基于PATHFINDER的公共场所人员疏散行为规律及仿真模拟

基于PATHFINDER的公共场所人员疏散行为规律及仿真模
拟
王莉
【摘要】研究人员疏散问题对于有效减少踩踏事故发生有着重要意义.为了揭示大型公共场所人员密集区域人员疏散行为规律特征,降低聚集人群风险,文中首先研究了公共场所拥挤人群行为特点,包括行人运动特征、聚集人群心理特征;探讨了恐慌状态下人的行为表现,进而分析踩踏行为的影响因素;使用Pathfinder疏散软件模拟出A植物园某场馆高峰期、低峰期以及场馆内设置复杂环境情况下人员的疏散过程,结果证实人群有明显的从众行为,人数越多出口处堵塞越严重,建筑物内部结构越复杂,疏散效率越低,建筑物内墙体方向设置与疏散效率有关,设置安保人员亦能提高疏散效率.本研究可为大型公共场所人员密集区域人员疏散问题的优化及安全管理提供参考.%Research on evacuation problem is of great significance for effectively reducing the occurrence of trample accident.In order to analyse evacuation behavior rules of large public places and reduce risks of dense crowd,this paper elaborated behavior characteristics of public crowd which includes normal movement characteristics,psychological characteristics of gathering crowd and those in panic state.Secondly influential factors of trample accidents were anlysed.Then people evacuation process was simulated respectively in peak period,low peak period,as well as in complex indoor constuction conditions.The results confirmed that the crowd had obvious herd behavior.The more the number of people,the more serious the blockage of the outlets.The more complex the internal structure of the building,the lower the evacuation efficiency.The wall
direction of the building is related to the evacuation efficiency.Security personnel could also improve the evacuation efficiency.This research could provide reference for the optimization and safety management of people evacuation in large public places.
【期刊名称】《西安科技大学学报》
【年(卷),期】2017(037)003
【总页数】7页(P358-364)
【关键词】人员疏散;PATHFINDER;防踩踏;疏散路径
【作者】王莉
【作者单位】西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安710054;教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室,陕西西安710054
【正文语种】中文
【中图分类】X936
近年来由于拥挤踩踏而引发的恶性踩踏事件造成了极其恶劣的社会影响。

历年来世界各地的踩踏事件多发于节日庆贺、体育赛事和宗教活动期间的人群集中的地方，也常因地震、爆炸等灾难事故而诱发。

大型公共场所在特定时间和特定地点人员聚集度高，安全疏散距离长，安全疏导困难大，潜在危险隐患较多，一旦有突发事件导致人群恐慌，在拥挤环境场所内极易引发踩踏事件。

研究公共场所大型场馆人员疏散的行为规律，对避免踩踏伤亡事故有着重要作用。

目前国内外对于防踩踏研究主要集中在人员逃生和疏散模型的理论分析及控制措施建议方面。

例如在拥挤踩踏事故模型方面John J[1]构建了FIST(Force-
Information-Space-Time)模型，即“力—信息—空间—时间”模型；
D.Helbing[2]根据人群恐慌特征提出了著名的“社会力”模型，对人群恐慌状况下的各种自组织现象进行了模拟；张培红等[3-4]吸取社会力模型中行人运动受到社会力支配的思想，建立群集流动的微观动力学模型；Lee R C和Hughes R L[5-6]明确提出了对人群拥挤踩踏事故的研究，引入连续行人流模型通过实例对人群拥挤和踩踏分别进行定量分析。

在火灾疏散模拟方面，Helbing[7]等对Kirchner元胞自动机模型进行了改进，并利用基于多智能体技术的计算机模拟对疏散过程中的人群行为进行了分析；张磊[8]等通过元胞自动机仿真模拟了人拥挤力的产生、传递、吸收、抵消、累积等过程。

同时，一些研究者也把关注目光投向了人群疏散过程中的外在行为(如群聚性、趋光性等)、心理分析决策机理、疏散行为特点等领域的研究。

吴宗之等[9-11]在人群拥挤踩踏事故风险方面开展了对人群滞留和人群安全疏散定量方法等的研究，对行人和疏散动力学研究现状及进展进行综述；胡志莹[12]，寇丽平[13]，尹晓庆[14]等从社会管理方面对人群拥挤踩踏事故预防进行描述。

总体上来讲，目前国内外关于公共场所拥挤踩踏的研究较多体现在技术层面的人群动力学方面，也就是构建宏观或微观模型对紧急状况下的人流运动行为进行分析，或者关注踩踏事故发生后的紧急处置及控制措施，预防人员密集场所踩踏事故需要更进一步研究人员疏散行为特点规律。

