多出口场景下考虑动态出口选择的人员疏散_霍非舟.pdf

第 卷 第 期 年 月中国安全科学学报 中文引用格式：霍非舟，吴丽君，曾益萍，等 多出口场景下考虑动态出口选择的人员疏散中国安全科学学报，（）：英文引用格式：，（）：多出口场景下考虑动态出口选择的人员疏散霍非舟，副教授，吴丽君，曽益萍 高级工程师，高帅云，魏云飞，（武汉理工大学 中国应急管理研究中心，湖北 武汉；武汉理工大学 安全科学与应急管理学院，湖北 武汉；欣旺达电子股份有限公司，广东 深圳）中图分类号：.文献标志码：.基金项目：国家自然科学基金资助（，）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（，）；广东省基础与应用基础研究基金资助（）。文章编号：（）；收稿日期：；修稿日期：通信作者：曽益萍（），男，江西萍乡人，博士，高级工程师，主要从事公共安全与应急管理、人员疏散等方面的工作。：。【摘 要】为使多出口场景下人员疏散情况与实际更吻合，基于元胞自动机（）建立考虑更换目标出口的动态出口选择模型。综合考虑行人到出口的距离和出口前的拥挤程度对其选择的影响；通过选择模糊度和出口保持率来模拟行人选择出口的犹豫和随机性；再根据疏散环境的变化计算各出口被选择概率，更新行人的目标出口。比较动态出口选择策略与静态出口选择策略的差异。结果表明：动态出口选择策略有低密度无效和高密度有效 个阶段，且在高密度下选择模糊度小更利于疏散。出口保持率的增加能否提高疏散效率与选择模糊度有关。出口区域半径的增加在一定程度上能降低疏散时间。与静态出口选择策略相比，该策略可以提高出口利用率，缓解各出口密度不平衡程度，提高疏散效率。【关键词】多出口场景；动态出口选择；出口保持率；选择模糊度；元胞自动机（），（，；，；，）：，中国安全科学学报第卷年 ：，：；引 言 近年来，随着社会的繁荣发展，人群聚集成为常态。机场、高铁站、商场等公共场所人员大量聚集，一旦发生恐怖袭击、地震、火灾等，易造成巨大的人员伤亡和财产损失，因此，研究人员疏散动力学是十分必要的。许多学者在元胞自动机（，）模型和社会力模型的基础上加以改进，研究各因素对疏散的影响，如恐慌行为、自组织现象、群体行为、从众心理、视野范围、特殊群体等典型群体行为，绕行、跨越等典型个体行为。出口选择也是影响行人疏散的重要因素。年，辽宁阜新歌舞厅火灾事故中，由于 个出口利用率相差巨大，造成 人死亡。疏散过程中存在大量行人在安全出口前聚集，并在出口前发生竞争的现象。因此，有必要建立一个模型模拟行人在多出口场景中的疏散过程。、等发现，出口周围的人员密度是影响行人出口选择的重要因素；赵宜宾等分析了模糊性信息对出口选择的影响；施正威采用随机效用理论描述了出口选择行为；等通过分配静态场缓解不平衡疏散过程；等提出了考虑拥挤程度和距离的拥挤判断机制；等建立了力驱动的 模型。在上述模型中，行人能够准确判断出最佳出口，并向该出口移动，行人的动态出口选择特征没有得到很好的描述。在紧急情况下行人无法在每个时间步都准确选择最佳出口，且在疏散过程中会出现即使行人判断出最佳出口也不会选择更换的情况。因此，笔者提出一种多出口场景下基于 模拟行人在疏散过程中更换目标出口的动态出口选择模型，通过选择模糊度与出口保持率，更好地描述行人在选择出口时的犹豫和不确定性，研究出口选择模糊度、出口保持率以及出口区域大小等因素对行人疏散的影响，以期使基于 的疏散模拟与实际情况更加吻合。考虑动态出口选择的疏散模型.基本规则 考虑在建筑物中多出口场景行人改变目标出口行为的 模型，元胞的大小设置为.，一个行人占据一个元胞，元胞有被障碍物占据、被行人占据或未被占据 种状态。通过 邻域确定移动概率矩阵，如图 所示。每个行人以一定的转移概率向其相邻的 个元胞移动或留在原地。图 邻域与各方向的转移概率 .出口选择规则 到出口距离和出口前的拥挤程度是影响行人选择出口的重要因素，以概率的形式综合考虑两者对出口选择的影响。