基于元胞自动机的中小学校人员疏散模型研究

摘要

《国家“十二五”科学和技术发展规划》明确提出民生科技示范重点为“加强地震等重大自然灾害群测群防技术与装备研发;组织实施防灾减灾科技示范工程”。我国城镇化水平呈现快速提高的态势，城镇数量和规模不断扩大，城镇中小学校等人员集中场所将成为地震高风险地区。因此，地震应急准备和应急疏散研究等工作，在中小学校等人口高度集中的城镇中显得尤为重要。
　　在中小学校地震的疏散中，教学楼人员在年龄、体型、心理状态、对教学楼环境的熟悉程度等均存在差异。通过深入研究教学楼内人员疏散行为，掌握教学楼人员疏散的特点和规律，以及人员安全疏散的网格模型、区域人员疏散算法等内容。制定相应的疏散路线，以人员疏散时间最短为准则，完成对中小学校地震疏散场景搭建、疏散模型构建的设计，为地震应急演练疏散训练软件提供核心算法。最终实现为中小学校地震紧急疏散提供疏散演化模型、为人员疏散过程合理性评判提供依据，为提高地震中中小学校疏散效率的目的。
　　通过对国内外人员疏散模型的研究，选取利于模拟的元胞自动机模型作为中小学人员疏散的主要模型。完成模型的疏散规则设计和疏散场景搭建后，对中小学校地震疏散情况进行仿真。对比真实演练结果，结合疏散评估规则验证模型的合理性、科学性。为疏散演练提供优化方案。主要研究内容包含以下三点:
　　(1)疏散规则模型，通过对应急疏散模型现状的研究，选用在时间和空间上均离散的元胞自动机模型。结合疏散演练人员行为规范的研究成果，针对影响疏散结果的各项因素，计算合理的参数设置范围，完成对疏散规则的建立。在楼道宽度研究结论里，不同疏散队形对整体疏散效率会造成巨大影响，建筑物内实际疏散人数和疏散楼道宽度进行设置，最终选择双列队形的排列模式进行疏散。疏散规则建立中，模型将所有疏散人员作为单个元胞，将疏散环境进行网格化，利用迪科斯彻算法，计算出教室内每个元胞对教室出口距离并进行迭代更新;结合人工或自动调度策略对模型进行优化。
　　(2)疏散场景模型，在对计算机仿真技术、建筑模型搭建方法及学校等人员密集场所建筑空间结构进行研究的基础上，实现通过点、线、面等构造元素，手动搭建建筑物内部空间几何模型。主要通过针对常用建模软件的建模方法进行研究，实现由平移、旋转、拉伸等方法来构建几何场景;对我省中小学校常见大开间建筑结构进行调研分析，梳理出建模所需关键要素。
　　(3)模型评估规则，对人员疏散全过程中的行为进行梳理，选择对安全、有序疏散有直接影响的因素作为评估内容，将疏散时间长短作为评估指标，通过对模拟疏散时间、实际演练疏散时间、被疏散模型指导后的演练疏散时间进行对比，验证中小学校地震应急疏散模型的合理性、科学性、适用性。
　　本文完成对中小学校地震应急疏散模型的研究，将疏散模型仿真结果与实际人员演练结果相比对，证明疏散模型的有效性，为人员疏散演练提供优化方案。研究中模型评估规则为本文创新内容。增加模型评估规则后使模型可对参与疏散演练人员的疏散时间及运动轨迹进行量化评估。
　　国内外现有人员疏散模型的理论思想多是集中于还原在某一特定场景下人员真实的疏散过程。本文所研究的人员疏散模型不仅模拟出人员真实的疏散过程，还将对人员疏散演练过程进行指导，优化人员疏散演练过程，提高模型的实际运用价值。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 课题来源及研究意义

1．2 人员疏散国内外研究现状

1．2．2 疏散模型研究

1．2．3 元胞自动机研究

1．3 课题研究目标

1．4 课题主要内容与结构安排

第2章 中小学校人员疏散规则模型研究

2．2．2 离散型模型

2．2．3 人员疏散模型选取

2．3 元胞自动机理论

2．3．1 元胞自动机模型概念

2．3．2 元胞自动机模型基本元素

2．4 迪科斯彻算法概述

2．4．1 迪科斯彻算法原理

2．4．2 迪科斯彻计算描述

2．5 疏散规则模型基本参数

2．5．1 疏散时间

2．5．2 人员密度与速度

2．6 本章小结

第3章 中小学校的人员疏散场景模型搭建

3．1 中小学校建筑空间调研

3．2 中小学校人员疏散场景研究方案

3．3 中小学校人员疏散场景研究方法

3．4 中小学校疏散场景模型搭建方法设计

3．4．1 构建模型平面图

3．4．2 中小学校人员疏散场景搭建

3．5 本章小结

第4章 中小学校疏散模型总体设计与实现

4．1 疏散模型总体设计框架

4．2 教室内、教室外疏散模型设计

4．2．1 教室内、教室外疏散模型设计前提条件

4．2．2 教室内疏散人员模型设计

4．2．3 教室外疏散人员模型设计

4．3 疏散模型影响因素设计

4．3．1 人员从中心元胞向目标元胞移动的概率

4．3．2 竞争同一个元胞的冲突处理

4．3．3 人员疏散行为规则

4．4 模型实现方案设计

4．5 人员疏散模型评估规则

4．6 本章总结

第5章 中小学校人员疏散仿真结果及分析

5．1 教室内人员疏散仿真及分析

5．2 教学楼人员疏散仿真及分析

5．2．1 疏散模型仿真流程

5．2．2 疏散模型仿真结果分析

5．3 中小学校人员疏散模型评估

5．4 中小学校地震应急疏散演练优化方案

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果