（安全技术及工程专业论文）人员疏散的多作用力元胞自动机模型研究.pdf

摘要 机场航站楼、大型商业中心、仓库等全国多个重要场馆，指导了建筑的消防安 全性能化设计。 关键词：人员疏散，元胞自动机，c a f e ，s a f e g o ，相向流 i i a b s t r a c t a b s t r a c t l o n gb e f o r et h eh i s t o r yo fh u m a n ，i i r eh a sb e c 0 l eo n e o ft h em o s tp e 衄a n e n ta n d s e v e r ed i s a s t e r s b e s i d e sg r e a tl o s s e so f p e r s o n n e la n dp r o p e r t y ，f i r ea l s oe n d a n g e r st h e f i e l d ss u c ha se n e 略y ，r e s o u r c ea n de n v i r o n m e n t f i r eh a sb e e ng e t t i n gi n c r e a s e da l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m y s a f e t yp r o b l e m sa r eg e n i n gm o r e a t t e n t i o n s m a te v e rb e f o r e h o wt op r e v e n ta n dr e d u c et h ei n j u r i e sa n dd e a t l l sh a sb e e nm e m o s t i m p o n a n tt h j n go nm ei n l p o n 锄c el i s to fp u b l i cs a f e t y e x p l o r a t i o na n dd i s c o v e d ro f t v p i c a lc h a r a c t e r sa j l df u n d 锄e n t a lm l e so fp e d e s t r i a ne v a c u a t i o n ，a n dd e s i g ng u i d a n c e o fb u i l d i n g sa n dp u b l i cp 】a c e sa r em a i nm e t h o d si n6 r ed i s a s t e rp r e v e n t i o n t h e r ce x i s ti n t e r a c t i o n sa m o n gp e d e s t r i a l l sa n db e t w e e np e d e s t r i a na n d e n v i r o n m e n ti ne v a c u a t i o n t h e s ei n t e r a c t i o n si n c l u d i n ga t t r a c t i o n ，r e p u l s i o na i l dm c t i o np l a y k e vr o l e si nh u m a ne v a c u a t i o nb e h a v i o r s ，s p e e da n de m c i e n c y s o c i a lf o r c em o d e l ， am u l t i p a n i c l es e l f - d r i v e nm o d e l i n o d u c e di nr e c e n ty e a r sc a nr e p r e s e n tt h o s et t l r e e f b r c e sb u tw it h1 0 ws i m l l l a t i o ne 所c i e n c yb e c a u s ei ti sac o n t i n u o u sm o d e lw i t hc o m o l e xr u l e s 。