行人 到出口 的距离为行人到出口元胞的最短距离，如下式：（，）（）（）（）（，）（，），（，），（，）（）式中：（，）为行人 的坐标；（，）为出口 的第 个 元 胞 坐 标；为 出 口 所 占 用 元 胞 数 目；（，）为位置行人到第 个出口占用的第 个第 期霍非舟等：多出口场景下考虑动态出口选择的人员疏散元胞的距离；（，）为行人 到出口 的最短距离。出口区域大小如图 所示。以出口中间位置为中心，为半径的半圆是出口效用区域，为出口效应区域调节因子，出口区域大小为 的长方形。出口区域的行人密度 为指出口 区域实际行人数量 与最大可容纳数量 的比值，如下式：（）图 出口区域大小 行人根据到出口的距离选择出口 的概率为，根据出口区域的拥挤程度选择出口 的概率为，如下式：（，）（，）()（，）（，）()（）（）式中 为出口总数。在多出口场景的疏散中，行人无法一直选择最佳出口为目标出口，选择出口时也会出现犹豫不决的情况。当 个出口被选的概率相差不大时，行人可能会选择次优的出口为目标出口，而非最佳的出口。因此，采用选择模糊度来表示行人在疏散过程中选择目标出口的不确定性。在动态出口选择策略中，行人综合到出口的距离和出口区域的行人密度选择出口 的概率为。将当前时间步的出口最大概率与上一时间步相比，若差值大于等于选择模糊度，行人以出口保持率 的概率不更换出口，选择上一时间步概率最大的出口为目标出口，以 的概率选择当前时间步概率最大出口为目标出口，如下式：（）（）（）（）（）式中：为出口选择中出口区域密度所占权重；为概率最大的出口；为 时间步的出口最大概率；为 时间步的出口最大概率。采用静态出口选择策略的行人不会在疏散过程中更换出口，一直以初始状态概率最大的出口为目标出口。根据欧氏距离计算各出口对应的静态场场值，行人按照目标出口对应的场移动：（，）（，），（，），（，）（）式中（，）为目标出 对应静态场场值。.演化更新规则 动态出口选择流程如图 所示。图 动态出口选择流程 疏散模拟结果与分析 疏散环境如图 所示，场景大小为 ，疏散环境离散为 个元胞；场景中存在 个出口，位于墙壁中间，宽度为.，个出口宽度均占 个元胞，出口区域半径 为.。选择模糊度 为 时，密度权重 在（，.），低密度下的疏散时间几乎不变，高密度下则大体呈下降趋势；在（.，.），行人频繁更换目标出口导致疏散时间增加；在（.，.），总体而言疏散时间较少，因中国安全科学学报第卷年此，的最佳取值范围为（.，.），文中 取.。为减少误差，不同场景下的疏散时间均为 次模拟结果的平均值，疏散人数变化则取最接近平均值的结果。图 疏散环境 .选择模糊度影响分析 不同行人密度下，疏散时间与选择模糊度 的关系如图 所示。从图 可以看出，动态出口选择策略是否有效，存在一个临界密度来区分，分为低密度的无效阶段和高密度的有效阶段 个阶段。行人密度介于.的低密度阶段时，对疏散时间步的影响可忽略不计，因为此时出口容量可以满足人群疏散，不会造成拥堵。随着行人密度的增加，对疏散时间的影响更为显著。行人密度介于.的高密度阶段时，出口区域形成拥堵，疏散时间随 的增加呈先增后减，最后趋于平稳的趋势。图 选择模糊度对疏散时间的影响 高密度阶段下，介于.时，选择模糊度较低，行人可以根据疏散环境精准、果断地选择最佳目标出口，此时行人会出现多次更换出口的情况，但行人在更换出口路程所花费的时间并未多于在拥挤出口前等待的时间，因此，提高了疏散效率。介于.时，在整个疏散过程中行人几乎不更换目标出口，即使其他出口区域没有造成人员堵塞，位于拥挤出口的行人也会选择一直在此出口前等待，造成各出口利用率不平衡，造成疏散时间增加。介于.时，行人更换目标出口的疏散时间大于行人不更换目标出口的疏散时间，主要原因是选择模糊度的增加。由于行人在选择出口时犹豫不决，造成行人无法动态选择疏散条件更好的出口为目标出口，一直在拥挤出口前等待，导致疏散效率降低。.出口保持率影响分析 行人密度.时，由于选择模糊度 在.时行人几乎不更换出口，因此，在.以下，不同选择模糊度下疏散时间随出口保持率 的变化曲线如图 所示。