徐乾屈波高波

(1.中国人民解放军78098部队,四川 成都 610000;2.成都武警警官学院,四川 成都 610000）



人员应急疏散仿真模型比较

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(1.中国人民解放军78098部队,四川 成都 610000;2.成都武警警官学院,四川 成都 610000）

摘要：本文概述了疏散动力学研究的基本内容，介绍了人员应急疏散仿真的几种主要模型，并分析了各自的特点和优势。对目前疏散仿真主要采用的元胞自动机和格子气模型予以了介绍，最后展望了人员应急疏散仿真模型的发展方向。

关键词：应急疏散仿真;社会力模型;网络模型;网格模型;元胞自动机

公共场所人员密集，突发险情时，人们本能地会尽快离开危险地带，可能导致相互挤压、踩踏，发生群死群伤事故；或者虽无险情，但有人失稳摔倒时，也易造成有序的人流出现紊乱，致使惨剧发生。对此，如何避免，能否事先预估，是学者们多年来研究的方向，并逐渐发展出一套理论。其中，关于人员应急疏散的理论称之为疏散动力学，而人群疏散行为的计算机仿真实现则是疏散动力学研究的一个主要内容，也是目前研究的热门，有多种仿真模型和相关的软件问世，有的已实现商业化。总体来看，人群疏散行为仿真模型可以分为连续型、离散型和复合型。

一、连续型疏散模型

主要有磁力模型和社会力模型。磁力模型把人员个体、障碍物、出口等视为磁体，被赋予正负极，同性相斥，异性相吸。社会力模型是目前研究最多的模型，由Dirk Helbing等在Kurt Lewin的研究基础上提出。Kurt Lewin将格式塔心理学的理念扩大到社会情境，提出了著名的行为公式：B=f（PE），表示行为（B）是随人（P）与环境的变化（E）而变化的。基于此，Dirk Helbing等提出的社会力模型[1]给出了个体之间、个体和物体之间相互作用力的计算式和在恐慌时人流的动态特征模型。其他学者又进行了不断完善，如F.Zanlungo等研究了人们为避免碰撞而不断调整自己的运动轨迹[2]。只要考虑足够多的因素，社会力模型就能对人群疏散中个体动力学特征作出近似真实的刻画，据此编写的计算机程序甚至能够模拟出人群运动呈现的复杂自组织现象，但计算的复杂性也是显而易见的。

二、离散型疏散模型

主要采用网络模型和网格模型。网络模型将疏散空间抽象为多个网络节点，如通道、楼梯间、出口等，节点之间连接是既无距离、又无面积的假象空间，人员在各个网络节点的移动按排队模型处理。网格模型则将人员集聚的空间划分为许多网格, 人员的移动以对网格的占据和释放来表示。在模型空间的划分方法上有粗网格和细网格两种，粗网格类根据建筑物的格局进行划分，在同一模型中网格的面积、形状会有所不同，如EVACNET +软件[3]；而细网格类则是用正方形、六边形等网格把整个建筑平面分割成同样形状和面积的网格,如著名的Building EXODUS过程模拟软件。在处理人员特性和行为特征方面，一种是把人群看作均质整体，个体特性相同，采取同样的移动策略；另一种则是考虑了个体差别，不同特质的个体有不同的移动策略。显然，前一种有更快的运算速度，后一种则更为精确。

三、复合型疏散模型

何大治等基于粗糙网络建立了一种基于多层次子空间的人员疏散仿真模型[4]，将整个模型空间划分为多个独立的子空间，按照位置和安全程度的不同子空间被赋予不同的等级，人员疏散就是一个从低等级子空间向高等级子空间移动的过程。这种模型吸收了粗糙网络模型和连续模型的一些优点，具有进一步研究的价值。袁建明等还提出了人员疏散的网络网格复合模型[5], 将整个模型空间分为网格模拟区域和网络模拟区域，网格模拟区域中的每个单元划分成了许多网格, 每个疏散个体在建筑单元内的位置用平面坐标表示；而网络模拟区域中的每个单元则被划分成一个网络节点；引入特征长度这个概念参数将网络空间和网格空间联系起来。该模型集中了网格方法和网络方法的优势。

四、主要疏散仿真方法

元胞自动机是人群应急疏散仿真的一种重要方法。元胞自动机（CA）由冯诺依曼发明，是时间和空间都离散的动力系统。散布在规则格网中的每一元胞(Cell)取有限的离散状态，遵循同样的作用规则，依据确定的局部规则作同步更新。大量元胞通过简单的相互作用而构成动态系统的演化。Burstedde C等将二维元胞自动机应用于对行人运动状态的模拟，网格中人员向周围移动的概率是动态变化的。Ruggiero Lovreglio等还提出了一种基于似然函数优化的场域元胞自动机模型。鉴于二维的元胞自动机模型无法表现地面高程的变化，国内学者提出一种基于2.5维的元胞自动机的人群疏散模型，可以使用二维平面来描述三维空间状态。

格子气模型基于元胞自动机原理将流体在时间、空间的流动进行离散化处理，使其被考虑成只有质量而没有体积大小的粒子，粒子在各格子之间按预先给定的相互作用规则移动，并符合三大守恒定律。格子气模型具备并行性和时空局部性的优点，可通过一些简单的规则演化出高度复杂的结果。传统的格子气模型中，每个格子的尺寸大小与每个人员的大小相当。在此基础上，发展了非均匀移动的格子气模型，每个人员周围的格子是动态的，和人员的实际运动紧密相关，更加符合高密度人群的疏散。还有学者提出了一种多格子模型，进一步细化了空间网格，行人可同时占据多个网格，以格子的重叠来量化行人间的挤压与受力，当格子无限细化时，行人的移动接近于连续。

五、展望

人员应急疏散仿真是多学科的综合运用，计算机学、社会学、心理学、安全学、行为学和系统学等原理和方法与之深度融合将促其向深度发展，而在更多的具体场景中的应用将促使向广度发展。在具体的模型构建方面，一是从心理学、社会学和行为学等角度进一步探索个体、群体在受限空间内应急条件下的心理状态和行为规律；二是构建更为精确的数学表达式来刻画人的行为和运动过程，由于连续型模型比网格模型更准确地描述了人的行为和运动过程，随着计算机运算速度的提高，基于社会力模型的连续型仿真模型将获得重视；三是研究更为优良的算法，在同样的计算代价情况下考虑更多的影响因素。

参考文献：

[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,谢步瀛.基于子空间网络的人员疏散模型[J].工程图学学报, 2009年第2期:96-100

[5]袁建平,方 正,尹作成,卢兆明.建筑物火灾时人员疏散的网络网格复合模型[J].土木建筑与环境工程,第31卷第2期:90-94,2009.04

中图分类号：TP391

文献标识码：A

文章编号：1671-864X（2016）01-0150-01