d i s c r e t em o d e l s ，w h i c hh a v e b e e ns t u d i e dw i d e l y s u c ha sc e l l u l a u ra u t o m a t a m o d e la n d1 a n i c eg a sm o d e l ，h a v es i m p l em l e sa n dh i g hs i m u l a t i o ne 衔c i e n c y b u t t h e i rs i m u i a t i o nr c s u l t sa r ef 打f i o mp r e c i s e n e s sa i i dr e l i a b i l i t yb e f o r ei n f l u e n c eo fi n t e r a c t i o n sa b o v ei sw e l lm o d e l e d a i m i n ga tt h a t ，h e r ew ei n t r o d u c ean e wc e l l u l 雒 a u t o m a t am o d e lc a l l e dc a f eb a s e do nt r a d i t i o n a lm o d e l s ，i nw h i c hr e p u l s i o na n d 衔c 。 t i o na r em o d e l e dqu a n t i t a t i v e l y i ti si n d i c a t e dt h a tr e s u l t sf r o mc a f em o d e lc o n s i s t w e l lw i t ht h o s ef r o ms o c i a lf o r c em o d e lo nm a n ya s p e c t ss u c ha sh u m a nb e h a v i o r s ， e v a c u a t i o nt i m ea n dt h e “f a s t e 卜i s s l o w e r p h e n o m e n o n ，b u tw i mh 培he 硒c i e n c y f o rm ep u 印o s eo fq u a n t i f i c a t i o no fp e d e s t r i a n sv i e wf i e l dr a n g e ，w eg a v ei n d e p t ha n dm e t i c u l o u sa n a l y s i so ft h ec l a s s i cp h e n o m e n o n b i d i r e c t i o n a l m o v e m e n t ，i n t 1 1 ei n t e n t i o na st h ee x p a n s i o na n dp r 。c i z a t i o no fc a 正琶m o d e l w ei n t r o d u c e d t w oc a r n o d e l s ：o n ew i me x t e n d e di n t e r a c t i o nr a d i u s ，t h eo t h e rw i t ht 1 1 et r a m cm l eb r e a l d n g e f f e c t a n di t sf o u n dt h a t ：t h ec r i t i c a le n t r a n c ed e n s i t yd o e sn o td e p e n do ns y s t e m s i z e ；p a u r a m e t e r ss u c ha sc r i t i c a ib l o c k a g ee n t r a n c ed e n s i t y m o v e m e n tv e l o c i t ya n d t t l a b s t r a c t i t sc h a n g et r e n d ，c h a n n e lo c c u p a n c y ，d e r n o n s t r a t ea no b v i o u sc h a n g ec o m p a r i n gw i 也 t h ec l a s s i c a lm o d e l ；p e d e s t r i a