人员疏散中个体和群体行为的实验和计算机模拟研究

摘要

当发生火灾或踩踏事故时，人员疏散困难问题往往成为威胁人们生命安全的重要因素，进行紧急情况下人员行为和人员疏散规律的研究对保障社会公共安全水平意义重大。但由于灾难性事故的危险性和不可重复性，人们能够获取到的真实事故资料非常有限，因此各国的研究者较多地是通过小规模的疏散演习或实验来获得人员疏散过程的经验数据，然后利用计算机技术对人员行为和疏散过程进行模拟研究。　　 本文首先开展了一组在布满桌椅的教室内进行的在报警声音指导下的人员疏散实验。实验中我们通过让被试者戴上不透明的眼罩来模仿火灾等事故中由于烟气或断电而造成的人员视野受限的情况，并与不戴眼罩的情况进行了对比。通过对出口流量，个体疏散时间，人员行走路线等的统计和分析，我们从报警声音、人员视野和出口宽度三个角度阐述了这三个因素对疏散过程和人员行为的影响。　　 通过观察实验录像，我们还发现了疏散中的“速度变化”、“性别差异”、“依附行为”以及“潜意识环境认识及其衰退”等特殊现象。在这些实验结果的基础上，我们用元胞自动机模型进行了一系列模拟研究。　　 通过分析实验中人员对出口的选择和观察录像，我们发现除了与出口之间的距离外，出口处的人流密度也是影响人员出口选择的因素之一。人们往往更加倾向于选择人少的出口，尽管这些出口距离自己更远些。因此，我们在一个元胞自动机模型中引入了出口区域人流密度因子来模拟人员对出口区域内人流密度的认识和判断行为。模拟结果和实验结果的对比研究表明，对人员的出口选择行为来讲，除了距离出口的远近以外，出口处人流密度也是不可忽视的。在模型中引入出口处人流密度因子可以使模拟结果与真实情况更接近。　　 实验中我们还观察到了人员对环境信息的潜意识认识行为，即人员对环境比较熟悉时会在大脑中产生对环境的潜意识认识，即使失去了视觉也能够依靠潜意识的指导合理地进行疏散，但这种潜意识认识会随时间的推移而逐渐消退。我们根据这一实验结果，在对比分析“地场”元胞自动机模型几种不同基本模拟规则的基础上提出了考虑人员视野受限情况下对环境的潜意识认识行为及其消退的模拟模型，并对实验进行了模拟研究，结果表明声音信息在人员视野受限时比不受限时发挥了更大的作用，但却不是决定性的作用，因为人员的潜意识环境认识行为使得在视野受限时环境信息并没有完全被忽略。模拟结果与实验结果比较符合。　　 最后，我们探讨了人员疏散中的男女性别差异和人员之间的信息传递行为。　　 通过观察实验录像和分析实验中不同性别的人的疏散时间、速度以及行为特征，我们发现男性比女性平均速度要高出0.2~0.3m/s，并且同一实验条件下，同一位置的不同性别学生所需的疏散时间是不同的，总体上女性所需的时间比男性长。　　 然后，我们在元胞自动机模型的基础上建立了考虑男女性别差异的计算机模拟模型，研究了人员疏散过程中的性别差异及其对疏散结果的影响。另外，本文还结合实验中观察到的人与人之间的信息传递现象，采用“多层信息地图”的元胞自动机模拟方法实现了对出口堵塞和存在隐蔽出口等特殊疏散场景下人员之间信息传递现象的模拟。结果表明这种多层信息地图模拟可以有效表达人群的各向异性。

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