虛擬人群行為仿真關(guān)鍵技術(shù)及軍事應(yīng)用研究.pdf

1、隨著社會(huì)不安定因素的增多，突發(fā)安全事件特別是國(guó)內(nèi)群體性事件的頻繁發(fā)生給社會(huì)造成了巨大破壞和人員傷亡。在此背景之下，提高應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力對(duì)于保障公共安全具有重要意義。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)人群行為進(jìn)行仿真研究，從而為具有軍事應(yīng)用背景的人群管理控制決策提供技術(shù)支持，已經(jīng)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。本文以群體性事件作為代表性的軍事應(yīng)用背景，針對(duì)當(dāng)前虛擬人群行為仿真中面臨的行為模型真實(shí)性差、單一模型不能夠真實(shí)模擬人群行為現(xiàn)象、人群行為仿真框架適用性差

2、等問(wèn)題，兼顧群體性事件對(duì)人群行為模型的實(shí)際需求。分別從人群行為仿真框架設(shè)計(jì)、獨(dú)立個(gè)體的導(dǎo)航行為、各種類(lèi)型的組行為生成、群體性事件中的組控制行為等方面，開(kāi)展虛擬人群行為仿真關(guān)鍵技術(shù)研究，提出了相應(yīng)的控制策略和模型，并對(duì)傳統(tǒng)的算法進(jìn)行了改進(jìn)。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、艑?duì)虛擬人群行為建模相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，對(duì)不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析、比較，提出以群體性事件為應(yīng)用背景開(kāi)展人群行為仿真研究，將群體性事件中的人群分為

3、平民和士兵，其中平民又由獨(dú)立個(gè)體和組構(gòu)成。從而提出分別對(duì)人群中的不同構(gòu)成成分進(jìn)行行為建模，以期建立逼真的人群行為模型。
　?、茖?duì)于人群行為仿真框架設(shè)計(jì)問(wèn)題，在多智能體體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將基于行為的智能體體系結(jié)構(gòu)和慎思式智能體體系結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提出一種行為/認(rèn)知混合式體系結(jié)構(gòu)。此體系結(jié)構(gòu)不僅能設(shè)計(jì)明顯不同于反應(yīng)式規(guī)則的、復(fù)雜的單個(gè)行為，還能夠通過(guò)在行為模塊中加入一定程度的規(guī)劃從而生成更復(fù)雜的行為模塊，因此能對(duì)非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境進(jìn)行很好的處

4、理，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的高層規(guī)劃和對(duì)環(huán)境變化的快速反應(yīng)二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。行為/認(rèn)知混合式控制結(jié)構(gòu)由于建立在基于行為的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架之上，因此具有比慎思/反應(yīng)式混合體系結(jié)構(gòu)或單純采用基于行為的結(jié)構(gòu)更大的優(yōu)勢(shì)，也更適合于對(duì)人群行為的仿真建模。同時(shí)在我們?cè)O(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了全局規(guī)劃和局部行為的結(jié)合、宏觀行為和微觀行為的結(jié)合、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法和模型驅(qū)動(dòng)方法的結(jié)合，從而能夠支撐產(chǎn)生更為真實(shí)的人群行為模型，也極大地提高了人群行為仿真框架的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性。

5、　?、菍?duì)于獨(dú)立個(gè)體的導(dǎo)航行為生成問(wèn)題，為提高虛擬人運(yùn)動(dòng)軌跡的逼真自然性，必須使虛擬人的軌跡滿(mǎn)足平滑性、多樣性以及具有最大速度和加速度約束。首先對(duì)PRM（probabilistic roadmap）算法的采樣策略進(jìn)行了適應(yīng)性修改，提出將非均勻采樣和bridge-test采樣策略相結(jié)合作為虛擬人的路徑點(diǎn)采樣策略。利用解耦式軌跡規(guī)劃方法，提出一種具有最大速度和加速度約束的多樣性軌跡設(shè)計(jì)策略。同時(shí)，為了提高避碰行為的真實(shí)性，提出利用虛擬人的社會(huì)

