人員應(yīng)急疏散仿真模型比較

徐乾屈波高波

(1.中國(guó)人民解放軍78098部隊(duì),四川 成都 610000;2.成都武警警官學(xué)院,四川 成都 610000）

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人員應(yīng)急疏散仿真模型比較

徐乾1屈波1高波2

(1.中國(guó)人民解放軍78098部隊(duì),四川 成都 610000;2.成都武警警官學(xué)院,四川 成都 610000）

摘要：本文概述了疏散動(dòng)力學(xué)研究的基本內(nèi)容，介紹了人員應(yīng)急疏散仿真的幾種主要模型，并分析了各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。對(duì)目前疏散仿真主要采用的元胞自動(dòng)機(jī)和格子氣模型予以了介紹，最后展望了人員應(yīng)急疏散仿真模型的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急疏散仿真;社會(huì)力模型;網(wǎng)絡(luò)模型;網(wǎng)格模型;元胞自動(dòng)機(jī)

公共場(chǎng)所人員密集，突發(fā)險(xiǎn)情時(shí)，人們本能地會(huì)盡快離開危險(xiǎn)地帶，可能導(dǎo)致相互擠壓、踩踏，發(fā)生群死群傷事故；或者雖無(wú)險(xiǎn)情，但有人失穩(wěn)摔倒時(shí)，也易造成有序的人流出現(xiàn)紊亂，致使慘劇發(fā)生。對(duì)此，如何避免，能否事先預(yù)估，是學(xué)者們多年來研究的方向，并逐漸發(fā)展出一套理論。其中，關(guān)于人員應(yīng)急疏散的理論稱之為疏散動(dòng)力學(xué)，而人群疏散行為的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)則是疏散動(dòng)力學(xué)研究的一個(gè)主要內(nèi)容，也是目前研究的熱門，有多種仿真模型和相關(guān)的軟件問世，有的已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化?？傮w來看，人群疏散行為仿真模型可以分為連續(xù)型、離散型和復(fù)合型。

一、連續(xù)型疏散模型

主要有磁力模型和社會(huì)力模型。磁力模型把人員個(gè)體、障礙物、出口等視為磁體，被賦予正負(fù)極，同性相斥，異性相吸。社會(huì)力模型是目前研究最多的模型，由Dirk Helbing等在Kurt Lewin的研究基礎(chǔ)上提出。Kurt Lewin將格式塔心理學(xué)的理念擴(kuò)大到社會(huì)情境，提出了著名的行為公式：B=f（PE），表示行為（B）是隨人（P）與環(huán)境的變化（E）而變化的。基于此，Dirk Helbing等提出的社會(huì)力模型[1]給出了個(gè)體之間、個(gè)體和物體之間相互作用力的計(jì)算式和在恐慌時(shí)人流的動(dòng)態(tài)特征模型。其他學(xué)者又進(jìn)行了不斷完善，如F.Zanlungo等研究了人們?yōu)楸苊馀鲎捕粩嗾{(diào)整自己的運(yùn)動(dòng)軌跡[2]。只要考慮足夠多的因素，社會(huì)力模型就能對(duì)人群疏散中個(gè)體動(dòng)力學(xué)特征作出近似真實(shí)的刻畫，據(jù)此編寫的計(jì)算機(jī)程序甚至能夠模擬出人群運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)的復(fù)雜自組織現(xiàn)象，但計(jì)算的復(fù)雜性也是顯而易見的。

二、離散型疏散模型

主要采用網(wǎng)絡(luò)模型和網(wǎng)格模型。網(wǎng)絡(luò)模型將疏散空間抽象為多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，如通道、樓梯間、出口等，節(jié)點(diǎn)之間連接是既無(wú)距離、又無(wú)面積的假象空間，人員在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)按排隊(duì)模型處理。網(wǎng)格模型則將人員集聚的空間劃分為許多網(wǎng)格, 人員的移動(dòng)以對(duì)網(wǎng)格的占據(jù)和釋放來表示。在模型空間的劃分方法上有粗網(wǎng)格和細(xì)網(wǎng)格兩種，粗網(wǎng)格類根據(jù)建筑物的格局進(jìn)行劃分，在同一模型中網(wǎng)格的面積、形狀會(huì)有所不同，如EVACNET +軟件[3]；而細(xì)網(wǎng)格類則是用正方形、六邊形等網(wǎng)格把整個(gè)建筑平面分割成同樣形狀和面積的網(wǎng)格,如著名的Building EXODUS過程模擬軟件。在處理人員特性和行為特征方面，一種是把人群看作均質(zhì)整體，個(gè)體特性相同，采取同樣的移動(dòng)策略；另一種則是考慮了個(gè)體差別，不同特質(zhì)的個(gè)體有不同的移動(dòng)策略。顯然，前一種有更快的運(yùn)算速度，后一種則更為精確。

