（交通运输规划与管理专业论文）考虑火源影响的行人逃生动力学模型.pdf

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o r g a n i z a t i o np h e n o m e n a t h em o d e l i n gm e t h o do ft h ee s c a p eb e h a v i o ra n dt h ee x i s t i n gr e s u l t sb a s e do nt h es o c i a l f o r c em o d e la r ep r e s e n t e di nd e t a i l t h e n ，b a s e do nt h ee x t e n s i v ea n a l y s i so fe s c a p e r s p s y c h o l o g y , b e h a v i o rf e a t u r e sa n dt h ef i r e si m p a c t i o nt ot h ee s c a p e r s ，a l li m p r o v e d s o c i a lf o r c em o d e lo f e s c a p e r s b e h a v i o rc o n s i d e r i n gt h ee f f e c to f f i r ei sp r o p o s e d i nt h e i m p r o v e dm o d e l ，t h er e p u l s i v ef o r c eo ff i r et ot h ee s c a p e r si sc o n s i d e r e d ，a n dt h e s e l f - d r i v i n gf o r c ei sm o d i f i e dw i t hc o n s i d e r a t i o no ft h ef i r e se f f e c to nt h es i z ea n d d i r e c t i o no ft h ed e s i r e dv e l o c i t y w ee x t e n s i v e l ya n a l y z e dp e d e s t r i a n s e x i ta n dr o u t e c h o i c eb e h a v i o r s ，a n dc l a s s i f i e dm e i rb e h a v i o r si n t ot h r e ec a t e g o r i e s ：t h es h o r t e s tr o u t e c h o i c eb e h a v i o r , t h eo p t i o n a lc h o i c eb e h a v i o ra n dh e r d i n gb e h a v i o r w ea l s od e v e l o p e d t h ec o r r e s p o n d i n ge x i tc h o i c em o d e l s f o rt h eo p t i o n a lc h o i c eb e h a v i o rm o d e l ，an o v e l m e t h o di sp r o p o s e dt oe s t i m a t et h ee s c a p i n gt i m ew h i c hc o n s i s t so ft h et r a v e lt i m et ot h e e x i t s ，t h eq u e u i n gt i m ea tt h ee x i ta n dt h ew a s t et i m ed u et os a f e t yf a c t o ro f t h ee x i t f i n a l l y , w es i m u l a t e dt h ee s c a p ep r o c e s si nas m a l lr o o mu s i n gt h ea b o v em o d e l s ， a n dv e r i f i e dt h ee f f i c i e n c yo ft h em o d e l i nao