一種基于自組織沙堆模型的人群疏散仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于自組織沙堆模型的人群疏散仿真方法，通過建立面向人群恐慌傳播的動態(tài)三維自組織沙堆模型仿真獲得人群疏散的穩(wěn)定性，該方法包括下列步驟：1)將疏散個體映射為沙粒，建立面向人群恐慌傳播的動態(tài)三維自組織沙堆模型；2)根據(jù)沙崩標度確定人群失穩(wěn)突發(fā)臨界概率；3)求取所建立的動態(tài)三維自組織沙堆模型的當前人群失穩(wěn)平均概率量，與步驟2)中確定的人群失穩(wěn)突發(fā)臨界概率進行比較，判斷所述動態(tài)三維自組織沙堆模型的狀態(tài)；4)利用人群疏散仿真軟件對建立的動態(tài)三維自組織沙堆模型進行人群疏散仿真驗證。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有考慮因素全面、準確性高、具有科學依據(jù)以及可信度高等優(yōu)點。
【專利說明】
一種基于自組織沙堆模型的人群疏散仿真方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及仿真建模技術領域，尤其是涉及一種基于自組織沙堆模型的人群疏散 仿真方法。
【背景技術】
[0002] 目前，人群疏散穩(wěn)定性研究還處于起步階段，通常借助人群疏散模型仿真或疏散 演練，并通過觀測人群疏散過程中涌現(xiàn)出的人群過度擁擠或者踩踏等典型現(xiàn)象來描述人群 疏散的穩(wěn)定性。人群應急疏散穩(wěn)定性的研究方法有事故分析、疏散演習和疏散模擬等方法。 事故分析法具有說服力，但因受到災情(如濃煙等)影響，致使事故可用影像資料有限。疏散 演習具有直觀性，但研究疏散恐慌行為較為困難，一是因為組織者自身害怕疏散演習中出 現(xiàn)安全事故，二是因為疏散參加者和真實事故中人員的心理及行為也存在較大差異?，F(xiàn)有 人群疏散模擬模型多是聚焦在人群運動學和動力學方面的研究，主要描述人群疏散行為， 并分析建筑物疏散要素(樓梯口和消防通道最小寬度等）與人群通行能力和疏散時間的關 系，給出建筑物預防人群踩踏的若干應急管理策略和建議，但多數(shù)現(xiàn)有模型尚未系統(tǒng)研究 踩踏發(fā)生的機理和演化過程，僅僅把踩踏作為現(xiàn)有疏散模型中的典型失穩(wěn)現(xiàn)象加以考慮。
[0003] 近年來，學者們越來越重視研究疏散過程中恐慌對人群疏散穩(wěn)定性作用，從恐慌 傳播模型角度來研究人群穩(wěn)定性。但是恐慌心理具有復雜性、時變性和無法復制性，而且人 群疏散演化又是一個非線性的，非結構化的和自組織的復雜過程，尤其是對人群在恐慌狀 態(tài)下出現(xiàn)的過度擁擠和踩踏現(xiàn)象，因此，無法建立精確的數(shù)學模型，使得難以用經典 Lyapunov函數(shù)來分析其失穩(wěn)過程和演化機理。因此，研究人員采用動態(tài)三維自組織沙堆模 型來研究人群穩(wěn)定性。但該理論研究處于起步階段，存在若干不足:微觀分析較少，經典沙 堆模型的沙粒空間結構復雜，經典的恐慌傳播沙堆模型缺乏時變性，尚未形成可操作性強 的分析方法。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對上述問題提供一種考慮因素全面、準確性高、具有科學依據(jù) 以及可信度高的基于自組織沙堆模型的人群疏散仿真方法。
[0005] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：
[0006] -種基于自組織沙堆模型的人群疏散仿真方法，通過建立面向人群恐慌傳播的動 態(tài)三維自組織沙堆模型仿真獲得人群疏散的穩(wěn)定性，該方法包括下列步驟：
[0007] 1)將疏散個體映射為沙粒，建立面向人群恐慌傳播的動態(tài)三維自組織沙堆模型；
