【摘要】：近年來由多種社會威脅因素引起的群體性事件頻繁發(fā)生,嚴重威脅到國民的人身安全和財產(chǎn)安全,使得專家學(xué)者們越來越重視在人群安全和管理領(lǐng)域中的群體行為研究。但是目前對于發(fā)生在城市復(fù)雜環(huán)境下群體性事件的研究成果還不足,國家和政府安全部門仍然需要更為真實有效的人群建模與仿真方法來為人群疏散和管理提供指導(dǎo)性支持。目前,在人群行為仿真的有關(guān)研究中仍普遍存在著人群仿真框架適用范圍小、行為模型多樣性和真實性差以及缺乏對行為進行一定的控制等問題,基于以上背景,本文以虛擬人社會性和智能化角度以及群體性事件對人群仿真的實際需求為出發(fā)點,分別從體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、智能體導(dǎo)航行為、群體性事件中的組行為生成和控制等方面,對虛擬人群的行為建模和控制策略進行了深入研究,并提出了相應(yīng)的行為模型和改進算法,具體而言,論文的研究內(nèi)容主要有如下四個方面:(1)本文首先闡述了論文的研究背景和研究意義,并對當(dāng)前虛擬人群行為建模與控制方法的研究現(xiàn)狀進行了概述。在此基礎(chǔ)上,采用基于行為的體系結(jié)構(gòu),對面向群體性事件的人群行為仿真框架進行了詳細的研究和設(shè)計,分別設(shè)計了環(huán)境生成器、群體生成器、屬性更新器、群組行為生成器和可視化引擎五個框架的基本組成部分,并根據(jù)不同的群體類型對群組行為生成器中的基本行為庫進行了系統(tǒng)地設(shè)計,最終所得到的人群行為仿真框架能夠生成更具真實性的人群行為。該仿真框架能夠支持在城市環(huán)境下維穩(wěn)群體、平民群體和暴徒群體的行為仿真,為人群仿真中的行為模型和控制算法研究奠定了框架理論基礎(chǔ)。(2)對于虛擬人個體導(dǎo)航行為與運動規(guī)劃問題,本文首先基于概率路徑圖算法的路徑規(guī)劃方法和碰撞避免行為,研究了虛擬人個體的基本導(dǎo)航行為。在此基礎(chǔ)上,對動態(tài)環(huán)境中的虛擬人導(dǎo)航行為以及一種典型的人群交互行為進行了深入研究。針對具有動態(tài)約束的緊急個體導(dǎo)航行為,本文提出了一種沿給定路徑的具有加速度-速度限制的最優(yōu)軌跡規(guī)劃算法,該方法通過利用速度區(qū)間擴展算法計算在狀態(tài)--時間空間中動態(tài)障礙物頂點的可達速度集,來保證產(chǎn)生的軌跡周期最小并且緊急個體不與動態(tài)障礙發(fā)生碰撞。最后,結(jié)合碰撞避免行為和Flocking行為對在具有動態(tài)障礙物環(huán)境中的人群行為進行了仿真,仿真結(jié)果驗證了虛擬人導(dǎo)航行為的有效性和所產(chǎn)生人群現(xiàn)象的真實性。(3)對于虛擬人群的組行為生成與運動規(guī)劃問題,本文將人群組分為一致性組和非一致性組,并分別對它們的行為生成方法進行了研究。針對非一致性組,本文對其分離特性進行了分析,認為成員數(shù)大于4的非一致性組在運動過程中會分離為多個成員數(shù)為2~4個的小規(guī)模組,并設(shè)計了兩種規(guī)則來模擬這些分離后的小規(guī)模子組的一致性和粘連性。對于成員數(shù)為2~4個的小規(guī)模組,本文提出了一種組隊形生成與運動規(guī)劃方法,該方法通過設(shè)定一系列的基本隊形,并將組當(dāng)前隊形與這些基本隊形進行插值計算,生成一系列的候選隊形,然后采用碰撞避免算法為每個候選隊形計算可選速度集合,最后通過一種改進的評價函數(shù)來計算下一仿真時刻的組隊形和組速度,進而能夠計算得到組中每個成員的實際運動速度。該方法使組成員能夠根據(jù)環(huán)境變換成合適的隊形,并且避免與障礙和其它個體的碰撞,最終使組中所有成員到達目標區(qū)域。針對具有恒定面積的一致性組,本文提出了一種新的行為生成方法,它將C-L方法與基于中軸采樣的隨機路徑圖算法相融合。在預(yù)處理階段,將組離散為用來表示組外形的網(wǎng)格集。然后,通過中軸技術(shù)產(chǎn)生一系列的采樣點,并采用一種擴充策略將這些采樣點擴展成路徑圖的組外形點。同時,本文采用與期望形狀相關(guān)的組變形度來改進評價函數(shù)。它能夠使用戶在查詢階段中更為靈活地控制組變形度與組到目標距離之間的權(quán)重。最后,通過使用C-L方法和改進的評價函數(shù)建立一種新的局部行為規(guī)劃方法來連接任意兩個相鄰的組。實驗結(jié)果表明該方法能夠高效地為組規(guī)劃出合理的行為,并且能夠保持組在向目標移動過程中的一致性。(4)對于面向群體性事件的人群組行為控制問題,本文在分析群體性事件中不同類型組行為生成方法的基礎(chǔ)上,通過設(shè)計和改進概率路徑圖算法和Shepherding行為,對組行為控制方法進行了研究。針對群體性事件中維穩(wěn)群體對平民群體和暴徒群體的控制問題,本文對基本Shepherding行為進行了一定改進,在改進的Shepherding行為中增加了與組狀態(tài)變化有關(guān)的控制判斷模塊,并采用具有速度和加速度約束的虛擬人導(dǎo)航行為來實現(xiàn)控制智能體的approaching行為,使控制智能體能夠在滿足動態(tài)約束的情況下以最短的時間到達steering點,并且對多控制智能體情況下的steering行為進行了一定的改進,從而使改進的Shepherding行為更適用于模擬群體性事件中的控制行為。針對維穩(wěn)群體保護平民和重要領(lǐng)導(dǎo)人的Protection行為,本文對人群組的分離定義和控制智能體的分配規(guī)則進行了分析,并結(jié)合改進的Shepherding行為實現(xiàn)了維穩(wěn)群體將分散的平民群體護送到指定安全區(qū)域的行為。最后,通過仿真實驗驗證了面向群體性事件的人群組行為控制方法的有效性。綜上所述,本文所開展的研究能夠?qū)哂幸欢ňS穩(wěn)特性環(huán)境下的人群行為進行分析和仿真,可以用于輔助訓(xùn)練和提高維穩(wěn)人員在群體性事件中對各種人群的管控能力,具有一定的應(yīng)用范圍和應(yīng)用價值。
【圖文】：

