Pathfinder 基础教程：从入门到创建完整的疏散模拟

本教程专为初次使用 Pathfinder 的用户设计。我们将逐步演示如何在 Pathfinder 中创建一个基本的疏散模拟，并解释其中的核心概念。完成本教程后，您将熟练使用 Pathfinder 疏散模拟软件的界面，包括：查看模型、构建模型、运行模拟以及解读结果。

准备工作

• 从 Pathfinder 下载页面下载并安装新版 Pathfinder。
• 如尚未注册，请注册免费的 30 天试用许可证或购买正式许可证。
• 在本教程过程中，可随时查阅新版 Pathfinder 用户手册作为参考。
• 下载 Pathfinder Fundamentals zip 压缩包。

Pathfinder 简介

欢迎来到 Pathfinder 建模系列的首篇教程。在正式开始之前，我们先简要了解一下 Pathfinder 是什么。

Pathfinder 是一款灵活的移动模拟器，使用转向行为（steering behaviors）来模拟人员的运动。该程序已从一款基于智能体的火灾疏散软件，发展为适用于多种场景的人行流通建模工具。它包含三个模块：一个三维建模界面、一个强大的模拟器，以及一个优化的三维结果分析工具。

Pathfinder 提供两种主要的 occupant 运动模式：SFPE 模式和 Steering 模式。

SFPE 模式

此模式实现了 SFPE 消防工程手册中的概念。这是一种流动模型，行走速度由每个房间内的人员密度决定，通过门洞的流量由门的宽度控制。该模型也被称为”紧急疏散的水力模型”。

Steering 模式

此模式基于逆向转向行为的思想。转向行为在 Craig Reinolds 的论文《Steering Behaviors For Autonomous Characters》中初次提出，后经 Heni Ben Amor 等人的论文改进为逆向转向行为。Pathfinder 的 Steering 模式允许更复杂的行为作为移动算法的副产品自然显现，无需显式的门口排队和密度计算。

查看模型

在本节及后续小节中，您将使用一个现有模型来学习 Pathfinder 的基本操作。

1. 下载”准备工作”中的 zip 压缩包。
2. 右键点击 pathfinder-fundamentals.zip，选择全部提取。
3. 从提取的文件夹中打开 Fundamentals.pth，启动 Pathfinder 并加载该模型。
4. 浏览界面元素，如图 1 所示。这些界面元素将在 Pathfinder 教程中频繁提及。

视图控制

本节将演示控制模型视图的基本选项。在视图工具栏中选择各种选项，并对三维视图进行操作。

• 在视图工具栏上，点击切换到透视图。

注意：透视图支持对模型几何体进行完整的三维导航，对于多楼层模型尤其有用。

• 在视图工具栏上，点击3D 环绕导航。

• 拖动鼠标可旋转相机。
• 按住 SHIFT 键同时拖动鼠标可平移相机。
• 旋转鼠标滚轮，或按住 ALT 键同时拖动鼠标，可缩放相机。
• 按住鼠标滚轮可移动相机。
• 在视图工具栏上，点击切换到顶视图。

注意：顶视图与前视图和左视图一样，聚焦于模型的一个二维平面。这会启用捕捉网格，有助于更轻松地创建几何体。

• 在视图工具栏上，点击选择/编辑对象。

• 按住鼠标左键并拖动可选择对象。
• 按住鼠标右键并拖动可平移相机。
• 旋转鼠标滚轮可缩放相机。

您已成功学习查看模型的基本操作。

管理对象

本节将学习如何使用导航面板查看、隐藏和选择对象。

• 在视图工具栏上，点击切换到透视图。
• 在导航面板中，右键点击 Floor 0.0 ft，选择设为活动楼层以将其隔离显示。

• 在导航面板中，右键点击 Floor 10.0 ft，选择显示，将其对象添加到当前视图。
• 在三维视图中，右键点击任意对象，选择隐藏，将其从当前视图中移除。

• 在三维视图中，右键点击空白区域，选择全部显示，将所有对象恢复显示。
• 在导航面板中，选择自动展开选择。

• 在三维视图中点击任意对象，导航面板会展开并高亮列表中对应的对象。

您已成功学习在导航面板中管理对象的基本操作。

运行模拟

本节将学习如何启动模拟并分析结果。

• 在主工具栏上，点击运行模拟。运行模拟对话框会自动打开并开始显示进度。

注意：在此过程中，Pathfinder 会在与 *.pth 文件相同的位置创建一个与模型同名的文件夹；该文件夹中会存放模拟结果文件（*.pfr）和故障排除文件（如 *.csv、*.json）。

