[发明专利]基于Boids集群运动模型的人群运动仿真方法

权利要求书

1.基于Boids集群运动模型的人群仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，依据人群在运动过程中的感知能力对个体的感知区域进行划分；

步骤2，依据人群疏散的行为特征和个体感知区域的划分，将生物集群运动的三大原则重新定义为符合人群运动规律的交互规则；

步骤3，根据步骤2，依据其他个体所在区域、运动状态和群组信息计算求得个体间相互作用力，个体间相互作用力定义为三种力量的合力，即：个体间排斥力、个体一致吸引力和个体靠近吸引力；

步骤4，计算人群运动过程中个体的受力情况，利用牛顿第二定律仿真模拟个体与环境及其他个体的交互行为。

2.根据权利要求1所述的基于Boids集群运动模型的人群运动仿真方法，其特征在于，所述步骤1具体为：将个体作为中心，以一定范围的圆形区域定义为个体的感知区域，将感知区域由近到远依次划分为排斥区域、一致区域、吸引区域，由于人群存在视野盲区，假设个体的视角均为α，则排斥区域与一致区域将被限制在圆心角为α的圆弧内，由于同组成员在运动过程中会进行交流，所以吸引区域不受到视野盲区的限制。

3.根据权利要求2所述的基于Boids集群运动模型的人群运动仿真方法，其特征在于，所述步骤2具体为：将生物集群运动的三大原则重新定义为符合人群运动规律的交互规则，为：

对于排斥区域内的其他个体：由于排斥区域内的其他个体与个体相对距离较近，个体通常会感到不舒服，靠的太近时就会尽量避开以免发生碰撞，这满足避免碰撞原则；

对于一致区域内的其他个体：个体容易受到一致区域内的其他个体的运动状态的影响，会尽量与一致区域内的其他个体的速度方向保持一致，甚至可能产生自动跟随、从众等现象，这满足对齐原则；

对于吸引区域内的其他个体：在疏散过程中，每个个体的靠近原则可能存在差异性，但带有社会关系属性的个体会选择与同群组成员共同疏散，因此个体会尽可能靠近吸引区域内群组其他成员的中心位置，这满足靠近原则。

4.根据权利要求3所述的基于Boids集群运动模型的人群运动仿真方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

步骤3.1，根据人群交互原则及交互行为，计算个体与排斥区域内的其他个体的相互作用力，由于个体与排斥区域内的其他个体之间的交互行为满足避免碰撞原则，所以个体之间存在个体间排斥力，个体与排斥区域内的其他个体之间的排斥力为公式为：

其中A_i、B_i、K、κ为模型常量，A_i代表了相互作用力强度，B_i表示相互排斥力范围，r_ij和d_ij分别为个体i与个体j的半径和以及个体j与个体i之间的距离，当两个个体没有产生物理接触时，即d_ij＞r_ij，函数Θ(x)等于0，反之等于表达式x的值，为单位向量，方向为个体j指向个体i，代表切向速度差，表示切向方向，t为个体运动时间，同时，考虑人群存在视野盲区，引入λ作为视野因子，公式为：

α为个体i的视野范围，β为个体i指向一致区域内的个体j的单位向量与个体i速度方向之间的夹角；

步骤3.2，由于个体与一致区域内其他个体之间的交互行为满足对齐原则，因此个体感知一致区域内其他个体的速度方向及位置信息来计算个体间的一致吸引力公式为：

其中，v_j(t)表示个体j的速度向量，λ为视野因子；

步骤3.3，由于个体与吸引区域内其他个体之间的交互行为满足靠近原则，因此个体通过感知视野范围内吸引区域中具有相同社会关系的群组成员及位置信息来求得群组中心，产生指向群组中心的靠近吸引力公式为：

其中，d_ic为个体i与群组中心之间的距离，表示个体i的指向群组中心的单位向量，靠近吸引力的大小是由群组成员渴望保持群组形态的期望决定的，不同社会关系构成的群组的期望不同，即w_ij不同：

步骤3.4，计算人群运动过程中产生的个体间作用力；人群运动过程中产生的个体间作用力包括排斥区域内的个体间排斥力、一致区域内的个体间一致吸引力及吸引区域内的个体间靠近吸引力，公式为：

5.根据权利要求4所述的基于Boids集群运动模型的人群运动仿真方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

步骤4.1，根据牛顿第二定律，计算人群运动过程中个体的受力情况，公式为：

其中，为目的地的驱动力，为障碍物的排斥力，为人群运动过程中受到的不确定力；

步骤4.2，通过个体间作用力、目的地的驱动力、障碍物的排斥力仿真模拟个体与环境及其他个体的交互行为，经仿真平台unity3D对仿真方法进行仿真验证，在不同出口场景下，从个体的位置分布及运动轨迹分析个体疏散仿真情况。