MASSMOTION——朝着正确方向迈出的一步

简介 


使用先进的疏散模型已成为基于性能的设计流程中不可或缺的一部分，以确保建筑物对其使用者而言保持“安全”。目前市场上有许多现有的疏散模型软件包。MassMotion是最新推出的商业化软件包之一。


奥雅纳在开展其一个行人规划项目的过程中发现，当时市场上现有的模型软件包不足以满足该项目的需求，因此奥雅纳创建了自己的程序 MassMotion 应用于该项目。


MassMotion 已开发了 10 年，并于去年正式投入商业使用。该软件包最初是一个行人运动模拟器，现已发展成为一个能够准确模拟火灾中人员运动的疏散软件包。它是全球同类软件包中最先进的软件包之一，具有 3D 环境、自动寻路、离散事件逻辑等众多功能。MassMotion 专为创建和执行大规模（超过 1,000,000 人）3D 人群模拟而设计。 MassMotion 工具集已成功应用于世界上一些最苛刻的环境，包括公共交通站、表演场所、机场和体育场。



*随机应用于分布中的虚拟行人
这种方法使 MassMotion 模型能够展现现实世界中每天发生的各种突发现象。例如，能够识别拥堵并根据对环境的熟悉程度考虑替代路线的智能体会根据当前情况调整决策。MassMotion 凭借其经过校准的行为模式建模方法，可以有效地模拟现有和拟议的场景。
它为何与众不同？

为了充分发挥 MassMotion 的潜力，必须强调该软件的关键特性。


MassMotion 在完整的 3D 模型环境中运行。每个个体代理都可以通过 3D 模拟环境中所有可行走表面上的自由和障碍空间的位图表示来感知其环境。每个代理都会确定其在下一帧模拟中的最佳可用目标位置，并调整其速度和方向以达到该位置。


此计算以每秒五帧的模拟时间速率执行，这一频率足以使代理能够适应环境中动态变化的条件，而不会侵占障碍物或其他代理所占据的位置。


MassMotion 系统的一大优势在于，只需替换或修改环境几何形状即可探索设计方案。这是通过行人网络自动组织和计算路线成本的结果。稀疏节点网络将根据新的几何关系进行自我更新，而网络内路线的可用性和成本也将同样根据新的模型几何形状进行调整。由于软件将单独管理每个代理的网络分配，因此用户无需在交叉路口指定分配。这在模拟复杂的互联环境时尤其有利，因为在这种环境中，手动分配每个目的地交叉路口的流量分配将导致需要定义大量难以管理的排列组合4。


除了O-D（起点-终点）寻路过程本身之外，MassMotion还内置了事件，供代理执行在现实生活中大型复杂建筑中通常会执行的活动。

例如：在火车站购票或在机场航站楼办理登机手续和安检。


一个包含1,000,000名代理的模型已成功运行，以测试软件在如此大规模的占用率下的稳健性。MassMotion还可以处理极其复杂的O-D矩阵。O-D矩阵可以通过用户界面或电子表格定义。

校准和验证


校准和验证对于用户信任模拟软件至关重要。


MassMotion 已根据行业标准针对一般行人规划和疏散场景进行了校准。MassMotion 还通过大量来自通勤者、特殊事件和疏散场景的调查数据进行了验证。


MassMotion 中个体主体的移动基于已广泛记录的社会力模型2。该模型将个体表示为受到多种力作用的物体，包括目标力、障碍物力和邻近力。


MassMotion 中社会力模型的实施已根据 John Fruin 著作1中关于一般行人规划的行业标准指南进行了校准。


每个版本的 MassMotion 都经过校准，以确保在所有服务级别（A 至 F）的测试中，都能产生符合 Fruin 指南1 的结果。 MassMotion 还已针对真实世界中的行人活动和疏散情况进行了验证，包括基本行人移动（由 Fruin1 定义）和自主路径选择功能。该软件动态路径选择功能的验证基于真实世界中的调查，调查内容是通勤者如何利用复杂的火车站到达北美某大城市4 的市中心。


除此之外，我们还使用了四座代表不同建筑规模和人口规模的独立建筑进行比较，以评估 MassMotion 在疏散场景建模方面的有效性5。对四座建筑的疏散情况进行了人工观察，记录了行程时间、流量和疏散时间。表 1 将本次验证过程中创建的四个模型的结果与疏散过程中观察到的结果进行了比较。
表 1：结果摘要
验证练习的结果表明，MassMotion 适合用作疏散模型，产生的总疏散时间在观察到的总疏散时间的 1% 到 10% 的可接受范围内。
案例研究
体育场总体规划

奥雅纳参与了现有场地重建的总体规划，其中包括一座最多可容纳7万人的体育场。该总体规划涉及在现有体育场附近建造多座新建筑。因此，需要重新审查体育场的疏散方案，以确保体育场周边的拟建开发项目不会对其疏散通道产生不利影响。除了维护体育场的疏散通道外，还必须确保有足够的车辆通道供紧急救援人员进入体育场。


