考虑人群分布和跨越行为的大型活动现场疏散仿真研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月 郑 州 航 空 工 业 管 理 学 院 学 报 .:./.收稿日期:基金项目:国家自然科学基金()教育部人文社会科学研究项目()河南省高校科技创新团队项目()河南省科技攻关项目()作者简介:王鹏翔河南省驻马店市人硕士研究生主要研究领域为安全与可靠性工程陈洪根江西省吉安市人博士教授硕士研究生导师主要研究领域为安全与可靠性工程考虑人群分布和跨越行为的大型活动现场疏散仿真研究王鹏翔陈洪根张 艳李亚平(.郑州航空工业管理学院 管理工程学院河南 郑州.郑州航空工业管理学院 商学院河南 郑州.郑州市工业数字孪生与过程优化重点实验室河南 郑州)摘 要:针对大型活动现场存在“密集”“离
2、散”两种不同人群分布的变化情况建立了改进的元胞自动机疏散仿真模型分析了两种人群分布下跨越行为对疏散过程的影响结果表明无论是人群密集还是离散分布跨越行为对疏散过程具有正向影响作用 在此基础上进一步研究了出口宽度和跨越人员数量变化对疏散过程的影响规律结果表明:人群密集分布时跨越行为对提高疏散效率具有良好作用人群离散分布时出口宽度较小会出现由跨越导致的拥堵现象不过若限制跨越人群的数量可在保持疏散时间步的基础上降低最大人流密度 研究对于大型活动现场发生紧急事故时的人群疏散具有理论参考和现实指导意义关键词:大型活动不同人群分布跨越行为元胞自动机中图分类号:.文献标识码:文章编号:()引 言针对大型活动现
3、场的人群疏散问题学者们较多分析散场后的交通流问题或从宏观层面考虑疏散组织活动和策略但此类研究并未考虑疏散人的个体行为对疏散过程的影响 在紧急疏散过程中大型活动现场临时搭建的座椅可被跨越部分人群会因为存在恐慌和侥幸心理做出跨越或翻越障碍物的行为 关于障碍物对疏散过程的影响研究大致可以分为以下两类:障碍物空间特性对疏散过程的影响和跨越障碍物行为对疏散过程的影响 针对障碍物空间特性对疏散过程的研究多聚焦于场景内障碍物的位置分布、形状大小 如何影响疏散过程和行人流 胥旋等通过建立考虑绕行效应的元胞自动机疏散模型研究绕行障碍物对疏散过程的影响 刘华等基于社会心理模型研究了障碍物形态、大小和布局对疏散效率
4、和拥挤程度的影响也有学者通过优化场景内的障碍物布局 研究如何提高疏散效率在上述研究中障碍物通常被视为不可跨越行人在仿真模拟时只能绕行通过 但现实生活中部分障碍物并不需要绕行 宋英华等引入危险度的概念区分疏散过程中的可跨越障碍物和不可跨越障碍物研究表明跨越障碍物行为更加符合实际行人的运动模式 刘斌等引入感知域的概念来刻画客车场景下疏散人员翻越座椅的决策行为考虑了座椅等低矮障碍物与其他障碍物的不同特性将座椅视为可跨越障碍物、售票台等视为不可跨越障碍物进一步研究不同特性障碍物对疏散行人流的影响机理 霍非舟等考虑行人跨越障碍物能力 第 期王鹏翔陈洪根张 艳李亚平:考虑人群分布和跨越行为的大型活动现场疏
5、散仿真研究分析了商场场景下可跨越障碍物的摆放方式与长度、行人密度和在障碍物可跨越条件下出口大小等因素对疏散过程的影响 以上考虑跨越行为的研究所模拟的场景相对较小研究结果虽能体现考虑跨越行为相比绕过障碍物行为具有一定的疏散优势但该优势在大型活动场所中是否会因为场景因素的变化而产生效果差异则不得而知 在大型活动现场一旦有紧急事情发生如何通过引导现场人员的个体行为在保障安全疏散的前提下通过跨越行为快速疏散人群对保障人民生命财产安全具有十分重要的意义除此之外由于大型活动现场的人数较多人群会随着活动的进行呈现不同的分布状态 活动开始前和结束后人群分布较为离散活动进行时人群会大量聚集在舞台的周围 虽有学者
6、利用、软件模拟演出类大型活动场景下的行人疏散过程分析疏散瓶颈、识别导致疏散时间延长的因素但也并未考虑活动现场行人分布的变化问题 为此本文通过建立大型活动现场不同人群分布下考虑跨越行为的元胞自动机模型利用 算法计算静态场力分析两种人群分布状态下跨越行为对疏散过程的影响并给出大型活动现场的疏散策略 疏散模型构建.场景概述当前大型社会活动主要以舞台演出、展会和比赛等形式进行 在大型活动中经常出现和使用到的座席分布有基于规则集合的座席分布和基于不规则图案的座席分布 基于规则集合的座席为了使得观众有较好的视野体验常以座席直线型围绕舞台排列 这种排列方式常见于演出类大型活动现场在座椅呈现多行直线型排列的同