nm o v e m e n te f f i c i e n c yr i s e s r e s e a u f c ho nc o u n t e rf l o w m o d e lc o n s i d e r i n gt r a 伯cm l eb r e a k i n gs h o w st h a t ：t h ed e f a u l tt r a 衔cr u l ei sn o ta l w a y s p o s i t i v et ot h ec o u n t e rf l o wi na l ls i t u a t i o n s i td e p e n d so nt h eg a m er e s u l to ft h e s e t w oo p p o s i t es i d e s ：t ou s et h ec h a n n e lw i d ma sm u c ha sp o s s i b l ea n dt oa v o i dt h e i n t e r f e r e n c ef t o mt h eo t h e rg r o u pa sf a ra sp o s s i b l e t h e nb a s e do nt h er e s e a l r c hw o r k ，w ed e v e l o p e dap e d e s t r i a ne v a c u a t i o ne v a l u a - t i o ns o f t w a r en a m e ds a f e g o ( s o f t w a r ec o p y r i g h tn o 0 4 9 0 51 ) f o rm ep e r r f o 咖a n c e b a s e da s s e s s m e n to fb u i l d i n g s a n di t sb e e nu s e dw i d e l yf b rb u i l d i n g s f i r ep r o t e c t i o n s a f e t yp e r f o 咖a n c ed e s i g no nm a n ya p p l i c a t i o n s ，s u c ha s0 l y m p i cs t a d i u m ，t h ep o t a l a p a l a c e ，q i n s h a nn u c l e a rp o w e rp l a n t ，a i 叩o r tt e n n i n a lb u i l d i n g s ，s h o p p i n gm a n sa n d s t o r e h o u s e s k e y w o r d s ：p e d e s t r i a ne v a c u a t i o n ，c e l l u l a ra u t o m a t a ，c a f e ，s a f e g o ，c o u n t e rf l o w i v 符号表 符号表 火灾探测时间 人员反应时间 人员疏散运动时间 编号 质量 时间 期望速度大小 期望速度方向 实际运动速度 行人加速到期望速度所需时间 行人i 与j 之间的摩擦力 行人i 与墙之间的摩擦力 位置矢量 速度矢量 距离 切线方向 法线方向 空间步长 时间步长 2 计算复杂度 元胞状态 人流密度 v m p 忧 ”m。 v e r向r u d 缸址叩o p 符号表 z 可 n ( i = 1 ，2 ，训) ，1 0 = l ，2 ，伽) y q 伊 甑| 死 n 五 j 3 弘 m n z d 兄 c s l 硒 0 玎 l ( u ) p c d 1 d 2 元胞坐标点 三种情况下的排斥概率 三种情况下的摩擦概率 相对速度 硬度系数 摩擦系数 人流持续时间 堵塞持续时间 发生频率 连续出去的两个行人的疏散时间差 出口人流速 摩擦因子 行人的最大行走速度 前向偏向因子 作用半径 元胞 元胞静态域信息 元胞间相互作用与距离的函数 元胞间相互作用与占据信息的函数 通道宽度 通道长度 人群平均速度 通道占有率 非对称因子 前向偏向因子 切向偏向因子 符号表 r 。 