三、復(fù)合型疏散模型

何大治等基于粗糙網(wǎng)絡(luò)建立了一種基于多層次子空間的人員疏散仿真模型[4]，將整個(gè)模型空間劃分為多個(gè)獨(dú)立的子空間，按照位置和安全程度的不同子空間被賦予不同的等級(jí)，人員疏散就是一個(gè)從低等級(jí)子空間向高等級(jí)子空間移動(dòng)的過程。這種模型吸收了粗糙網(wǎng)絡(luò)模型和連續(xù)模型的一些優(yōu)點(diǎn)，具有進(jìn)一步研究的價(jià)值。袁建明等還提出了人員疏散的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格復(fù)合模型[5], 將整個(gè)模型空間分為網(wǎng)格模擬區(qū)域和網(wǎng)絡(luò)模擬區(qū)域，網(wǎng)格模擬區(qū)域中的每個(gè)單元?jiǎng)澐殖闪嗽S多網(wǎng)格, 每個(gè)疏散個(gè)體在建筑單元內(nèi)的位置用平面坐標(biāo)表示；而網(wǎng)絡(luò)模擬區(qū)域中的每個(gè)單元?jiǎng)t被劃分成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；引入特征長(zhǎng)度這個(gè)概念參數(shù)將網(wǎng)絡(luò)空間和網(wǎng)格空間聯(lián)系起來。該模型集中了網(wǎng)格方法和網(wǎng)絡(luò)方法的優(yōu)勢(shì)。

四、主要疏散仿真方法

元胞自動(dòng)機(jī)是人群應(yīng)急疏散仿真的一種重要方法。元胞自動(dòng)機(jī)（CA）由馮諾依曼發(fā)明，是時(shí)間和空間都離散的動(dòng)力系統(tǒng)。散布在規(guī)則格網(wǎng)中的每一元胞(Cell)取有限的離散狀態(tài)，遵循同樣的作用規(guī)則，依據(jù)確定的局部規(guī)則作同步更新。大量元胞通過簡(jiǎn)單的相互作用而構(gòu)成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的演化。Burstedde C等將二維元胞自動(dòng)機(jī)應(yīng)用于對(duì)行人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模擬，網(wǎng)格中人員向周圍移動(dòng)的概率是動(dòng)態(tài)變化的。Ruggiero Lovreglio等還提出了一種基于似然函數(shù)優(yōu)化的場(chǎng)域元胞自動(dòng)機(jī)模型。鑒于二維的元胞自動(dòng)機(jī)模型無(wú)法表現(xiàn)地面高程的變化，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出一種基于2.5維的元胞自動(dòng)機(jī)的人群疏散模型，可以使用二維平面來描述三維空間狀態(tài)。

格子氣模型基于元胞自動(dòng)機(jī)原理將流體在時(shí)間、空間的流動(dòng)進(jìn)行離散化處理，使其被考慮成只有質(zhì)量而沒有體積大小的粒子，粒子在各格子之間按預(yù)先給定的相互作用規(guī)則移動(dòng)，并符合三大守恒定律。格子氣模型具備并行性和時(shí)空局部性的優(yōu)點(diǎn)，可通過一些簡(jiǎn)單的規(guī)則演化出高度復(fù)雜的結(jié)果。傳統(tǒng)的格子氣模型中，每個(gè)格子的尺寸大小與每個(gè)人員的大小相當(dāng)。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了非均勻移動(dòng)的格子氣模型，每個(gè)人員周圍的格子是動(dòng)態(tài)的，和人員的實(shí)際運(yùn)動(dòng)緊密相關(guān)，更加符合高密度人群的疏散。還有學(xué)者提出了一種多格子模型，進(jìn)一步細(xì)化了空間網(wǎng)格，行人可同時(shí)占據(jù)多個(gè)網(wǎng)格，以格子的重疊來量化行人間的擠壓與受力，當(dāng)格子無(wú)限細(xì)化時(shí)，行人的移動(dòng)接近于連續(xù)。

五、展望

人員應(yīng)急疏散仿真是多學(xué)科的綜合運(yùn)用，計(jì)算機(jī)學(xué)、社會(huì)學(xué)、心理學(xué)、安全學(xué)、行為學(xué)和系統(tǒng)學(xué)等原理和方法與之深度融合將促其向深度發(fā)展，而在更多的具體場(chǎng)景中的應(yīng)用將促使向廣度發(fā)展。在具體的模型構(gòu)建方面，一是從心理學(xué)、社會(huì)學(xué)和行為學(xué)等角度進(jìn)一步探索個(gè)體、群體在受限空間內(nèi)應(yīng)急條件下的心理狀態(tài)和行為規(guī)律；二是構(gòu)建更為精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式來刻畫人的行為和運(yùn)動(dòng)過程，由于連續(xù)型模型比網(wǎng)格模型更準(zhǔn)確地描述了人的行為和運(yùn)動(dòng)過程，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高，基于社會(huì)力模型的連續(xù)型仿真模型將獲得重視；三是研究更為優(yōu)良的算法，在同樣的計(jì)算代價(jià)情況下考慮更多的影響因素。

參考文獻(xiàn)：

[1]D.Helbing and P.Molnár.Social force model for pedestrian dynamics[J].Phys.Rev.E, 51: 4282-4286,1995.

[2]F.Zanlungo, T.Ikeda and T.Kanda.Social force model with explicit collision prediction[J].EPL, 93 (2011) 68005.

[3] Kisko T M , Francis R L.EVACNET +:A Computer Pr og ram to Determine Optimal Evacuation Plans [ J ] .FireSafe ty Journal, 1985 (9):211-222.

[4]何大治,謝步瀛.基于子空間網(wǎng)絡(luò)的人員疏散模型[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2009年第2期:96-100

[5]袁建平,方 正,尹作成,盧兆明.建筑物火災(zāi)時(shí)人員疏散的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格復(fù)合模型[J].土木建筑與環(huán)境工程,第31卷第2期:90-94,2009.04

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-864X（2016）01-0150-01