• 三维结果程序窗口可设置为模拟完成后自动出现，如图 10 所示。如未自动打开，请手动打开三维 Results 程序。

查看结果

• 在视图 → 人员显示菜单中，点击以人物形式显示。人员可以有多种显示方式，所有选项均在此菜单中。
• 在结果窗口中，点击播放。

模拟将一直播放，直到所有人员离开模型，结果应类似图 12。

• 在回放工具栏上，点击加速，使结果以两倍于实际时间的速度播放。

• 关闭结果程序和运行模拟对话框。

您已成功学习运行模拟的基本操作。

构建模型

Pathfinder 默认使用各种 Windows 和 Java 应用程序通用的键盘快捷键。为加速模型创建，可通过多种方式添加或更改键盘快捷键。

在本节及后续小节中，您将从头创建一个可用于模拟的完整模型。这些步骤演示了在 Pathfinder 中构建模型的基本环节。

创建和配置新模型

• 在主工具栏上，点击新建模型。

• 如果弹出保存更改对话框，点击否。
• 在主工具栏上，选择图 15：英制单位 以英制单位显示数值。
• 在主工具栏上，点击保存模型。

• 新建一个名为 Getting Started 的文件夹，将文件命名为 myFundamentals.pth。

图 17：导入文件对话框

您已成功创建并配置了一个新模型。

导入几何体

本节将从其他 CAD 应用程序创建的模型中导入几何体。这样可以比从空白文件开始更快地绘制导航网格。

• 在主工具栏上，点击导入文件。

• 导航到从 pathfinder-fundamentals.zip 提取的 Pathfinder-Fundamentals 文件夹，打开 pathfinder-fundamentals.dwg。
• 在导入对话框中，选择导入到当前模型。
• 选择 mm 作为文件的长度单位，点击下一步。
• 点击计算，查看选定单位下的模型信息，以确保单位正确。此文件的模型高度为 70.0 ft，可在此对话框中确认。
• 点击下一步。
• 使用默认导入设置，点击下一步。
• 点击完成导入文件。

您已成功导入模型。

提取楼层

本节将在导入的楼层上创建导航网格，以便创建房间、门和人员。

• 在绘图工具栏上，点击从导入几何体提取楼层。

• 在三维视图中，点击一楼表面的任意位置。
• 在视图工具栏上，取消选中显示导入几何体。

您已成功提取一楼。

注意：Pathfinder 导航网格对象控制人员的移动。导入的几何体（CAD）仅用于可视化。

创建门

本节将在导入的几何体上创建门，使房间相互连通，人员可以做出前往何处的决策。

• 在绘图工具栏上，双击添加新门。

注意：双击绘图工具栏上的项目会使其变为”粘滞”状态，图标上会显示一个绿色圆点。该工具将保持选中状态直到按下 ESC 键，方便连续绘制多个对象。右键点击也可清除”粘滞”工具。

• 在属性面板的最大宽度框中，输入 60 in。
• 在属性面板的最大深度框中，输入 10 in。按 TAB 键确认。

注意：将这些值设置得超过模型中门洞的最大尺寸，可确保 Pathfinder 将门拉伸至整个宽度和深度。此处最大门洞尺寸为 55 in，因此将最大宽度设为 60 in 是合适的。

• 在三维视图中，放大某个门洞。将指针指向门洞中心，当门预览显示时，点击该门洞。

• 对其余 11 个门洞重复上一步。随着门的添加，一楼的各个房间会自动创建。
• 在三维视图中，指向外部场地的某个角落，拖动到相邻角落，将该楼板的整个边缘设为出口。