d 现 下标 让df7 c t u 违反交通规则的概率 遵守交通规则的最大距离 违反交通规则的程度 上下左右四方向 临界值 墙 v 插图 插图 1 1 通用的人员安全疏散时间判据 3 1 2 引起行为改变的过程示意图6 1 3 元胞自动机邻域的定义8 1 4 元胞自动机模型中行人的移动方式 9 2 1 三类排斥力的出现情况1 5 2 2 三类摩擦力的出现情况 1 6 2 3 拱形( 模拟截图) 1 8 2 4 人流持续时间丁，的幂律分布 1 9 2 5 堵塞持续时间死的幂律分布 1 9 2 6 连续出去行人的疏散时间差的幂律分布 2 0 2 7 连续人流的规模分布( 1 ，= 3 m 5 ) 2 l 2 8 快即是慢现象2 2 2 9 不同期望速度下的出口流量j 1 ， 2 3 2 1 0 不同期望速度下的行人疏散时间分布 2 3 2 1 l 不同出口宽度下的疏散时间2 4 3 1 右行行人的转移概率矩阵配置 2 9 3 2 作用半径示意图及s 值的计算 3 0 3 3 我们模型中通道内相向行人流示意图 3 2 3 4 随机行人模型下( u ) 及p 随p 的变化关系图 3 3 3 5 冠= 2 时( ) 及p 随p 的变化关系图 3 4 3 6 尼= 5 时( t ，) 及p 随p 的变化关系图 3 5 3 7 临界总入口密度p 。随通道宽度的变化关系图 3 8 3 7 临界总入口密度p 。随通道宽度的变化关系图( 续) 3 9 3 8 不同非对称因子下( u ) 随p 的变化关系图 3 9 3 ，8 不同非对称因子下( u ) 随p 的变化关系图( 续) 4 0 3 9 不同非对称因子下j d 随p 的变化关系图 4 l x v 插图 3 9 不同非对称因子下p 随p 的变化关系图( 续) 4 2 3 1 0 ( u ) 和p 随非对称因子c 的变化关系图 4 3 3 11 新的0 i j 策略4 4 4 1 显式分隔线 4 7 4 2 隐式分隔线4 7 4 3 有分隔线通道内行人相向流模型a 示意图 4 8 4 4 模型b 示意图4 9 4 5 模型c 示意图4 9 4 6 模型a 中不同系统尺寸下( u ) 和p 随p f 变化图 5 1 4 7 模型b 中( u ) 和p 随r 凹的变化关系图 5 2 4 8 模型b 中( u ) 和，随肌的变化关系图 5 5 4 9 疏散过程中的典型模式5 6 4 1 0 分隔线在通道宽度7 9 位置处的情况对比 5 7 4 1 1 分隔线在通道宽度7 9 位置处的模拟截图5 8 4 1 2 无分隔线时的模拟结果 5 9 4 1 3 模型c 中( u ) 和p 随也的变化关系图 6 0 4 1 4 模型c 中( u ) 和p 随鼽的变化关系图 6 1 4 1 5 模型b 和c 的统一比较图 6 2 5 1某建筑某层c a d 设计图6 3 5 2 导入建筑结构图 6 4 5 3 建筑结构的网格处理6 4 5 4s a f e g o 运行界面6 5 5 5 s a f e g o 多层疏散示例 6 5 5 6 s a f e g o 软件著作权6 6 5 7 “中厅烟气不侵”设计方案示意图 6 8 5 8 1 层0 秒7 0 5 91 层1 5 0 秒7 0 5 1 01 层3 0 0 秒7 0 5 1 11 层4 2 0 秒7 0 5 1 25 层电影院0 秒7 1 x v i 插图 5 1 35 层电影院1 5 0 秒。7 l 5 1 45 层电影院3 0 0 秒。7 i 5 1 55 层电影院4 8 0 秒7 l a 1 第三教学楼在西区的分布 8 6 a 2 西区第三教学楼示意图 8 7 a 3 东区2 2 l 学生公寓楼示意图 8 8 a 4 东区2 2 1 学生宿舍楼疏散9 6 a 5 西区第三教学楼疏散 9 6 x v 表格 表格 1 1 1 9 5 0 年至今火灾情况 1 2 1 三种模型的比较 2 5 5 1 整层疏散时间 7 2 a 1 教室负责人安排 9 4 a 2 数据采集摄像机摆放及拍摄位置9 4 a 3 中国科技大学疏散演习表 9 5 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工 作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即： 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：爰霉变 矽年汨乒日 第1 章引言 第1 章引言 1 1疏散研究的意义 火的使用是人类的伟大创举之一，它推动了人类的进化过程，是人类发展 史上一个重要的里程碑。