[0008] 2)根據(jù)沙崩標度確定人群失穩(wěn)突發(fā)臨界概率；
[0009] 3)求取所建立的動態(tài)三維自組織沙堆模型的當前人群失穩(wěn)平均概率量，與步驟2) 中確定的人群失穩(wěn)突發(fā)臨界概率進行比較，判斷所述動態(tài)三維自組織沙堆模型的狀態(tài)； [0010] 4)利用人群疏散仿真軟件對建立的動態(tài)三維自組織沙堆模型進行人群疏散仿真 驗證。
[0011]所述步驟1)具體為：
[0012] 11)確定沙粒形狀:根據(jù)疏散個體在生理因素和社會關系因素的關鍵特征的統(tǒng)計 和調研分析的量化結果，將生理因素和社會因素中的關鍵特征映射到三維笛卡爾坐標系的 六個空間坐標半軸上，形成四棱錐沙粒，確定沙粒形狀；
[0013] 12)確定沙粒粒徑:將逃離出口的疏散個體和發(fā)生踩踏時失去運動能力與信息傳 播能力的疏散個體所映射的沙粒粒徑記為〇,將剩余疏散個體的疏散行為映射為疏散個體 的速度矢量和加速度矢量繼而計算恐慌程度，并將恐慌程度映射為沙粒粒徑；
[0014] 13)確定沙粒在沙堆中的位置:按照沙粒的沙層高度與疏散個體與安全出口之間 的距離成正比的原則，確定沙粒在沙堆中的位置，具體為：
[0015] Li = Kiround(die, 2)
[001 ?]其中，U為沙粒的沙層高度，Κι為疏散個體與安全出口的距離，round為取整函數(shù)； [0017] 14)確定沙堆環(huán)境濕度：抽取災害因素和空間約束，通過映射函數(shù)轉換為沙堆濕 度，具體為：
[001 8] Hsand - CdisHdis+CarcHarc
[0019] 其中，Hsand為沙堆環(huán)境濕度，Har。為空間約束基數(shù)，H dis為災害因素基數(shù)，Cdis為災害 因素，Car。為空間約束。
[0020] 所述將恐慌程度映射為沙粒粒徑所依據(jù)的表達式為：
[0022] 4 = {4 eXP[(^ + +rgijy-di])AVtjity
[0023] f iw-{Ai ΘΧΡ[ 0-?-diw)/Bi]+kg0-?-diw) }Iliw-Υ g0-?-diw) ( Vi * tiw)tiw
[0024] 其中，ri為第i個疏散個體的直徑即所求沙粒粒徑，nu為疏散個體質量，為理 想速度，4⑴為設定的方向，Vi(t)為實際速度，^為特征時間，fij為疏散個體之間的相互作 用力，為疏散個體與墻或隔離護欄之間的相互作用力，AnBi為常數(shù)，(^為疏散個體的質 量中心距離，rij為兩疏散個體之間的距離，1^(1^-(1^)11^和1^(；1^-(1^)11^為質量力， 4/)Δν?Λ/為疏散個體之間的滑動摩擦力，yg(ri-diw)(vi · tiw)tiw為疏散個體與墻或 隔離護欄之間的滑動摩擦力，k和γ為決定疏散個體i和j之間的相互作用的阻塞效應的參 數(shù)，Δν); -&是切向速度的變化量，d iw是疏散個體i與墻之間的距離，11^是指垂直方向， tiw是指切向方向，ti j是m j的切向方向，mj是由疏散個體j指向i的標準向量，函數(shù)g (X)定義 為:若行人碰撞，則g(x)=〇,否則g(x)=x。
[0025] 所述空間約束基數(shù)Har。的表達式具體為：
[0027]其中，m = 0，1，2，3，4為各疏散個體在運動時所受到的公共約束，η為疏散個體的數(shù) 目，Pk為k類運動副數(shù)量，k=5,4,3,2，l為運動副的級別數(shù)目。
[0028]所述災害因素基數(shù)Hdls所依據(jù)的表達式為：
[0030] 其中，μΜ和/?分別為DA和Ιο的隸屬函數(shù)，DA為災害損失度，Ιο為用于風險評估的烈 度值，下標t是H dls的排序號，s是i值的序號，i是烈度上的坐標值，rst是模糊關系矩陣中的元 素，將1〇值以信息分配的方法分配到控制點上以求出H dls的值，DA和1〇的關系為：
