專利名稱：公共空間的智能模擬的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于模擬開放空間以及這些空間中人或“代理的交互作用的系統(tǒng)和方法。更具體地說，本發(fā)明提供代理仿真的形式，其中通過將信息嵌入它們的環(huán)境中，相對(duì)簡單的軟件代理具有顯而易見的復(fù)雜的能力。當(dāng)在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)前估計(jì)建筑物或其他開放空間設(shè)計(jì)或布局的服務(wù)期限時(shí)，本發(fā)明特別有用。因此，本發(fā)明提供用于預(yù)先模擬復(fù)雜建造或虛擬環(huán)境中人的行為的系統(tǒng)和方法。
當(dāng)前基于代理的方法依賴于軟件代理的復(fù)雜的認(rèn)知能力-例如代理的環(huán)境、利益、愿望以及目的的認(rèn)知圖(例如，F(xiàn)ischer et al，1998)，或使用機(jī)器視覺技術(shù)來從環(huán)境的代理本地視圖抽取和解釋結(jié)構(gòu)的復(fù)雜的感性和解釋結(jié)構(gòu)(例如，Bachelder & Waxman，1994)。這兩種方法的問題在于它們需要具有所有處理能力的很復(fù)雜的代理以及必然伴的存儲(chǔ)器成本。這意味著實(shí)時(shí)可同時(shí)模擬相對(duì)少的代理，以及不能開發(fā)包含如排隊(duì)或擁擠的代理間大量交互作用的逼真仿真。為仿真這些大量行為類型，現(xiàn)有技術(shù)方法是使用很簡單的代理，通常這些代理僅具有有關(guān)在它們的直接鄰域中的局部信息-例如，聚集行為(Reynolds，1987)或用于模擬交通擁塞的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)(如TRANSIMS，見Beckman)。對(duì)這種顛倒型仿真方法學(xué)的評(píng)述，參見Resnick(1989)。從更實(shí)用的程度，在交通模擬和火災(zāi)撤離領(lǐng)域中在微仿真方面有許多嘗試。這些模型易于建造相對(duì)簡單的代理，給出了諸如起始和目的地的這些代理的“全局”決定，以及可能的路線的全部知識(shí)，其中僅自主仿真局部交互作用(例如，參見Galea & Galparsoro，1994；Kerridge & McNair，1999)。顛倒以及實(shí)用方法的問題在于它們不能模擬包含在人類行為和交互作用中的高級(jí)認(rèn)知能力。
當(dāng)前使用中的兩種主要的仿真工具包是Santa Fe’s Swarm(Minaret al.1996)以及MITs StarLogo(Resnick，1994)，以及這些通常用于各種仿真。也有在各種社會(huì)和組織領(lǐng)域中開發(fā)的各種各樣的仿真模擬工具(如SDML(Moss & Edmunds)、MIMOSE、Quicksilver以及Agentsheets。)文獻(xiàn)中傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)包括TRANSIMS(Beckman，1997)以及Boids(Reynolds，1987)以及在大多數(shù)社會(huì)學(xué)方面，Epstein以及Axtell’s(1996)Sugarscape。
許多已知的現(xiàn)有技術(shù)仿真概念是從模擬領(lǐng)域中出現(xiàn)的，以及能描述成“運(yùn)輸工程”范例中的工作。簡單地說，它們將運(yùn)動(dòng)視為來自源點(diǎn)以及通過基于某種成本最小函數(shù)的路線到達(dá)目的地。當(dāng)將這變?yōu)榇矸抡鏁r(shí)，該問題被視為如何生成用于不同代理的不同源點(diǎn)-目的地(O-D)對(duì)，然后如何允許代理對(duì)路線做出決定。該O-D范例的問題在于很難處理“瀏覽”行為，最終的運(yùn)動(dòng)模式是非常確定的并且很難編碼到模型中。這對(duì)撤離仿真(Galea)或通過地鐵系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真(Kerridge)來說可能很好，但當(dāng)將其用到城市空間、總匯和零售區(qū)域中的通常的一般行為和運(yùn)動(dòng)模式時(shí)，源點(diǎn)和目的地似乎是出自于運(yùn)動(dòng)自身的雙產(chǎn)物-或兩者之間至少存在強(qiáng)的聯(lián)系和反饋。
這便是本發(fā)明的方法區(qū)別于其他方法的地方。本發(fā)明集中在開發(fā)在嘗試?yán)斫馊说目臻g行為(空間應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)以及靜態(tài)模式)用于將空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析成單獨(dú)的變量的方法。該工作基于將空間模式表示成圖形以便可將圖形的相關(guān)屬性的度量稱為是不同的平面幾何結(jié)構(gòu)。該研究的主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果是行人運(yùn)動(dòng)模式僅與空間的結(jié)構(gòu)的度量的實(shí)際程度相互關(guān)聯(lián)(R2＞0.75[R2是使用簡單的線性回歸的相關(guān)系數(shù)-引用值用于作為經(jīng)過系統(tǒng)的空間排列度量的函數(shù)的運(yùn)動(dòng)])而不涉及運(yùn)動(dòng)的吸引者和產(chǎn)生者。這是很有用的，因?yàn)樗试S查看實(shí)際的“監(jiān)視“行(需要許多直接的觀察)以及調(diào)查在那些中涉及的空間布局到什么程度。由于其允許查看運(yùn)動(dòng)行為和“停止”行為-以及表示用于那個(gè)事件-擁擠、犯罪、交互作用等的空間模式的任何別的行為，因此它也很有用。本發(fā)明認(rèn)為只要涉及購物-人為需要停止來購買，停止是非常重要的，因此僅模擬運(yùn)動(dòng)是不夠的。