基于元胞自动机的行人疏散流仿真研究

基于元胞自动机对行人疏散流进行仿真研究.模型利用两个动态参数反映行人移动区域内的疏散情况,从而决定行人的行为选择.模型中行人可以根据自身周围的情况选择移动、等待行为.本文仿真研究了行人在正常疏散环境下,系统规模、疏散人数、安全出口宽度、多个安全出口布局对行人疏散时间的影响.研究结果表明,行人疏散时间随行人数量呈线性增加;随安全出口宽度呈负指数性减少;同时,多个安全出口布局的不平衡也会对行人的疏散过程和疏散时间产生一定的影响. 关键词： 元胞自动机 行人疏散流 动态参数 疏散时间     

成对行为对行人疏散动力学的影响研究

熟悉的行人之间经常存在着聚集运动的整体跟随行为现象.为了研究这种行为对疏散过程的影响,考虑了行人的并排成对、前后成对、混合成对三种方式,建立了一个新的元胞自动机模型,研究了三种成对方式对双出口房间内行人疏散过程的影响,并分析、讨论了不同参数下成对方式之间的差异. 关键词： 行人流 元胞自动机 成对疏散 计算机模拟     

基于教室人群疏散实验的行人流建模和模拟

基于教室人群疏散实验, 从中归纳出疏散过程中行人的基本运动特征. 将桌椅分别视为不可穿越和可穿越的静态障碍物, 而行人则被当成可移动的障碍物, 这将导致背景场随人群的运动而动态更新, 因此可以更好地反映前方拥挤程度对后面人群路径选择行为的影响. 采用基于动态背景场的元胞自动机模型研究了不同桌椅排列和出口宽度的教室人群疏散过程, 给出了疏散时间的空间分布以及平均和最大疏散时间, 再现了实验中人群疏散的基本特征. 数值模拟结果表明, 疏散时间取决于桌椅的排列方式和教室出口的宽度. 对于同一种排列, 出口越小则疏散时间越长; 对于给定的出口宽度, 通常随着过道数的增加, 疏散时间随之减少; 当过道数增加且过道宽度不足以两人并行, 从两侧进入过道的行人会发生冲突, 使疏散效率有所降低; 靠近出口一侧墙壁设置过道有利于人群的疏散. 文中进一步分析了模拟与实验结果存在差异的原因.     

通过博弈的室内行人疏散动力学研究

在室内行人疏散过程中,行人博弈对疏散效率有着重要的影响.本文把抵制博弈策略更新的强度定义为抵制强度. 为了研究抵制强度对疏散效率的影响, 通过在行人博弈策略更新的概率中引入抵制强度,基于元胞自动机模型数值计算在不同的行人密度, 出口宽度下疏散总时间随抵制强度变化的关系.结果表明: 室内行人疏散过程中, 抵制强度小会使得争抢行为极其容易蔓延. 当行人密度小且出口宽大时, 输入以急速疏散为主的规范信息,鼓励行人模仿优胜者更新博弈策略, 当行人密度大且出口狭小时, 输入以避让为主的规范信息抑制行人争抢,都能提高疏散效率. 最后找出不同条件下与最短疏散总时间相对应的优化抵制强度, 为提高室内行人疏散效率提供一个新的视角.     

双出口房间内疏散行人流的仿真和实验研究

为研究行人疏散过程中的路径选择行为, 提出了一个基于元胞自动机的行人微观模型, 并组织了三组双出口教室内的学生疏散实验. 模型中, 行人路径选择行为受其到出口距离、前方路径通行能力和行人间排斥力影响. 通过观察实验结果, 得到一些相关现象. 利用实验结果对模型参数进行校正. 利用校正模型对该教室内疏散学生流进行仿真, 结果表明 模型能有效地刻画教室内学生流的疏散特征, 疏散时间随学生人数线性增加. 该研究有助于类似场景中行人疏散策略和方案的制定. 关键词： 元胞自动机 行人疏散 仿真 实验     

初始位置布局不平衡的疏散行人流仿真研究

行人初始位置布局不平衡的多安全出口疏散过程, 是行人疏散流仿真研究的热点. 利用行人流动态参数仿真模型, 在实际距离和假想距离"极大极小"路径选择机理的基础上, 改进假想距离的计算方法及其拥堵计算区域, 实现疏散过程的动态平衡; 提出行人位置布局的不平衡系数, 以描述疏散空间内行人初始位置布局的不平衡性. 从行人初始位置随机和固定布局的角度, 仿真研究正常疏散环境下行人布局的不平衡性对疏散时间的影响, 并将仿真结果与原始模型做对比分析. 研究表明, 模型能有效地实现行人流疏散过程的动态平衡, 行人疏散时间受行人位置或安全出口布局的影响较小, 而与安全出口总宽度、 行人的初始数量以及拥堵感知系数有关.     