分析

本次分析旨在研究在不影响体育场逃生通道的情况下，体育场周围可开发的潜在空间。此前，体育场周围区域是开放的，紧急情况下，疏散人员时非常方便。拟议的总体规划是在下图蓝色区域的基础上进行建设，并保留绿色区域，用于逃生、紧急车辆通道和交通。

图 2：可供逃生的空间
图 1：拟议总体规划
MassMotion 用于评估拟议的逃生路线（绿色）和车辆通道是否足以在紧急情况下让疏散人员安全地从体育场疏散。

分析结果将为未来的开发招标提供一块可在不影响体育场疏散或紧急服务通道的情况下进行建设的地块轮廓区域。
结果

通过对拟定的体育场逃生路线进行迭代建模，最终确定了解决方案，确保体育场人员安全疏散，并保证紧急车辆能够顺利进入体育场。

体育场人员安全疏散的关键验收标准是远离体育场的疏散街道以及体育场出口外的疏散街道的密度。我们为每个模型绘制了密度图以评估这一点。下一页展示了生成的密度图和所创建模型的示例。
图 3：模拟结果的 3D 视图                     图 4：最终解决方案的密度图
MassMotion 对于此类项目尤其有用，因为该程序的 3D 图形特性使所有利益相关者能够了解体育场周围需要设置逃生通道的区域以及剩余可开发的区域。这确保了我们的客户能够在不影响现有体育场的情况下最大限度地利用土地。
现有购物中心

该购物中心（由于商业原因无法透露名称）位于爱尔兰。该购物中心拥有36,000平方米的停车场、28,000平方米的零售空间、3,000平方米的商业空间、135个住宅单元以及一家拥有122间客房的酒店。在高峰时段，购物中心可同时容纳多达8,000人。

现代购物中心的开发项目融入了多座受保护的遗产建筑，其中包括一座可追溯至19世纪的旧铁路终点站大楼。这需要采取谨慎的措施和评估，在翻新建筑以满足生命安全要求和新用途的同时，保留现有的特色、结构和外观。
分析

Arup Fire 为这家大型购物中心的管理团队提供持续的消防工程服务。由于购物中心的大部分建筑都是受保护结构，因此无法进行改造，先进的疏散模型已成为其服务的重要组成部分。MassMotion 的运用表明，虽然现有受保护结构并非总能提供符合规范的逃生通道，但仍然有足够的逃生通道来确保人员安全疏散。

虽然已对现有购物中心进行了大量消防工程和疏散分析，但疏散模型在最近对现有受保护结构的装修中尤为有用。疏散容量已达到规范要求；然而，由于这意味着需要改造受保护结构，因此无法提供符合规范的从单元上层出发的通行距离，而这在实践中是不可能的。

MassMotion 被用来向当地审批部门证明，当一个出口因火灾无法通行时，从该单元逃生的时间取决于符合规定的逃生宽度，而不是不符合规定的通行距离：人员排队等候的时间将超过到达出口所需的时间。为了进一步证明该理论的稳健性，将人员在最远通行点的平均速度设置为 0.675 米/秒，以模拟行动障碍人士 (MIP)。
结果
MassMotion 和疏散模型的应用表明，零售单元内的总排队时间约为 130 秒，MIP 行进一段较长的距离到达出口所需的时间为 64 秒。这表明 MIP 的逃生时间取决于合规的逃生宽度，而非不合规的行进距离。因此，单元内较长的行进距离不会对正在疏散的 MIP 造成影响。

下图显示了 MIP（黄色人员）在模拟开始时和 50 秒时行进最远点的位置以及经历的人员密度。可以清楚地看到，MIP 已到达疏散人员队列的末尾，并且较长的行进距离不会影响 MIP 的整体逃生方式。
图 5：MIP 和密度 @ 5 秒                                                      图 6：MIP 和密度 @ 50 秒
在向关键利益相关者展示不符合规范的设计时，MassMotion 是一个特别有用的工具。这种分析方式使奥雅纳的客户能够在受保护结构的限制范围内自由设计单元。如上图所示，MassMotion 的 3D 可视化效果确保了与保守的当地审批机构（该机构非常了解火灾疏散场景中残障人士的需求）的顺利交接。

REFERENCES


  1. Fruin, John Pedestrian planning and design, (1971). 
  2. Helbing, Dirk; Molnár, Péter Social force model for pedestrian dynamics, (1995). 
  3. Morrow, Erin; Edwards, Glenn; Zarnke, Micah; Muggeridge, Christian MassMotion v4.0 Manual Design Simulate Optimize (2011). 
  4. Morrow, Erin; Debney, Peter Pedestrian simulation at Toronto’s Union Station – a MassMotion case study, The Rail Engineer, July 2012, p 27-28. 
  5. Rivers, Eric; Jaynes, Carla; Kimball, Amanda; 
  6. Morrow, Erin; Zarnke, Micah Using case study data to validate 3d agent-based Simulation tool for egress modelling. MassMotion www.oasys-software.com/products/engineering/massmotion.