最后，本發(fā)明人的研究已經(jīng)允許它們來開發(fā)測(cè)量產(chǎn)生某些心理感覺的建筑或城市規(guī)劃的可懂度或“類似迷宮”的程度的方法。度量是基于空間網(wǎng)絡(luò)的局部和全局度量間的相關(guān)性。在易懂的空間布局中，局部信息給出了全局位置的很好的預(yù)測(cè)，在迷宮中，兩者之間沒有相關(guān)性。行人運(yùn)動(dòng)行為的某些方面看來由區(qū)域的清晰度而定的該發(fā)現(xiàn)以及經(jīng)驗(yàn)觀測(cè)已經(jīng)導(dǎo)致假設(shè)人的認(rèn)知圖很不可能不是明顯意義上的圖，而是更象相關(guān)檢測(cè)器中的某些圖，并基于局部所看到的，相關(guān)檢測(cè)器了解當(dāng)有人在系統(tǒng)附近走動(dòng)時(shí)什么伴隨什么以及將其用作作決定的基礎(chǔ)。換句話說，只要在這些方面(局部-全局相關(guān)性)中系統(tǒng)是易懂的，有人能根據(jù)局部信息并獲得全局目的。
記住上述內(nèi)容以后，本發(fā)明提供用于模擬多個(gè)代理和環(huán)間的交互作用的系統(tǒng)，包括代理存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)有關(guān)每個(gè)代理的特性的信息，環(huán)境存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)通過代理可訪問的整個(gè)環(huán)境的詳細(xì)信息，以及處理器裝置，用于基于詳細(xì)環(huán)境信息和代理的特性，估算環(huán)境中采取某些行動(dòng)的代理的概率。
通過提供有關(guān)環(huán)境的詳細(xì)信息，可由代理訪問該環(huán)境，能保持每個(gè)代理相對(duì)簡單，但由于環(huán)境中的嵌入信息，賦予顯而易見的更復(fù)雜的能力。另外，該系統(tǒng)以及其相關(guān)方法允許大量代理彼此和環(huán)境相互作用同時(shí)保持相對(duì)簡單和經(jīng)濟(jì)的代理表示。
最好，環(huán)境信息包括為環(huán)境中的每個(gè)位置記錄可從其直接看到的其他位置的可見度圖形。另外，環(huán)境信息可能包括提供有關(guān)選擇移向的位置的適合性或愿望或諸如在環(huán)境的特定區(qū)域中多個(gè)代理的可能性的狀況的信息的可見度圖形的度量。該另外的信息可由從可見度圖形選擇位置以幫助代理在環(huán)境中移動(dòng)的代理瀏覽。
在可見度圖形和與環(huán)境中物體的位置相關(guān)的信息的幫助下，為代理指定“外部存儲(chǔ)器”的容量-即位于代理本身的存儲(chǔ)器外而且包含在代理所處的環(huán)境中的存儲(chǔ)器。
也可使用圖形來計(jì)算和存儲(chǔ)有關(guān)環(huán)境的整個(gè)空間布局的全局結(jié)構(gòu)的信息，因此能充當(dāng)用于代理的“認(rèn)知圖”類型。由于將該信息以查找表的形式存儲(chǔ)在環(huán)境中，因此可由多個(gè)代理共同訪問。另外，很多信息可預(yù)先計(jì)算，因此這比當(dāng)前的方法學(xué)允許更大的計(jì)算效率。由于可簡單地保存代理表示，在仿真模型中可使用大量代理，因此可仿真大量人口的緊急情況如阻塞。代理表示的簡化使該系統(tǒng)特別適用于改進(jìn)、演變和其他自動(dòng)化優(yōu)化過程范圍的應(yīng)用，可用于開發(fā)代理規(guī)則集和用于將這些用在優(yōu)化設(shè)計(jì)中。在所有這些方法中，代理仿真的這種形式表示對(duì)當(dāng)前方法的顯著改進(jìn)。
最好，根據(jù)定義它們的特征的規(guī)則集，代理可在環(huán)境中自由移動(dòng)，并且處理器監(jiān)視和存儲(chǔ)代理的運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)。只要已經(jīng)運(yùn)行系統(tǒng)多次，可產(chǎn)生表示在哪些地方，環(huán)境工作很好，以及需要改進(jìn)的地方的有用輸出。
不同代理可具有不同的特性，從而表示例如人口的截面圖。不同特性可與年齡、性別、收入、可用于任務(wù)的時(shí)間等等有關(guān)。當(dāng)然相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到用于對(duì)承擔(dān)具體評(píng)估的環(huán)境所必要的其他特性。
可使用根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的典型的環(huán)境包括超市、博物館、美術(shù)畫廊、機(jī)場(chǎng)、火車站等等。如果環(huán)境是超市，詳細(xì)信息可能與如通道布局和產(chǎn)品位置有關(guān)。類似地，如果環(huán)境與博物館有關(guān)，詳細(xì)信息可能與如平面布置圖和展覽物品的位置有關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供用于模擬多個(gè)代理和環(huán)境間的交互作用的方法，包括提供具有簡單特性的代理、存儲(chǔ)有關(guān)整個(gè)環(huán)境的詳細(xì)信息以及允許代理按位置基礎(chǔ)從位置上存儲(chǔ)的詳細(xì)信息訪問環(huán)境信息并使用信息來通過環(huán)境。
詳細(xì)信息最好包括可見度圖形，可見度圖形包括用于記錄(在站(bin)中)環(huán)境中每個(gè)位置的可從其直接看到的其他位置。然后，代理可根據(jù)簡單的預(yù)先設(shè)置的規(guī)則，來判定具體位置是否對(duì)代理“有吸引力”并且應(yīng)當(dāng)存取。
詳細(xì)信息也可包括基于位于環(huán)境的具體區(qū)域中多個(gè)代理或可能來自具體位置的多個(gè)路線的似然的聚集系數(shù)。代理視野中的聚集系數(shù)可用來確定向哪兒移動(dòng)-運(yùn)動(dòng)判斷可基于移向小聚集的區(qū)域-即“結(jié)點(diǎn)”。在系統(tǒng)模擬期間可預(yù)先計(jì)算大多數(shù)這類詳細(xì)的信息或增加到系統(tǒng)中。在任何一種情況下，詳細(xì)信息不需要特別地與每個(gè)代理關(guān)聯(lián)，但很容易在位置接位置的基礎(chǔ)上由每個(gè)代理訪問。
