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01大型公共场所人员疏散模型研究--考虑个体特性和从众行为
量,表示为N=(A。,A:,…,A。),n是邻居元 胞个数,厂表示将.s。映射到S…上的一个状态转
换函数。
用CA来模拟一个物理过程的优势在于:它 是直接按照一定的规则来模拟非线性物理现象,
从而省去了构建微分方程的繁琐¨3l。因此,它具
(图中的实心方框表示将在后续研究中逐步完善的内容)
有很强的表达复杂关系的能力,而且作为一种有 效的模拟手段,已有很多以CA为基础发展的动
人员和疏散时的环境条件构成了模型的基本框架。图型的各组成部分性质的要素有:
疏散场所:包括场所的大小、空间格局;障碍物的位置、大小、可攀越性;疏散出口的位置、大小等。 疏散人员:包括需要疏散的人数、个体所在位置、个体特性(青壮年和老幼病残)。 疏散时的环境条件:包括照明状况、信息交换情况、和诱导灯的数目及位置等。 1.3人员疏散模型的基本假设 本文首先对模拟环境基本要素进行『如下的设定: (】)网格划分:对建筑物平面空间进行均匀的网格划分,每个网格对应一一个元胞。根据密集人流中典 型的人员空间分配标准拉1|,每个元胞应当对应0.5m×0.5m的空间; (2)网格属性:如图2所示,每个网格可能被墙壁、障碍物、或被疏散人员占据,也可能是疏散出口,或 者为空。设定好的场景可以用数据文件的形式保存下来,以便在下一次模拟时直接调用; (3)人员特性:只考虑疏散人员的身体强壮程度,分为强(青壮年)和弱(老幼病残)两类。疏散人员的 位置和特性都可以随机产生,也可以根据实际情况预先设定; (4)时间步长:基于所有人员的位置都是同步变更的模拟规则,规定每个时间步长里每个人员只能移 动一个网格。那么,根据正常情况下人的行走速度是lm/s L22 J的标准,以及每个元胞对应的空间是0.5m x
诸如影剧院、体育场馆、车站、码头、商务中心、超市、商场这样的大型公共场所,具有人群高度聚集、流动 性大的特点,而且由于其在建筑形式上的固有特点,一旦发生灾害,将造成极为严重的生命财产损失。因此, 研究当灾害发生时如何将公共场所中的大量人员安全、快速地疏散,不仅是建筑物设计时需要认真对待的重 大问题,也是制订公共场所紧急情况应对预案时需要考虑的重要内容。
0.5m的前提条件,每个时问步长耗时就应当是纛n《 =0.5s; ■.U
(5)可能移动方向:模型采用Moore型邻域,疏散人员有8个可能的移动方向(图3)。
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图2 网格属性及疏散人员特性示意图 Fig.2 Attribute of酾d and evacuee’S characters
关键词:疏散模型;元胞自动机;个体特性;从众行为;公共场所
中图分类号:TP391.9;X4
文献标识码:A
Study on occupant evacuation model in large public place:to consider individual character and following behavior
·134·
自然灾害学报
14卷
预测。其基本思路是:通过计算机直接模拟人员在建筑物内的移动过程,并记录不同人员在不同时刻的几何 位置,从而计算建筑物内的人员疏散时间并动态地显示人员疏散移动的全过程。到目前为止,国外学者已开 发了20多种疏散模型及相应的计算软件,其中比较著名的有:英国格林威治大学的BuildingExodus¨。j、英 国爱丁堡大学的SimulexL4 J、美国NIST的ExITr∞1等等。根据划分建筑环境的不同方法,可以把上述模型分 为网络模型(note—arc)和网格模型(grid—base)两大类,目前大多数模型属于网络模型。网络模型是根据 实际建筑的物理格局来分割模拟空问,并且,人员在疏散过程中被认为是从一个节点通过弧移动到另一个节 点;网络模型多以群体为研究对象,不考虑单个人员对灾害的心理反应、个体之问的相互关系、以及环境对疏 散行为的影响。网格模型则不考虑建筑实体的具体物理分隔,它是把整个建筑平面人为地分割成形状和面 积相同的网格,从而可以保证很精确地表示疏散空问的几何形状及内部障碍物的位置,并在任何时刻都能将 每个人员置于准确的位置。网格模型比较成功的例子有:Helbing的“社会力模型”(social force model)拍。、方 正和卢兆明的“网格模型”o 7 J、Toshiyuki的“行人流疏散系统”(passenger flow evacuation system)¨1、以及 Kebel的微观仿真模型一1等。尽管网格模型在表现个体行为方面具有优势,但是它忽略了个体所掌握的信
个网格为其移动目标时,将通过比较它们的竞争能力来作出选择。竞争能力最强者可以顺利移动到其目标 网格,其余个体则选择自身邻域内的次优网格作为移动目标;当竞争能力都相同时,则以同等的几率随机地