n e - e x i tr o o m , w es i m u l a t e da n da n a l y z e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee x p e c t e dv e l o c i t ya n dt h ee s c a p i n gt i m ew i md i f f e r e n te x i t w i d t ha n dd i f f e r e n tn u m b e ro fe s c a p e r s w ea l s os i m u l a t e dt h ee s c a p ep r o c e s sw i m v a r i o u sl o c a t i o n so ft h ef i r ea n dp e o p l ew i t hd i f f e r e n tr i s kf a c t o r i nam u l t i e x i tr o o m , w es i m u l a t e dt h ee s c a p ep r o c e s sw i t hd i f f e r e n te x i tc o n d i t i o na n dd i f f e r e n te x i tc h o i c e b e h a v i o r i nt h er o o mw i t ht w od o o r si nt h es a m ew a l l ，w es i m u l a t e da n da n a l y z e dt h e e s c a p ep r o c e s sw i t hd i f f e r e n tg a pb e t w e e nt h et w od o o r s k e y w o r d s ：s o c i a lf o r c em o d e l ；t h ee f f e c to ff i r e ；e x i tc h o i c e ；e s t i m a t e de s c a p i n g t i m e ；h e r d i n gb e h a v i o r ；p e d e s t r i a nf l o wp r o p e r t i e s c l a s s n o ：u 4 9 1 2 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i l 绪论1 1 1研究背景l 1 2国内外研究综述2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状5 1 3研究目的及意义6 1 4研究内容与方法7 1 4 1 研究内容7 1 4 2 研究方法7 2行人流特性与建模9 2 1 行人流特性一9 2 1 1 行人微观行为特性1 0 2 1 2 行人宏观流体特性12 2 1 3 行人流自组织现象15 2 2社会力模型16 2 2 1 社会力的基本概念1 7 2 2 2 社会力模型。l8 2 2 3 社会力模型的应用2 0 2 3 本章小结2l 3 考虑火源影响的社会力模型2 3 3 1火灾中行人逃生行为分析2 4 3 1 1 行人逃生的心理与行为分析2 4 3 1 2 火源对行人逃生的影响分析2 5 3 2 考虑火源影响的社会力模型2 7 3 2 1 自驱动力修正2 7 3 2 2 火源对逃生者的作用力“_ 3 0 3 3数值模型分析3 0 3 3 1 出口宽度及期望速度影响分析：3 1 3 3 2 火源位置影响分析3 4 3 3 3 冒险系数影响分析3 7 3 4本章小结3 8 4考虑出口选择行为的社会力模型4 0 4 1出口及路径选择行为分析4 0 4 1 1 行人走行路径一4 1 4 1 2 出口选择行为4 2 4 2出口选择行为建模4 2 4 2 1 最短路径选择模型4 3 4 2 2 考虑排队的最优选择模型4 6 4 2 3 从众选择行为4 8 4 3数值模拟分析4 9 4 3 1 两对向出口情形下逃生分析。4 9 4 3 2 两同向出口情形下逃生分析5 0 4 3 3 多出口分析5 6 4 4本章小结5 8 5总结与展望6 0 5 1主要研究结论6 0 5 2研究展望6 l 参考文献6 3 作者简历6 6 独创性声明6 7 学位论文数据集6 8 1 绪论 1 1 研究背景 随着我国国民经济和城市化建设的快速发展，大型和超大型建筑物不断涌现， 同时各种大型活动如体育活动、娱乐活动、展览会等日益频繁，人群聚集活动越 来越多地出现在各种公共场所中，包括体育场馆、公园、展览馆、交通枢纽、超 市、办公大楼、学校、医院等。