當(dāng)有關(guān)代理的當(dāng)前位置的信息可能存儲(chǔ)在可見度圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身中，包括用每個(gè)代理的參考數(shù)字標(biāo)記位置，根據(jù)本發(fā)明，上述討論的在Reynolds(1987)參考資料中描述過的所有特征可用于系統(tǒng)中的代理。更具體地說，例如，代理可看見在系統(tǒng)中的另一代理正朝哪個(gè)方向，或甚至“看見”代理的不可高屬性，如代理的購物清單、或愛好或厭惡。因此，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)允許代理走向可“看見”的具有相似愛好的代理，或簡單地通過移動(dòng)到正在與其相同方向中移動(dòng)的代理后面來形成通道，或避開迎面而來的代理等等。因此，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明可能允許通過參考其視野中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)站，代理彼此可見。
除代理的當(dāng)前位置外，將歷史數(shù)據(jù)增加到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)站中。根據(jù)本發(fā)明，很容易將有關(guān)多少代理已經(jīng)訪問過具體位置的信息存儲(chǔ)在系統(tǒng)中。也可增加其他信息，如已經(jīng)訪問過具體位置的代理的愛好或厭惡。因此，由本發(fā)明提供的快速查找系統(tǒng)允許代理移向適合的位置。該特征的重要性不能被過分強(qiáng)調(diào)-外部存儲(chǔ)器開始完全起作用-通過記錄和使用那個(gè)記錄，可構(gòu)造空間的集體存儲(chǔ)器。
本發(fā)明也允許將相當(dāng)復(fù)雜的度量增加到可見度圖形站結(jié)構(gòu)中。例子可能是視覺移動(dòng)。
可見度圖形也包含按到位置的距離定制的信息，以便容易計(jì)算出在每個(gè)方向中最遠(yuǎn)可見的位置。除顯而易見的應(yīng)用之外，諸如在具有最遠(yuǎn)視線的方向中移動(dòng)或移動(dòng)到具體方向中的最長視線的另一位置，可用于快速計(jì)算視覺移動(dòng)。另外，定制的信息也可用來找出諸如“在它遇到人群前，有多個(gè)空間可用于代理”的信息，其中很容易由在那個(gè)可見度圖形站中許多當(dāng)前占用的位置來標(biāo)識(shí)人群。
如另一個(gè)可用有用的度量的例子，詳細(xì)信息也可包括控制值(Hillier和Hanson，1984)。該度量表示可從當(dāng)前位置訪問的可視區(qū)域與可從直接連接的可視位置訪問的可視區(qū)域的比率，從而建議當(dāng)前位置“控制”多少其周邊。該度量在確定從A到B的路線上的關(guān)鍵階段以及系統(tǒng)中的主運(yùn)動(dòng)通道也很有用。如果代理知道這種運(yùn)動(dòng)通道存在，通過在其直接可視的周圍查看它，那么它可能確定使用那個(gè)通道來訪問另外的空間。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及由多個(gè)代理使用與環(huán)境圖有關(guān)的可見度圖形來模擬環(huán)境中代理的動(dòng)作。根據(jù)這種思想，發(fā)明人不知道用這種方式使用可見度圖形的任何現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)或方法。
正如將意識(shí)到的，在此建議的根據(jù)本發(fā)明的方法允許多個(gè)相對(duì)簡單的代理來分享更先進(jìn)的認(rèn)識(shí)能力，因?yàn)閷⒉糠帜欠N能力編碼到它們共享的環(huán)境中。本發(fā)明的方法是基于可見度圖形分析的延伸以允許預(yù)處理有關(guān)從環(huán)境中的每個(gè)點(diǎn)所能看見的位置特定信息以便當(dāng)代理通過通過時(shí)，它們具有對(duì)本地信息范圍的直接訪問。因?yàn)橛嘘P(guān)它們從每個(gè)位置看見的信息已經(jīng)編碼到環(huán)境本身中，并且能預(yù)處理，通過似乎復(fù)雜的認(rèn)識(shí)和感覺能力，能開發(fā)相對(duì)簡單的代理。存在對(duì)諸如此的仿真工具的廣泛的可能應(yīng)用。例如，在開發(fā)用作預(yù)見模擬工具的代理仿真中，用助于設(shè)計(jì)組合環(huán)境，在該環(huán)境中，人與人以及環(huán)境中對(duì)象交互作用。例如包括工廠、辦公室、圖書館、美術(shù)畫廊、城市零售鄰域、購物中心、運(yùn)輸交換和車間內(nèi)。實(shí)際上，在任何情況下可使用工具，其中組合環(huán)境的設(shè)計(jì)是用于優(yōu)化或控制將通過環(huán)境的人與設(shè)備的物體，包括那個(gè)環(huán)境中的其他人接觸的方法，現(xiàn)在僅通過例子，參考附圖來描述本發(fā)明，其中

圖1是美術(shù)畫廊的能見度圖形分析的示意性平面圖；圖2是表示游人最常使用的路線的相同的美術(shù)畫廊的平面圖；圖3是能見度的站式表示；圖4是表示代理導(dǎo)航的流程圖；圖5和6是用于基于用在根據(jù)本發(fā)明的方法或系統(tǒng)中的代理運(yùn)動(dòng)決定模型的能見度圖形的物體/處理圖的例子；以及圖7是根據(jù)本發(fā)明，表示系統(tǒng)的總的方面的結(jié)構(gòu)的框圖。