7、时座位区域围绕着舞台 形分布如图 所示图 演出类大型活动现场场景图该类场景的功能区域划分较为明显正对舞台和过道两边为座席区域舞台在 形开口的位置布局一方面能预留出逃生通道一方面在考虑观众视野的基础上最大限度地利用场地的面积 通过建立大型活动现场该类座席分布下不同人群分布的疏散模型研究跨越行为对疏散过程的影响能为该类大型活动应急疏散管理提供一定的指导意义.疏散仿真模型构建元胞自动机是离散的动力学模型由于其规则简单适宜对复杂系统进行动态模拟而被广泛应用在人群疏散仿真领域元胞自动机模型包含元胞、元胞空间、元胞领域、演化规则四部分 每个元胞均为离散地分布在元胞空间的单元在每一时间步内需要搜索的元胞临近
8、区域称为元胞领域元胞领域主要包括 型和 型两种如图 所示图 领域和 领域由于传统的元胞自动机通常采用 领域当场景中存在障碍物时行人只能绕行通过本文引入扩展 领域扩大行人的移动能力使得行人具有跨越能力如图 所示图 和扩展 领域除此之外由于场景中存在障碍物基于距离公式计算的静态场强在障碍物的后方与墙壁后方相对较小不符合实际情况 本文采用 算法改进场强计算方式在考虑障碍物的情况下重新计算静态场强以 的元胞场景且中间存在障碍物区域为例计算两种方式的场强大小如图 所示 其中障碍郑 州 航 空 工 业 管 理 学 院 学 报第 卷物和墙壁的场强大小为 出口的场强大小为图 场强分布计算行人具有跨越能力的扩展
9、 领域行人向领域元胞移动时的转移概率 可由式()()计算得到:()()()()其中 为归一化因子使得 的和为、分别为元胞的横纵坐标为通过 算法计算的静态场值为静态场系数、分别表示元胞()是否被障碍物或行人占据若元胞被障碍物占据则 反之 若元胞被行人占据则 反之 基于以上理论构建的行人更新规则如下:)初始化人员分布利用 算法计算场景中每个元胞的场强大小)判断行人领域元胞是否存在可跨越障碍物不存在障碍物时以 领域移动存在可跨越障碍物时行人以扩展的 领域移动 根据领域类型按照式()()计算领域元胞的转移概率确定行人移动位置并进行更新)当存在多个行人竞争元胞时随机选择一个进入该元胞其他行人原地等待)当
10、行人移动到出口位置则在下一个时间步内将行人疏散出模拟系统)所有行人疏散完毕模拟过程结束不同人群分布下跨越行为对疏散过程的仿真分析.基础数据设置以某演出座席围绕舞台 形排列的场景为例进行仿真分析 考虑人群分布主要存在以下两种形式:一是在活动正式开始之前和结束之后人员都是自由流动的其位置具有典型的随机分布特征二是在活动进行时人群将主要在座位就座和舞台前聚集此时人员位置呈聚集分布而非离散分布状态为此本文将主要针对座席围绕舞台 形排列场景下两种人群的跨越行为对疏散过程的影响进行研究图 中白色位置为演出舞台和座椅分布 场地空间长宽 演出舞台长 宽.为不可跨越障碍物座椅近似长.宽.高.为可跨越障碍物两边座
11、椅距离场地边界 到中间座椅的距离为 前后两排座椅间隔 每排座椅为 个出口位置在场地的后方出口宽度为 将疏散场景划分为元胞大小为.的正方形元胞空间每个元胞可以为空或者被障碍物和行人占据 则场地空间可划分为 个元胞演出舞台可以划分为 个元胞座椅可以划分为 个元胞出口位置可以划分为 个元胞图 疏散场景布局图 第 期王鹏翔陈洪根张 艳李亚平:考虑人群分布和跨越行为的大型活动现场疏散仿真研究设置初始人群总数为 人在活动正式开始之前和结束之后人员都是自由流动的其位置具有典型的随机分布特征即 人随机分散在整个会场内如图 所示在活动进行时人群将主要在座位就座和舞台前聚集此时人员位置呈聚集分布而非离散分布状态人
12、群聚集分布场景设置如图 所示 人在座椅位置 人在舞台前聚集 图 和图 中实心圆点为人群分布状况空心方块为舞台和座椅分布状况实心方块为出口位置分布状况图 人群离散分布图 人群密集分布以下本文将在 环境下进行编程通过仿真分析研究该场景不同人群分布下跨越行为对疏散过程的影响 每次仿真试验的统计输出为疏散时间步、最大人流密度和单位时间步内疏散人数 为减少试验误差所有数据均模拟 次取平均值单位时间步内疏散人数取最接近平均值的 次模拟得到的数据.仿真结果分析基于以上仿真设置对两种人群分布是否考虑跨越行为进行疏散仿真即分别对第一种人群分布考虑跨越或不跨越、第二种人群分布考虑跨越或不跨越四种情况进行疏散仿真得
13、到的疏散时间步和最大人流密度的结果如图 所示疏散过程的人流密度热力图如图 所示单位时间步内疏散人数如图 所示图 跨越行为对疏散过程的影响从图 的疏散时间步曲线和最大人流密度曲线可知密集和离散两种人群分布状态下跨越行为都可以使得总时间步和最大人流密度降低 但是当人群呈现密集分布时跨越行为使得总时间步和最大人流密度下降较大分别为 和 而在人群离散分布时跨越行为对总时间步和最大人流密度的缓解较小二者分别下降.和.图 是否采用跨越行为的人流密度图图 中()()()()分别对应图 的人群状态由图 可知在人群密集状态且不考虑跨越行为时拥堵主要发生在舞台前的座椅拐角且该处的拥堵情况严重这主要是因为舞台前大量
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