注意：仅在一侧与房间相连的门将在导航面板中标记为出口。采用默认设置的人员将走向对他们而言最快捷的出口，通过出口后将从模型中消失。

• 对外部场地的其余三边重复上一步。
• 所有门创建完毕后，按 ESC 关闭门工具。

添加人员

本节将向房间中添加人员。

• 在导航面板中，选择 Floor 0.0 ft。
• 在三维视图中，按住 Ctrl 键点击电梯间和室外地面以取消选择。

• 在三维视图中，右键点击任意已选区域，选择添加人员。
• 在添加人员对话框中，在组名中输入 “Floor 1″，在按数量框中输入 100，点击确定。

一楼的人员创建完成后，您可以根据需要运行一次测试模拟。

多楼层建模

本节及后续小节将完成其余几何体，添加多楼层模型的组件。

创建新楼层

• 在导航面板顶部的楼层下拉列表中，选择添加新楼层。
• 在新建楼层对话框的输入楼层位置框中，输入 10 ft，保持将现有组件重新归属到新楼层选中，点击确定。
• 重复以上步骤，直到创建出 Floor 60.0 ft。
• 在视图工具栏上，选择 显示导入几何体。
• 在导航面板顶部的楼层下拉列表中，选择 Floor 10.0 ft。

注意：从楼层下拉列表中选择某一楼层会将其设为”活动楼层”并隐藏所有其他楼层。选择列表顶部的<全部显示>将恢复显示整个模型。

• 在三维视图中，右键点击 Floor 10.0 ft 的天花板，选择隐藏。

• 在绘图工具栏上，点击从导入几何体提取楼层。
• 在三维视图中，点击 Floor 10.0 ft 的任意位置。
• 在视图工具栏上，取消选中显示导入几何体。
• 隐藏导入几何体后，添加九个门（与一楼类似，不包括电梯井门）。

• 在导航面板中，右键点击 Floor 10.0 ft，选择添加人员。
• 在添加人员对话框中，输入组名 “Floor 2″，在按数量框中输入 100，点击确定。

复制楼层

本节将对象从二楼复制到模型的其他楼层。由于中间各层相同，这样可以节省时间。

• 在导航面板中，展开人员列表。
• 在导航面板中，选择 Floor 10.0 ft。按住 Ctrl 键选择 “Floor 2” 人员组。
• 在绘图工具栏上，点击复制/移动对象。
• 在属性面板中，选择复制模式。
• 在属性面板的复制数量框中，输入 4。保持随机化对象副本参数选中。
• 在属性面板的Z 轴移动框中，输入 10 ft。保持光标移出三维视图窗口，以避免手动覆盖 Z 轴移动值。
• 在属性面板中，点击复制/移动。

• 在导航面板中，选择所有已复制的人员组。右键点击任意选中项，选择重命名…打开重命名对话框。
• 在重命名对话框中，勾选使用模板重命名，在输入新名称：框中输入 Floor ${local_index}。
• 点击确定快速重命名所有项目。

顶层与楼梯

顶层与中间楼层不同，因此需要单独提取。

• 在导航面板中，右键点击楼层，选择显示。
• 在视图工具栏上，选择显示导入几何体。
• 在绘图工具栏上，点击从导入几何体提取楼层。
• 在三维视图中，点击顶部楼层表面的任意位置。
• 在导航面板中，右键点击 Floor 60.0 ft，选择添加人员。
• 在添加人员对话框中，将组命名为 ‘Rooftop Floor’，在按数量框中输入 100，点击确定。

本节将在导入的楼梯上创建导航网格，使人员可以在楼层之间移动。

• 在导航面板的楼层列表中，选择全部显示。
• 在视图工具栏上，选择显示导入几何体。
• 在绘图工具栏上，点击从导入几何体提取楼层。
• 在三维视图中，点击连接四段楼梯的平台上的任意位置。

• 在视图工具栏上，取消选中显示导入几何体。
• 在绘图工具栏上，点击通过选择每条边上的一个点来在两条边之间创建楼梯。
• 对于连接底部平台的四段楼梯之一，沿底部和顶部边缘各点击一个点以创建楼梯。

注意：第一次点击前，当指针位于可接受的边缘上时会显示一条线。第二次点击前，当指针位于可接受的边缘上时楼梯将预览显示。

• 对连接底部平台的其余三段楼梯重复上述步骤。

复制楼梯

再次利用 Pathfinder 的复制功能，在垂直方向上复制重复的几何体以节省时间。

• 在三维视图中，按住 Ctrl 键同时点击四段楼梯和平台。
• 在绘图工具栏上，点击复制/移动对象。
• 在属性面板中，选择复制模式。
• 在属性面板的复制数量框中，输入 5。
• 在属性面板的Z 轴移动框中，输入 10 ft。
• 在属性面板中，点击复制/移动。

图 33：复制的几何体

 

