人員應急疏散仿真模型比較

徐乾屈波高波

(1.中國人民解放軍78098部隊,四川 成都 610000;2.成都武警警官學院,四川 成都 610000）

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人員應急疏散仿真模型比較

徐乾1屈波1高波2

(1.中國人民解放軍78098部隊,四川 成都 610000;2.成都武警警官學院,四川 成都 610000）

摘要：本文概述了疏散動力學研究的基本內容，介紹了人員應急疏散仿真的幾種主要模型，并分析了各自的特點和優勢。對目前疏散仿真主要采用的元胞自動機和格子氣模型予以了介紹，最后展望了人員應急疏散仿真模型的發展方向。

關鍵詞：應急疏散仿真;社會力模型;網絡模型;網格模型;元胞自動機

公共場所人員密集，突發險情時，人們本能地會盡快離開危險地帶，可能導致相互擠壓、踩踏，發生群死群傷事故；或者雖無險情，但有人失穩摔倒時，也易造成有序的人流出現紊亂，致使慘劇發生。對此，如何避免，能否事先預估，是學者們多年來研究的方向，并逐漸發展出一套理論。其中，關于人員應急疏散的理論稱之為疏散動力學，而人群疏散行為的計算機仿真實現則是疏散動力學研究的一個主要內容，也是目前研究的熱門，有多種仿真模型和相關的軟件問世，有的已實現商業化。總體來看，人群疏散行為仿真模型可以分為連續型、離散型和復合型。

一、連續型疏散模型

主要有磁力模型和社會力模型。磁力模型把人員個體、障礙物、出口等視為磁體，被賦予正負極，同性相斥，異性相吸。社會力模型是目前研究最多的模型，由Dirk Helbing等在Kurt Lewin的研究基礎上提出。Kurt Lewin將格式塔心理學的理念擴大到社會情境，提出了著名的行為公式：B=f（PE），表示行為（B）是隨人（P）與環境的變化（E）而變化的。基于此，Dirk Helbing等提出的社會力模型[1]給出了個體之間、個體和物體之間相互作用力的計算式和在恐慌時人流的動態特征模型。其他學者又進行了不斷完善，如F.Zanlungo等研究了人們為避免碰撞而不斷調整自己的運動軌跡[2]。只要考慮足夠多的因素，社會力模型就能對人群疏散中個體動力學特征作出近似真實的刻畫，據此編寫的計算機程序甚至能夠模擬出人群運動呈現的復雜自組織現象，但計算的復雜性也是顯而易見的。

二、離散型疏散模型

主要采用網絡模型和網格模型。網絡模型將疏散空間抽象為多個網絡節點，如通道、樓梯間、出口等，節點之間連接是既無距離、又無面積的假象空間，人員在各個網絡節點的移動按排隊模型處理。網格模型則將人員集聚的空間劃分為許多網格, 人員的移動以對網格的占據和釋放來表示。在模型空間的劃分方法上有粗網格和細網格兩種，粗網格類根據建筑物的格局進行劃分，在同一模型中網格的面積、形狀會有所不同，如EVACNET +軟件[3]；而細網格類則是用正方形、六邊形等網格把整個建筑平面分割成同樣形狀和面積的網格,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整體，個體特性相同，采取同樣的移動策略；另一種則是考慮了個體差別，不同特質的個體有不同的移動策略。顯然，前一種有更快的運算速度，后一種則更為精確。

三、復合型疏散模型

何大治等基于粗糙網絡建立了一種基于多層次子空間的人員疏散仿真模型[4]，將整個模型空間劃分為多個獨立的子空間，按照位置和安全程度的不同子空間被賦予不同的等級，人員疏散就是一個從低等級子空間向高等級子空間移動的過程。這種模型吸收了粗糙網絡模型和連續模型的一些優點，具有進一步研究的價值。袁建明等還提出了人員疏散的網絡網格復合模型[5], 將整個模型空間分為網格模擬區域和網絡模擬區域，網格模擬區域中的每個單元劃分成了許多網格, 每個疏散個體在建筑單元內的位置用平面坐標表示；而網絡模擬區域中的每個單元則被劃分成一個網絡節點；引入特征長度這個概念參數將網絡空間和網格空間聯系起來。該模型集中了網格方法和網絡方法的優勢。

四、主要疏散仿真方法

元胞自動機是人群應急疏散仿真的一種重要方法。元胞自動機（CA）由馮諾依曼發明，是時間和空間都離散的動力系統。散布在規則格網中的每一元胞(Cell)取有限的離散狀態，遵循同樣的作用規則，依據確定的局部規則作同步更新。大量元胞通過簡單的相互作用而構成動態系統的演化。Burstedde C等將二維元胞自動機應用于對行人運動狀態的模擬，網格中人員向周圍移動的概率是動態變化的。Ruggiero Lovreglio等還提出了一種基于似然函數優化的場域元胞自動機模型。鑒于二維的元胞自動機模型無法表現地面高程的變化，國內學者提出一種基于2.5維的元胞自動機的人群疏散模型，可以使用二維平面來描述三維空間狀態。

格子氣模型基于元胞自動機原理將流體在時間、空間的流動進行離散化處理，使其被考慮成只有質量而沒有體積大小的粒子，粒子在各格子之間按預先給定的相互作用規則移動，并符合三大守恒定律。格子氣模型具備并行性和時空局部性的優點，可通過一些簡單的規則演化出高度復雜的結果。傳統的格子氣模型中，每個格子的尺寸大小與每個人員的大小相當。在此基礎上，發展了非均勻移動的格子氣模型，每個人員周圍的格子是動態的，和人員的實際運動緊密相關，更加符合高密度人群的疏散。還有學者提出了一種多格子模型，進一步細化了空間網格，行人可同時占據多個網格，以格子的重疊來量化行人間的擠壓與受力，當格子無限細化時，行人的移動接近于連續。

五、展望

人員應急疏散仿真是多學科的綜合運用，計算機學、社會學、心理學、安全學、行為學和系統學等原理和方法與之深度融合將促其向深度發展，而在更多的具體場景中的應用將促使向廣度發展。在具體的模型構建方面，一是從心理學、社會學和行為學等角度進一步探索個體、群體在受限空間內應急條件下的心理狀態和行為規律；二是構建更為精確的數學表達式來刻畫人的行為和運動過程，由于連續型模型比網格模型更準確地描述了人的行為和運動過程，隨著計算機運算速度的提高，基于社會力模型的連續型仿真模型將獲得重視；三是研究更為優良的算法，在同樣的計算代價情況下考慮更多的影響因素。

參考文獻：

[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.基于子空間網絡的人員疏散模型[J].工程圖學學報, 2009年第2期:96-100

[5]袁建平,方 正,尹作成,盧兆明.建筑物火災時人員疏散的網絡網格復合模型[J].土木建筑與環境工程,第31卷第2期:90-94,2009.04

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A

文章編號：1671-864X（2016）01-0150-01