如上所述，本發(fā)明可用來開發(fā)用于幫助設(shè)計(jì)美術(shù)畫廊或博物館布局(例如)以及放置用于展覽的繪畫或人工制品的工具。在該例子中，用3dCAD模擬應(yīng)用模擬現(xiàn)有的畫廊布局。測(cè)量有關(guān)墻上或展覽單元上人工制品的位置的數(shù)據(jù)并結(jié)合到3d模型中。然后可使用能見度圖形分析(圖1)來計(jì)算可從畫廊的開放旋轉(zhuǎn)空間中的每個(gè)位置看到的人工制品的清單，然而將其存儲(chǔ)在用于開放空間中每個(gè)位置的查找表中。然后，開發(fā)具有管理相對(duì)于觀察的實(shí)際畫廊(圖2)中的實(shí)際游客運(yùn)動(dòng)的有效的運(yùn)動(dòng)的規(guī)則的簡單的代理。將有關(guān)運(yùn)動(dòng)和監(jiān)視行為的規(guī)則來盡可能接近地反映實(shí)際游客的行為模式。只要開發(fā)了代理并確認(rèn)為現(xiàn)有畫廊的模型中的“實(shí)際”行為，將使用它們來測(cè)試新布局或展覽策略。有可能自動(dòng)開發(fā)代理規(guī)則和使用改進(jìn)的編程或演變的算法技術(shù)、或其他混合學(xué)習(xí)和優(yōu)化技術(shù)來優(yōu)化新布局。
為優(yōu)化零售布局和將產(chǎn)品放在架子上開關(guān)的工具提供另一例子。在該例子中，用3dCAD模擬應(yīng)用軟件來模擬目前的商店布局。從商店“X射線體層照片”獲得有關(guān)架子上產(chǎn)品的位置的數(shù)據(jù)。然后使用可見度圖形分析來計(jì)算可從商店的開放旋轉(zhuǎn)空間中每個(gè)位置看到的產(chǎn)品清單并將其存儲(chǔ)成用于開放空間中每個(gè)位置的查找表。然后開放具有規(guī)則的簡單的代理，規(guī)則管理相對(duì)于觀測(cè)的實(shí)際商店中實(shí)際顧客運(yùn)動(dòng)的有效的運(yùn)動(dòng)。然后將向這些代理提供使用合法卡、EPOS和從所述商店獲得的自掃描的數(shù)據(jù)獲得的實(shí)際的購物清單。購物清單的簡檔表將表示用于實(shí)際居民的藍(lán)子裝載量的分配。產(chǎn)品組合可用來觸發(fā)單個(gè)購物清單存儲(chǔ)器以及將開發(fā)有關(guān)運(yùn)動(dòng)和購物行為的規(guī)則來盡可能接近地反映實(shí)際用戶購買行為的模式。只要已經(jīng)開發(fā)了代理并將其確認(rèn)為目前商店的模型中的“實(shí)際”行為，可將它們用來測(cè)試新商店布局或用于同樣的商店或新商店的產(chǎn)品放置策略。使用調(diào)優(yōu)編程或一般算法技術(shù)或其他混雜學(xué)習(xí)和優(yōu)化技術(shù)，有可能使開發(fā)代理規(guī)則和優(yōu)化新布局過程自動(dòng)化。也可將模型開發(fā)成提供其他要素的度量-例如，購物清單填寫是否成功、填寫清單所用的時(shí)間等作為統(tǒng)計(jì)的度量。另外，代理可具有由年齡、性別、收入、用來購物的時(shí)間等表示的具體特性。
外部存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)根據(jù)本發(fā)明，代理仿真體系結(jié)構(gòu)有三個(gè)組成部分1、代理具有基于管理它們?cè)谒鼈兊沫h(huán)境中感覺的行為的規(guī)則。
2、代理位置環(huán)境中，環(huán)境由開放空間、建筑物表面、物體以及其他代理組成。在該環(huán)境中由其中代理能移動(dòng)或它們通過其能它們能看見的任何空間組成的開放空間被鑲嵌成位置點(diǎn)的網(wǎng)格(-其他技術(shù)可包括空間的隨機(jī)采樣)。在查找表中表示這些點(diǎn)，以及表中的每個(gè)記錄用描述那個(gè)位置的各種特性的數(shù)據(jù)以及可從那個(gè)位置看見的所有位置和物體的列表標(biāo)記。
3、基于描述環(huán)境中位置點(diǎn)的通視的關(guān)系的可見度圖形，有用于預(yù)計(jì)算查找表的靜態(tài)部分的進(jìn)程。查找表的動(dòng)態(tài)部分，如其他代理的位置，不能預(yù)計(jì)算而且必須實(shí)時(shí)計(jì)算，盡管代理的在前位置可放入相同的象素化表中，從而減輕當(dāng)前代理位置的計(jì)算，并將它們與在系統(tǒng)上執(zhí)行的其他計(jì)算一起保存。
組成部分2和3包括用于代理仿真的外部存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)。預(yù)計(jì)算查找表來表示環(huán)境的靜態(tài)部分的觀點(diǎn)并不是新穎的，而且已經(jīng)由其他人提出過(如參見http//ww.dgp.toronto.edu/people/tu/thesis/node82.html XiaoyuanTu PhD thesis)。然而，這里提出的系統(tǒng)是新穎的，因?yàn)樗鼘⒖梢姸葓D形用作用于查找表和環(huán)境中全局空間關(guān)系的計(jì)算的基礎(chǔ)。這里的主要因素是通過使用可見度圖形和通過計(jì)算那個(gè)圖形的圖形度量(包括在空間排列方法使用的那些度量)，查找表不僅編碼物體位置而且編碼有關(guān)環(huán)境的可達(dá)性結(jié)構(gòu)的信息。這意味著實(shí)際上向代理提供環(huán)境的推理的可能性或至少有關(guān)可從環(huán)境的具體點(diǎn)看見的不同位置的全局空間關(guān)系的信息。這允許規(guī)則不僅控制代理從查找表讀取局部信息而且使用所讀取的信息來實(shí)現(xiàn)全局意圖的運(yùn)動(dòng)。它是將查找表體系結(jié)構(gòu)從用于表示代理感覺的方法轉(zhuǎn)換成用于表示存儲(chǔ)器的一種。感覺完全是局部而且提供有關(guān)可直接看到的、基本上僅可替換感覺的查找表(如上面引用的Tu’s)。然而，在該系統(tǒng)中，可見度圖形允許查找表完成三件事。第一，它能存儲(chǔ)擴(kuò)充的局部信息-例如，聚集系數(shù)能告知代理有關(guān)具有用于另外的運(yùn)動(dòng)的高的可能性的空間。第二，它能存儲(chǔ)全局信息-例如，可從代理觀點(diǎn)看到的所有位置的全局平均深度。第三，它允許旋轉(zhuǎn)整個(gè)圖形，以及計(jì)算到遠(yuǎn)程位置的合理路線。然而，發(fā)明人使用的圖形也表示范例中的變動(dòng)圖形不僅用來存儲(chǔ)事物的位置，而且表示可用于代理的空間的不同的可能性。