这些公共场所具有结构复杂、人员密集程度高且 流动性大、人群组成复杂等特点，一旦发生火灾、停电等紧急情况，很容易导致 人们的惊慌，从而发生拥挤甚至踩踏事故，通常还会造成人员的伤亡。根据国内 外统计数据，由于人员不能及时逃生而造成的重大伤亡事故时有发生。例如，1 9 9 4 年1 2 月8 日，克拉玛依友谊馆火灾死亡3 2 3 人；2 0 0 0 年1 2 月2 5 日洛阳市东都特 大火灾，死亡3 0 9 人；2 0 0 4 年2 月5 日，北京密云县密虹公园人群拥挤事故，踩 死3 7 人，挤伤1 5 人；2 0 0 1 年，9 1 1 事件造成了2 3 0 0 多人死亡；加纳的阿克拉足 球场发生骚乱，造成1 0 0 多人死亡、5 0 多人受伤；2 0 0 5 年1 月2 5 日，马哈拉施 特拉邦的一个宗教集会场所，由于场所过分拥挤，造成3 0 0 多人死亡，数百人受 伤【1 】【2 】。 从以上实例可以看出，公众聚集场所中造成行人大量伤亡的情况主要包括两 类。一是发生火灾或者毒气污染等紧急事件时，由于场所内部建筑物结构复杂， 行人密度过大，行人不能逃离而致死；二是行人过多不能有效及时疏散时，人们 可能产生惊恐心理，从而导致行人的踩踏事故发生。人的生命是宝贵的，如何有 效预防和减少在火灾等危急情况下，大型活动场所和公众聚集场所中的行人伤亡， 尤其是防止群死群伤事故的发生，已成为当前国内外公共安全工作的重中之重【2 1 。 在各种紧急事件中，建筑火灾非常常见，是当今世界严重威胁人民生命和财 产安全的主要灾害之一。在火灾事故中，由于出口、疏散路线的设计和管理不合 理而造成拥挤或出口不正常关闭的现象十分普遍。公共场所中多数行人对所处环 境的空间结构较为陌生，求生的本能使他们涌向几个有限的安全出口，造成部分 出口行人过多，人员疏散不畅。进而加剧了人们的恐慌，致使人群相互挤压，减 缓了出口的人流速度，延长人员逃生疏散时间，造成人员因烟气窒息、中毒而伤 亡。同时由于行人密度过高，加上内部扰动或者受到外界冲击的作用，行人在加 快速度过程中可能受到阻碍，发生速度突然降低的情况，可能导致行人摔倒并造 成踩踏事故。 ，b 保障火灾中人员的生命安全是研究火灾的根本目标，要实现这个目标，首先 应该了解火灾中行人逃生的过程和规律。由于火灾发生具有突发性和不可预知性 等特点，行人的逃生过程难以观测，逃生过程中行人的状态数据难以获取；而逃 生实验危险性较大，加之道德层面的约束，逃生实验也很难开展。对火灾的实证 研究主要是对火灾中人的行为进行了大量调查访问以及分析记录录像。随着计算 机技术的发展，对火灾中逃生者的行为进行微观行人行为建模与模拟是目前研究 的主要方向。 现有的仿真软件，能分别模拟火灾的动态发展和行人逃生过程，但将二者结 合，考虑火源对行人逃生影响的模拟方法还较少。因此本文将在行人微观行为模 型的基础上，分析火源对逃生者的影响建立考虑火场环境影响的行人逃生动力学 模型，并进行仿真模拟，分析火场环境中人的行为及其影响因素，从而对建筑物 的设计及管理提供指导意见并提高仿真软件的真实性，进而减少火灾中的人员伤 亡。 1 2 国内外研究综述 1 2 1 国外研究现状 2 0 世纪7 0 年代，国际上已经开始开展行人流特性及火灾中人的行为研究。 w o o d t m 等对火灾中人的行为特性进行了大量调查研究，主要侧重于对幸存者的灾 后调查，对一些非适应性行为如恐慌、返回等也进行了大量调查和统计工作。f r u i n 4 】 详细研究了行人流的流量、密度、速度及行人占有空间等特性要素及其相互关系， 统计得出人群平均行进速度与人群密度的关系曲线等，为建筑设计及管理提供指 导方针。之后大量的研究统计了不同地区不同人员在不同空间中，人群行走速度 与密度的关系，得出的关系曲线也不近相同【5 1 。但是，各个研究均得出了人群的前 进速度随人群的密度的增大而逐渐变小这一结论。 2 0 世纪8 0 年代中期以来，火灾中人的行为研究开始进入计算机模拟研究阶段。 在观测统计行人流特性及分布规律的基础上，研究者建立了宏观模型，包括基于 统计学的排队论模型及基于交通流理论的宏观流体模型等。排队网络模型由于结 构简单，理论难度较小，对计算机能力的要求不高，在八十年代成为疏散仿真模 型研究的重点。