[0031] DA=I〇0R
[0032] 其中，R為模糊關系矩陣。
[0033]所述步驟2)具體為：
[0034] 21)計算沙崩標度，具體為：
[0035] D(T)=AT-e
[0036] 其中，A為沙崩標度，D (T)為雪崩概率，T為弛豫時間，β = 1.58 ± 0.15;
[0037] 22)根據(jù)步驟21)所求沙崩標度確定人群失穩(wěn)突發(fā)臨界概率，具體為：
[0038] Qc = Ax-B
[0039] 其中，Q。為人群失穩(wěn)突發(fā)臨界概率，x為人群規(guī)模即疏散個體總數(shù)，B為介于2.1和 5.2之間的正實常數(shù)。
[0040] 所述步驟3)具體為：
[0041] 31)計算動態(tài)三維自組織沙堆模型的平均場哈密爾頓量Pi;
[0042] 32)根據(jù)步驟31)所求的平均場哈密爾頓量列出平衡條件；
[0043] 33)根據(jù)步驟31)中的平均場哈密爾頓量和步驟32)中列出的平衡條件求得當前人 群失穩(wěn)平均概率量Q;
[0044] 34)比較步驟33)中求得的當前人群失穩(wěn)平均概率量Q和步驟2)中求得的人群失穩(wěn) 突發(fā)臨界概率Q。，當0<0。時，動態(tài)三維自組織沙堆模型處于穩(wěn)定狀態(tài)；當Q=QJ寸，動態(tài)三維 自組織沙堆模型處于臨界狀態(tài)；iQ>Q c時，動態(tài)三維自組織沙堆模型發(fā)生沙崩。
[0045] 所述平均場哈密爾頓量Pi具體為：
[0048]其中，1 = 0，1，2,3,0，1是非激發(fā)態(tài)，2,3是激發(fā)態(tài)4^為兩個疏散個體之間的相互 作用力，ΠΗ為疏散個體質量，了、?為向量，U為疏散個體狀態(tài)。
[0049] 所述平衡條件具體為：
[0050] P2( 1-h) I2=P〇[ (l-yh) I+hI2+( l-h)y2+2hyl ]
[0051] P〇[2(l-h)yI+hI2]+P2[2(l-h)yI+hI2]+P3[2(l-h)yI+hI 2]=Pi[(l-h)y2+2hyI+2(l-h)yl+2hl2]
[0052] P〇[(l-h)y2+2hyI]+Pi[2(l-h)yI+hI2]=P2[(l-h)I 2+2(l-h)yI+hI2]
[0053] Pi[(l-h)y2+2hyI]=P3[(l-h)I2]
[0054] μ = ρ2+ρ3
[0055] I =P〇+Pi
[0056] 其中，I代表人群處于非激發(fā)態(tài)的概率，μ代表人群處于激發(fā)態(tài)的概率，h為激發(fā)的 概率。
[0057] 所述求得當前人群失穩(wěn)平均概率量Q具體為：
[0058] α = 〇 X P〇+l X Ρι+2 X P2+3 X P3
[0059] 4Q2+(l-2a+2h)Q-ha = 〇
[0060] 其中，a為平均概率量。
[0061] 與現(xiàn)有技術相比，采用本發(fā)明方法對人群疏散穩(wěn)定性進行分析，全面考慮相關因 素，準確性高，具有科學依據(jù)并進行仿真驗證，可信度高。具體地，本發(fā)明具有以下有益效 果：
[0062] (1)針對人群穩(wěn)定性分析，構建面向恐慌傳播的非均勻粒徑動態(tài)沙堆模型，將人群 疏散的穩(wěn)定性問題轉化為沙堆模型的穩(wěn)定性問題，便于進行研究。
[0063] (2)構建好的沙堆模型中，沙粒的形狀、粒徑、位置與疏散個體的特征、恐慌程度和 到出口的距離方向一一對應，充分描述了疏散個體的生理、心理和社會因素差異。
[0064] (3)將災害等環(huán)境因素對應沙堆濕度，直接影響沙粒之間的靜摩擦力，補充了沙堆 計算模型和物理模型中尚未考慮到的因素，充分體現(xiàn)了疏散的環(huán)境特征。
