視野受限情況下行人疏散行為特征試驗研究*

吳 鑫,林華李,張龍梅,朱 旭,羅筱毓

(1.四川師范大學 工學院,四川 成都 610101;2.四川師范大學 西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室,四川 成都 610066)

0 引言

在我國大型和超大型城市現代化建設過程中,各類公共場所和公共空間不斷大型化、復雜化,而對于對緊急情況下的人員快速疏散造成嚴峻的挑戰。因此,公共場所突發事件下人群疏散能力至關重要,是城市管理和危機處理的新興課題之一。

目前,人員疏散研究主要采用觀測、試驗和模擬仿真等手段?，F場觀測一般通過監控錄像等方式對某類特定場所(車站、商場等)人群運動進行數據采集,收集行人日常行為和緊急情況下的行為特點,由于觀察者與被觀察者之間沒有信息交流,因此相關規律及數據更貼合實際情況[1]。相關研究表明:在不同場景中行人都呈現出特有的運動規律,包括分層現象[2]、分帶現象[3]等。由于觀測法是針對真實疏散行為開展研究,因此難以控制和展示單一變量對疏散行為的影響,而人群運動試驗可以通過精確設置場景和控制變量來克服該局限。包括在教學樓開展低能見度下的疏散試驗[4],探究能見度對個體疏散速度及路徑選擇的影響?？紤]小群體行為的建筑疏散研究[5]。還有一些學者開展了行人相向行走或者合并過程的行為研究[6-7],人群中的自組織行為機制的試驗研究[8],出口設置對疏散效率的影響以及激勵作用下的人群疏散研究等[9-10]。此外,仿真模擬在近年來也得到長足發展,其中較為典型的是連續模型-社會力模型[11]和離散模型-元胞自動機模型,研究影響因素包括疏散標志、能見度、心理因素、動態出口選擇等[12-15]。

目前針對視野受限情況下的人員疏散試驗研究依然不多,且集中于行人疏散過程的宏觀行為和仿真模擬[16]。因此,本文聚焦于視野受限條件下個體的疏散行為特性,以及群體在疏散過程中的典型行為。相關成果有助于進一步理解人群疏散過程行為特征,在公共安全和應急管理等領域有一定應用價值。

1 行人疏散試驗

1.1 試驗方案

以往研究大多都是從宏觀角度出發,分析行人的疏散路徑、疏散速度、疏散時間等物理量,而忽略了行人自身的微觀動作(包括頭部轉動、瞬時速度等)以及行人在與環境(墻、出口)的相互作用下的特定動作。因此,在本文中,我們采用1個單人間的場景,志愿者們將在迷失方向的條件下以正常速度移動并尋找出口進行疏散。

設置1個5.4 m×5.4 m(長×寬)的正方形試驗場地,通過支架和警戒線模擬邊墻,在場地中心正上方8 m處設置1臺高清攝像機,如圖1所示。在場地角落處分別設置4個出口位置,每次試驗將隨機打開其中1個。試驗共征集12名志愿者(8男4女),平均年齡約24歲,平均身高1.72 m,共進行試驗12組(編號1～12)。為了真實模擬現場視野受限情況,試驗人員將佩戴特制的棒球帽,該條件下,志愿者們能通過低頭或者往下瞥,觀察腳下的環境從而進行方位的判斷,在此情景下,大致能看到腳前方約60 cm的地方,與1個成年人的臂長相當,符合行人在視野受限情況下會通過平舉雙手揮舞判斷周遭環境該過程,同時也保障了試驗人員的安全。

圖1 標簽設置示意Fig.1 Setting of experimental site

為獲取志愿者在疏散過程中的行為數據,分別在棒球帽的帽檐、帽頂以及志愿者的左右肩上貼4個標簽,有利于通過Tracker軟件來跟蹤人員運動和行為軌跡。

1.2 試驗步驟

試驗過程按照以下步驟開展:包括:志愿者進入到場地中心并在試驗員的幫助下正確佩戴帽子并貼上標簽;試驗員將四個出口用警戒線關閉;志愿者原地轉圈5周,與此同時,試驗員打開其中1個出口;給出試驗開始信號,志愿者需要盡快離開房間;志愿者移動并找到出口,離開房間,試驗結束。

2 行人運動模型

視頻采用30幀速率錄制,即每間隔dt=0.033 s記錄志愿者在場地的位置(頭頂位置),對應每個志愿者i的軌跡Li如式(1)所示:

Li={Pi(0),Pi(1),…,Pi(K)|1

(1)

式中:N表示參與志愿者的個數,個;Pi(0)=(xi(0),yi(K0)),表示初始位置,定義為給定信號試驗開始時志愿者i的地理位置;Pi(K)=(xi(K),yi(K))表示志愿者經過時間步K個時間后所處位置的坐標,K對應的是該人員走出出口這一幀的時間步數。