作為用于外部存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)的可見度圖形可見度圖形是共同可見度的位置的簡單的圖形(例如，一組頂點(diǎn)和鏈接那些頂點(diǎn)的一組邊線)。例如，這組頂點(diǎn)可能是分布在1m×1m單元的規(guī)則網(wǎng)絡(luò)上的一組位置。在建筑物的平面布置圖中，為相互可見的每組點(diǎn)，增加邊線來連接這些點(diǎn)。這不是唯一的實(shí)現(xiàn)方式，盡管另外的方法可能涉及采樣空間并使用Monte Carlo技術(shù)來連接這些頂點(diǎn)，因此用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來采樣空間空間和視覺。
注意可能見圖形不是新穎的而且在數(shù)學(xué)中已經(jīng)引用了至少40年(Berge C.1960以及參見用于較新的評(píng)論的Berg et al.1996)。然而，據(jù)發(fā)明人判定，那個(gè)信息以及本身為用于代理仿真的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一部分的圖形的使用是完全新穎的。
代理環(huán)境的站式表示該體系結(jié)構(gòu)的可能的實(shí)現(xiàn)方式將是使用環(huán)境的“站”表示?？墒褂每梢姸葓D形來將頂點(diǎn)值分配給位置，而且也使用一種技術(shù)來快速查詢用于代理的可視圓錐的數(shù)據(jù)。例如，對(duì)每個(gè)位置來說，可存儲(chǔ)一組“站s”，包含不同方向的可視位置(參見圖3用于標(biāo)記為“324”的位置。)每個(gè)站簡單地包含一組引用數(shù)字，表示其他位置，如站A可能包含位置數(shù)字“151”、“152”、“251”等。如果涉及的代理是方向“東”，那么，可視位置的當(dāng)前組將是在站“C”中的那些。通?？纱鎯?chǔ)比顯示的用于任何位置的更多的站s(發(fā)明人當(dāng)前實(shí)現(xiàn)為32)，因此，例如，可以很容易確定什么在方向“北-北東”中的可視。
以及在每個(gè)位置上的一組站s，也可存儲(chǔ)一組屬性。這些屬性中的一些很直觀，如“該位置中具有頂端對(duì)齊的圖片”、“該位置具有標(biāo)記”。其他屬能能從可見形本身計(jì)算(簡單的例子可能是“來自該位置的總的看得見的空間”)。所有屬性均存儲(chǔ)在相同的查找表中，因此對(duì)代理來說很容易朝“東”來查看例如，有標(biāo)記、幾幅照片以及具有在那個(gè)方向中少量看得見的空間的幾個(gè)位置。
看起來特別重要的可見度的一個(gè)屬性是“聚集系數(shù)”。聚集系數(shù)是圖形的簡單度量，由Watts和Strogatz(1999)首先提出的，用來測(cè)量“Small Worlds”?？蓪⑵鋺?yīng)用于所有圖形，而不僅僅是可見度圖形。如果定義頂點(diǎn)的“鄰域”為由邊線直接連接到當(dāng)前頂點(diǎn)的一組頂點(diǎn)，那么聚集系數(shù)是由可能存在的總的可能的邊線的數(shù)量劃分的鄰域的氖元素間邊線的數(shù)量。
聚集系數(shù)給出了當(dāng)從特定位置移動(dòng)到任何其他位置時(shí)可能丟失多少可視信息的觀點(diǎn)，因此它是位置的“結(jié)點(diǎn)性”的度量。發(fā)明人假設(shè)人們可能很容易識(shí)別結(jié)點(diǎn)(從結(jié)點(diǎn)的外表特征是什么的“訓(xùn)練”年)。他們也假設(shè)當(dāng)找出空間的新區(qū)域時(shí)，人類通常將搜索有前途的結(jié)點(diǎn)。因此，搜索出結(jié)點(diǎn)的代理很可能象在布局中走動(dòng)的人。這可是定義代理的特性的一個(gè)規(guī)則，即代理查找結(jié)點(diǎn)并受它們支配。
因此，如果當(dāng)前用于代理的“直觀”的站包含位置“151”以及位置“151”具有高的“結(jié)點(diǎn)性”，系統(tǒng)可能繼續(xù)在當(dāng)前方向移動(dòng)代理，因?yàn)楫?dāng)代理到達(dá)那兒時(shí)，將很好地存取到另外的信息。這消除了代理具有任何區(qū)域的開發(fā)程度很高的認(rèn)知圖-所有代理必須做的是能識(shí)別結(jié)點(diǎn)以及對(duì)它而言假定訪問過的區(qū)域的粗略圖以便以明智的試探性方式工作的需要。實(shí)際上，發(fā)明人提供的方法服從Occam’s razor(其陳述了兩個(gè)對(duì)抗的假設(shè)以用于現(xiàn)象的解釋而存在，最簡單的將取勝)，并提供將獲得全局明智且旋轉(zhuǎn)的查看運(yùn)動(dòng)模式的規(guī)則的很有效的形式同時(shí)采用最小規(guī)則組。
當(dāng)然，聚集系數(shù)僅是可見度圖形的一個(gè)度量，而且可使用許多其他度理來確定結(jié)點(diǎn)性，或可視空間的其他任何特征可能視為很重要。另外，“站”方法計(jì)算上很便宜，因?yàn)楫?dāng)需要時(shí)，數(shù)據(jù)可能保留在計(jì)算機(jī)的長期預(yù)留的存儲(chǔ)器上用于存取，并且對(duì)多個(gè)代理使用來說僅需計(jì)算一次。
使用站表示的代理導(dǎo)航與在用于代理的開放空間中的間接運(yùn)動(dòng)有關(guān)的簡單的算法規(guī)則的例子如下1.從當(dāng)前位置，查看當(dāng)前觀看方向中“站”的內(nèi)容。轉(zhuǎn)到2。
2.查找那個(gè)“站”中具有最低聚集系數(shù)的節(jié)點(diǎn)。將該節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為“A”。轉(zhuǎn)到3。
3.節(jié)點(diǎn)“A”超過X米遠(yuǎn)？(“你是否立足于或靠近結(jié)點(diǎn)”)，否，轉(zhuǎn)到4；是-轉(zhuǎn)到6。
