考虑人员运动特征变化的行人动力学场域元胞自动机模型研究

摘要

大规模人群的聚集现象在现今的工作和生活中很常见。例如音乐会和体育赛事的观众，铁路和地铁站的乘客以及大型办公楼的员工。为确保人员的安全和舒适，需要精心设计行人设施以便进行良好的人群管理。此外，在发生火灾、煤气泄漏或炸弹威胁等紧急情况时，科学合理地布置引导设施，建立疏散方案对行人安全高效撤离至关重要。一般而言，行人在行进过程中除了由于年龄、性别、携带行李等带来的运动能力差异外，也会因为体力消耗或者环境变化等出现运动能力的改变。而更加精细化地区分行人运动能力的差异，考察行人在疏散过程中运动特征的变化将有利于提高行人的通行效率。本文采用计算机模拟作为主要的研究手段，考虑人员的运动行为特征变化，针对通道内行人流与房间内人员疏散开展研究，旨在为发展高效优化的疏散方法提供理论与技术支撑。
　　模拟行人运动在统计物理学和计算物理学中都是一个有趣的问题。元胞自动机以其高效的计算效率，良好的拓展性成为了进行模拟研究的基础模型。更新模式是用于管理元胞模型中行人更新规则的时刻表。通常，不同的更新模式会使模型以不同的方式运行。为了更好地在模型中体现运动特征的差异与变化，应该对更新模式仔细校准。因此，本文研究了四种不同的更新模式，即并行/同步更新、随机更新、顺序更新和随机顺序更新对行人动力学的影响。针对多速度元胞自动机模型在不同更新模式下表现出的计算效率、疏散时间、密度分布、参数适应性等的差异做出了详细的分析和讨论。发现并行更新是唯一考虑了冲突检测与冲突解决的更新模式，这导致它与其他更新模式有很大的不同。对于行人疏散，并行更新模式使得疏散时间增加，也增强了不同期望速度的行人之间的疏散时间差异。面对像出口处这样的疏散瓶颈，使用并行更新模式会导致更长的拥堵期、更大的拥堵面积和更分散的密度分布。当模拟具有高期望速度的行人流时，在四种不同的更新模式下，出口流量、密度和速度的时空分布具有显着的差异。在模拟中，更新模式对障碍的复杂环境的适应性差别不大，也不会对行人跟随他人的倾向性产生影响，但顺序更新和随机顺序更新模式会增强行人对环境的熟悉程度。
　　作为行人运动中运动能力随疏散时间变化的典型现象，疲劳效应对行人运动有很强的负面影响，特别是当行人处于携带行李，抢救伤员，爬楼梯等情况下时。根据现场观测和以往的研究经验，疲劳系数在本文中定义为期望速度的降低。然而，前人的研究缺乏疲劳效应对行人速度影响的定量分析。因此，本文首先在三种不同的条件下进行了一系列行人实验以获得疲劳系数、平均自由速度和步行距离之间的经验关系。然后将行人疲劳系数的经验公式利用动态的速率比引入到多速度场域元胞自动机模型中，用以进行在疲劳效应下的行人动力学分析。研究发现疲劳人数比例、入口流量和行人的初始期望速度对自由相中通道内的实际流量有显着影响。随后通过对行人密度与速度的时空分布的详细探讨，分别研究了有无疲劳效应时通道从自由流动阶段到拥堵阶段的相变过程。同时发现，如果在高密度区域中存在一定比例的负重行人，则可以观察到系统中的“密度波”。“密度波”的振幅在入口位置附近达到最大值，并在向着出口的方向逐渐减小。
　　多向流作为行人运动能力随疏散环境变化的典型现象，虽然人们在通道设计中尽量避免不同方向行人的接触，但是双向流、垂直交叉流等仍然十分常见，尤其是在各种交叉路口。在实验和观测中，多向流中可以发现非常明显的渠化现象。其效果可以理解为一种自组织过程，行人尽量减少与其他行人的接触，特别是如果他们有不同的预期行走方向。导致这一宏观现象的机制尚未完全了解，行人行走习惯的左右不对称以及行人对于同方向行人的追随等都可以解释渠化现象的产生。在本文中，定义了能够适用于不同类型行人流的渠化参数来考察这一宏观现象。同时引入了新的随通道边界距离变化的右偏向场和随不同行人变化的动态场来定性模拟分析多向流。仿真在几种典型的环境下来进行，即具有周期/开放边界的直通道以及具有开放边界的交叉通道。通过对密度分布、基本图、渠化参数和交汇时间等的分析，发现动态场和右偏向场在不同类型行人流中的作用存在相似性和差异性。同时还对不同条件下渠化现象的产生和维持做出了解释，分析了局部堵塞向全局拥堵的过渡过程。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究历史与现状

1．2．1 疏散模型

1．2．2 基本图

1．2．3 行人运动与引导设施

1．3 本文的技术路线与研究内容

1．4 论文章节安排

参考文献

第2章 多速度FFCA模型的更新模式的行人动力学研究

2．1 模型描述

2．1．1 多速度场域元胞自动机

2．1．2 更新模式

2．2 模拟与结论

2．2．1 计算效率

2．2．2 疏散时间

2．2．3 流量演变

2．2．4 冲突与空间限制

2．2．5 时空分析和基本图规律

2．3 讨论

2．3．1 障碍物情况下的应用

2．3．2 参数敏感性分析

2．4 本章小结

参考文献

第3章 疲劳效应对行人运动相变的影响：实验与仿真研究

3．1 实验研究

3．1．1 实验准备

3．1．2 理论分析

3．1．3 不负重行人的实验分析

3．1．4 负重行人的实验分析

3．2 模型介绍

3．2．1 多速度场域元胞自动机

3．2．2 疲劳系数

3．2．3 入口处的更新规则

3．2．4 冲突解决

3．3 模拟工况介绍

3．4 结果分析

3．4．1 相变分析

3．4．2 通过时间分析

3．4．3 行走路径分析

3．4．4 密度与速度的时空分布

3．5 讨论

3．6 本章小结

参考文献

第4章 多速度FFCA模型中多向流的定量分析

4．1 模型描述

4．1．1 动态场优化

4．1．2 右偏向场

4．1．3 渠化参数

4．2 模拟与结果

4．2．1 周期性边界的直通道

4．2．2 开放边界的直通道

4．2．3 开放边界的垂直交叉通道

4．3 本章小结

参考文献

第5章 总结与展望

5．1 本文小结

5．2 本文工作创新点

5．3 进一步工作展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果