2.1 個體指標

根據試驗軌跡,我們可以計算出每個志愿者在每次試驗中的疏散時間、行走速度以及頭部轉動角度。

疏散時間表示如式(2)所示:

T=K×dt

(2)

行走速度表示如式(3)所示:

νi(k)=|Pi(k)-Pi(k-1)|∕dt

(3)

式中:νi(k)為志愿者i在第k個時間步的行走速度;Pi(k)為志愿者i在第k個時間步的位置,其中0≤k≤K。

視線方向如圖1所示。帽檐與帽頂2點間的連線可以確定志愿者i在第k個時間步視線的方向αi(k)如式(4)所示,兩肩之間的連線可以確定身體的方向βi(k)如式(5)所示,頭部轉動角度如式(6)所示,δi(k)可根據αi(k)和βi(k)得出:

(4)

(5)

δi(k)=αi(k)-βi(k)

(6)

式中:yHi(k)是行人i在第k個時間步時,標簽點H的y軸坐標,m;yPi(k)是行人i在第k個時間步時,標簽點P的y軸坐標,m;xHi(k)是行人i在第k個時間步時,標簽點H的x軸坐標,m;xPi(k)是行人i在第k個時間步時,標簽點P的x軸坐標,m;yRi(k)是行人i在第k個時間步時,標簽點R的y軸坐標,m;yLi(k)是行人i在第k個時間步時,標簽點L的y軸坐標,m;xRi(k)是行人i在第k個時間步時,標簽點R的x軸坐標,m;xLi(k)是行人i在第k個時間步時,標簽點L的x軸坐標,m;αi(k)表示行人的視線方向,(°);βi(k)表示行人身體的方向,(°);δi(k)表示行人的頭部轉動角度,(°)。

2.2 交互指標

上述方法從志愿者本身提取了相關數據,在整個試驗過程中,人與環境還存在著相互作用力。考慮到這一點,將采用人-墻間距Si如式(7)所示:

Si(k)=max (|xw|,|yw|)-max (|xi(k)|,|yi(k)|)

(7)

式中:Si(k)為第i個人在第k個時間步時離墻最近的距離,值為正表示行人處于場地內,值為負則表示疏散人員已走出了場地;xw,yw為墻(邊界)的橫、縱坐標。

3 試驗結果分析

3.1 路徑分析

行人疏散路徑及速度分布結果如圖2所示。試驗發現志愿者們在試驗開始指令下達后,會朝著某一固定的方向徑直向前走,抵達墻壁后會依據個人喜好隨機選擇方向(往左或往右),之后便沿著墻壁移動并尋找出口。整個試驗過程中,志愿者們并沒有出現掉頭往回走的現象,即使是會繞遠路,如試驗1,這與緊急狀況下行人迫切地尋找出口心理有關:往回走之前已經進行過判斷的路是做無用功,在行人有“出口一定是和墻壁相連”這一定性思維的前提下,為了盡快尋找出口,信念較為堅定。行人在沿墻行走時還會與墻體保持一定距離,一方面是增大視野范圍,提高自身判斷出口的效率,另一方面則是減少與墻體的摩擦,提升行人的移動速度。

圖2 部分疏散試驗的軌跡及速度分布Fig.2 Trajectories and speed distribution of partial evacuation experiments

此外,在整個疏散過程中,志愿者的低速段是分布在起始點和墻角處,這是因為人員運動有1個起步階段以及在墻角處會判斷并決策這2個過程,因此行人的速度通常會慢下來。正常情況下行人的行進速度為1.03～1.28 m/s,男性速度略高于女性。表1是9位志愿者運動信息統計結果,平均疏散速度0.584 m/s,平均疏散時間24.78 s,這是由于在視野受限情況下行人會主動降低行進速度。

表1 疏散行人參數分析Table 1 Analysis of evacuation pedestrian parameters

3.2 速度分析

為擬合速度曲線,每3幀(即0.1 s)取個平均速度,試驗一速度擬合結果如圖3～4所示。行人在運動過程中的速度變化與自身所處的場地位置密切相關,降速時間點是在墻角的位置出現。此外,行人的移動速度在是某一范圍內浮動的。因此除開行人在墻角進行的判斷過程后,將試驗過程分為4個階段。如圖4所示,階段1為尋找墻的階段,階段2～5為沿墻走階段。

