基于netlogo的大规模人群行为仿真

河北大学工商学院2013届本科生毕业论文（设计）-1题目：基于netlogo的大规模人群行为仿真河北大学工商学院2013届本科生毕业论文（设计）基于netlogo的大规模人群行为仿真摘要随着数字化人体运动仿真技术的日趋成熟，尤其是其应用的迅速，也得到了很好的推广，虚拟合成领域中的大规模的人口流动模拟技术开始成为研究的热点。大规模的人群运动模型的主要工作是研究在各种环境中，情节下的人群的运动规律和特征，建立大规模的人群运动仿真模型，并在计算机上生成的三维空间（虚拟环境）中逼真的描述在运动过程中的人群的运动过程。人口规模的运动仿真技术提供了一个人群的运动分析和演示工具，具有广泛的应用领域。Netlogo是一个基于Agent的仿真建模工具。本文主要描述了Netlogo的工作原理和主要特性，并通过一个简单的实例描述了该工具的建模和实验过程。虚拟人群行为的驱动方法可以通过设计的虚拟人群行为属性来描述人群将采取的行为;以生产规则来实现虚拟仿真人群行为事件/响应模式。最后，将人群行为建和实现方法模应用在人群紧急疏散逃生模拟中，并可取得了良好的效果。关键词：虚拟人群；人群仿真；行为研究；虚拟视觉；路径规划装订线河北大学工商学院2013届本科生毕业论文（设计）AsimulationofalargepopulationbehaviorbasedonnetlogoABSTRACTWiththedevelopmentofSimulationindigitalhumanbehavior,especiallytherapidpromotionofitsapplication,large-scalepopulationbehaviorsimulationtechnologyhasbecomeanewresearchfocusinthefieldofvirtualhumansynthesis.Large-scalehumanmotionsimulationistostudythecharacteristicsandregularityofpopulationmovement.Invariousenvironments,buildmodelSimulationoflarge-scalepopulationmovement,andshowlarge-scalepopulationmovementbythree-dimensionalwayrealisticallyinthecomputer'sspaceofgeneration.Large-scalepopulationbehaviorsimulationtechnologyprovidesthecrowdmotionanalysisanddemonstrationtool,thefieldofapplicationisquiteextensive.NetlogoisanAgentBasedModeling(ABM)utility．Themechanismandmainfunctionsareintroducedandexperimentisillustratedthroughanexample.Inallusiontothemethodofdrivingthevirtualcrowd'sbehavior,thenextactionstatewasdescribedthroughdesigningtheactionattributes.Furthermore,theeventresponsemodeofthevirtualcrowd'sactionsimulationwiththeproductionruleisrealized.Intheend,thisbehaviormodelandsimulationmethodareappliedtothethree-dimensionalsimulationofcrowdurgentescapeandgoodresultisobtained.Keywords：virtualcrowd；crowdsimulation；behavioralresearch；artificialvision;pathplanning河北大学工商学院2013届本科生毕业论文（设计）目录1引言...............................................51.1课题研究意义及其应用....................................51.2Netlogo的特性与开发....................................51.3课题研究的内容.........................................22人群行为仿真建模...................................32.1人群行为仿真模型的初始化................................32.2人群运动的仿真..........................................73模型的结果及分析..................................123.1构建实验控件...........................................123.2实验结果及分析.........................................123.2.1最大旋转角对实验的影响...............................123.2.2人口数量对实验的影响.................................153.2.3出口大小对实验的影响.................................164结论与展望........................................18参考文献...............................................19致谢................................