考慮人員行為特征的行人與疏散動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、人員疏散是公共安全領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，是緊急情況下保證人員生命安全最重要的措施之一。行人與疏散動(dòng)力學(xué)研究有利于高效、安全以及舒適的行人交通設(shè)施設(shè)計(jì)（如在地鐵站、體育場(chǎng)館、機(jī)場(chǎng)等）和大規(guī)模人群管理。隨著近年來(lái)突發(fā)事件的不斷增加，行人與疏散動(dòng)力學(xué)研究吸引了許多學(xué)者的關(guān)注，人們已經(jīng)利用大量的模型和實(shí)驗(yàn)來(lái)探究人群行為以及疏散動(dòng)力學(xué)規(guī)律。事實(shí)上，人員運(yùn)動(dòng)行為與其心理行為緊密相關(guān)，行人的決策往往會(huì)受到其周圍環(huán)境的影響，而這些方面在目前的研究中并

2、沒(méi)有得到很好地分析，尤其在基于元胞自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型中。
　　本文首先通過(guò)建模方式研究了行人心理行為對(duì)其運(yùn)動(dòng)的影響。由于在一些緊急情況下，人員的行為決策會(huì)受到情緒的影響，人群情緒感染可能引起統(tǒng)一的適應(yīng)性或非適應(yīng)性行為，因此，本文試圖把傳染病動(dòng)力學(xué)SIR（易感染者—感染者—恢復(fù)者）倉(cāng)室模型改進(jìn)成元胞自動(dòng)機(jī)模型用于模擬人群中的情緒感染過(guò)程（易感染者—感染者—恢復(fù)者—易感染者），并結(jié)合簡(jiǎn)單行人運(yùn)動(dòng)過(guò)程。建立的模型命名為“CA-SIRS模型

3、”。模擬結(jié)果表明，情緒傳播過(guò)程會(huì)出現(xiàn)多個(gè)感染周期，并最終趨于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定;在給定系統(tǒng)中，初始感染者比例對(duì)系統(tǒng)最終動(dòng)態(tài)穩(wěn)定時(shí)的感染者比例影響不大;感染頻率隨著人群平均密度的增加而增大;個(gè)體運(yùn)動(dòng)會(huì)促進(jìn)情緒傳播并增加最終動(dòng)態(tài)穩(wěn)定時(shí)的感染者比例;降低感染周期以及再次被感染的概率會(huì)顯著減少感染者人數(shù)。根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，本文進(jìn)一步將人群情緒感染過(guò)程與多格子模型結(jié)合用于研究相向行人流動(dòng)力學(xué)，并與恐慌引起的人群踩踏事故案例進(jìn)行對(duì)比分析。從有無(wú)涉及情緒傳播過(guò)程時(shí)

4、的人群平均速度隨時(shí)間的變化情況中，我們可以發(fā)現(xiàn)，雖然情緒感染會(huì)增加人員的期望速度，但是容易引起系統(tǒng)擁堵?tīng)顟B(tài)，這是因?yàn)殡p向行人之間的沖突增加。根據(jù)速度—密度關(guān)系，本文利用人群密度和雙向行人分別所占的比例討論了系統(tǒng)的三種人員運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即分層相、過(guò)渡相和堵塞相，這為安全組織群體活動(dòng)提供了實(shí)際參考。為了深入了解關(guān)于擁擠踩踏引起的人群災(zāi)難事故，例如2010年柬埔寨踩踏事故，我們分析了系統(tǒng)中的人員受力分布以及最大承受力的累積分布，這些結(jié)果為人們從受

5、力角度估計(jì)人員傷亡數(shù)量提供了一定的指導(dǎo)。
　　接著，本文采用實(shí)驗(yàn)與建模的方法研究了建筑中人員周圍環(huán)境（如疏散指示、周圍的其他人員或者障礙物）對(duì)其疏散過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)在建筑物內(nèi)開(kāi)展，涉及兩個(gè)場(chǎng)景下的個(gè)體和群體運(yùn)動(dòng)情況，總共有119人參與了4種運(yùn)動(dòng)條件下的9組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用固定攝像機(jī)和小型頭戴式運(yùn)動(dòng)攝像儀記錄。根據(jù)每組實(shí)驗(yàn)后的問(wèn)卷調(diào)查以及視頻分析，我們討論了人員出口選擇情況、尋路行為、疏散指示的影響以及決策時(shí)間。結(jié)果表明，大部分人

6、雖然對(duì)建筑布局不熟悉，但是仍然選擇最近出口;人員運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，跟隨現(xiàn)象嚴(yán)重;在場(chǎng)景1中，個(gè)體情況下的平均疏散指示察覺(jué)概率和平均人員接受疏散指示概率均大于群體條件下的;不同條件下，很少人注意處于低處的疏散指示。另外，本文也對(duì)比了在不同決策點(diǎn)處對(duì)建筑布局熟悉者和不熟悉者之間的平均決策時(shí)間差異。根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本文提出了基于模糊理論的元胞自動(dòng)機(jī)疏散模型，建立了能夠描述人們從周圍環(huán)境獲取的不確定、主觀信息的模糊推理系統(tǒng)。模糊推理系統(tǒng)類似人員推理過(guò)程

7、，其輸入變量是人員的感知信息以及不同的個(gè)體特征，輸出變量為人員選擇某個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的可能性大小。模型模擬了兩個(gè)場(chǎng)景下（即內(nèi)部有無(wú)障礙物單出口房間）的人員疏散過(guò)程，再現(xiàn)了真實(shí)疏散場(chǎng)景中的一些典型現(xiàn)象，例如出口處人群弓形分布、擁堵、“快即是慢效應(yīng)”等，與其他模型和實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果一致。該模型豐富和改善了傳統(tǒng)基于元胞自動(dòng)機(jī)的疏散模型的運(yùn)動(dòng)規(guī)則。
　　基于模糊推理技術(shù)，本文進(jìn)一步研究了信息傳遞作用下的人群疏散動(dòng)力學(xué)。我們?cè)O(shè)計(jì)了用于描述人員屬性以

8、及信息接收量的隸屬度函數(shù)和推理規(guī)則庫(kù)，建立了模糊推理系統(tǒng)以確定人員的行為決策，即運(yùn)動(dòng)速度大小和方向。模擬場(chǎng)景為四方向行人流，模擬結(jié)果顯示信息傳遞作用并非在所有情況下都能使人員疏散順利完成，而是與系統(tǒng)中的行人決策有關(guān)，尤其在高密度條件下。低密度下增加行人的自驅(qū)動(dòng)作用大小，或者高密度下增加選擇第三種運(yùn)動(dòng)方式（即期望運(yùn)動(dòng)方向朝距離危險(xiǎn)源最遠(yuǎn)的格點(diǎn)）的行人比例有利于人員疏散。與前人研究相比，本文的工作更深入認(rèn)識(shí)了人群中危險(xiǎn)信息傳遞對(duì)人員疏散動(dòng)力