4.從當(dāng)前位置查看當(dāng)前觀看方向Y度內(nèi)“站”的內(nèi)容。轉(zhuǎn)到5。
5.查找在超過X米遠(yuǎn)的這些站s內(nèi)具有最低聚集系數(shù)的節(jié)點(diǎn)并標(biāo)記該節(jié)點(diǎn)為“A”。
6.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)“A”-＞1。
算法注意A.通常值可能是站s包括在當(dāng)前觀看方向的15度角度內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)，X是3料以及Y是180度。
B.在實(shí)際系統(tǒng)中，為避免循環(huán)行為，可能“基于低聚集系數(shù)的概率函數(shù)來選擇節(jié)點(diǎn)”代替“選擇具有最低聚集系數(shù)的節(jié)點(diǎn)”。
C.當(dāng)相對(duì)于墻的聚集系數(shù)大于或等于那些遠(yuǎn)離墻的聚集系數(shù)時(shí)，該算法通常不受墻的限制。
也可用圖4中所示的流程圖來表示代理導(dǎo)航，包括以下步驟開始將代理放在優(yōu)先預(yù)先準(zhǔn)備好的可見度圖形的建筑物或城市布局內(nèi)的x，y位置。從一組預(yù)先確定的開始位置隨機(jī)或故意選擇該位置。
1a.選擇可見位置作為目的地代理確定可見度圖形的哪個(gè)頂點(diǎn)與其x，y位置一致。使用可見度圖形，代理將當(dāng)前可見位置隨機(jī)選擇為目的地。如果正使用聚集系數(shù)或其他圖形度量，目的地的選擇傾向于低聚集系數(shù)(或無管正使用何種度量)。存儲(chǔ)目的地坐標(biāo)xt，yt。將采用的步驟的數(shù)量設(shè)置為0。
1b.基于視野和朝向，選擇新的可見位置作為目的地代理確定可見度圖形的哪個(gè)頂點(diǎn)與其x，y位置一致。代理使用目的地矢量的當(dāng)前位置來確定其朝向。使用可見度圖形，當(dāng)m是整數(shù)時(shí)，代理從其當(dāng)前朝向的+/-m站s內(nèi)將當(dāng)前可見位置隨機(jī)選擇為目的地。當(dāng)總共有32站s為有用的設(shè)置時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)將m設(shè)置為7。這接近于170度的視野。例如，如果當(dāng)前方向處于站10的相同的方向中，從站3至17隨機(jī)選擇可見位置。如1a，如果正使用聚集系數(shù)或其他圖形度量，目的地的隨機(jī)選擇趨向于低聚集系數(shù)。存儲(chǔ)新目的地坐標(biāo)xt，yt。將采用的步驟數(shù)量設(shè)置為0。
2.已經(jīng)采用了低于n的步驟？代理引用它采用趨向目的地的多少步驟。如果代理采用n個(gè)步驟或更多，其中n為整數(shù)，或它已經(jīng)到達(dá)當(dāng)前目的地xt，yt，轉(zhuǎn)向規(guī)則1b，否則轉(zhuǎn)到規(guī)則3a。
3a.趨向目的地的步驟是可能的？代理測(cè)試來查看是否可能在目的地的方向按步長(一定量，通常是可見度圖形網(wǎng)格正方形的大小)移動(dòng)，而不選中另一物體，例如，墻或另一代理。如果執(zhí)行步驟，轉(zhuǎn)向規(guī)則4a，否則轉(zhuǎn)向規(guī)則3b。
3b.趨向旁邊的步驟是可能的？代理測(cè)試來查看按步長(一定量，通常是可見度圖形網(wǎng)絡(luò)正方形的大小)在與目的地的方向垂直的方向中移動(dòng)是可能的，而不選中另外的物體，如墻或另一代理。如果能執(zhí)行步驟，轉(zhuǎn)向規(guī)則4b，否則返回規(guī)則1a。
4a.采用趨向目的地的步驟代理采用在目的地方向中的步驟，調(diào)整其當(dāng)前x，y位置。采用的步驟的數(shù)量遞增1。
4b.采用面向目的地的旁邊步驟代理按步長采用與目的地方向垂直的方向中的步驟，調(diào)整其當(dāng)前x，y位置。采用步驟的數(shù)量遞增1。
外部存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)的可能的實(shí)現(xiàn)方式圖5和6表示根據(jù)本發(fā)明，用于用在方法或系統(tǒng)中的基于代理運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)模型的可見度圖形的物體/流程圖的例子。參考附圖，載入和處理與超級(jí)市場(chǎng)或其他公共場(chǎng)所的布局有關(guān)的行數(shù)據(jù)(401)以便產(chǎn)生公共場(chǎng)所的平面圖。根據(jù)公共場(chǎng)所平面圖，準(zhǔn)備由象素網(wǎng)格和象素間的頂點(diǎn)形成的點(diǎn)數(shù)據(jù)(402)，以及分析該數(shù)據(jù)來產(chǎn)生可見度圖形(403)以及其他信息，從而使能產(chǎn)生查找表。應(yīng)用到公共場(chǎng)所的代理(405)能根據(jù)查找表存取其位置并能基于有用的信息經(jīng)查找表、可見度圖形或其他內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)做出運(yùn)動(dòng)決定。從而能在智能模型中重復(fù)繞公共場(chǎng)所的運(yùn)動(dòng)以便幫助未來的設(shè)計(jì)和公共場(chǎng)所的設(shè)計(jì)。