[0065] (4)構建好的沙堆模型中，考慮了個體的恐慌度大小動態(tài)變化，將其對應為沙粒粒 徑的動態(tài)時變值，客觀的反應了疏散個體的心理差異，又簡便地通過粒徑時變特性保障沙 粒粒徑的不均勻性，滿足沙堆臨界行為的必要條件。
[0066] (5)將人群失穩(wěn)條件和沙堆的臨界性特征對應，引發(fā)的沙崩和人群徹底失穩(wěn)相對 應，具有一致性和完備性，為系統(tǒng)分析人群失穩(wěn)機理提供科學依據(jù)。
[0067] (6)由于考慮因素完備，因而可以通過調整各類疏散情景要素，系統(tǒng)的分析人群疏 散穩(wěn)定條件、失穩(wěn)過程和失穩(wěn)演化機理。
[0068] (7)將量化后的恐慌度映射為沙粒粒徑，屬于分段線性映射，方法簡便可行。
[0069] (8)在沙堆模型中可以清楚地分析疏散人群恐慌的沙堆模型達到"穩(wěn)定-臨界-沙 崩-新穩(wěn)定"狀態(tài)的全過程，這與人群失穩(wěn)過程特征一致。
[0070] (9)通過本發(fā)明方法可以從城市大型交通樞紐建筑模型數(shù)據(jù)中直接分析和抽取環(huán) 境特征，數(shù)據(jù)全面可靠，方法簡便可行。
[0071 ] (10)本發(fā)明方法中用人群疏散仿真軟件來驗證恐慌傳播模型和穩(wěn)定性分析結果， 仿真程度高，可信度大。
【附圖說明】
[0072] 圖1為考慮恐慌傳播的人群應急疏散穩(wěn)定性研究技術原理圖；
[0073] 圖2為上海虹橋綜合交通樞紐疏散仿真軌跡圖；
[0074]圖3為上海虹橋綜合交通樞紐疏散3D仿真運動場景圖；
[0075]其中，1為疏散個體生理和社會因素，2為疏散個體生理、心理和社會因素，3為疏散 個體生理和社會特征，4為疏散個體行為特征，5為三維沙粒，6為人群疏散恐慌傳播的動態(tài) 三維自組織沙堆模型，7為群智能人群疏散模型，8為環(huán)境因素，9為恐慌傳播自組織沙堆模 型，10為人群疏散恐慌傳播的沙堆模型臨界行為，11為人群疏散失穩(wěn)演化機理，12為應急疏 散踩踏事件預防建議庫，13為城市交通樞紐人員應急疏散仿真系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0076]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本實施例以本發(fā)明技術方案 為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于 下述的實施例。
[0077]如圖1所示，本實施例提供一種基于自組織沙堆模型的人群疏散仿真方法，該方法 通過對疏散個體生理、心理和社會因素進行分析，獲得疏散個體行為特征，從而建立考慮心 理恐慌傳播的動態(tài)三維自組織沙堆模型，研究人群恐慌傳播的沙堆模型的臨界行為，從而 對建立的動態(tài)三維自組織沙堆模型的穩(wěn)定性進行分析。該方法包括下列步驟：
[0078] (1)建立動態(tài)三維自組織沙堆模型，具體為：
[0079] (11)確定沙粒形狀:研究疏散特征映射關系，根據(jù)疏散個體在生理因素和社會關 系因素的關鍵特征的統(tǒng)計和調研分析的量化結果，將生理因素中的年齡、性別、殘障程度、 敏捷性、體重和社會因素中的陌生程度等關鍵特征分別映射到三維笛卡爾坐標系的六個空 間坐標半軸上，形成四棱錐沙粒，由此確定沙粒的形狀。
[0080] (12)確定沙粒粒徑:選取疏散個體心理、生理和社會因素所涌現(xiàn)出來的各種疏散 行為，集成體現(xiàn)為疏散個體的速度矢量和加速度矢量。根據(jù)Helbing，D.恐慌"心理一行為" 波動模型，從疏散個體緊張程度和速度變化反向計算其恐慌程度，考慮引導對恐慌的鎮(zhèn)定 作用，使行人之間的作用力減小，使得恐慌度降低;并將恐慌度映射為沙粒粒徑，決定沙粒 粒徑?？只懦潭瓤杀硎緸椋?br>[0082] 其中，nu是行人質量，是理想速度，是設定的方向，Vl(t)是實際速度，h 是特征時間，fu是行人與行人之間的相互作用力，flw是行人與墻或隔離護欄之間的相互作 用力，