文中通过分析公共场所大型人员密集场馆疏散行为特征规律，借助软件模拟不同时期不同情况下人员的疏散过程，以便更好的研究踩踏问题的形成原因，预防或减少踩踏事故。

1.1 行人运动特征
在正常情况下，行人运动速度均匀、节奏规律、连续性强，受外界影响小。

在拥挤状态或受挤压时，人的运动状态与正常情况相较有很大不同，呈现出速度慢，内部挤压大，个别地方内部挤压十分明显。

纵观国内外研究，行人运动特征一般有以下
规律
1)一般在有多条路径可到达目的地的情况下，行人总是会主动选择距离最短的路线且不愿意作出路线调整；
2)如果有几条路线距离大致相同，行人多数会选择正前方的那条路线；
3)在未受到刺激的情况下，行人的行走方式和行走速度不会发生改变，人们的运动速度呈正态分布；
4)一般情况，行人总会自行与他人或与障碍物保持一定的安全距离。

当人流密度增大或行进速度加快的时候距离有所缩小；
5)当形成小团体时，运动规律与个人相似。

在不受干扰的情况下，人群分布较均匀。

1.2 聚集人群心理特征
人总是有聚集的倾向，人群心理是处于人群的人与人之间的各种心理活动，它们总是相互制约、相互影响。

在一般情况下，由于多数人受到良好的教育熏陶会主动排队，或者出现相向人流分层现象、交叉人流成带现象、流动人群成簇现象。

在拥挤状态下，人与人之间容易展现出盲目的从众现象、情绪同化现象、责任感缺失现象和极端行为现象等。

1.3恐慌状态下人的行为
1.3.1 个体行为
在一般状态下，人的行为大概可分为2种：一是指有利于人员疏散和保护他人不
受侵害的“适应性行为”；另一种是不利于人员疏散或对他人有危害的“非适应性行为” [15]，是造成踩踏事故的主要原因。

在正常情况下人们都是处于“适应性行为”状态，此时人们出现排队、让行等文明现象；当处于恐慌状态时，人的趋利性迫使人们向着“非适应性行为”转变，此时人群中的互帮互助等文明行为被打破，人与人之间的竞争极易造成危险引发灾难事故。

1.3.2 群体行为
处于恐慌状态下的群体往往会出现以下状态：①人群出现波动；②出口处堵塞；③人群内部压力剧增；④备用的逃生出口和路线被忽视；⑤盲目行动或从众行为。

踩踏事故的发生往往首先是突发事件等外部扰动导致人群流动受阻，人群密度过大，容易引起骚动，从而人群信息传播不充分的情况下引发恐慌情绪，加剧人群紧张感产生“非适应性行为”。

2.1 外部扰动
突发事件如恐怖活动、火灾爆炸事故等外部扰动因素会引发人群行为激变，严重影响到人流的正常分布，在疏散过程中产生无秩序的“非适应性行为”。

2.2 信息不充分情况下的恐慌情绪
情绪是人在客观上和行为相互联系的一种体验。

它影响着人们对事物的认识，改变人们对结果的感受，制约着人们的行动。

人的情绪是极易发生改变的，它极易因外部环境或者自身原因而变化。

在人员密集场所信息获取存在不确定性，因此人员容易因为信息不充分而产生恐慌、紧张情绪，从而波及更多人产生盲从情绪或降低人的自控力和忍耐力。

2.3 人的性格特征
考虑到不同人员心理因素和人的性格、兴趣爱好、需求动机也有密切联系。

人们对于某事物感兴趣，会从过程中就表现出积极认真的心理，会对其中的异常过程感觉敏锐并及时发现，迅速的作出正确的判断并采取相应措施。

需求也称需要、期望或欲望等，它指当人们感觉到某种需求的时候，会不自觉的产生某种让人紧张或不平衡的心理状态，因此会通过进行某种活动来减轻或消除紧张的状态。

因此如果人员安全意识较高，就能预判风险及时规避人员密集区域。

2.4 现场秩序管理
公共场所人员密集的状况需要有管理人员现场进行监控及疏导。

缺少现场秩序管理，
人流仅能自适应地进行疏散及路径选择，因而发生踩踏事故的可能性增大。

作为管理者，需要更合理的规范人流，让主要人流避开这些可能产生涡旋、有台阶、有障碍物的地方。

避免双向人流，尽量做到所有人都朝一个方向走。

采用软件模拟仿真方法可以桌面演练的方式提前预判高峰期、低峰期人员疏散时间，更好的研究踩踏问题的形成原因，解决或减少踩踏问题以及提出有效的控制措施。

3.1 仿真软件选择
当前常用的疏散模拟软件及适用范围见表1.
其中，Pathfinder是一套由美国的Thunderhead engineening公司研发的简单、直观、易用的新型的智能人员紧急疏散逃生评估系统。

它利用计算机图形仿真和游戏角色领域的技术，对多个群体中的每个个体运动都进行图形化的虚拟演练，是一套简单、直观、易用的新型的智能人员紧急疏散逃生评估系统。

因此文中采用Pathfinder软件，对A植物园长度为108.58 m，宽度为62.478 9 m，总面积为
6 789.95 m2的矩形某大型场馆，对不同情况的人员疏散过程进行仿真模拟。