6、學(xué)角色參數(shù)和個(gè)性參數(shù)改進(jìn)避碰行為模型，從而根據(jù)不同的虛擬人內(nèi)在屬性生成多樣性的避碰行為。
　?、柔槍?duì)組行為生成問(wèn)題，分別對(duì)平民組行為和士兵組行為進(jìn)行研究。提出將可視-Voronoi圖用于組運(yùn)動(dòng)路徑的生成，進(jìn)而利用平滑方法、多樣性軌跡生成策略以及修改評(píng)價(jià)函數(shù)三種方式產(chǎn)生組的運(yùn)動(dòng)軌跡，使組運(yùn)動(dòng)軌跡滿(mǎn)足四個(gè)方面的需求，即組的軌跡與障礙間應(yīng)具有所設(shè)定的間隙、組的路徑應(yīng)盡量短、具有平滑性和多樣性。針對(duì)非一致性平民組，基于分布式控制算法，對(duì)基

7、本組行為進(jìn)行了分析，進(jìn)而提出了一種具有多個(gè) leader和全局軌跡約束的組行為生成方法。設(shè)計(jì)了一個(gè)兩步驟控制策略：第一步通過(guò)在支撐軌跡上設(shè)置一個(gè)可移動(dòng)的“假想領(lǐng)導(dǎo)者”使組中所有領(lǐng)導(dǎo)智能體的中心滿(mǎn)足全局軌跡的約束；第二步利用所有領(lǐng)導(dǎo)智能體帶領(lǐng)所有跟隨智能體，從而將組中所有跟隨智能體的中心滿(mǎn)足全局軌跡的約束。將這兩個(gè)步驟相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)組中心滿(mǎn)足全局軌跡的約束。另外，通過(guò)在障礙的邊界引入一類(lèi)“假想的β智能體”，增加組對(duì)環(huán)境中任意障礙的避碰能

8、力。
　?、舍槍?duì)群體性事件應(yīng)用背景，對(duì)一致性平民組和士兵組行為進(jìn)行了研究，提出利用組外形保證組的一致性，并且使得組外形根據(jù)環(huán)境狀態(tài)和全局軌跡的曲率變化而產(chǎn)生靈活的修正。提出利用組外形結(jié)合組隊(duì)形對(duì)具有嚴(yán)格隊(duì)形約束的士兵組行為進(jìn)行模擬，在此過(guò)程中，利用組外形和期望隊(duì)形在初始隊(duì)形和目標(biāo)隊(duì)形間構(gòu)建一個(gè)隊(duì)形關(guān)鍵幀序列，使得組中的所有士兵智能體沿全局軌跡從位于初始區(qū)域的初始隊(duì)形運(yùn)行至位于目標(biāo)區(qū)域處的目標(biāo)隊(duì)形。一方面既保證了個(gè)體間不發(fā)生碰撞，另

9、一方面又保證了組隊(duì)形盡量與期望隊(duì)形接近以及組隊(duì)形的靈活性。提出的組行為生成方法能夠生成人群行為仿真中的各種組行為，滿(mǎn)足了日常生活和群體性事件中對(duì)組行為的需求。
　?、蕿榱藢?shí)現(xiàn)日常人群管理和對(duì)騷亂人群的控制，針對(duì)組控制問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)的shepherding行為。根據(jù)已有shepherding行為的不足，引入具有最大速度和最大加速度約束的時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃方法，生成控制智能體的運(yùn)動(dòng)軌跡，使得控制智能體在滿(mǎn)足最大速度和最大加速度約束

10、的前提下，盡快運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)位置，從而對(duì)人群進(jìn)行更有效的管理和控制。
　?、诉M(jìn)行了數(shù)據(jù)和模型混合驅(qū)動(dòng)的虛擬人群行為仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及其應(yīng)用研究。以現(xiàn)有的虛擬人應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件為基礎(chǔ)，利用數(shù)據(jù)和模型混合驅(qū)動(dòng)的行為建模思想，我們將基于速度場(chǎng)的行為建模方法和基于智能體的行為建模方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)二者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。以廣泛應(yīng)用的商業(yè)軟件DI_Guy和Vega Prime軟件平臺(tái)作為可視化渲染輸出平臺(tái)，通過(guò)調(diào)用底層的SDK動(dòng)作庫(kù)函數(shù)對(duì)虛擬人群進(jìn)行控制，并以群