随着计算机技术的发展，计算能力的制约因素被放宽，微观仿真 方法逐渐成为疏散仿真研究重点，并逐步应用到行人疏散研究中。 宏观模型把人群作为流体和连续体来处理，用以描述大规模人群的动力学特 征。微观模型以行人个体作为研究对象，主要研究个体的运动过程，包括视野范 2 围确定、速度确定、方向确定、障碍物避让、拥挤排队等动力学过程。微观模型 可分为离散模型和连续性模型两类，离散模型包括元胞自动机模型、离散选择模 型等，连续模型包括社会力模型、磁场力模型等。下面分别对各类模型进行介绍。 ( 1 ) 宏观模型 宏观模型主要包括排队论模型及流体力学模型、气体动力学模型等。 在排队论模型中，行人的运动基于概率函数，行人按定的概率到达服务点、 获取服务和离开队列。排队网络模型的三个基本构成要素是动态实体的到达模式、 排队规则和服务器的服务机制( 如f i r s ti nf i r s to u t ，先进先出) 。在以研究疏散为目 的的宏观行人运动仿真中，w a t t s 6 1 、l o v a s 7 1 、t h o m p s o n t 8 1 等研究了行人流相关的 排队网络模型，并将该模型应用到建筑物的疏散仿真研究中。在l o v a s 提出的排 队网络模型中，建筑物被划分成网格，节点代表房间，连接代表门，行人被视为 是单一的流动体。运动时，行人从某个节点出发，依据一定的概率从所有可能的 连接中选择一个连接( 如果选择的连接不可用，行人就必须等待或寻找新的连接) ， 然后到达一个新的节点，每个行人都选择尽可能快和安全地移向出口，其移动的 路径和疏散时间记录在每个节点中。 h u g h e s 等p 】采用连续介质理论( c o n t i n u u mt h e o r y ) 建立了一个二维空间中行人 流的宏观连续模型，用来研究了大型人群的运动机制。模型中，行人以给定的某 个位置作为目的地，且表现出理性行为。并根据n a v i e r - s t o k e s 方程进一步推导出 大型人群流动的控制方程，该模型成功地解释了麦加朝圣中的人群的运动状况， 并得出了一些有价值的结论。h u a n g 等【1 0 1 证明了h u g h e s 模型的解满足瞬时用户最 优条件，并且给出了该模型新的求解方法。 利用气体动力学模型描述行人行为首先由h e n d e r s o n 于1 9 7 1 年提出，用热力 学中的m a x w e l l - b o l t z m a n 分布给出了行人前进速度的概率分布公式【l 。后来 h o o g e n d o o m 、b o v y 等【1 2 】【1 3 】针对行人活动提出了一种动态的离散连续混合方法来 描述行人的行进选择：认为行人的运动行为是根据其交通状况，依据效益最大化 来决定的。 ( 2 ) 微观离散模型 在微观离散型模型中，行人被看作独立的行为个体，其时间和空间被离散化， 按照一定的规则进行移动，每一时刻行人的状态只与上一时刻的状态相关。微观 离散模型包括离散选择模型、元胞自动机模型等。 h o o g e n d o o m t l 4 1 、a n t o n i n i t l5 1 、k r e t z 1 6 1 等将离散选择模型 ( d i s c r e t ec h o i c e f r a m e w o r km o d e l ) 用于与行人运动的研究，模型将行人行为分成相互吸引和排斥、 行人保持速率和方向、接近目的地5 个部分。建模时，首先对行人附近的局部空 间离散化，根据个体当前所处的环境判断下一步将要采取的行为模式，针对不同 的行为选择不同的效用计算方法，对离散化以后的邻域空间的有限个选择计算选 择概率，最后采用基于选择概率的随机决策机制确定下一步行动的目的地。 元胞自动机( c e l l u aa u t o m a t a ，以下简称c a ) 模型最早用于统计物理学的一些 研究，是一种以时间为基础的方法。系统的状态用一种常规的格子组成单元，每 个单元可以处于几种状态中的一种( 一般有两种：0 或1 ) 。在每一时间步中，每个 单元的状态在它以前的状态以及它邻近的单元的状态的基础上更新。此类模型的 时间、空间和状态变量是离散的，这使得它们适于高性能的计算机模拟。由于c a 模型的模拟效率高，并且能够反映出局部的相互影响，所以很多学者运用c a 模型 对行人行为进行模拟。t o f f o l i 和m a r g o l u s t l 7 】最早将元胞自动机思想引入行人流研 究，b l u e 等【l 卅考虑了行人的具体行为特征，如选择最短距离、避免碰撞等，建立 了描述行人流的元胞自动机模型。