然而“水能载舟，亦能覆舟”，火也一样，旦失去控 制，便会危害自然资源和人民的生命财产，酿成灾难。近二十年来，随着国民 经济的发展火灾呈现出明显增加的趋势，安全问题也越来越引起了人们的关 注。 2 0 世纪8 0 年代初，全国每年火灾造成的直接经济损失为3 亿元左右， 到9 0 年代末，每年因火灾造成的经济损失达1 0 亿元之多。近年来，由于生产、 生活活动人员相对集中，技术、资金相对密集，火灾规模、次数与损失持续上 升( 表1 1 ) 。1 9 9 7 年北京东方化工厂“6 2 8 ”爆炸灾害，死伤4 8 余人，直接经济 损失1 1 7 亿元；2 0 0 0 年河南洛阳东都商厦“1 2 2 5 ”特大火灾，死亡3 0 9 人，直接经 济损失2 7 0 万元；2 0 0 3 年湖南衡阳衡州大厦大火，2 0 名参加救援的消防队员殉 职，受伤1 6 人，是新中国成立以来死伤消防队员最多的火灾；2 0 0 4 年吉林中百 商厦特大火灾，造成5 4 人死亡、7 0 人受伤、直接经济损失4 0 0 余万元。2 0 0 6 年 全国共发生火灾2 2 2 万起，死亡1 5 1 7 人，受伤1 4 1 8 人，直接财产损失7 8 亿元； 去年全国共发生火灾1 5 9 万起，死亡1 4 1 8 人，受伤8 6 3 人，直接财产损失9 9 亿 元【l 】。 表1 11 9 5 0 年至今火灾情况【1 ，2 1 年度起数( 起) 死亡( 人) 致伤( 人) 损失( 万元) l9 5 0 19 5 96 0 0 2 5 92 8 6 4 06 4 7 5 46l2 6 9 5 1 9 6 0 1 9 6 9 7 2 9 4 0 54 5 0 0 07 9 3 4 81 3 5 5 6 5 1 9 7 0 1 9 7 97 9 4 5 6 l 4 3 6 5 91 8 7 7 6 02 4 2 8 8 9 6 1 9 8 0 1 9 8 93 7 6 3 7 31 8 6 6 4 3 3 8 4 73 2 2 2 6 7 8 19 9 0 19 9 96 2 9 5 0 72 3 7154 3 9 4 49 6 5 5 4 4 2 0 0 0 一2 0 0 71 7 8 8 5 6 31 8 2 1 92 2 4 4 21 0 8 5 7 7 3 第l 章引言 人是社会活动的主体，是物质财富的创造者和支配者，人的生命是最宝贵 的，因此安全问题的首要目标是保证人的安全，世界各国的消防政策也是以保 护人员的生命安全为主。在火灾等紧急情况下，安全疏散是保证人员安全的 重要保障。1 9 9 4 年克拉玛依“1 2 8 ”友谊馆大火，安全出口在关键时刻没能起 到应有的作用：疏散时没有遵循必要和正确的原则，致使逃生的人们拥挤在 出口处，疏散效率极低，终酿惨剧。与之形成鲜明对比的是2 0 0 1 年美国世贸大 厦的“9 1 l ”事件，在断电、浓烟的情况下，世贸大厦里至少有1 8 万人在一个半 小时之内。成功地从两栋1 1 0 层的摩天大楼里安全疏散。除了成熟的安全疏散 指示标志系统，良好的疏散秩序和正确的疏散方法也起了重要的作用。但同 时也应当看到，即便是9 1 l 事件的疏散中也出现了导致疏散效率降低的人群行 为：在疏散人员选择疏散楼梯时出现了三个疏散楼梯利用不均匀的现象，其 中有一架疏散楼梯只有极少数人利用【3 】。 在大量的案例中可以发现，疏散中出现的火灾对人的伤害、拥挤、堵塞和 资源使用不平衡是降低疏散效率、导致人员伤亡的重要原因。如何有效预防 和减少火灾人员伤亡，尤其是防止群死群伤火灾事故的发生，已成为当前国 内外公共安全工作的重中之重。以上这些重大人员伤亡案例都与人员疏散密 切相关，为了充分保证人员的安全，人员疏散策略必须综合考虑紧急状况下 外界环境因素和人员自身的心理变化，以获得最佳的疏散效率。要达到安全 疏散的目标，就必须针对这些问题开展研究。2 0 0 8 年将在北京举办奥运会，在 奥运期间，各体育场馆都是人员极其密集的地方，如何保证在万一出现突发 意外事件的情况下进行科学、有效的疏散是一个亟待解决的课题。研究紧急 条件下人员疏散过程的行为特征尤为迫切和重要。而我国在这方面的研究才 刚刚起步【4 】。 1 2 人员安全疏散准则 火灾安全设计和评估中，我们通常比较可用的安全疏散时间( a s e t ，a v a i l a b l e s a f ee s c a p et i m e ) 和必需的安全疏散时间( r s e t ，r e q u i r e ds a f ee s c a p et i m e ) ， 以此来评价建筑物的安全性能( 图1 1 ) 。