation?
Y
N
Start
Parameter Initialization
Calculate Evacuation Distance and Dangerous
Distance
Calculate the Angle of Attraction and
Repulsion
Calculate the Next Attractive Field and
Attraction of the Shelter
Calculate the Repulsion Field and
the Repulsion
Complete the Calculation of the Attractive Field and
Attraction of Multiple Shelters?
Y
N
1
( ) ( ) ( ) ( )n
res atti rep rel
i
F X F X F X F X
亲属关系引力势场函数：
21( , ) , ( , )
( ) 2
0, ( , )
e
rel
e
b X B X BU X
X B
因此，多个避难场所环境下产生的待疏散人员的总势场函数：
亲属关系引力函数：
待疏散人员的总势场的合力函数：
1
( ) ( ) ( ) ( )n
res atti rep rel
i
U X U X U X U X
( , ), ( , )( ) ( ( ))
0, ( , )
e
rel rel
e
b X B X BF X U X
X B
9
系统架构 10
数据采集子系统1
云服务处理子系统2
用户访问子系统3
系统架构图
业务中心
用户管理中心
信息采集中心
移动接入Web服务器
数据存储中心
管理人员接入设备
卫星 无线接入点 基站
移动设备
避难场
所数据
待疏散人
员数据
灾难数
据
推荐最佳的避难场所及到达路线
Shelter
采集位置数据
传输位置数据
运用内置算法进行疏散规划
传输疏散规划结果
指导人员进行疏散
提供全局疏散展示
用户当前位置
避难场所目的地
内容服务器
网络传输子系统4
移动终端功能设计 11
主功能界面 定位界面 实时路况界面卫星图 热力图 3D立体图避难场所信息查询 周边避难场所检索 检索覆盖物信息查询路径规划 测 距
核心功能设计 12
疏散规划按钮
服务器端功能设计 13
人员信息查询
人员信息更新
用户页面管理页面
灾难信息
避难场所信息系统架构图
势场参数信息
剩余容量信息
信息更新
灾难信息
避难场所信息
疏散示意图
实时地图展示
退出登录
14
12
实验场景 15
以南京市发生大型灾难事件为实验场景，灾难发生位置坐标为（118.774388,32.07471），灾难影响范围为周边1.6千米圆形区域，总疏散区域面积8.042平方千米。
Jinghaisi Memorial Hall
Xiuqiu Park
Xiaotao Garden
Jinchuan Flower Garden Square
Railway North Street Square
Tianjiabing Senior High School
Xuanwumen Residential District
Xinjiekou Residential DistrictNanjing National
Defense Park
Yueguang Plaza
Treasure Shipyard Relic Site Park
Huayangang Square
Disaster Point
Affected Areas
Disaster scene graph
该灾难影响区域周边2.5千米范围内共有应急避难场所12处，其具体数据如表1
所示。由表可知，所有避难场所总容量为139833人。Table 1
Data table of the shelters
假设测试的疏散人数分别为：100人、200人、400人、800人、1500
人、2500人。将EPAAPF算法和EPAAPF-RA算法分别与模拟退火算法(Simulated Annealing，SA)、禁忌搜索算法（Taboo Search，TS）和引力搜索算法（Gravitational Search Algorithm, GSA）算法分别用于此场景下的应急疏散问题求解。
采用数据随机生成的方法，在灾难影响区域内随机产生多个疏散人员的经纬度坐标。各算法的自有参数设置如表2所示。
Table 2
Parameter settings of each algorithm
12
实验结果与性能分析 16
实验1 SA、TS、GSA、EPAAPF和EPAAPF-RA算法的最优解精度对比。
3320
3380
3440
3500
3560
3620
3680
3740
100 200 400 800 1500 2500
Th
e L
en
gth
of
Ev
acu
ati
on
Ro
ute
(m)
Number of Evacuees
SA
TSGSAEPAAPF
EPAAPF-RA
3620
3660
3700
3740
3780
3820
3860
100 200 400 800 1500 2500
Th
e L
en
gth
of
Ev
acu
ati
on
Ro
ute
(m)
Number of Evacuees
SA
TSGSAEPAAPF
EPAAPF-RA
1、从容量剩余和容量不足两种情况对疏散路线长度进行比较。2、从容量剩余和容量不足两种情况对疏散时间进行比较。
410
418
426
434
442
450
458
100 200 400 800 1500 2500
Ev
acu
ati
on
Tim
e(s
)
Number of Evacuees
SA
TS
GSA
EPAAPF
EPAAPF-RA
455
460
465
470
475
480
485
100 200 400 800 1500 2500
Ev
acu
ati
on
Tim
e(s
)
Number of Evacuees
SA
TS
GSA
EPAAPF
EPAAPF-RA
实验2 SA、TS、GSA、EPAAPF和EPAAPF-RA算法的疏散效率对比。
从容量剩余和容量不足两种情况对算法疏散效率进行比较。
实验3 SA、TS、GSA、EPAAPF和EPAAPF-RA算法的时间开销对比。
从容量剩余和容量不足两种情况对算法的时间开销进行比较。
780
860
940
1020
1100
1180
1260
100 200 400 800 1500 2500
Th
e A
lgo
rith
m T
ime
Co
st(m
s)
Number of Evacuees
SATSGSAEPAAPFEPAAPF-RA
900
980
1060
1140
1220
1300
1380
100 200 400 800 1500 2500
Th
e A
lgo
rith
m T
ime
Co
st(m
s)
Number of Evacuees
SATSGSAEPAAPFEPAAPF-RA
12
系统测试 17
18
19创新之处
基于人工势能场的疏散规划
算法
通过对灾难环境建立人工势场，将复杂的大规模疏散问题通过势场函数进行描述，使问题描述简单，同时提升了算法的计算效率和准确性。
1
通过定义关系引力场，对总势场函数进行改进，在满足安全性和疏散时间限制的条件下，实现人性化疏散。
基于关系引力人工势能场的疏散规划算法
2
面向智慧城市的人性化高效疏散规划系统
构建
实现移动终端和云端服务器两部分功能组件的协同工作：移动终端向云端服务器提交定位数据，获取并展示云端服务器的疏散规划结果；云端服务器中存储避难场所信息并为移动终端提供疏散规划建议。
3
项目成果 20
2
3
投稿论文“CLOTHO: A Large-Scale Crowd Evacuation Planning System
in Disasters” (刊物: IEEE Transactions on Mobile Computing)；
发明专利“一种面向灾难应急的疏散规划方法及疏散规划系
统”(CN201710231335.8)
1
《面向智慧城市的人性化疏散规划系统软件 V1.0》的软件著作权4
发明专利“一种基于关系亲密度的复合避难场所分配方法”(CN201710070382.9)
科学防灾减灾，构建和谐家园。
第三届3S杯全国大学生物联网技术与应用
“三创”大赛
21
完恳请各位专家指正。
本系统目前的应用范围为南京市，后期可以向全国各大城市及地区进行拓展。具有非常好的实用性。在灾难发生时，可以为大规模待疏散人群提供及时有效的疏散引导，充分保障人民的生命安全。