考虑在能见度受限下行人跟随行为特性的建模与模拟

研究了行人在能见度受限情况下的疏散行为,考虑行人对环境的熟悉程度,将行人分为熟悉环境人群和不熟悉环境人群.对于房间内熟悉环境的行人,改进势函数元胞自动机模型来模拟其疏散行为.对于不熟悉环境人群,分析其在视野范围内的跟随行为,并制定了不同跟随行为策略,来研究其跟随行为特性.仿真模拟了房间内熟悉环境人群的人数占比、房间内的视野半径大小以及行人密度等参数,研究其对行人疏散的影响,比较不熟悉环境人群采取的跟随策略的优劣.发现疏散时间的大小与房间内视野半径的大小和房间内熟悉环境者密度的大小有关.其次,跟随策略的有效性与视野半径的大小和熟悉环境者密度有关.而且在单一策略环境下,有着同样的规律.这些发现能对大型公共场所如超市、体育馆的应急疏散情况提供一些启示,有助于在视野受限情况下制定一些有效的指导策略.     

房间出口位置及内部布局对疏散效率的影响研究

利用先前建立的元胞自动机人员疏散模型,考虑教室类房间内过道区域的影响因素,调整行人转移概率的计算规则,分析了教室不同出口位置、教室内不同布局情况下的疏散效率.结果表明,正对教室过道的出口对疏散是很有利的,教室正面边缘开口和侧面开口相比,宜在侧面开口,以减少行人运动过程中方向的变化,而教室正面中央开口虽然疏散效率最高,但这样的开口不现实;另外,当教室侧面开口时,紧靠出口墙壁侧的过道是必要的,当教室总容量不变时,应优先考虑过道分布的设计,过道的数目和单个过道宽度相比,过道数目对疏散效率的影响更显著,过道数量较多时,疏散效率较高.本文有望为教室内部布局和出口设置,以及影剧院、体育馆看台等类似建筑内座椅和过道的分布设计提供建议.     

三维空间行人疏散的元胞自动机模型

为了有效刻画行人在三维空间中的疏散状况,结合阶梯因素提出了一种新的三维元胞自动机模型,该模型首先基于位置吸引力和碰撞可能性给出了行人移动概率的计算公式,并通过定义元胞演化过程阐述其疏散策略,同时,利用建立的仿真平台进行实验,深入分析了疏散时间、出口流率、出口宽度、初始行人密度以及系统平均速度之间的关系,以此获得更加符合实际情况的行人流特征,结果表明,疏散时间、出口流率与初始行人密度呈现正相关,而与出口宽度呈现负相关,并且系统平均速度和出口宽度对于最优疏散时间存在一个理想阈值。     

基于元胞自动机的行人视线受影响的疏散流仿真研究

基于元胞自动机对视线受影响的行人疏散流进行仿真研究.模型根据行人视野半径将疏散空间划分为可见安全出口区域、可见墙壁区域和盲目区域;利用两个动态参数描述行人在不同移动区域内的疏散特征,从而决定行人的行为选择,包括行人定向移动、沿墙移动和正常疏散移动等行为.仿真研究了行人在墙壁上存在疏散指示标志的疏散空间内,视线受影响时采用随机定向寻墙沿墙移动疏散策略的情况下,行人视野半径对行人疏散时间的影响.研究表明,行人疏散时间不仅受行人视野半径的影响,而且还与安全出口的宽度和安全出口利用率有关.     

Effect of a static pedestrian as an exit obstacle on evacuation

Building exit as a bottleneck structure is the last and the most congested stage in building evacuation. It is well known that obstacles at the exit affect the evacuation process, but few researchers pay attention to the effect of stationary pedestrians (the elderly with slow speed, the injured, and the static evacuation guide) as obstacles at the exit on the evacuation process. This paper explores the influence of the presence of a stationary pedestrian as an obstacle at the exit on the evacuation from experiments and simulations. We use a software, Pathfinder, based on the agent-based model to study the effect of ratios of exit width ($D$) to distance ($d$) between the static pedestrian and the exit, the asymmetric structure by shifting the static pedestrian upward, and types of obstacles on evacuation. Results show that the evacuation time of scenes with a static pedestrian is longer than that of scenes with an obstacle due to the unexpected hindering effect of the static pedestrian. Different ratios of $D/d$ have different effects on evacuation efficiency. Among the five $D/d$ ratios in this paper, the evacuation efficiency is the largest when $d$ is equal to $0.75D$, and the existence of the static pedestrian has a positive impact on evacuation in this condition. The influence of the asymmetric structure of the static pedestrian on evacuation efficiency is affected by $D/d$. This study can provide a theoretical basis for crowd management and evacuation plan near the exit of complex buildings and facilities.     