保证建筑物内人员安全疏散的关键 是r s e t 必须小于a s e t 。 可用安全疏散时问a s e t 是指从起火时刻到火灾危急人员安全的极限状 态【5 】的时间，主要取决于建筑结构、火灾探测、灭火设备等。必需安全疏散 2 第l 章引言 k 一可用安全逃生时问( a s 田t 一 -i i k 一必需安全逃生时问限s e l ) 一 ： - i i 图1 1 通用的人员安全疏散时间判据 时间r s e t 是指从起火时刻起到人员疏散到安全区域的时间，包括火灾探测时 间( 亡。l d m ) 、人员反应时间( ，。印) 和人员疏散运动时间( 一。) ， 兄9 e t = 4 f 口r m + 亡，p + 亡m 伽。( 1 1 ) 火灾探测时间主要取决于火灾发生条件、周围环境及探测系统特性，通 常采用火灾蔓延模型以及探测系统的特性可以进行计算和预测。人员反应时 间则与人员的心理行为特征，年龄、对建筑物的熟悉程度、反应灵敏性、集群 特征相关，通常采用统计方法或者进行社会心理学方面的分析获得。人员疏 散运动时间主要取决于人员密度、人员疏散速度、安全出口宽度等，早期通过 简单的经验公式 6 】来计算，当然这些经验公式大多比较粗糙，对场景过分简 化，而且不能反映疏散的细致动力学演化过程，通常仅适合于人数不多，场景 不复杂的建筑内人员疏散运动时间的粗略估计。近年来随着计算机科学技术 的发展，人们发展了很多计算模型来对人员行为和疏散时间进行模拟与预测， 精度和适用性大大提高。 1 3 人员运动时间计算的经验公式 1 3 1 t o g a w a 公式 t 0 9 a w a 经验公式【7 ( 公式1 2 ) 主要应用于人员密集型场所中人员运动时 间的计算。主要包括两个时间要素，即人流时间和穿行时间。人流时间表示人 群经过楼梯等的排队时间而穿行时间则是指人员穿过楼梯等的纯运动时间。 3 第1 章 引言 e = 貉+ 等 2 ，t m 鲫e = 告+ 罟( 1 2 ) 叫u y 其中，肌：待疏散总人数；k ：最后一个出口与疏散队列最前方行人的距 离：叫：有效出口宽度；c ：通过疏散出口的单位流量( 人m s ) ；y ：人群的行 进速度。 t o g a w a 经验公式可以比较方便地计算采用楼梯的建筑物内人群的最短疏 散时间。 1 3 2m e i i n e k 和b o o t h 公式 该人员疏散经验公式由m e l i n e k 和b o o t h 两人提出【8 】，主要用来计算多层 建筑的人群最短总体疏散时间。和t o g a w a 经验公式一样，m e l i n e k 和b o o t h 的经 验公式中的安全疏散时间也是由人流时问和穿行时间两部分组成，具体如公 式1 3 所示 mj ， t m 叫。一，= 鼍+ 7 如 ( 1 3 ) 其中，m 鲫。一，：r 层及其以上楼层的最短疏散运动时间；腿：第i 层的人数；叫r ： 第r 一1 层和第r 层之间的楼梯间的宽度：c ：单位楼梯宽度上的人流速率；t 。： 行人自由运动到下一层楼梯所需时间。 1 4 人员疏散模型与计算 对于火灾中人的行为研究始于二十世纪7 0 年代，1 9 7 7 和1 9 7 8 年分别在 伦敦s u r r e y 大学和n i s t 举行了“火灾中人的行为”的第一届和第二届国际研 讨会。从那时到现在为止的三十年间人员疏散研究已经取得了大量的研 究成果，研究者们对火灾中人的行为积累了大量的知识 9 ，开始研究人的 行为模型和人员疏散模型。据g w y n n e 等人的统计 1 0 】，当前国际上已经建 立的人员疏散模型大约有二十余种。s i m e 等人提出的人员反应避难疏散 模型( 0 r s e t ) 【l l ，1 2 】详细分析了火灾中人的行为及其变化。类似的模型 还有e x o d u s 【1 3 】、s i m u l e x 【1 4 】、h a z a r d 【1 5 、e x i t 8 9 【1 6 】等，它们适用于 不同的场合，有些已经实现了工程应用。h e l b i n g 等人提出的社会力( s o c i 址 f o r c e ) 模型【1 7 ，1 8 】是近年来出现的建设性模型，它可望解决人员疏散过程中 的不连续、非线性复杂行为。 