使用智能模擬系統(tǒng)的布局改善現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖7，圖7示出了當(dāng)采用根據(jù)本發(fā)明的方法時(shí)所采用的步驟的流程圖。如圖5中所示，在步驟501，記錄已知的超級(jí)市場(chǎng)的布局。在步驟502，基于可在超級(jí)市場(chǎng)應(yīng)用的規(guī)則選擇代理的特性。在步驟503，將代理應(yīng)用到記錄的超級(jí)市場(chǎng)布局中并在步驟504，將步驟503的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比較。在步驟505，按需修改代理特性，并重復(fù)步驟503、504以及505直到滿足代理特性。在步驟506，將具有新特性的代理應(yīng)用到新的超級(jí)市場(chǎng)布局中，其中可在超級(jí)市場(chǎng)的架子上移動(dòng)貨物或可改變超級(jí)市場(chǎng)的實(shí)際通道布局，在步驟507，評(píng)估結(jié)果。在步驟508中可再次修改超級(jí)市場(chǎng)布局，以及可重復(fù)步驟506、507和508直到發(fā)現(xiàn)最佳的超級(jí)市場(chǎng)布局。然后在步驟509，將最佳的布局提供為輸出。
通過按上述方法和將具有簡單特性的代理應(yīng)用到超級(jí)市場(chǎng)，其中已經(jīng)存儲(chǔ)用于由代理存取的有關(guān)布局的詳細(xì)信息，可獲得顯著改進(jìn)的結(jié)果。
當(dāng)然，將理解到本發(fā)明已經(jīng)僅通過例子描述，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可對(duì)細(xì)節(jié)做出改變。
附件A參考文件Bachelder，I A and Waxman，A M，Mobile robot visual mapping and localisationaview-based neurocomputational architecture that emulates hippocampal placelearning.Neural Networks 7(6/7)，1994，1083-1099Beckman，R J，The Transportation Analysis Simulation System(TRANSIMS)TheDallas-Ft，Worth Case Study，Los Alamos Unclassified Report LAUR-97-4502LANL，Los Alamos National Laboratory.Available online at http//www-transims.tsasa.lanl.govBerg et al(1996)Computational Geometry(Springer，Berlin)-there is an entirechapter(Ch 15)entitled Visibility GraphsFinding the Shortest Route.Claude Berge(1960)Theory of Graphs.Fischer，K.，Muller，J.，Pischel，M.，A Pragmatic BDI Architecture，inReadings inAgents，Morgan Kaufmann，1998Galea，E R and Galparsoro，J M P，A computer-based simulation model for theprediction of evacuation from mass-transport vehicles. Fire Safety Journal 22，1994，341-366.Hillier，B.and Hanson，J.，(1984)The Social Logic of Space，CambridgeUniversity Press，Cambridge，UK.Kerridge，J and McNair，N，PEDFLOW-A system for modelling pedestrianmovement using occam. In Architectures，Languages and Techniques forConcurrent Systems，BM Cook(ed)，IOS Press Amsterdam，1999，1-17Resnick，M，Turtles，Termites and Traffic Jams，MIT Press，1994.Reynolds，C W，F(xiàn)locks，herds and schoolsa distributed behavioural model.Computer Graphics 21(4)，1987.Watts and Strogatz‘Small Worlds’，Nature 371，1999
權(quán)利要求
1.一種模擬多個(gè)代理和環(huán)境間的交互作用的方法，包括提供具有簡單特性的代理，存儲(chǔ)有關(guān)整個(gè)環(huán)境的詳細(xì)信息，以及允許代理通過位置基礎(chǔ)從存儲(chǔ)的位置上的詳細(xì)信息存取環(huán)境信息并使用信息通過環(huán)境前進(jìn)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中詳細(xì)的信息包括可見度圖形，可見度圖形為環(huán)境中的每個(gè)位置記錄可從其直接看見的其他位置。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中詳細(xì)信息包括環(huán)境或圖形的度量，將這些度量存在與環(huán)境有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，將空間的吸引力表示為可呈現(xiàn)通過環(huán)境進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)的可能性的位置。
4.如以上任何一個(gè)權(quán)利要求中所述的方法，其中詳細(xì)信息包括有關(guān)屬于特定位置的結(jié)點(diǎn)的數(shù)量的信息。
5.如以上任何一個(gè)權(quán)利要求中所述的方法，其中詳細(xì)信息包括聚集系數(shù)。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中使用聚集系數(shù)來計(jì)算特定區(qū)域吸引代理的潛力。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中聚集系數(shù)提供表示可能來自特定位置的路線的數(shù)量。