当.，时，意味着行人可以根据疏散环境准确选择最佳出口为目标出口，出口保持率对疏散时间影响可忽略不计。.时，从图 可以看出，此时疏散时间最多。由于在出口 和出口 形成拥挤的时间晚于出口 和出口，造成大量行人在疏散早期更换出口 和出口 为目标出口。但选择模糊度较大，此后多数行人无法再变更出口，加重出口 和出口 疏散负担，导致各出口利用率严重不平衡。大量在拥挤出口前等待的行人同时更换较为宽敞的出口为目标出口，给该出口造成堵塞，降低原本拥挤出口的利用率。出口保持率的增加可减少此类不理智行为，减少疏散早期更换出口的行人数量。当.时，因为出口保持率较大，阻碍行人改变目标出口，导致疏散时间增加。在选择出口时，行人不能根据一时的出口疏散状况而选择目标出口，应当观察周围行人是否也作出相同选择。若出现此类情况，行人可以选择不更换目标出口，尽量避免与大量行人同时更换同一出口为目标出口。也不可一直不更换目标出口，行人应该根据疏散环境动态选择目标出口。当 .时，出口保持率变化对疏散时间的影响不显著，因为在该状态系下行人更换出口既没有像 那样频繁，也没有像.那样出现不理智行为。.时，疏散效率最佳，因为选择模糊度较小时，行人更换出口次数增加，出口保持率的增加可减少出口更换次数。.出口区域半径影响分析 在不同行人密度下，出口区域半径 对疏散时第 期霍非舟等：多出口场景下考虑动态出口选择的人员疏散图 出口保持率对疏散时间的影响 间的影响如图 所示。取 .、.时，疏散时间随出口区域半径 的增加呈先减小后趋于稳定。出口区域半径增加使行人对出口区域拥挤程度的判断更加准确，出口选择也更符合当时的疏散环境。但出口区域半径到达一定程度时，由于出口区域大小远大于人群在出口形成的拱形，所以其对疏散时间的影响减小。图 出口区域半径对疏散时间的影响 .模型适用性分析 设置初始行人密度为.，.，.，比较静态出口选择策略、动态出口选择策略在疏散时间、出口利用率、出口行人密度不平衡程度的差异。各出口行人密度不平衡程度计算如下式：（）（）（），（）采用静态出口选择策略时，总疏散时间步为，行人无法更换出口，最后阶段行人均聚集在出口 和出口 前，造成出口利用率严重不平衡。而采用动态出口选择策略时，总疏散时间为.，所需的疏散时间降低.。因为行人根据疏散环境更换目标出口，各出口前的人数较为均匀，如图 和图 所示。图 各出口疏散人数 图 疏散过程 在每个时间步下，种策略中各出口不平衡程度如图 所示。采用静态出口选择策略，行人选择距离最近的出口为目标出口，且在疏散过程中无法中国安全科学学报第卷年更换，聚集在各出口的人数有显著的差异，因此，造成各出口密度出现长期的不平衡。由图 的局部放大图可知：在第 时间步时，出口 和出口 区图 动、静态出口选择策略各出口的不平衡程度 域行人完成疏散，由于行人无法更换目标出口，场景内剩余疏散人员聚集在出口 和出口 区域内，加剧出口的不平衡程度。采用动态出口选择策略，由于可及时更换目标出口，使行人在各出口的分布更加均匀，从而缓解各出口密度不平衡程度，个出口周围区域的行人密度在长时间内存在极低的不平衡度。结 论 ）动态出口选择策略是否有效，存在一个临界密度来区分，分为低密度的无效阶段和高密度的有效阶段。）出口保持率是否会影响疏散时间与选择模糊度有关。选择模糊度较大时，出口保持率的增加可以减少疏散过程中的不理智行为，从而提高疏散效率。出口区域半径增加可以帮助疏散人员准确识别各出口的拥挤程度，从而在一定程度上有助于疏散人员快速离开。）动态出口选择策略与静态出口选择策略相比，可使疏散人员均匀分布在各出口，缓解各出口行人密度不平衡程度，提高疏散效率。）多出口场景下的行人可以综合考虑出口区域的行人密度和到出口的距离等因素动态更换目标出口，为行人在紧急下选择出口提供一定的参考价值。参 考 文 献陈长坤，童蕴贺 基于元胞自动机恐慌状态下人群疏散模型研究中国安全生产科学技术，（）：，（）：傅志坚 考虑人员运动特征的通道行人流与房间人群疏散模拟研究