當(dāng)前虛擬人群行為建模與控制行為建模研究領(lǐng)域仍存在的問組織結(jié)構(gòu)。1.1 研究背景和研究意義ters or Computer Synthesized夠逼真表現(xiàn)出人類的生理、動于虛擬人與虛擬環(huán)境以及終端體運動生物力學(xué)、計算機圖形間中構(gòu)建并再現(xiàn)可視化的虛擬于人機工效分析、虛擬制造、訓(xùn)練和仿真測試等領(lǐng)域。

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文同時，隨著近年來由多種社會威脅因素引起的群體性事件頻繁發(fā)生，學(xué)者們越來越重視群體行為的研究，并且對人群仿真技術(shù)提出了更多更高的需求[6]。我國曾經(jīng)發(fā)生的多起群體性事件都嚴重威脅到了大量國民的人身安全和財產(chǎn)安全[7]，如新疆“7.5”打砸搶燒以及 2014 年發(fā)生的“3.1”昆明火車站暴恐案等非常規(guī)突發(fā)事件，需要維穩(wěn)人員（警察、軍人等）具有更為完善的方案和手段來處理此類事件；而 2015 年元旦發(fā)生的上海外灘擁擠踩踏事件，表明群眾的公共安全風(fēng)險防范意識還較為薄弱，有關(guān)部門缺乏對重點公共場所大量人群集聚的風(fēng)險評估，并且當(dāng)群體性突發(fā)事件發(fā)生時，，警力部門缺乏合理的人群管控及疏散措施。
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP391.9

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