菱形网格的行人疏散元胞自动机模型

利用改进的层次域元胞自动机模型,研究了正菱形网格空间中的行人疏散问题.这类网格可以避免行人贴近房间墙壁或障碍物,转移概率考虑了各种逃生受阻因素.数值仿真显示,出口处的行人分布与实验快照展示的行人分布基本相同,疏散时间和出口宽度呈线性关系,行人流率接近实验结果.     

拥堵疏散的行人拥挤力仿真研究

基于元胞自动机仿真研究拥堵疏散条件下行人拥挤力的产生、传递、吸收、抵消、累积等过程, 以安全出口前拱形的拥挤疏散行人流为研究对象, 研究拥挤致伤的生成机理. 基于行人位置距安全出口的距离, 生成趋于安全出口方向的拥挤力; 引入拥挤力效果与合力参数, 分别描述外界拥挤力对个体行人的作用效果与作用合力; 引入吸收系数与抗死伤系数, 分别描述拥挤力传递过程中行人对外界拥挤力的吸收与抵抗能力. 研究表明, 随吸收系数或抗死伤系数的增加, 能有效预防疏散行人流的拥挤致伤; 存在临界吸收系数与抗死伤系数, 将系统区分为弱保护相位、强保护相位和完全保护相位; 拥挤的死伤数量随疏散行人数量的增加而增加; 而且, 拥挤致伤的危险区域在安全出口前以安全出口中心线为对称轴呈“倒钟”形分布.     

Simulation of pedestrian evacuation based on an improved dynamic parameter model

An improved dynamic parameter model is presented based on cellular automata. The dynamic parameters, including direction parameter, empty parameter, and cognition parameter, are formulated to simplify tactically the process of making decisions for pedestrians. The improved model reflects the judgement of pedestrians on surrounding conditions and the action of choosing or decision. According to the two-dimensional cellular automaton Moore neighborhood we establish the pedestrian moving rule, and carry out corresponding simulations of pedestrian evacuation. The improved model considers the impact of pedestrian density near exits on the evacuation process. Simulated and experimental results demonstrate that the improvement makes sense due to the fact that except for the spatial distance to exits, people also choose an exit according to the pedestrian density around exits. The impact factors α, β, and γ are introduced to describe transition payoff, and their optimal values are determined through simulation. Moreover, the effects of pedestrian distribution, pedestrian density, and the width of exits on the evacuation time are discussed. The optimal exit layout, i.e., the optimal position and width, is offered. The comparison between the simulated results obtained with the improved model and that from a previous model and experiments indicates that the improved model can reproduce experimental results well. Thus, it has great significance for further study, and important instructional meaning for pedestrian evacuation so as to reduce the number of casualties.     

Exit selection strategy in pedestrian evacuation simulation with multi-exits

A mixed strategy of the exit selection in a pedestrian evacuation simulation with multi-exits is constructed by fusing the distance-based and time-based strategies through a cognitive coefficient, in order to reduce the evacuation imbalance caused by the asymmetry of exits or pedestrian layout, to find a critical density to distinguish whether the strategy of exit selection takes effect or not, and to analyze the exit selection results with different cognitive coefficients. The strategy of exit selection is embedded in the computation of the shortest estimated distance in a dynamic parameter model, in which the concept of a jam area layer and the procedure of step-by-step expending are introduced. Simulation results indicate the characteristics of evacuation time gradually varying against cognitive coefficient and the effectiveness of reducing evacuation imbalance caused by the asymmetry of pedestrian or exit layout. It is found that there is a critical density to distinguish whether a pedestrian jam occurs in the evacuation and whether an exit selection strategy is in effect. It is also shown that the strategy of exit selection has no effect on the evacuation process in the no-effect phase with a low density, and that evacuation time and exit selection are dependent on the cognitive coefficient and pedestrian initial density in the in-effect phase with a high density.