[0083] fa = 14 ^xp[(/；； -d^)： B：\ + kg(r;; - di：) + yg{r. ~d.. Wji(u (之）
[0084] f iw-{Ai ΘΧΡ [ ( Γ?-diw)/Bi ]+kg ( Γ?-diw) } Iliw-Υ g ( Γ?-diw) ( Vi * tiw)tiw ( 3 )
[0085] 仏幾為常數(shù)，cM于人的質量中心距離，陽為兩行人之間距離，kghrddm偽質 量力，/為滑動摩檫力，ri第i個行人的直徑，參數(shù)k和γ決定行人i和j之間的 的相會作用中的阻塞效應，△<= V,· -V,·是切向速度的變化量，diw是疏散個體i與墻之間的 距離，11^是指垂直方向，t ^是指切向方向，t i j是m j的切向方向，m j是由疏散個體j指向i的 標準向量，函數(shù)g(x)定義為:若行人碰撞，貝1Jg(x)=〇,否則g(x)=x。
[0086] (13)沙粒在沙堆中的定位:按照疏散個體對應沙粒的沙層高度與其離安全出口的 距離大小應成正比的原則，來確定人群模型中粒子空間分布，確定沙粒在沙堆中的位置。可 表示為：
[0087] Li = Kiround(die, 2) (4)
[0088]其中，U為沙層高度，Κι為個體離安全出口的距離，Κι為取整函數(shù)。
[0089] (14)確定沙堆的環(huán)境濕度:從災害模型庫中導出典型火災和毒氣泄漏等災害的模 型數(shù)據(jù)，抽取災害對疏散的關鍵影響因素;從建筑物模型庫中導出疏散相關的大型建筑物 空間結構模型數(shù)據(jù)，抽取空間約束（出口寬度和墻面位置等)對疏散的關鍵影響因素。將災 害因素和空間約束通過映射函數(shù)轉化為沙堆濕度?？杀硎緸椋?br>[0090] Hsand = CdisHdis+CarcHarc (5)
[0091 ] 其中，Hsand為沙堆濕度，Har。為空間約束基數(shù)，Hdis為災害因素基數(shù)，C dis為災害因 素，Car。為空間約束。定義規(guī)則Θ為：
[0093]式中Ιο是用于風險評估的烈度值，下標t是(Hdls)的排序號，s是i值的序號，i是烈 度上的坐標值，rst是模糊關系矩陣中的元素。μΜ和馬分別為DA和1〇的隸屬函數(shù)，其中，DAS 災害損失度，Ιο是用于風險評估的烈度值，采用推論公式：
[0094] DA=I〇0R (7)
[0095] 將風險分析的Ιο值以信息分配的方法分配到的控制點上，最后求出Hdls的值。根據(jù) 約束理論，可得H ar。的公式：
[0097] 其中，m為各個體在運動時所受到的公共約束(m=0，l，2,3,4)，n為疏散個體數(shù)目， Pk為k類運動副數(shù)量，k為運動副的級別數(shù)目（k=5，4，3，2，1)。
[0098] 將疏散個體與沙粒對應，涌向出口的疏散個體生理、社會和恐慌特征映射為落向 沙堆的沙粒，逃離出口的疏散個體所對應的沙粒粒徑為零，即從沙堆中消失；如果發(fā)生踩 踏，喪失運動能力和信息傳播能力的疏散個體(如踩踏事件中重傷或者死亡人員)對應的沙 粒粒徑也為零，這就為分析恐慌傳播沙堆的"穩(wěn)定-臨界-沙崩-新穩(wěn)定"演化過程提供方法 支撐，通過確定沙粒粒徑中建立的人群恐慌映射網絡模型，得到人群恐慌傳播的有限維度、 非均勻粒徑的動態(tài)三維自組織沙堆模型。
[0099] (2)研究人群恐慌傳播的動態(tài)三維自組織沙堆模型的臨界行為：計算沙崩標度A (如1 X107)，給出人群失穩(wěn)的突發(fā)概率與規(guī)模的冪率關系，求人群失穩(wěn)的突發(fā)概率，可表示 為
[0100] Qc = Ax-B (9)
