顧樹爍，蘇龍生，曾健彬，徐錦浩，黃俊偉，鐘文韜，夏斌哲，李曉東

（佛山科學技術(shù)學院 電子信息工程學院，廣東 佛山 528225）

在越來越重視人身安全的現(xiàn)代社會，預防災難以及在災難發(fā)生時的應急疏散越來越被人們所重視，隨之人員疏散模型的仿真研究也變得越來越先進，其可以在消耗更少的人力物力的情況下得到所需要的參考數(shù)據(jù)，能夠很好地解決人員應急疏散的問題[1]。在疏散模型愈加成熟的今天，如何使仿真更加高效、精確、低耗就成了一個急需解決的問題，而量子原胞具有計算高速、消耗低的特點[2]，通過其與傳統(tǒng)的元胞自動機模型相結(jié)合，可以得到更加快速準確的仿真模型，由此更快速得到仿真數(shù)據(jù)，大大加快工程的速度。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 量子原胞自動機的基本定義

量子原胞自動機是傳統(tǒng)計算機科學中的元胞自動機與量子信息處理研究2 種元素的合并，尺寸微小、低能量消耗的特點，讓其成為了替代CMOS 技術(shù)的候選者。QCA 元胞由4 個位于正方形四角的量子點和2 個額外可以自由移動的電子構(gòu)成，圖1 中的實心圓為電子，空心圓為量子點，由于電子之間庫侖力的排斥作用，電子極易位于正方形的2 個對角點上，因此單個元胞具有2 個極化形態(tài)，我們可以使用這2 種極化形態(tài)來表示二進制位的0 和1。標準的量子原胞基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 標準QCA 原胞的2 種不同形態(tài)

1.2 量子原胞自動機的基本理論

由2 種不同的QCA 原胞可以組成2 種不同的QCA 線與多個邏輯門，圖2 為一個簡單的方向器，其通過2 個量子原胞的對角相鄰來實現(xiàn)邏輯非的功能。

圖2 簡單的反向器

通過量子原胞組成的各種功能結(jié)構(gòu)，利用其高速計算的特點，就能在仿真遇到一些特定情況時快速計算做出反應，大大增加了仿真的效率。圖3 為一個擇多邏輯門，在擇多邏輯門中有3 個輸入端和1 個輸出端，其可以實現(xiàn)與和或的功能，其通過使用一個輸入端來決定使用的功能，“1”時為或，“0”時為與，另外2 個輸入則用來輸入2 個將要計算的元胞，最后通過2 個原胞的狀態(tài)來決定輸出的原胞。

圖3 擇多邏輯門

1.3 應急疏散仿真模型基本理論

為了能正確反映疏散時的人群疏散效果，將對教學區(qū)的教室進行分區(qū)，根據(jù)事故發(fā)生時具體的分區(qū)來安排疏散的路徑。圖4 中為當每個教室人數(shù)差距不大時，僅根據(jù)教室與出口距離的差距來設(shè)置的分區(qū)。而在仿真時則會根據(jù)實時情況，通過利用量子原胞計算速度快的優(yōu)點，對不同情況做出應對來實現(xiàn)最優(yōu)的仿真效果。此次采用的教學區(qū)結(jié)構(gòu)為兩邊各5 個教室，一共是10 個教室，圖4 為預設(shè)計模型的教學區(qū)平面圖。

圖4 教學區(qū)平面圖

1.4 人員安全疏散標準

在教學樓之中的人群疏散，就是盡量在更少的時間內(nèi)有序、無人群擠壓地完成人群在教學樓之中的撤離工作，其中涉及的問題很多，道路的選擇、發(fā)生碰撞時下一步行為的選擇等都是涉及的因素。人群疏散是一個十分復雜的過程，在這個過程之中，要考慮疏散人的心理和行為[3]。在人群疏散的過程中，有2 個最重要的標準，有效疏散時間ASET（Available Safety Egress Time）和實際疏散時間RSET（Required Safety Egress Time），只有當有效疏散時間大于或等于實際疏散時間，這次疏散才是成功，而我們的主要工作就是研究各種因素在不同的環(huán)境之中對疏散時間的影響。

2 基于量子原胞自動機的教學樓人員疏散仿真模型設(shè)計

2.1 教學樓人員疏散仿真模型設(shè)計架構(gòu)

在算法中進行仿真時，每個單位會對周圍的環(huán)境進行感知，判定選擇的入口，在發(fā)生碰撞和擁擠時，會根據(jù)鄰近狀態(tài)來對下一次行動進行預測從而做出應對行為，即是否前進或等待，遵循行走最少距離為優(yōu)先來選擇前進的方向，教學樓人員疏散仿真模型設(shè)計架構(gòu)如圖5 所示。每個單位通過對周圍的環(huán)境進行感知，之后將獲取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿惴ㄖ校笏惴〞鶕?jù)目標屬性和鄰近狀態(tài)通過量子元胞的高速運算得出應對的行為[4]，后面根據(jù)其與模型算法的預測得到目標檢索、行為動作方向定位和等待時間，并將其傳回給對應的單位。

圖5 教學樓人員疏散仿真模型設(shè)計架構(gòu)

