用元胞自动机模型模拟人员紧急疏散过程

摘要

21世纪，随着全球经济一体化的不断推进，国与国、城市与城市之间的政治、经济、文化等合作交流日益频繁。世界各国城市化进程不断加快，城市人口规模不断扩大，各公共场所成为了人群聚集的高密集区。一旦紧急事件发生，由于人群的拥挤踩踏极有可能造成大量人员的伤亡，因此安全隐患问题已成为了人们关注的重点。近年来，越来越多的科学家通过计算人员离开危险区域所用的时间及分析人员在疏散过程中的心理、生理等因素的影响进行研究，以便对建筑物的结构合理化设计、安全防范管理，提出科学化改进建议。 本文的工作共分为四个部分：第一部分，简单介绍了元胞自动机（CA）模型原理及实际应用的情况，为后期工作打下扎实的理论基础。第二部分，引入格点吸引度的概念建立了人员疏散元胞自动机模型，对建筑物走廊内的人员疏散过程进行了模拟研究，计算机数值模拟结果表明，此模型能很好地再现行人在走廊的疏散全过程，各房间内的行人疏散时间有明显的差异，房间出口宽度对整个疏散的影响较小，而房间出口位置对疏散的影响较大，房间出口越靠近走廊出口方向越能缩短疏散时间。走廊宽度对疏散也起着较大的作用，且满足 Tc∝ W? 0.872的关系。本次计算机模拟研究的结论为行人安全疏散的研究及建筑物的设计提供了有益的参考。第三部分，真实的紧急情况下，人员疏散具有灵活性、多样性，行人一般情况下会采取多方向、多速度的运动行进，因而六方格子CA模型比四方格子CA模型更能真实的再现行人疏散的过程，反映建筑物的出口宽度、出口位置对行人流疏散的影响。通过两类模型模拟对比，行人在疏散过程中为了更快地逃离房间可以考虑往多个的方向运动，但是要最大限度地避免出现阻塞，并尽快减少出现阻塞的区域，这样更有利于疏散。第四部分，采用Von-Neumann邻居及扩展的Moore邻居并通过改变更新时步的方法实现了多速混合行人流的建模，对双出口房间内的三种不同最大速度行人的疏散过程进行了模拟研究，计算机数值模拟结果表明，该模型能很好地再现了混合行人流的疏散全过程，各类行人在疏散过程中出现较大差异，行人混合比例对疏散产生较大影响，慢速行人所占比例越大，平均疏散时间越长，系统的疏散时间主要取决于房间内快速行人所占的比例。因此，适当的房间出口宽度和合适的出口位置能明显地提高疏散效率。 对行人疏散领域的研究具有深远的意义，通过对特定场所内计算模拟人员的运动轨迹，数据分析整理，对保证人员安全措施提出宝贵的方案。根据方案，设计者对建筑物的整体结构进行合理化设计，做到承受量、突发事件通道人流量、疏散控制时间等到达一个比较满意的数值；安全部门制定安全防范措施，提高人们的安全意识，减少不必要的人员伤亡。 今后行人流领域的研究工作是在危险场景下，处于恐惧状态的行人其心理特征和生理特征对疏散过程的影响，有待进一步深入研究讨论。