4 第1 章引言 目前，人员疏散模型的建模方法大体上可分为三种：一种是宏观的方法， 即把行人视为连续流动介质，因为现代人员疏散研究是从交通流的研究中 分化出来的，因而也就很自然地继承了流体研究中已经完善和成熟的方法。 最早的宏观模型是由h e n d e r s o n 提出的，他认为行人的运动行为类似于气体或 液体的流动【1 9 2 1 】，行人行为的气态动力学方程与b o l t z m a n n 方程相似，不过 它考虑了行人之间的相互影响和行人的目的。h u 曲e s 【2 2 ，2 3 】采用连续介质理 论( c o n t i n u u mt h e o d ，) 研究大型人群的运动特征，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和行人避免向高密度人群运动的方程， 该模型成功地解释了麦加朝圣中的人群的运动状况。一种是微观的方法，它 把行人视为相互作用的粒子，其中最为著名的就是h e l b i n g 的社会力模型。再 一种就是介观的方法，它在宏观和微观中取折中，如格子气( l a t t i c eg a s ) 模 型【2 4 1 和元胞自动机( c e l i u l a ra u t o m a t a ) 模型【2 5 】。 1 4 1 社会力模型 社会力模型基于多粒子自驱动系统的框架，最早由h e l b i n g 等人【1 7 】提出。 该模型直接对行人个体建模，使行人表现出一定的思考能力和对周围环境做 出反应的能力，甚至考虑了行人的冲撞、挤压、恐慌和可视范围等因素，使得 这一模型成能对一些行人动力学中出现的典型现象进行模拟，如行人带的自 动形成、堵塞等。h e l b i n g 等人【1 7 】用图1 2 描述了人们行为决策的过程。感观上 的刺激引起人的行为上的反应，该反应依赖于个人目标实现和按照最大效用 原则所做的行为权衡。行人在疏散过程中受到来自环境( 建筑物、火灾等) 和 其它行人的社会、心理、物理层面上的相互作用。h e l b i n g 等人把这些称为“社 会力”，正是由于这些“社会力”的作用，才会引起人的行为的改变，即速度矢 量的改变，从而影响人们的疏散决策过程。根据这种“社会力”的作用，运用经 典的牛顿力学规律建立受力平衡方程进而模拟求解。 假定行人受到社会心理和物理的作用。一个质量为m 的行人 ，期望以大 小为v 。，方向为e i 的期望速度疏散。因此，他会在疏散中不断地调整自己的实 际速度v 加我们假定其可以在死时间内加速到y i 。行人与墙和其它行人之间具 有排斥力和摩擦力，距离越近排斥力越大，切向相对速度越大摩擦力越大。 人与人、人与墙的作用力用厶和 来表示。在时间亡内速度的变化可以用公 5 第l 酲卅嚣 冀囊；囊藤誓竖霪薹茎羹蒙蓥雾塑薹羹越堙趔河蟛! 鬻瞄霉盘霜蜊赫； 照粤耄三鏊蓦拶崩雾? 萋羹：雾菱萋奠| | | | 一釜要妻莺墼囊拿害丝 丛薹掣等薹墓。耋霆舔滗霭霪m 礅致奏篓度蒌谨戛些霪噶循沥1 雨天茹蓐”； 忿泽郅霎彭勋鄂僦羹薹递曩薹砉 l 亍曼斟薹他；引磐蠢雕咝篆萋t 翁蹦酱荩丰t 看半 径歹莉时前i i 奏一季| ! ；酮割碰j | 酒硐 乌 ) 俪悄雾非霎| ；誓_ b 霎垂嚣副霉曩斟i 蓐蚓 掣符瑞薹臻璀塑蓠藐驷氍嚣乍雍舞衍已奏怪；萋薹苷争毒i 羹雾；蚕萋；直堕雾望翌萨轧 掣i 薹i ! | ；牵塞囊辇l 蓁r 藿璧! l 雾酐基鳓篙雾霸萋磊黧攀；鼗萋萋冀霎霎! 姜掌? 薹；萋薹霎宝萋蓁冀 一蒌萎捌薹鍪| 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i g h b o r h o o d ) ：每个元胞的下一个时间步的状态是由当前时刻 7 第1 章引言 曙 i _翻 龋 酾 孓。铴 匿，j 豳 悠迸i? 瑚 豳 v o nn e u m a n n 邻域 m o o r e 邻域 图1 3 元胞自动机邻域的定义 它自身以及其邻域内所有元胞的状态共同决定的。图l ，3 给出了v o n n e u m a n n 和m o o r e 两种邻域的定义。 3 时间步( t i m e s t e p ) 和规则( m l e ) ：每一个时间步内，所有元胞的状态是 同时发生变化的，即状态是并行更新的。变化遵循的规则为： o ：+ 1 = ，( n ：，q ：+ 1 ，n ：+ 2 ，n ：+ 礼) ( 1 7 ) 其中，t 为当前时刻，n ：为当前时刻元胞i 的状态，映射，与i 和t 都无关。 称。厂为元胞自动机的局部映射或局部规则。