选择其中一个个体移动到目标网格,其余个体则选择自身邻域内的次优网格作为移动目标。
(1)网格吸引力概率的计算 本文提出网格吸引力概率参数,并以此作为个体选择疏散路线的依据。我们假定:当根据每个网格的
位置计算出它的吸引力概率后,疏散人员将选择其所在网格邻域内的吸引力概率最大的网格作为下一步移
动的目标。网格N(i√)的吸引力概率P(i,.『)定义为
P。.f 2口i.f‘(kaisPdis(f。『)+kairPdlr(i.,))
(1)
式中:P池㈠f)表示网格Ⅳ(i,歹)的位置吸引力概率,&i。是位置吸引力的影响系数,P曲(i,j)是网格,v(i,J)的方
14卷6期 2005年12月
自然灾害学报 JOURNAL OF NATURAL DISASTERS
文章编号:1004-4574(2005)06.0133.08
V01.14,No.6 Dec.,2005
大型公共场所人员疏散模型研究
——考虑个体特性和从众行为
崔喜红1,李 强2,陈 晋1,陈春晓1
(1.北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室,北京师范大学资源学院灾害与公共安全研究所, 北京100875;2.北京师范大学资源学院资源管理研究所,北京100875)
Fig.1
图1 模型结构及建模流程图 Structure of model and flowchart of modelling
态模型和应用成功实例¨¨驯。
1.2人员疏散模型的基本结构
万人方员数疏据散模型模拟的是在特定场所、特定环境下的特定人群的行为。因此,疏散行为发生的场所、疏散
6期
崔喜红等:大型公共场所人员疏散模型研究——考虑个体特性和从众行为
CUI Xi—hon91,LI Qian92,CHEN Jinl,CHEN Chun—xia01
(1.Key I丑boratory of Environmental Change and Natural Disaster,Ministry of Education of China,Beijing Normal University;Institute of Disaster and Public Security,College of Resources Science and Technology。Beijing Normal University,Beijing 100875,China;2.Institute of Resources Management,College of Resources Science and Technology,Beijing Normal University,Beijing 100875,China)
息和个体的主观意志对其疏散行为的影响,这一点是与现实状况有较大偏差的¨引。因此,包含更多的行为 细节、注重个体特性和个体问的相互作用、以及这些因素对整体疏散时间的影响将是疏散模型的发展趋势。
综上所述,本文以网格模型的基本思路为基础,在考虑个体特性和从众行为的情况下,引入元胞自动机 这一能够抓住复杂系统的本质特征的模型¨¨,来模拟大型公共场所的人员疏散行为,并重点分析人员疏散 过程中从众行为的成立条件及其对疏散时问的影响。
随着计算机技术的发展,80年代开始借助计算机模拟技术来对紧急情况下的人员疏散行为进行模拟和
收稿日期:2005—09—10;修订日期:2005一11—20 基金项目:科技部社会公益性研究专项资金资助项目(2004DIB2J049);国家科技攻关计划资助项目(中国风险综合管理战略研究)
作 万者方简数介:据崔喜红(1975一),女,陕西户县人,硕士研究生,主要从事人员疏散仿真模拟研究.
图3 疏散人员可能的移动方向 Fig.3 Possible moving direction of evacuee
1.4人员疏散的基本移动规则 首先,所有个体将根据其所处网格的状态和邻域内所有网格的状态来选择邻域网格吸引力概率最大的
一个网格作为下一时间步的目标网格。 其次,在CA模型中,通常每一时间步长里每一个网格至多只能被一个元胞占据。当有多人选择同一
1基于元胞自动机的人员疏散模型的建立
1.1元胞自动机的基本思想
元胞自动机(cellular automaton,CA)最早是
由Von Neuman和Ulam提出的¨2。,它是由大量
简单一致的个体通过局部相互作用而构成的离
散空间可扩展的动力系统¨3I。状态、邻域以及更
新规则是CA模型的3大核心要素。即:每个元 胞都是离散的,所有元胞的状态都是同步发生变 化的。图1给出了CA中常用的两种邻域的定
义:VonNeumann邻域和Moore邻域。CA的基本 更新规则是¨引:第i个元胞在t+1时刻的状态
是由第i个元胞在时刻t的状态、以及其邻域内 的有限个元胞在时刻t的状态共同决定的,即:
S川=f(.s。,』v) 其中s为元胞的有限状态集;N表示一个所有邻 域内元胞的组合,为包含n个不同元胞的空问矢
摘要:在引入元胞自动机概念的基础上,模拟分析了紧急情况下人员的疏散行为,并提出了一个新的