[0101] 其中Q。為人群失穩(wěn)的突發(fā)概率，χ為規(guī)模(人群），Β為正實常數(shù)(2.1-5.2之間）；采 用沙堆模型的平均場分析方法，把沙堆的平均斜率定義為廣義的"熱力學驅動量"，從概率 角度列出各類格點處沙子流動的反應動力學和運動學方程，從宏觀上分析恐慌沙堆模型發(fā) 生一級相變(不連續(xù)相變)即沙崩的平均場值(見下Q值），可用平均場哈密爾頓量來表示：
[0104]其中，為兩個個體之間的相互作用力，nu為某個個體質量，i和j分別為第i個個 體和第j個個體，$和?為向量，疏散個體的狀態(tài)為u。
[0105] (3)分析人群疏散失穩(wěn)過程演化機理:人群在發(fā)生踩踏事件后，經過一段時間（踩 踏事件發(fā)生到通行能力恢復），會自組織地演化到一個新穩(wěn)定狀態(tài)，推動沙堆模型"穩(wěn)定-臨 界-沙崩-新穩(wěn)定"演化過程。I代表人群現(xiàn)狀處于非激發(fā)態(tài)(概率），μ代表人群現(xiàn)狀處于激發(fā) 態(tài)(概率），〇, 1是非激發(fā)態(tài)，2，3是激發(fā)態(tài)。由于每個激發(fā)態(tài)躍迀到非激發(fā)態(tài)的概率Pcmt等于 從非激發(fā)態(tài)躍迀到激發(fā)態(tài)的概率Pin，如下：
[0106] P〇ut = Pin (16)
[0107] 對于0，1，2，3四個狀態(tài)分別列出平衡條件：
[0108] P2( 1-h) I2=P〇[ (l-yh) I+hI2+( l-h)y2+2hyl ] (17)
[0109] P〇[2(l-h)yI+hI2]+P2[2(l-h)yI+hI2]+P3[2(l-h)yI+hI 2]=Pi[(l-h)y2+2hyI+2(l-h)yl+2hl2] (18)
[0110] P〇[(l-h)y2+2hyI]+Pi[2(l-h)yI+hI2]=P2[(l-h)I 2+2(l-h)yI+hI2] (19)
[0111] Pi[(l-h)y2+2hyI]=P3[(l-h)I2] (20)
[0112] μ = Ρ2+Ρ3 (21)
[0113] I=P〇+Pi (22)
[0114] 通過上述公式得到h的值，h為激發(fā)的概率。每個格點處的平均概率量α是
[0115] a = 〇 X P〇+l X Ρι+2 X P2+3 X P3 (23)
[0116] 將a和h值代入下面的公式中，
[0117] 4Q2+(l-2a+2h)Q-ha = 〇 (24)
[0118] 對已得到的Q值和Qc值進行比較：當Q達到臨界概率量Qc之前，整個沙堆處于穩(wěn)定狀 態(tài)；當Q=Q c，沙堆處于臨界狀態(tài)；當Q超過臨界概率量Qc，出現(xiàn)沙崩現(xiàn)象。
[0119] (4)驗證和優(yōu)化人群恐慌傳播的動態(tài)三維自組織沙堆模型：從踩踏事件資料庫中 導出歷史疏散數(shù)據(jù)并進行結果對比，以驗證疏散穩(wěn)定性的沙堆模型，并可從模型結構和模 型參數(shù)兩個方面優(yōu)化所構建的人群疏散穩(wěn)定性沙堆模型。
[0120] 上海虹橋綜合交通樞紐為世界最大規(guī)模的綜合交通樞紐之一，模擬上海虹橋綜合 交通樞紐的人群疏散情況具有一定的代表性，因此以上海虹橋為例驗證上述基于自組織沙 堆模型的人群疏散仿真方法，如圖2和圖3所示。
[0121 ]通過提取上海虹橋綜合交通樞紐建筑實例數(shù)據(jù)，分析和抽取環(huán)境特征，建立上海 虹橋綜合交通樞紐建筑模型，模擬出現(xiàn)場的真實情況。首先，建立人群恐慌傳播的有限維 度、非均勻粒徑的動態(tài)三維自組織沙堆模型，其中，行人的體重nu = 80kg，if =〇.§/?/.s，:單門 寬為 2.0111，丁 = 0.58，八土 = 2\10:^，1^ = 0.08111，1<:=1.2*1051^8-2，丫=2.4*1051^111- 18-1可以 得出^為〇.6。然后，計算人群失穩(wěn)的突發(fā)概率與規(guī)模的冪率關系求出人群失穩(wěn)的突發(fā)概率 卩 0 = 0.08，？