创建电梯

本节将创建电梯，完成模型的几何体。

• 在导航面板的楼层列表中，选择 Floor 0.0 ft。
• 在视图工具栏上，取消选中显示导入几何体。
• 在三维视图中，右键点击两个电梯间之一，选择创建电梯。
• 在新建电梯对话框中，点击确定。
• 对另一个电梯间重复步骤 3-4。

自定义人员行为

本节及后续小节将自定义人员与模型交互的方式，从而在各种场景中实现更精准的模拟。

修改人员颜色

• 在导航面板的楼层列表中，选择全部显示。
• 展开人员列表。
• 在导航面板中，选择 Floor 1 人员组。
• 在属性面板中，选择颜色，点击颜色框。
• 在颜色对话框的颜色代码框中，输入 FF2222，点击确定。您也可以使用颜色对话框中的调色板选项卡选择预定义颜色。
• 对 Floor 2 到 Floor 6 人员组重复以上步骤，为每组设置不同的颜色。

创建行为

本节将为人员创建使用电梯的行为。在疏散过程中，观察到较低楼层的人员比较高楼层的人员更可能使用楼梯。我们将使用行为来为不同楼层分配不同的楼梯使用概率。通常，行为定义了人员在离开或前往避难房间之前要完成的一系列目标。

• 在导航面板中，右键点击行为，选择新建行为。

• 在新建行为对话框的名称框中，输入 Goto Elevator，点击确定。
• 在属性面板中，从添加动作列表中选择前往电梯。
• 在属性面板中，点击创建。

• 在导航面板中，右键点击 Floor 3 人员组，选择属性。
• 在编辑选定人员对话框中，点击行为链接。
• 在行为对话框中，在电梯行为旁输入 10，在前往任意出口行为旁输入 90。
• 在两个对话框上点击确定。
• 对 Floor 4 和 Floor 5 人员组重复以上步骤，使用 20 和 80 作为电梯和前往任意出口的分配百分比。
• 对 Floor 6 和 Rooftop 人员组重复以上步骤，使用 30 和 70 作为电梯和前往任意出口的分配百分比。

创建人员配置文件

本节将创建人员配置文件（Profiles），使每个人员具有不同的特征。

• 在导航面板中，右键点击配置文件，选择添加配置文件。

• 在新建配置文件对话框的名称框中，输入 Office，点击确定。编辑配置文件对话框将打开。
• 在编辑配置文件对话框的三维模型框中，点击模型列表。
• 在三维模型对话框中，选择代表典型办公环境的模型，点击确定。
• 在编辑配置文件对话框的特征选项卡上，在速度列表中选择均匀分布。
• 在速度列表中，点击编辑打开均匀分布对话框。
• 在均匀分布对话框的最小值框中，输入 2.0。
• 在均匀分布对话框的最大值框中，输入 4.3，点击确定。

• 在编辑配置文件对话框中，点击应用。
• 在编辑配置文件对话框中，点击新建…。
• 重复以上步骤创建 Apartment 配置文件。使用休闲着装的模型，均匀速度设为 [3.0 ft/s, 5.3 ft/s]，点击应用。
• 在编辑配置文件对话框中，选择 Default，点击删除。在移除对话框中点击是。
• 在配置文件使用中对话框的替换为框中，选择 Office，点击确定。
• 在编辑配置文件对话框中，点击确定。
• 在导航面板中，右键点击 Rooftop 人员组，选择属性。在编辑选定人员对话框中，点击配置文件链接。
• 在配置文件对话框的 Rooftop 框中，点击均匀分配，点击确定。
• 在编辑选定人员对话框中，点击确定。
• 对 Floor 5–Floor 6 重复以上步骤，为 100% 的人员分配 Apartment 配置文件。

运行完整模拟

• 在主工具栏上，点击运行模拟。

• 取消选中完成后打开结果框。
• 模拟运行完成后，点击确定关闭运行模拟对话框。

结果分析

本节及后续小节将探索 Pathfinder 和三维 Results 中的后处理选项。

查看房间使用情况

• 在主工具栏上，点击查看房间使用情况。

• 在人员计数窗口的导航面板中，全部清除后选择 Elevator00→Level 0.0 ft 和 Elevator01→Level 0.0 ft。这将显示电梯的使用情况。

• 关闭人员计数窗口。

您已成功完成模拟并查看了 Pathfinder 中的第一个结果选项。后续分析请切换到Results程序。

三维结果可视化

加载等高线图

以下步骤在 Pathfinder 附带的 3D 结果可视化软件中执行。模型的可视化数据将保存在 MyFundamentals 结果文件夹中的 MyFundamentals.pfrv 文件里。结果可视化文件可用于为同一结果数据保存多组可视化数据。