一般可以通过制定不同的规 则来满足实际应用的需要，例如，对于交通流问题中的最简单的一维模 型来说，它采用的规则就是、l f r a m 【2 6 ，2 7 的1 8 4 号初等元胞自动机。 每一个时问步，重复这样的规则，周而复始，从而实现元胞状态的不停 更新，直观看来，好像元胞在“自动”运动一样。 人员疏散模拟研究通常采用的经典元胞自动机模型中，考虑到行人身体 的尺寸，每个格点被设计为0 4 m o 4 仇。每个行人都可以以一定的概率向他 的四个相邻格点行走，或者静止不动，如图1 4 所示( 向下为前进方向) 。当向 四个方向行走的概率不相等时，称为有偏行走，其中的行人称为“有偏行走 者”。格子气模型与元胞自动机模型在基本规则方面非常相似。 1 5 本章小结 宏观方法忽略个体的作用和个体间的差异，可以利用现成的流体力学的 研究成果，比较容易着手，但由于疏散系统是有明确相互作用的多个相似个 体的群集行为，系统组成元件( 个体) 性质的简单叠加并不是系统的性质，即 8 第2 章考虑摩擦与排斥的元胞自动机模型 第2 章考虑摩擦与排斥的元胞自动机模型 在人员疏散过程中，人与人之间、人与环境( 如建筑物) 之问存在相互作 用力，包括吸引力、排斥力和摩擦力。三种力对人员疏散的行为、速度和效率 起着关键作用。 如何快速高效地紧急疏散有着重要意义。然而现存疏散模型要么计算效 率不高，要么无法重现人群疏散的一些很重要行为。以往的模型对吸引力给出 了较好的描述，对排斥力和摩擦力的定量描述还不完善。近年来提出的一种 多粒子自驱动模型社会力模型，可以较好地体现三种力的作用，但由于它 是一种连续型模型，运算的速度较慢并很难得到改善。目前研究较多的离散 型模型，如元胞自动机模型和格子气模型等，可以达到较高的运算速度，但很 难考虑摩擦力与排斥力的作用，造成运算结果误差较大。针对这种情况，我们 在经典元胞自动机模型的基础上，量化确定了摩擦力和排斥力的运算规则，提 出了一种新的元胞自动机模型：多作用力模型( c a f e ，c e l l u l a ra u t o m a t aw i t h f c r c ee s s e n t i a l s ) 。将其性能与h e l b i n g 等人的社会力模型进行比较，运算结果表 明，c a f e 模型在人员行为、疏散速度以及“快即是慢”效应等方面都可以得到 与社会力模型相同的结果，而运算速度则与普通的元胞自动机及格子气模型 相当，比社会力模型大为提高。 2 1 引言 目前，国内外对交通流问题已经进行了广泛的研究，并取得了建设性的成 果【2 8 _ 3 l 】。近年来，与交通流密切相关的行人流问题越来越引起研究者的关 注。行人流是由相互作用的行人构成的多主体系统，其动力学特性与交通流 相似。人与人之间具有局部的相互作用，这些局部的、个体间的相互作用规律 影响着整个行人流的复杂的整体行为，如拥挤、堵塞和失调等等。人员疏散是 在火灾等紧急情况下发生的一种特殊的行人流现象【3 2 ，3 3 】。与自由行人流相 比，人员疏散往往具有明确的目标( 即疏散出口) ，当人流向着同一个既定目 标运动时，人与人之间存在的相互作用就变得更为突出和明显；人员疏散往 往是由某种危险情况引起，人员往往处于恐慌之中，运动中可能出现更多不 1 1 第2 章考虑摩擦与排斥的元胞自动机模型 人【5 0 】将一种有偏格子气模型应用于分析一个教室的人员运动情况，通过与拍 得的录像资料进行对比发现，在人员密度较小的情况下，格子气模型可以得 到与实际情况接近的结果。总的来说，离散型模型在人员密度小的情况下可 以得到正确的结果，但是在人员密度较大时，很难得到可靠的结果。 待疏散人群的行为、心理等特征对于人员疏散的结果有着重要的影响，尤 其是在人员比较密集的出口处，人与人之间、人与建筑结构( 门、墙) 之间的 相互作用强度增大，人员疏散行为变得复杂化。为了反映这一特性，h e l b i n g 等 人用主动行人模型【3 5 1 描述了行人的追随现象，用社会力模型【1 7 ，1 8 】展现了疏 散过程中的人员堵塞现象，研究表明行人流动力学所表现出来的各种集群效 应是由于行人个体之间的非线性作用而引起的。社会力模型是一个多粒子自 驱动模型，后被p a r i s i 【5 4 】分析，经l a k o b a 【5 5 】改进。行人被视作模拟社会行为 的长程力作用下的粒子，其运动由一个主方程描述，方程涵盖了粒子受到的 各种外力，包括身体上( 物理上的直接接触) 及心理上( 社会作用力)