1 = 0.15，？2 = 0.23，？3 = 0.28，計算平均概率量0=1.45，此時平均概率量0小于 臨界概率量Q。，人群處于安全的狀態(tài)。最后，利用已知的數(shù)據(jù)，在計算機上進行人群疏散仿 真，得到上海虹橋綜合交通樞紐疏散仿真軌跡。其中，疏散地點為12m磁浮換乘大廳，共有15 個安全出口，疏散人數(shù)為2109人(按照國家統(tǒng)計局人口比例數(shù)據(jù)計算可得男人723人、女人 686人、兒童348人、老人221人和殘障人士 131人），疏散時間為7分3秒，驗證該人群疏散穩(wěn)定 性分析方法是可行的、易操作的。
【主權項】
1. 一種基于自組織沙堆模型的人群疏散仿真方法，通過建立面向人群恐慌傳播的動態(tài) Ξ維自組織沙堆模型仿真獲得人群疏散的穩(wěn)定性，其特征在于，該方法包括下列步驟： 1) 將疏散個體映射為沙粒，建立面向人群恐慌傳播的動態(tài)Ξ維自組織沙堆模型； 2) 根據(jù)沙崩標度確定人群失穩(wěn)突發(fā)臨界概率； 3) 求取所建立的動態(tài)Ξ維自組織沙堆模型的當前人群失穩(wěn)平均概率量，與步驟2)中確 定的人群失穩(wěn)突發(fā)臨界概率進行比較，判斷所述動態(tài)Ξ維自組織沙堆模型的狀態(tài)； 4) 利用人群疏散仿真軟件對建立的動態(tài)Ξ維自組織沙堆模型進行人群疏散仿真驗證。2. 根據(jù)權利要求1所述的基于自組織沙堆模型的人群疏散仿真方法，其特征在于，所述 步驟1)具體為： 11) 確定沙粒形狀:根據(jù)疏散個體在生理因素和社會關系因素的關鍵特征的統(tǒng)計和調 研分析的量化結果，將生理因素和社會因素中的關鍵特征映射到Ξ維笛卡爾坐標系的六個 空間坐標半軸上，形成四棱錐沙粒，確定沙粒形狀. 12) 確定沙粒粒徑:將逃離出口的疏散個體和發(fā)生踩踏時失去運動能力與信息傳播能 力的疏散個體所映射的沙粒粒徑記為0,將剩余疏散個體的疏散行為映射為疏散個體的速 度矢量和加速度矢量繼而計算恐慌程度，并將恐慌程度映射為沙粒粒徑； 13) 確定沙粒在沙堆中的位置:按照沙粒的沙層高度與疏散個體與安全出口之間的距 離成正比的原則，確定沙粒在沙堆中的位置，具體為： Li = Kiround(die ,2) 其中，Li為沙粒的沙層高度，Κι為疏散個體與安全出口的距離，round為取整函數(shù)； 14) 確定沙堆環(huán)境濕度:抽取災害因素和空間約束，通過映射函數(shù)轉換為沙堆濕度，具 體為： Hsand - CdisHdis+CarcHarc 其中，Hsand為沙堆環(huán)境濕度，Hare為空間約束基數(shù)，出IS為災害因素基數(shù)，Cdis為災害因素， Car。為空間約束。 3 .根據(jù)權利要求2所述的基于自組織沙堆模型的人群疏散仿真方法，其特征在于，所述 將恐慌程度映射為沙粒粒徑所依據(jù)的表達式為：其中，ri為第i個疏散個體的直徑即所求沙粒粒徑，mi為疏散個體質量，詩(?)為理想速 度，e)* (?)為設定的方向，vi( t)為實際速度，Ti為特征時間，f ij為疏散個體之間的相互作用 力，fiw為疏散個體與墻或隔離護欄之間的相互作用力，Ai、Bi為常數(shù)，du為疏散個體的質量 中屯、距離，~為兩疏散個體之間的距離，4旨（~-(1。）化和4旨（'廣〇^)^~為質量力， r各(/;-為疏散個體之間的滑動摩擦力，丫 g(ri-diw)(Vi . tiwHiw為疏散個體與墻或 隔離護欄之間的滑動摩擦力，k和丫為決定疏散個體i和j之間的相互作用的阻塞效應的參 數(shù)，Δ^ = ν,-V',-:是切向速度的變化量，diw是疏散個體i與墻之間的距離，ruw是指垂直方向， tiw是指切向方向，1:。是]1。的切向方向，ruj是由疏散個體j指向i的標準向量，函數(shù)g (X)定義 為:若行人碰撞，則g(x)=〇,否則g(x)=x。4. 