8.如以上任何一個(gè)權(quán)利要求中所述的方法，其中代理的簡單特性是由包括下述的一個(gè)或多個(gè)規(guī)則確定的
9.一種模擬多個(gè)代理和環(huán)境間的交互作用的方法，主要如以上參考和如在附圖中示出的所述。
10.一種模擬多個(gè)代理和環(huán)境間的交互作用的系統(tǒng)，包括代理存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)有關(guān)每個(gè)代理的特性的信息，環(huán)境存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)有關(guān)由代理存取的整個(gè)環(huán)境的詳細(xì)信息，以及處理器裝置，用于基于詳細(xì)的環(huán)境信息和代理的特性，評(píng)估在環(huán)境中代理采取某種運(yùn)作的可能性。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中環(huán)境信息包括可見度圖形，可見度圖形為環(huán)境中的每個(gè)位置記錄可從其直接看見的其他位置。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中可見度圖形以表格的形式提供環(huán)境中空間間局部和全局關(guān)系的分析，分析可容易由多個(gè)代理存取。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中代理可形成動(dòng)作的平面圖，平面圖允許它們以可能由代理的觀察者描述為“智能”或“象人類一樣”的方式工作。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中動(dòng)作的平面圖可是基于在可見度圖形中的位置找到的全局值連續(xù)性，從而使動(dòng)作的平面圖(雖然僅基于在當(dāng)前可見組中找到的值)對(duì)代理的觀察員來說似乎是動(dòng)作的全局平面圖或動(dòng)作的“意圖”平面圖。
15.如權(quán)利要求10-14任何一個(gè)所述的系統(tǒng)，其中環(huán)境信息包括群聚系數(shù)。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中群聚系數(shù)定義可從特定獲得獲得的路線的數(shù)量。
17.如權(quán)利要求10-16任何一個(gè)所述的系統(tǒng)，其中基于定義它們的屬性的一組規(guī)則，代理自由在環(huán)境中移動(dòng)。
18.如權(quán)利要求10-17任何一個(gè)所述的系統(tǒng)，其中處理器裝置監(jiān)視和存儲(chǔ)代理的詳細(xì)情況和運(yùn)動(dòng)。
19.如權(quán)利要求10-18任何一個(gè)所述的系統(tǒng)，其中不同代理具有不同特性。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中不同特性與年齡、性別、收入、有效時(shí)間等有關(guān)。
21.如權(quán)利要求10-20的任何一個(gè)所述的系統(tǒng)，其中詳細(xì)信息存在在查找表的表格中，查找表可由任何位置的多個(gè)代理存取。
22.一種模塊多個(gè)代理和環(huán)境的交互作用的系統(tǒng)，主要如以上參考和如附圖中所示的所述。
23.一種根據(jù)上述任何一個(gè)權(quán)利要求的方法或系統(tǒng)，其中環(huán)境是商店、百貨商店、超級(jí)市場(chǎng)、大型購物中心等等。
24.如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)或方法，其中詳細(xì)信息與通道布局和/或產(chǎn)品位置有關(guān)。
25.如權(quán)利要求1至22任何一個(gè)所述的系統(tǒng)或方法，其中環(huán)境是博物館、藝術(shù)畫廊、飛機(jī)場(chǎng)、醫(yī)院、學(xué)校、辦公室等等。
26.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)或方法，其中詳細(xì)信息與平面布置圖和/或物品位置有關(guān)。
27.使用可見度圖形，由多個(gè)代理使用與環(huán)境圖有關(guān)的可見度圖形來模擬環(huán)境中代理的動(dòng)作。
28.如權(quán)利要求27所述的使用可見度圖形，其中也可使用改進(jìn)的算法或其他優(yōu)化技術(shù)來改進(jìn)用于特定想要的結(jié)果的代理性能。
29.一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，在其上具有用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-9的任何一個(gè)的方法的計(jì)算機(jī)程序裝置。
全文摘要
模擬多個(gè)代理和環(huán)境間的交互作用的系統(tǒng)和方法，包括提供具有簡單特性的代理和存儲(chǔ)這些特性，存儲(chǔ)有關(guān)整個(gè)環(huán)境的詳細(xì)信息以及允許代理通過位置基礎(chǔ)從存儲(chǔ)的位置上的詳細(xì)信息存取環(huán)境信息并使用信息來通過環(huán)境前進(jìn)，以便通過提供基礎(chǔ)的環(huán)境圖，處理器能監(jiān)視這些運(yùn)動(dòng)來確定環(huán)境的適用性，環(huán)境圖更詳細(xì)并且可由簡易代理存取。提供用于評(píng)估環(huán)境布局的更有效和用戶友好的系統(tǒng)和方法。
文檔編號(hào)G06T17/00GK1470040SQ01817308
公開日2004年1月21日 申請(qǐng)日期2001年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月23日
發(fā)明者P·A·F·圖爾納, A·R·彭, P A F 圖爾納, 彭 申請(qǐng)人:倫敦大學(xué)學(xué)院