人群仿真软件：Vadere_（5）.仿真场景设计

仿真场景设计

场景文件结构

在Vadere仿真软件中，场景设计是通过XML文件来实现的。这些文件定义了仿真环境的几何结构、障碍物、出口、行人源和目标等元素。理解场景文件的结构是设计复杂仿真场景的基础。

场景文件的基本元素

几何结构：定义场景的基本形状和尺寸。
障碍物：定义场景中的固定障碍物。
出口：定义行人可以离开场景的位置。
行人源：定义行人进入场景的位置和时间。
目标：定义行人的目的地。

XML文件结构示例

<scenario><topography><shapetype="rectangle"id="0"x="0"y="0"width="10"height="10"/><obstacleid="1"vertices="0,0;0,5;5,5;5,0"/><targetid="2"shape="10,10"/><exitid="3"shape="10,0;10,2;12,2;12,0"/></topography><population><sourceid="4"position="0,0"start="0"end="10"number="50"/></population></scenario>

创建几何结构

几何结构定义了仿真场景的基本形状和尺寸。最常见的几何形状包括矩形、圆形和多边形。这些形状可以通过XML文件中的<shape>标签来定义。

矩形

<shapetype="rectangle"id="0"x="0"y="0"width="10"height="10"/>

type：形状类型，这里是矩形。
id：形状的唯一标识符。
x和y：矩形左下角的坐标。
width和height：矩形的宽度和高度。

圆形

<shapetype="circle"id="1"x="5"y="5"radius="2"/>

type：形状类型，这里是圆形。
id：形状的唯一标识符。
x和y：圆心的坐标。
radius：圆的半径。

多边形

<shapetype="polygon"id="2"vertices="0,0;0,5;5,5;5,0"/>

type：形状类型，这里是多边形。
id：形状的唯一标识符。
vertices：多边形顶点的坐标，以分号分隔的点对形式表示。

添加障碍物

障碍物是场景中的固定物体，用于模拟墙壁、柱子等。障碍物可以通过<obstacle>标签来定义，其顶点坐标与多边形类似。

示例

<obstacleid="3"vertices="1,1;1,4;4,4;4,1"/>

id：障碍物的唯一标识符。
vertices：障碍物顶点的坐标。

定义出口

出口是行人可以离开场景的位置，通常用于模拟门或通道。出口可以通过<exit>标签来定义，其形状可以是线段或多边形。

示例

<exitid="4"shape="9,0;9,2;10,2;10,0"/>

id：出口的唯一标识符。
shape：出口的形状，可以是线段或多边形的顶点坐标。

设置行人源

行人源定义了行人进入场景的位置和时间。行人源可以通过<source>标签来设置，可以指定行人的数量、进入时间和位置。

示例

<sourceid="5"position="1,1"start="0"end="10"number="50"/>

id：行人源的唯一标识符。
position：行人源的位置。
start：行人开始进入场景的时间。
end：行人停止进入场景的时间。
number：从该行人源进入场景的行人总数。

定义目标

目标是行人需要达到的最终位置。目标可以通过<target>标签来定义，可以指定目标的形状和位置。

示例

<targetid="6"shape="10,10"/>

id：目标的唯一标识符。
shape：目标的形状，可以是点、线段或多边形的顶点坐标。

动态元素

动态障碍物

动态障碍物可以在仿真过程中移动或改变形状。这可以通过在场景文件中添加<dynamicObstacle>标签来实现。

<dynamicObstacleid="7"vertices="1,1;1,4;4,4;4,1"><movementstart="0"end="10"type="linear"velocity="0.5"/></dynamicObstacle>

id：动态障碍物的唯一标识符。
vertices：动态障碍物初始顶点的坐标。
movement：定义动态障碍物的移动方式。
- start：移动开始的时间。
- end：移动结束的时间。
- type：移动类型，如线性（linear）。
- velocity：移动速度。

动态目标

动态目标可以在仿真过程中移动或改变位置。这可以通过在场景文件中添加<dynamicTarget>标签来实现。

<dynamicTargetid="8"shape="10,10"><movementstart="0"end="10"type="linear"velocity="0.5"/></dynamicTarget>

id：动态目标的唯一标识符。
shape：动态目标初始的形状。
movement：定义动态目标的移动方式。
- start：移动开始的时间。
- end：移动结束的时间。
- type：移动类型，如线性（linear）。
- velocity：移动速度。

复杂场景设计

组合形状

复杂的场景可以通过组合多个基本形状来实现。例如，一个大厅可以由多个矩形和圆形组成。

<topography><shapetype="rectangle"id="0"x="0"y="0"width="10"height="10"/><shapetype="circle"id="1"x="5"y="5"radius="1"/></topography>

多个行人源

场景中可以有多个行人源，以模拟不同方向的行人流量。

<population><sourceid="2"position="0,0"start="0"end="10"number="50"/><sourceid="3"position="10,0"start="0"end="10"number="50"/></population>