s c h a d s c h n e i d e r 等【1 9 】首先提出了地面场元胞自动 机模型，研究了行人流的自组织现象，如成行、成拱、振荡等，进一步研究了房 间中行人的疏散问题。v a r a s 掣2 0 】采用地面场元胞自动机模型，通过模拟的方法研 究了有障碍物房间中行人的疏散。 ( 3 ) 微观连续模型 微观连续模型主要包括磁场力模型、社会力模型等。一般可表示为一个常微 分方程系统，用以描述行人的时空连续变化。由于此类模型是处理多体问题的动 力学方程组，通常得不到解析解，而不得不由数值方法来研究其特性( 例如，e u l e r 法和r u n g e k u t t a 法) 。 磁场力模型( m a g n e t i cf o r c em o d e l ) l 妇o k a z a k i 和m a t s u s h i t a t 2 1 】提出，模型运用 磁场力学的原理对行人运动进行模拟。模型中，行人被描述为磁场中的磁体，行 人和障碍物为正磁极，出口或目的地为负磁极，根据同性向斥，异性相吸的原理， 行人会向着目的地运动并避免与其他人或障碍物冲突。行人受到两个力的作用， 一个是由库仑定律决定的磁场力，它取决于磁场强度大小及行人之间的距离：另 一个力来自于为了避免与他人或障碍物碰撞而产生的加速度，来自目标、其他行 人及墙的合力，决定了每个人每个时刻的加速度。磁场力模型曾被有效地应用到 火灾疏散、地铁站候车大厅中的行人运动和旅馆中央大厅中的行人运动等场景的 模拟中。在火灾疏散中，该模型可以计算人群逃出建筑物的时间。由于磁场强度 值设定的任意性，没有理论计算公式，给模型参数标定带来难度，在实际中不能 得到很好的验证，而且该模型也不能体现人群运动的宏观特性。 4 社会力( s o c i a lf o r c e ) 的概念最早是由l e w i n 等提出的，他们认为行为变化是由 “社会场 或“社会力 所引导的。h e l b i n g 等【2 2 】根据牛顿第二定律并引入“社会 力建立了能模拟行人恐慌时逃生行为的社会力模型，并模拟出了各种自组织现 象。个体的实际行为受个体的主观意识、其他个体以及障碍物三方面因素的影响， 均可将其等效为力在个体上的作用。社会力模型以牛顿力学为基础，假定行人个 体为球体，并在运动中受到三种作用力的影响：一是体现行人希望以期望速度到 达目的地的驱动力，二是行人与其他行人的相互作用力，三是行人与障碍物或墙 的相互作用力。模拟结果表明，该模型能较好的体现人群的真实运动，并能重现 人群的自组织现象。h e l b i n g 等【2 3 】【2 4 】【2 5 1 研究惊慌条件下行人的动力学特征和现象， 分析了惊慌人群的行为特征，探寻避免拥挤和最优化的疏散方法。数值模拟结果 揭示了拥挤人群的不协调运动而产生的慌乱和拥挤的机制，重现了“欲快则慢 效应( f a s t e r - i s s l o w e re f f e c t ) 和行人聚集行为( m a s sb e h a v i o r ) 。 社会力模型的提出引起了学者的广泛关注，很多学者对其进行了改进及模拟 分析。p a r i s i 等【2 6 】利用该模型研究了惊慌程度对行人疏散速度的影响。s e y f i - i d 等【2 7 】 改进该模型，用来定量地分析行人间各类相互作用力对速度密度关系的影响。社 会力模型充分考虑了行人自身的因素、行人与行人的相互作用以及障碍物对行人 的作用，它基于行人的“心理场，考虑到了行人的空间需求，每个行人都有自己 的领地( t e r r i t o r y ) ，对影响个体的因素考虑得很全面，对个体行为的建模比较合理， 该模型可以很逼真地模拟人群的疏散过程。 1 2 2 国内研究现状 2 0 世纪9 0 年代，国内已经开始对行人疏散动力学进行经验性研究。比如，黄 恒栋【2 引对室内人群的疏散流动聚集特性和人群在安全出口的流动特性进行了研 究。近几年，随着公共安全管理的加强和国际研究的深入，行人疏散动力学研究 在我国有了快速发展。 国内学者使用元胞自动机模型对行人逃生问题进行了较为深入的研究。杨立 忠掣2 9 j 采用元胞自动机模型对火灾状况下建筑物内行人疏散进行了模拟研究。宋 国卫、范维澄等【3 0 】【3 l 】【3 2 】【3 3 1 建立了火灾环境中行人疏散的多格子模型和多作用力元 胞自动机模型，发展了一种新的行人疏散安全分析方法，并根据火灾动力学发展 规律和待疏散人群的心理行为特征，提出了火灾环境与行人行为特征耦合的行人 疏散多作用力元胞自动机模型和多格子模型。