考虑人员行为特征的行人与疏散动力学研究

摘要

人员疏散是公共安全领域的一个重要研究方向，是紧急情况下保证人员生命安全最重要的措施之一。行人与疏散动力学研究有利于高效、安全以及舒适的行人交通设施设计（如在地铁站、体育场馆、机场等）和大规模人群管理。随着近年来突发事件的不断增加，行人与疏散动力学研究吸引了许多学者的关注，人们已经利用大量的模型和实验来探究人群行为以及疏散动力学规律。事实上，人员运动行为与其心理行为紧密相关，行人的决策往往会受到其周围环境的影响，而这些方面在目前的研究中并没有得到很好地分析，尤其在基于元胞自动机的运动模型中。
　　本文首先通过建模方式研究了行人心理行为对其运动的影响。由于在一些紧急情况下，人员的行为决策会受到情绪的影响，人群情绪感染可能引起统一的适应性或非适应性行为，因此，本文试图把传染病动力学SIR（易感染者—感染者—恢复者）仓室模型改进成元胞自动机模型用于模拟人群中的情绪感染过程（易感染者—感染者—恢复者—易感染者），并结合简单行人运动过程。建立的模型命名为“CA-SIRS模型”。模拟结果表明，情绪传播过程会出现多个感染周期，并最终趋于动态稳定;在给定系统中，初始感染者比例对系统最终动态稳定时的感染者比例影响不大;感染频率随着人群平均密度的增加而增大;个体运动会促进情绪传播并增加最终动态稳定时的感染者比例;降低感染周期以及再次被感染的概率会显著减少感染者人数。根据这些发现，本文进一步将人群情绪感染过程与多格子模型结合用于研究相向行人流动力学，并与恐慌引起的人群踩踏事故案例进行对比分析。从有无涉及情绪传播过程时的人群平均速度随时间的变化情况中，我们可以发现，虽然情绪感染会增加人员的期望速度，但是容易引起系统拥堵状态，这是因为双向行人之间的冲突增加。根据速度—密度关系，本文利用人群密度和双向行人分别所占的比例讨论了系统的三种人员运动状态，即分层相、过渡相和堵塞相，这为安全组织群体活动提供了实际参考。为了深入了解关于拥挤踩踏引起的人群灾难事故，例如2010年柬埔寨踩踏事故，我们分析了系统中的人员受力分布以及最大承受力的累积分布，这些结果为人们从受力角度估计人员伤亡数量提供了一定的指导。
　　接着，本文采用实验与建模的方法研究了建筑中人员周围环境（如疏散指示、周围的其他人员或者障碍物）对其疏散过程的影响。实验在建筑物内开展，涉及两个场景下的个体和群体运动情况，总共有119人参与了4种运动条件下的9组实验。实验过程采用固定摄像机和小型头戴式运动摄像仪记录。根据每组实验后的问卷调查以及视频分析，我们讨论了人员出口选择情况、寻路行为、疏散指示的影响以及决策时间。结果表明，大部分人虽然对建筑布局不熟悉，但是仍然选择最近出口;人员运动过程中，跟随现象严重;在场景1中，个体情况下的平均疏散指示察觉概率和平均人员接受疏散指示概率均大于群体条件下的;不同条件下，很少人注意处于低处的疏散指示。另外，本文也对比了在不同决策点处对建筑布局熟悉者和不熟悉者之间的平均决策时间差异。根据实验发现，本文提出了基于模糊理论的元胞自动机疏散模型，建立了能够描述人们从周围环境获取的不确定、主观信息的模糊推理系统。模糊推理系统类似人员推理过程，其输入变量是人员的感知信息以及不同的个体特征，输出变量为人员选择某个运动方向的可能性大小。模型模拟了两个场景下（即内部有无障碍物单出口房间）的人员疏散过程，再现了真实疏散场景中的一些典型现象，例如出口处人群弓形分布、拥堵、“快即是慢效应”等，与其他模型和实验得出的结果一致。该模型丰富和改善了传统基于元胞自动机的疏散模型的运动规则。
　　基于模糊推理技术，本文进一步研究了信息传递作用下的人群疏散动力学。我们设计了用于描述人员属性以及信息接收量的隶属度函数和推理规则库，建立了模糊推理系统以确定人员的行为决策，即运动速度大小和方向。模拟场景为四方向行人流，模拟结果显示信息传递作用并非在所有情况下都能使人员疏散顺利完成，而是与系统中的行人决策有关，尤其在高密度条件下。低密度下增加行人的自驱动作用大小，或者高密度下增加选择第三种运动方式（即期望运动方向朝距离危险源最远的格点）的行人比例有利于人员疏散。与前人研究相比，本文的工作更深入认识了人群中危险信息传递对人员疏散动力学的影响。
　　最后，我们对本文内容进行了总结，并介绍了本文的创新点以及工作展望。

目录

声明

摘要

表格

插图

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 典型群集现象

1．2．2 行人与疏散动力学实验研究

1．2．3 人员疏散模型研究

1．2．4 当前研究的不足

1．3 研究目标及方法

1．4 研究思路及内容

1．5 论文章节安排

第2章 考虑人群情绪感染的行人运动建模

2．1 引言

2．2 人群情绪感染模型

2．2．1 模型介绍

2．2．2 模拟结果及讨论

2．3 考虑人群情绪感染的相向行人流运动多格子模型

2．3．1 模型介绍

2．3．2 模拟结果及分析

2．4 小结

第3章 考虑建筑环境信息影响的人员疏散实验与模型研究

3．1 引言

3．2 考虑疏散指示影响的人员疏散实验研究

3．2．1 实验设计

3．2．2 实验结果

3．2．3 讨论

3．3 基于模糊理论的疏散模型研究

3．3．1 模糊理论

3．3．2 模型介绍

3．3．3 模拟结果与分析

3．4 小结

第4章 人群中信息传递对人员疏散的影响研究

4．1 引言

4．2 模型介绍

4．2．2 基于模糊推理方法的行人行为决策设置—控制系统

4．2．3 行人运动设置—运动系统

4．3 模拟结果与分析

4．3．1 人群疏散过程分析

4．3．2 信息传递平均速度、行人运动平均速度以及占有率分析

4．3．3 人员清空时间和拥堵情况分析

4．3．4 讨论

4．4 小结

第5章 结论与展望

5．1 工作总结

5．2 论文创新点

5．3 工作展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果