圖3 試驗1的速度擬合Fig.3 Speed fitting of experiment 1

圖4 試驗1的分段示意Fig.4 Schematic segmentation of experiment 1

對速度數據進行統計后得到如圖5所示的箱線圖。

圖5 試驗各階段速度Fig.5 Speeds in each stage of experiment

行人在階段1(尋找墻的階段)的速度是低于后續的沿墻走階段,原因是前一階段的行人因為周圍環境的不確定性所導致的試探心理,需要降低自己的疏散速度,從而獲取足夠的時間來判斷周圍環境是否安全。此外,我們還能觀察到,所分階段數目較多的(試驗1、試驗2、試驗8、試驗9)在后續沿墻走行為中,其速度都在穩定提升,由于一方面是經過前幾個階段,志愿者的疏散技能更為熟練,另一方面,疏散人員的心理從最開始的慌亂茫然中脫離出來,尋找出口的能力得到增強,動作迅速。

3.3 視線分析

通過志愿者頭頂和肩部的4個標簽點,可以獲得基于身體朝向的頭部轉動角度與瞬時速度圖,如圖6所示。圖中每一份的角度為15°。由圖6可知,在視野受限下的疏散中,人體頭部的轉動幅度并不大,視線與身體的夾角基本是處于75°～105°區域內的。其原因在于,緊急疏散情況下行人為了節省時間,會使自己的行為變得更簡潔,在行進過程中不斷確認周圍環境,故而頭部的擺動較小。

圖6 頭部轉動角度與瞬時速度Fig.6 Head rotation angle and instantaneous speed

圖6還顯示出大部分行人頭部朝向并沒有在正前方,而是偏左或者偏右,具有一定的傾向性。在行人的整個疏散過程中,沿墻走這一行為占據了大部分時間。結合視頻分析可發現,行人在沿墻走的時候,身體為了保持向前行進的一個狀態,會下意識的將身體與墻保持1個垂直的角度,而頭部的視線為了確認周圍環境(此時主要是確定墻的狀態)會將頭部的朝向偏向墻面一側,此時,視線與身體方向便存在一定夾角,具體偏向與順逆時針行走方向以及個體差異有關。

此外,我們還做了基于地面為參考系的頭部朝向圖,如圖7所示。結果表明,行人在視野受限情況下,整個疏散過程中頭部的朝向轉變不會太頻繁,存在著幾個主方向(占比很大),同時這幾個方向也是墻的方向以及剛開始試驗時頭部的朝向。圖7中,深色部分表示低速,占比較少且大多分布在西南、西北、東南、東北方向。淺色部分表示的是速度較快的情況,主要出現在沿墻走的過程中,這說明為了保證行動的有效性和人身安全,行人的疏散速度是處于謹慎的狀態下表現出來的。

圖7 部分試驗的頭部朝向玫瑰圖Fig.7 Head orientation rose diagram of partial experiments

3.4 人-墻距離分析

圖8統計了志愿者們隨著時間在整個疏散過程中的人-墻距離變化圖,這個距離是指行人自身的位置到最近墻體的直線距離,數值小于0則代表行人走出了試驗場地。由圖8可知,行人在疏散指令下達后,人-墻距離會減小,少部分在初始時間會出現增加的現象,這是因為行人處于視野受限情況,并不清楚哪個方向是離墻最近的,符合現實情況。之后,人-墻距離將保持在0～0.5 m這一范圍內,較集中于0.2～0.3 m這一范圍值內,說明行人即使是在視野受限的緊急情況下,仍然會和墻壁保持一定的距離,這是為了保證自身的逃生速度以及安全。其中,試驗7和試驗8的后半部分出現了增大的特殊情況,這是因為該次試驗的志愿者在疏散過程中決定遠離墻壁,冒險去選擇近道以提高效率。這展示了應急疏散過程中行人的風險偏好,當視線受限時,大多數人會選擇安全可靠的行進路線,也有少部分人為迅速撤離而選擇主觀判斷的行進路線,后者更偏好風險。

圖8 人-墻間距變化Fig.8 Change of man-wall spacing

4 結論

1)視野受限下行人疏散行為與正常情況不同,在周邊無參照物時會隨機選擇某一方向徑直走,遇到墻體后便以其為參考“沿墻走”,直到尋找到出口位置,也有少部分偏好風險的行人,為盡快撤離而選擇遠離墻體這一參照物去冒險尋找捷徑。

2)試驗過程行人的平均疏散速度為0.584 m/s,疏散時間為24.78 s。劃分階段后還發現,尋找墻階段的行人速度慢于沿墻走階段;遇墻角轉彎及出口等需判斷的情況速度也會明顯降低;隨著對環境的適應,疏散后期行人速度會相對提升。

3)對視野受限疏散過程中的行人頭部轉動特征研究發現,行人面部朝向與肩膀的夾角一般為90°±15°范圍。在尋找墻階段頭部轉向變化更大;而在沿墻走階段,行人為鎖定參照物并提高疏散效率,頭部會習慣性偏向墻面一側。