吕春杉等【3 4 】提出了一种基于运动模 式和元胞自动机的行人疏散模型，该模型借助智能移动机器人的运动模式，考虑 了火灾环境对行人的生理和心理造成影响，从而导致低效的疏散行为，模型中通 5 过考虑烟气浓度等引入了健康度的概念。黄海军等【3 5j 根据元胞模型给出了新的层 次域计算方法和路径选择方法，提出了新的描述行人的地面场元胞自动机模型， 模拟研究了有多个出口且屋内有障碍物的行人疏散问题。 武汉大学和香港城市大学的有关研究人员利用计算机虚拟现实的技术搜集行 人在火灾中行为的量化数据，建立了空间网格疏散模型( s g e m ：s p a t i a l g r i d e v a c u a t i o nm o d e l ) t 3 6 】。王振等【37 】针对单元疏散空间的疏散能力问题，提出了单元疏 散空问( 建筑物只有一个出口) 的离散时间疏散模型，模型中考虑了人群密度对疏散 能力的影响，分析了人群密度、出口宽度与出口疏散能力的关系。 在连续模型方面，国内的研究工作相对较少。戴世强等【3 8 】提出了离心力模型， 并对人群疏散过程进行了模拟。陈涛等【3 9 】引入相对速度对行人社会心理作用力的 影响，对社会力模型进行修正，解决了原模型中人与人或者人与物接触时速度的 振荡问题，更符合实际情况。刘涛等 4 0 】将社会力模型泛化，利用t a k a g i s u g e n o 型 i f - t h e n 规则将对行人运动定性的物理规则转化为一个模糊推理系统，提出了模 糊模型，并证明了模糊系统中的参数具有明确的心理和物理解释。 1 3 研究目的及意义 在大量的行人动力学研究方法中，社会力模型能直观描述行人惊慌状态下的 运动过程，并进行受力及出口分析，具有很高的理论和实际运用价值。但是在火 灾情况下，行人行为与火场环境密切相关，而已有社会力模型不能较好描述，因 此本文将对已有社会力模型进行扩展。 本文基于已有社会力模型的建模和模拟方法，考虑火源对行人的排斥力及其 对期望速度大小和方向的影响，建立了考虑火源影响的行人逃生社会力模型，并 进一步考虑不同类型行人在火灾情形下的出口选择行为，建立了出口选择行为模 型。在考虑了火源影响及出口选择行为的社会力模型基础上，模拟并分析行人的 自组织行为、相关参数对逃生时间的影响以及人们在危急情况下的路径及出口选 择行为。 本文在已有社会力模型的基础上，分析了火源对行人逃生行为及出口选择行 为的影响，建立了考虑火源影响及出口选择行为的社会力模型，并模拟了不同火 灾场景中的行人逃生过程。改进的社会力模型的建立及模拟具有重要意义，能够 重现火灾场景中行人的逃生过程，揭示火源影响下行人的逃生规律，为建筑物的 出口布局、出口宽度设置等提供参考依据，提高火灾中人群的疏散效率、降低疏 散风险，并且降低火灾对逃生者造成的伤害，促使逃生者在火灾情况下安全逃生， 并为消防管理部门制定火灾应急疏散预案提供一些参考性意见。 t ： 6 ，t 一 1 4 研究内容与方法 1 4 1 研究内容 本论文首先总结了行人动力学模型的研究现状；阐述了行人流微观行为特性、 宏观流体特性以及行人流的自组织现象；详细介绍了社会力模型的基本概念、数 学模型及其应用。本文重点分析了在火灾情况下火源对逃生者的影响及行人的出 口选择行为，建立了考虑火源影响的行人逃生的社会力模型和出口选择行为模型， 并模拟不同的场景进行了数值模拟分析。 本论文主要研究内容安排如下： 第一章为绪论，主要阐述论文研究的背景，介绍行人动力学模型的国内外研 究现状，分析本文研究的目的、意义，明确研究的方法和技术路线。 第二章为行人流特性与建模，介绍行人流微观行为特性、宏观流体特性及行 人自组织现象，同时对社会力的概念、社会力模型的建模及应用进行详细描述。 第三章为考虑火源影响的行人逃生社会力模型，本章首先分析火源对逃生者 逃生心理和行为的影响，然后将火源类比于障碍物，考虑火源对人的排斥力、火 源对逃生者期望速度方向和期望速度大小的影响，建立了考虑火源影响的行人逃 生社会力模型。此外，根据建立的模型模拟分析单一出口的逃生者逃生过程。 第四章为行人逃生出口选择行为模型，本章首先分析在多出口条件下行人的 路径及出口选择行为，将行人的出口选择行为分为最优选择行为、最短路径选择 行为以及从众选择行为三类，并建立了相应的出口选择行为模型。