警告：以下说明适用于 Pathfinder 2018.3 及更高版本；我们在 3D Results 程序中创建相机导览。在早期版本中，相机导览可以在 Pathfinder 建模界面中作为视图的一部分创建和保存。在 Pathfinder 2018.3 及更早版本中创建的导览在 3D Results 中仍可作为只读相机导览访问。

• 在主工具栏上，点击查看三维结果。
• 在 3D Results 窗口的导航面板中，双击 疏散时间等高线图。

• 在优化等高线对话框中，点击是。
• 等高线生成完成后，点击播放查看带有等高线叠加的结果。
• 在导航面板中，右键点击 疏散时间等高线图，选择属性。
• 在疏散时间属性对话框的不透明度来源下拉菜单中，选择下方羽化。
• 在羽化阈值框中输入 1，点击确定。

您已成功修改并查看了等高线图。将图形修改保存到 MyFundamentals.pfrv。

创建相机导览

本节将创建一个相机导览，用于突出显示模拟中的关键区域。

• 在回放菜单中停止模拟。
• 在 3D Results 窗口的导航面板中，右键点击视图，选择新建导览。

创建第一个关键帧

• 在视图工具栏上，点击重置全部显示顶层视图。

• 在属性面板中，点击添加。这将在当前时间和当前相机位置插入一个关键帧。
• 保持时间（秒）设为 0，过渡设为静止。这意味着我们将保持第一个视图。

创建第二个关键帧

• 将时间滑块移动到约 10 秒处。
• 滚动鼠标滚轮放大，获得更近的视图。移动视角，使其面向电梯门。
• 在属性面板中，点击添加。
• 将时间（秒）设为 10，过渡设为移动到下一个。这意味着在 10 秒时，我们将开始移动到下一个关键帧。

创建第三个关键帧

• 在三维视图中，右键拖动旋转到建筑的前面，面向楼梯。根据需要平移和缩放，使整个建筑在三维视图中可见。
• 将时间滑块移动到约 30 秒处。
• 在属性面板中，点击添加。
• 将时间（秒）设为 30，过渡设为静止。这意味着我们将保持此视图。

创建第四个关键帧

• 将时间滑块移动到约 40 秒处。
• 在属性面板中，点击添加。
• 将时间（秒）设为 40。过渡选择不重要。
• 点击关闭完成导览。

编号	时间 (s)	过渡
1	0.00	静止
2	10.0	移动到下一个
3	30.0	静止
4	40.0	静止

• 双击导览。
• 将时间滑块移到 0 秒。
• 点击播放。导览效果应与示例相机导览一致。
• 在文件菜单中，点击保存结果可视化为。
• 另存为 MyFundamentals-tour.pfrv。

您已成功创建、查看相机导览并将其保存到结果可视化文件。

创建视频

本节将使用导览创建视频文件。

• 在导航面板中，双击导览相机导览（如果尚未激活）。
• 在导航面板中，双击密度等高线图。Results 将运行等高线脚本。
• 将时间滑块移到 0 秒。
• 在文件菜单中，点击创建视频。
• 将文件保存为 Fundamentals.mp4。Pathfinder 也支持 *.wmv Windows Media 格式。

• 在视频属性对话框中点击确定。
• 选择所需设置。
• 点击确定。
• 一旦视频进度对话框完成，文件将在您的默认视频播放器应用程序中播放。

您已成功创建结果视频。视频呈现应与带密度等高线导览的示例视频一致。

总结

感谢您完成 Pathfinder 基础教程。您现在已经了解了 Pathfinder 的基础知识。还有许多进阶主题等待探索，请参阅 Pathfinder 教程获取更多学习资料。

参考文献

1. Amor, Heni Ben, Jan Murray, Oliver Obst, and others. 2006. Fast, Neat, and under Control: Arbitrating between Steering Behaviors. AI Game Programming Wisdom. Vol. 3.
2. Reinolds, C. 1999. “Steering Behaviors For Autonomous Characters.” In Proceedings of the Game Developers Conference 1999, 763–82. Miller Freeman Game Group, San Francisco, California, USA.
3. SFPE. 2016. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. 5th ed. Springer-Verlag New York.