根據(jù)權利要求2所述的基于自組織沙堆模型的人群疏散仿真方法，其特征在于，所述 空間約束基數(shù)Har。的表達式具體為：其中，m=0，1，2，3，4為各疏散個體在運動時所受到的公共約束，η為疏散個體的數(shù)目，Pk 為k類運動副數(shù)量，k = 5,4,3,2，l為運動副的級別數(shù)目。5. 根據(jù)權利要求2所述的基于自組織沙堆模型的人群疏散仿真方法，其特征在于，所述 災害因素基數(shù)曲1S所依據(jù)的表達式為：其中，μ〇Α和義分別為DA和1〇的隸屬函數(shù)，DA為災害損失度，1〇為用于風險評估的烈度 值，下標t是Hdis的排序號，S是i值的序號，i是烈度上的坐標值，rst是模糊關系矩陣中的元 素，將1〇值W信息分配的方法分配到控制點上W求出出1S的值，DA和1〇的關系為： DA=I〇 白 R 其中，R為模糊關系矩陣。6. 根據(jù)權利要求1所述的基于自組織沙堆模型的人群疏散仿真方法，其特征在于，所述 步驟2)具體為： 21) 計算沙崩標度，具體為： D(T)=AT-e 其中，A為沙崩標度，D (T)為雪崩概率，T為弛豫時間，β = 1.5 8 ± 0.15; 22) 根據(jù)步驟21)所求沙崩標度確定人群失穩(wěn)突發(fā)臨界概率，具體為： Qc=Ax-b 其中，Q。為人群失穩(wěn)突發(fā)臨界概率，X為人群規(guī)模即疏散個體總數(shù)，B為介于2.1和5.2之 間的正實常數(shù)。7. 根據(jù)權利要求1所述的基于自組織沙堆模型的人群疏散仿真方法，其特征在于，所述 步驟3)具體為： 31) 計算動態(tài)Ξ維自組織沙堆模型的平均場哈密爾頓量Pi; 32) 根據(jù)步驟31)所求的平均場哈密爾頓量列出平衡條件； 33) 根據(jù)步驟31)中的平均場哈密爾頓量和步驟32)中列出的平衡條件求得當前人群失 穩(wěn)平均概率量Q; 34) 比較步驟33)中求得的當前人群失穩(wěn)平均概率量Q和步驟2)中求得的人群失穩(wěn)突發(fā) 臨界概率Qc，當9<9。時，動態(tài)Ξ維自組織沙堆模型處于穩(wěn)定狀態(tài)；當Q=Qc時，動態(tài)Ξ維自組 織沙堆模型處于臨界狀態(tài)；當9>9。時，動態(tài)Ξ維自組織沙堆模型發(fā)生沙崩。8. 根據(jù)權利要求7所述的基于自組織沙堆模型的人群疏散仿真方法，其特征在于，所述 平均場哈密爾頓量Pi具體為：其中，i = 0，l，2,3,0，l是非激發(fā)態(tài)，2,3是激發(fā)態(tài)，fu為兩個疏散個體之間的相互作用 力，mi為疏散個體質量，言、7、i為向量，U為疏散個體狀態(tài)。9. 根據(jù)權利要求8所述的基于自組織沙堆模型的人群疏散仿真方法，其特征在于，所述 平衡條件具體為：其中，I代表人群處于非激發(fā)態(tài)的概率，μ代表人群處于激發(fā)態(tài)的概率，h為激發(fā)的概率。10. 根據(jù)權利要求9所述的基于自組織沙堆模型的人群疏散仿真方法，其特征在于，所 述求得當前人群失穩(wěn)平均概率量Q具體為： 口 = 0 X Po+1 X Pi+2 X P2+3 X P3 4Q2+(l-2a+化)Q-ha = 〇 其中，α為平均概率量。
【文檔編號】G06F17/50GK106096115SQ201610394379
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月6日 公開號201610394379.8, CN 106096115 A, CN 106096115A, CN 201610394379, CN-A-106096115, CN106096115 A, CN106096115A, CN201610394379, CN201610394379.8
【發(fā)明人】趙榮泳, 凌衛(wèi)青, 馬云龍, 丁紅海, 李翠玲, 田相克, 汪棟
【申請人】同濟大學