多个目标

场景中可以有多个目标，以模拟行人需要到达的不同位置。

<targetid="4"shape="10,10"/><targetid="5"shape="0,10"/>

场景文件的编写和验证

编写场景文件

使用文本编辑器编写场景文件时，确保XML结构正确，所有标签都正确闭合。可以使用Vadere自带的场景文件编辑器进行可视化编辑。

验证场景文件

Vadere提供了场景文件验证工具，可以在运行仿真前检查文件的正确性。验证工具可以通过命令行或图形界面启动。

# 命令行验证 vadere-scenario-validator path/to/your/scenario.xml # 图形界面验证 vadere-gui

场景文件的优化

减少文件大小

通过合并相似的形状和动态元素，可以减少场景文件的大小，提高仿真效率。

提高仿真精度

在设计场景时，可以使用更细粒度的形状和动态元素，以提高仿真的精度。例如，使用多个小矩形代替一个大矩形来模拟复杂的环境。

实际应用案例

商场疏散仿真

假设我们要设计一个商场的疏散仿真场景，商场中有一个大厅，两侧有多个出入口，中间有柱子和其他障碍物。

<scenario><topography><shapetype="rectangle"id="0"x="0"y="0"width="20"height="30"/><obstacleid="1"vertices="5,5;5,25;15,25;15,5"/><dynamicObstacleid="2"vertices="10,15;10,20;12,20;12,15"><movementstart="0"end="20"type="linear"velocity="0.5"/></dynamicObstacle><exitid="3"shape="0,0;0,2;2,2;2,0"/><exitid="4"shape="0,30;0,28;2,28;2,30"/><exitid="5"shape="20,0;20,2;22,2;22,0"/><exitid="6"shape="20,30;20,28;22,28;22,30"/></topography><population><sourceid="7"position="10,10"start="0"end="30"number="200"/></population><targetid="8"shape="25,15"/></scenario>

场景设计的最佳实践

模块化设计

将复杂的场景分解为多个模块，每个模块定义一个特定的区域或功能。这有助于管理和维护场景文件。

参数化设计

使用参数化设计方法，将场景中的关键参数（如行人数量、障碍物位置等）定义为变量，便于调整和复用。

可视化验证

在设计过程中，频繁使用Vadere的可视化工具来验证场景的正确性和合理性。

场景文件的导入和导出

导入场景文件

Vadere支持从其他格式（如CSV、JSON）导入场景文件。这可以通过编写自定义导入器来实现。

importcsvdefimport_csv_to_xml(csv_file,xml_file):withopen(csv_file,'r')asfile:reader=csv.reader(file)next(reader)# Skip headershapes=[]obstacles=[]exits=[]sources=[]targets=[]forrowinreader:element_type,id,*params=rowifelement_type=='shape':shape_type,x,y,width,height=params shapes.append(f'<shape type="{shape_type}" id="{id}" x="{x}" y="{y}" width="{width}" height="{height}"/>')elifelement_type=='obstacle':vertices=';'.join(params)obstacles.append(f'<obstacle id="{id}" vertices="{vertices}"/>')# Add similar logic for exits, sources, and targets# ...withopen(xml_file,'w')asfile:file.write('<scenario>\n')file.write(' <topography>\n')forshapeinshapes:file.write(f'{shape}\n')forobstacleinobstacles:file.write(f'{obstacle}\n')# Add similar logic for exits, sources, and targets# ...file.write(' </topography>\n')file.write(' <population>\n')forsourceinsources:file.write(f'{source}\n')file.write(' </population>\n')file.write('</scenario>\n')# 示例：从CSV文件导入场景import_csv_to_xml('path/to/your/scenario.csv','path/to/your/scenario.xml')

导出场景文件

Vadere支持将场景文件导出为多种格式，便于与其他工具或系统进行交互。

importxml.etree.ElementTreeasETdefexport_xml_to_csv(xml_file,csv_file):tree=ET.parse(xml_file)root=tree.getroot()withopen(csv_file,'w',newline='')asfile:writer=csv.writer(file)writer.writerow(['element_type','id','params'])forshapeinroot.findall('.//shape'):id=shape.get('id')shape_type=shape.get('type')x=shape.get('x')y=shape.get('y')width=shape.get('width')height=shape.get('height')params=[shape_type,x,y,width,height]writer.writerow(['shape',id,*params])forobstacleinroot.findall('.//obstacle'):id=obstacle.get('id')vertices=obstacle.get('vertices')writer.writerow(['obstacle',id,vertices])# Add similar logic for exits, sources, and targets# ...# 示例：将XML文件导出为CSV文件export_xml_to_csv('path/to/your/scenario.xml','path/to/your/scenario.csv')

场景设计的高级功能

自定义行人行为

Vadere允许自定义行人的行为，例如，设置特定的行走速度、方向偏好等。这可以通过编写自定义的行人行为模型来实现。

动态环境变化

仿真过程中，环境可以动态变化，例如，出口的开启和关闭、障碍物的移动等。这可以通过编写自定义的动态环境变化逻辑来实现。

defdynamic_environment_change(time_step,scene):iftime_step==10:# 开启出口scene.enable_exit('3')iftime_step==20:# 移动障碍物scene.move_obstacle('2',new_vertices='15,15;15,20;17,20;17,15')iftime_step==30:# 关闭出口scene.disable_exit('4')