错误!未定义书签。附录...............................................20河北大学工商学院2013届本科生毕业论文（设计）1引言1.1课题研究意义及其应用大规模人群运动仿真，就是研究人群在各种环境、情节下的运动特征与规律，建立大规模人群运动的仿真模型，并在计算机生成空间（虚拟环境）中以三维的方式逼真地展示大规模人群的运动过程[1]。随着计算机数值模拟技术的迅速发展，人群行为仿真技术开始成为人群疏散仿真、城市规划和计算机疏散软件开发方面的研究热点。人群行为仿真是研究人群运动的基础，综合考虑各方面因素对人群运动的影响，对人群运动进行分析，建立相应的模型，从而将在虚拟的环境中模拟出的人群的行为应用于各个领域[2]。大规模人群运动仿真技术，提供了人群运动的分析和演示工具，可应用的领域相当广泛。研究影响人群行人的运动因素，建立一个适当的行人的运动模型，通过计算机对行人的运动进行模拟，模拟人群聚集过程中可能出现的状况，预测发生事故的场景，给公共活动场所的建设和人群疏散提供参考，并对群体活动现场的工作布置与安全工作安排的积极意义，极大地保证了人身安全。大规模人群的运动仿真技术可应用于许多公共安全领域，如码头，机场，体育场馆，地铁站等大型公共设施与设计[3]。以体育馆为例，可应用大规模的人群流动数值模拟技术，根据球场的规模、常规情况和特殊情况下得疏散情况来设置安全出口。无论是对走廊宽度设计，还是出口和出口位置的合理数量的设计都需要复杂的辅助分析，才能够更好地设计出更合适的公共场作。人群运动仿真可以在球迷发生冲突，火灾，恐怖袭击和其他非常规的情况下，辅助人员建立在紧急疏散计划，可以应用于消防设备的合理布置，警力分布；也可作为场馆管理人员的消防安全，反恐演习和训练的辅助工具。与传统方法相比，大规模人群仿真技术，具有直观，灵活，高效，经济和人员等诸多优点的安全风险。人口规模的运动仿真技术示范功能能够逼真的模拟人群运动，如地购物商场，欢呼的体育场，铁站等人流量很大的公共场作的人群行为。因此，它可以应用于国防科研，电影和电视媒体，娱乐，游戏等[4]。大规模人群仿真技术是一个新兴的技术，技术还处在初级阶段，各方面的技术还不够成熟，但随着计算机硬件的发展和研究领域，技术的快速发展，迅速改变。国内外学者进行了大量的研究工作，大规模人群运动仿真技术的应用现状及前景非常好[5]。1.2Netlogo的特性与开发Netlogo具有多智能体建模语言，它功能强大，易于使用，易于开发。Netlogo包含完整的文档和教程，很多可以直接使用和修改，系统还提供了大量的模型，模型库提供涉及医学，计算机科学，化学，物理学，数学，生物学和经济社会的哲学，自然科学和社会科学，特别适合初学者学习[7]。河北大学工商学院2013届本科生毕业论文（设计）2在Netlogo中有海龟(turtles)、块(patches)和观察员(observer)三类智能体。观察员可以观察和控制仿真世界的运行。海龟是可以移动的对象，可以代替现实世界中的任何一种有活动特性的物体，可以代替模型中的一个人、一只昆虫、一辆汽车或一片草地；而块则代表了海龟所生存的环境，整个环境是由若干个块拼接构成，可代替模型中的一个房间、一片绿地、一个桌子等[8]。通过控制海龟和块，通过编程为其设定各种属性和运行规则，可以并行地控制成千上万的海龟和块，使其具有自己的运动规则并在彼此的相会作用中形成群体的运动。这里的交互作用包括海龟和块的交互及海龟和海龟的交互，前者体现了主体与环境的关系，后者则体现了主体之间的关系，在人群行为仿真过程中，可表现为人与人的相互作用及人与环境之间的相互作用[9]。1.3课题研究的内容该课题研究模拟的是人群处在陌生的环境中，在各种外界与心理条件的影响下找到出口的时间的检测。人群运动是大自然中一种既复杂又有趣的运动，它有同蚁群、蜂群、鱼群和鸟群等动物群体的行为相似的地方，又有其独特的规律它的研究真是耐人寻味。人群的运动的特殊性主要表现在它是由离散的流动的人群组成的，并受到心理因素的影响。它的视觉效果和规律都很复杂，似乎是随机排列，但却有着一定的规律，令人难以捉摸。人群行为的研究是仿真建模的重要环节，而其仿真模型对于电影动画的制作、生物学研究以及现代军事化大型战斗群体协同作战控制都有重要的意义。本文构建了基于Netlogo的开发平台，根据自然界人群运动的特点进行建模仿真，这个模型同时满足人群的基本运动特征，并可以通过全局变量的设置是人群行为更加生动逼真。利用大规模人群仿真技术的演示功能，分析每个人的心理行为，结合人与人之间和人与环境之间的差异想不同的方向移动，最终找到安全出口。河北大学工商学院2013届本科生毕业论文（设计）32人群行为仿真建模2.1人群行为仿真模型的初始化NetLogo是一个多主体建模仿真集成环境，大量的可移动主体在二维空间中交互作用，随着时间推进，微观个体的属性不断发生变化，系统的宏观特征也因此而变化。虚拟世界由主体构成，主体能够接受命令，进行活动，所有主体的行为并行发生。NetLogo中共有三类主体，turtles（小海龟）、patches（瓦片）、observer（观察者）。tosetup;;定义例程setupclear-all;;设置整个世界为初始状态;;创建100个turtles，创建后各turtle默认坐标是（0，0）create-turtles100;;命令所有turtle执行语句setxyrandom-xcorrandom-ycor;;各turtle坐标随机产生，实现turtles在空间中的随机分布askturtles[setxyrandom-xcorrandom-ycor]endturtles指能够在世界中移动的主体。crtpopulation[setc