2.2 基于量子原胞自動機的教學樓人員應急疏散決策設(shè)計

本文研究算法進行疏散仿真的時候，最主要的是對每個單位進行路徑選擇，而在實際的路徑選擇之中，又有許多的因素會對路徑的選擇造成影響，其中既有外界因素，比如出口數(shù)量和距離、出口方向的人群密度等，也有人自身的因素，比如每個人的習慣和從眾行為等。同時本文研究出的仿真效果往往與實際疏散的結(jié)果有所差距，因為實際中的疏散人員往往會受到客觀因素和主觀因素的影響，從而產(chǎn)生不同的判斷，所以本文會采用模糊性用詞對因素進行評價，從而進行教學樓人員應急疏散決策設(shè)計[5]。

2.3 基于量子原胞自動機的教學樓人員疏散模型算法訓練集設(shè)計

在仿真之中，算法無法做到像現(xiàn)實中的一樣收到信息后立刻做出判斷，因此需要通過測度參數(shù)來對屬性值進行測度，測度值則是對應模糊變量的層級。其中，使用G1、G2 和G3 3 個代號來代指3 個測度參數(shù)。

G1 屬性的測度參數(shù)采用疏散區(qū)域的邊數(shù)與空余的角落數(shù)進行預估：

式中：x 代表實際的出口數(shù)量，b 代表區(qū)域的邊數(shù)，a 代表空余的角落數(shù)。

G2 屬性的測度參數(shù)采用距離每個出口的距離和其平均值來進行預估：

式中：Si代表和不同出口之間的距離，代表不同出口距離和的平均值。

G3 屬性的測度參數(shù)采用路徑上的人群密度來進行評估：

ρ=1/4d，

式中：d 為算法中每個單位占據(jù)的面積單位。

3 基于量子原胞自動機的教學樓人員疏散模型仿真結(jié)果及分析

本文研究的教學樓布局為兩邊各5 個教室，即共10 個教室，每個教室長8 m，寬5 m；走廊寬度分別取1.5、2 和3 m 3 種情況；教學樓兩邊各一個出口，出口寬度分別取1、2、3 和4 m；人的移動速度取1.2 m/s，每個人占的空間設(shè)置為0.6 m×0.6 m。算法模擬的教學樓疏散平面圖如圖6 所示。

圖6 軟件模擬的教學樓疏散平面圖

本文運行設(shè)計算法得到圖7—10 的數(shù)據(jù)。從圖7中數(shù)據(jù)分析得到，多增加出口比增加出口的寬度減少疏散時間的效果更好，在一定程度上增加出口數(shù)量，能更好減少疏散時間，但過多增加出口數(shù)量，容易造成人群無法正確冷靜選擇出口，導致人群擠壓和事故。

圖7 出口數(shù)量對疏散時間的影響

而從圖8 中可以看到在不同人數(shù)時出口大小的增加都能減少疏散的時間，但是減少的幅度會逐漸減小，而且在500、800、1 000 這3 組數(shù)據(jù)中，人數(shù)越多的，減少的幅度越大，因此在人群密度更高的建筑物內(nèi)，增加出口寬度可以獲得更好的效果。

圖8 出口大小對疏散時間的影響

從圖9 中的數(shù)據(jù)分析得到，人占空間即人群密度在疏散模擬中，對疏散時間的影響是十分微小的，因此更加需要實際的數(shù)據(jù)來作為根據(jù)，防止出現(xiàn)預料之外的情況，相比之下，出口1 m 和2 m 的跨度十分巨大，而在3 m 到4 m 的跨度又很小可以看出，出口的大小在一定范圍內(nèi)十分影響疏散的效率。

圖9 每人所占空間對疏散時間的影響

而從圖10 中數(shù)據(jù)分析得到，在模擬中，當出口大小太小時，2 種情況下的疏散時間差距很小，但是出口大小增加后就可以看到應急情況下的疏散速度大幅增加，因此像教學區(qū)這種人數(shù)較多的地方不應該將出口的大小設(shè)計的太小，以防止人群在出口處擁擠出現(xiàn)意外。

圖10 應急與非應急情況下疏散時間對比

綜合實驗數(shù)據(jù)分析得到，人數(shù)在1 000 人以內(nèi)時，出口大小為3 m 左右最好，而具體大小需要根據(jù)走廊的寬度來決定，出口的數(shù)量在一定范圍內(nèi)增加會有作用，太多則會使得疏散時容易出現(xiàn)意外狀況。

4 結(jié)論

本文研究使用量子原胞與傳統(tǒng)的元胞自動機相結(jié)合，使得能夠更加快速地得到模擬的過程，由于模型為了符合現(xiàn)實隨機性，算法中使用了一些隨機性的數(shù)據(jù)來模擬人的主觀選擇，使得結(jié)果會有一些偏差，所以在取模擬結(jié)果數(shù)據(jù)時通過多次實驗取平均值。量子原胞與經(jīng)典元胞自動機的結(jié)合，可以更快地獲得模擬的過程和結(jié)果[6]，但是其是否穩(wěn)定還是在于元胞自動機部分算法如何設(shè)計，所以本文研究設(shè)計了一種較為快速且高效的基于量子原胞自動機的教學樓人員疏散模型，并通過實驗來驗證其可行性。