3.2 疏散人员仿真
将人员在软件中的尺寸标准设置为0.455 8 m，具体外形统一用圆柱体代替，不同年龄层次的人的不同属性分类见表2.
给该区域添加1 000名待疏散人员，则各年龄层次的人数分别为幼儿30人，少年儿童160人，青少年250人，青年260人，中壮年190人，老年110人。

根据
不同的人群，建立不同的分组，让每个组的人随机分布。

3.3 低峰期模拟
在低峰期时设置总人数为1 000人，各年龄层次的人数分别为幼儿30人，少年儿童160人，青少年250人，青年260人，中壮年190人，老年110人。

根据不
同年龄层次的人数情况开展人员疏散模拟。

模拟人群疏散路径如图1所示，研究发现，开始疏散8.1 s时，人员向2个出口集
中，11.2 s时人员开始出现推搡现象，34.3 s人群出现明显的从众现象，如图2
所示。

滞留人数、已经疏散人数随时间变化的曲线如图3所示。

模拟总疏散时间
为95.10 s，总疏散人数为1 000人；左侧门第一个人出门时间为1.43 s，通过左侧门总时间为64.35 s，
疏散人数为378人；上侧门第一个人出门时间为2.33 s，疏散总时间为95.10 s，疏散人数为622人。

3.4 高峰期模拟
在地点不变的情况下，高峰期的到来意味着人流量的增多，从最初低峰期的1 000人增加到4 000人。

相应变化为幼儿120人，少年儿童640人，青少年1 000人，青年1 040人，中壮年760人，老年440人。

人们出于对有限出口的“争取”现象，相互之间的摩擦会增加，在有限的空间内，无论是人们的运动速度还是人们从出口出去的速度都会发生明显降低。

高峰期人流的运动速度设置见表3.
从图4中可看出，人们大多数选择更为拥挤的上侧出口，此时上侧出口已经聚集
了大量的人群疏散情况相较于左侧更为艰难和漫长。

由于高峰时期人流量的大量增加使得疏散缓慢，远离出口的人员需要更为长久的等待，43.5 s时人员出现大面
积拥堵，如图5所示，这对于特殊情况下的逃生是不利的。

滞留人数、已疏散人
数变化情况如图6所示。

在高峰期时候，场所内人数巨大，疏散过程很慢，在不
发生其他意外条件的情况下，整体疏散速度较平稳。

高峰期模拟总疏散时间为293.28 s，总疏散人数为4 000人；通过左侧门总时间
为279.08 s，疏散人数为1 863人；上侧门疏散总时间为293.28 s，疏散人数为
2 137人。

对比低峰期和高峰期模拟结果，随着人数和人行速度的下降，疏散时间被大大加长，从众现象也更为明显，人们更难选出一个更为合适的出口，大部分人选择相信离自己最近的出口疏散更快，这对于疏散是不利的。

考虑在一定的建筑布局下人员的疏散情况，进一步通过软件模拟人员在这种情况下的疏散路径选择，疏散出口的选择以及疏散总时间。

设计建筑布局如图7所示，
分别以低峰期和高峰期的相同参数进行模拟。

低峰期复杂环境下模拟人群疏散路径如图8所示，总疏散时间为97.48 s，如图9所示，相较于无复杂情况的低峰期疏散时间95.10 s，超时2.38 s.超时时间很短，是由于建筑结构对人流阻挡而造成的。

高峰期复杂情况下模拟人群疏散路径如图10所示，总疏散时间为297.3 s，如图11所示，而无复杂情况的高峰期疏散模拟时间为293.28 s，时间差为4.02 s.但是在39.1 s时人员明显出现大面积拥堵，如图12所示，比无复杂情况人员拥堵时间提前了4.4 s，提前了11.2%.
1)通过低峰期的模拟研究，证实了人们有着明显的从众现象，且在出口处容易发生拥堵，人们对于出口的选择更加青睐于离自己较近的，往往忽视更容易通过的；2)通过高峰期的模拟研究，得出当场馆中人数巨大时，人们拥堵更加明显，人的通过时间会因为出口处堵塞严重而剧增。

此时，为了缓解高密度人群的拥堵问题，需要在人员分布的各个方向均匀的设置更多的出口，通过增加出口数量，以减少人们的最大疏散距离，为疏散节省时间；
3)通过设置建筑内部结构，模拟了人们在复杂环境下的疏散问题。

当墙设置方向与疏散方向有交叉时，人们会付出更多的时间绕过墙体到达出口，且该处极易长时间大面积拥堵，所以离出口较近的墙设置方向应与疏散方向平行能够最大化提高疏散效率。

初期墙的设置对人员的疏散有一定的增速，但后期与疏散方向交叉的墙体明显成为了疏散过程的阻碍，如果设置一些安保人员来指挥疏散，能够提高疏散效率。

本研究可为大型公共场所人员密集区域人员疏散问题的优化及安全管理提供参考。

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