基于最短路径 选择的行人主要考虑行人达到出口的走行距离，给出了考虑火源影响的走行距离 计算公式；基于最优选择行为的行人除了考虑走行距离，还考虑在出口处的排队 时间；基于从众选择行为的行人根据周围人群的走行方向进行走行。最后，将出 口选择行为模型引入考虑火源的社会力模型中模拟分析在不同的出口数量及出口 布局下的行人逃生特性。 第五章为结论与展望，总结本文所做的工作及研究成果，并提出进一步研究 的方向。 1 4 2 研究方法 本论文采用理论分析、建立模型和模拟分析相结合的方法。首先研究行人宏 观流体特性、微观行为特性，分析火灾情况下逃生者的心理与行为，并重点分析 火源对逃生者的影响以及在火灾情况下逃生者的出v i 选择行为，建立考虑火源影 7 响的社会力模型和出口选择模型，并模拟单出口和多出口条件下的行人逃生过程， 对相关的参数及结果进行分析。本论文采用的技术路线如图1 1 所示。 绪论研究现状 行人流特性与建模 行人流特性社会力模型 + 考虑火源影响的人员逃生社会力模型 人员逃生出口选择行为模型 + 结论与展望 图1 1 研究技术路线 f i g u r e1 1f r a m e w o r ko ft h ed i s s e r t a t i o n 2 行人流特性与建模 行人流特性尤其是微观行为特性是研究行人逃生问题的基础，它既是理论建 模的依据，也是模型检验和模型参数标定的基础。因此，在研究行人逃生动力学 模型之前，了解行人流特性是很必要的。 行人逃生行为的研究可以分为实证研究和仿真模型研究。实证研究一方面是 基于调查访问及记录录像分析在危急情况下的行人行为特性，另一方面是开展逃 生实验。基于调查访问的方法能总结逃生中行人个体的反应及选择行为等，但具 体场景中人的走行路径选择等行为不能被反映；基于录像的分析能够较好观察到 行人的各种宏观特性，但危急情况下的录像获取比较困难；而开展逃生实验由于 可能造成人员伤亡，危险性大，实施难度较高。仿真模型研究则通过理论模型进 行建模仿真，弥补实证调查方法的缺陷，同时能够更加直观的展现逃生过程，是 目前行人逃生行为研究的主要方法。 行人逃生微观仿真模型主要可以分为微观离散模型和微观连续模型两类。微 观离散模型如元胞自动机模型，其时间和空间被离散化，将行人放于网格之中， 并按照一定规则进行移动，此类模型计算效率相对较高，但是不能描述行人之间 的相互作用；连续模型如社会力模型，行人通过受力描述或动力学过程在二维连 续空间上移动，此类模型计算效率相对较低，但能较真实的反应行人的受力和运 动情况以及逃生过程的自组织现象，结果相对精确。本论文以社会力模型为基础， 研究火源场景中人的逃生行为及逃生过程，并考虑逃生的路径选择影响及受力影 响。 2 1 行人流特性 行人流是大量行人在一定区域内呈现出来的流体特性，宏观层面的流体特性 是由大量微观个体表现出来的统计特性。行人流特性包括行人微观行为特性和行 人宏观流体特性两方面。行人微观行为特性研究单个行人的特性如步行速度、个 人空间需求等。行人流宏观特性是将人群看作一个整体，按照流体力学模型对行 人流的流量、密度、速度特性及其相互之间的关系进行分析。同时，行人流还存 在分流、扰动等自组织现象。 9 2 1 1 行人微观行为特性 行人微观行为特性主要是指个体行人在移动过程中所表现出来的个体行为特 性，包括个体速度、个人空间需求等，受到性别、年龄、种族、身体状况、出 行目的等因素的影响。 行人个体速度是指个体行人在行进中的速度。从行人行为特征的角度，行人 速度可分为【4 2 】：期望速度、最高速度、实际速度等。期望速度是行人在没有其他 行人和障碍物干扰时，根据物理步行设施环境、自身身体素质和出行目的等条件， 期望达到的步行速度。期望速度也叫自由流速度，是个人的最大舒适度和最小的 能量消耗之间的一个平衡值。期望速度一般可以认作是行人的舒适速度，但是在 着急的情况下，行人的期望速度会高于舒适速度。最高速度是指在一定物理步行 环境下，行人依据自身条件能达到的最大步行速度。实际速度是指行人在具体的 物理交通环境中，受周围行人和建筑物的影响，实际行走的速度。实际速度问于 最高速度和零之间，不一定是期望速度。 行人个体速度受到行人自身属性和外界交通环境的影响。行人自身属性主要 包括步频和步幅。步频是行人在单位时间内行进的步数( 或双脚先后依次着地次 数) ，步幅是行人行走时每跨出一步的长度。速度等于步幅与步频的乘积，每个人 由于性别、年龄、种族、身体状况等的不同，具有自己的习惯步幅、步频，整体 表现为个人的习惯行走速度。外界交通环境主要包括行走环境状况、出行目的