公共建筑内群体疏散方法的探讨

第18卷第1期2008年1月

中国安全科学学报

China Safety Science Journal

Vol.18No.1

Jan.2008公共建筑内群体疏散方法的探讨3

郑小平　教授　钟庭宽　张建文

(北京化工大学安全管理研究所,北京100029)

学科分类与代码:620.2030 中图分类号:X928.03;TP391.9 文献标识码:A

基金资助:国家自然科学基金资助(70502006);教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-2007-0056);

教育部人文社会科学规划基金资助(07JA530071);北京市优秀人才培养资助(2007ZG-68)。

【摘　要】　笔者将当前公共建筑内的群体疏散的研究成果归纳为两大类:一是比较成熟的4种代表性成果,如元胞自动机模型、格子气模型、社会力模型和流体动力学模型;二是近年来具有革新意义的3种创新性研究视角,即从agent模拟技术角度、从生物实验角度和从博弈论角度。分析成果各自的独特性和适用性,提出未来研究趋势:必将是基于多种模型组合基础上的、多种思想融入的、充分考虑反映人群行为与心理的因素的复杂性系统。同时指出博弈论在群体疏散的研究将是未来的一个亮点。【关键词】　群体疏散;　代表性成果;　创新性成果;　博弈论

Exp l orati on int o the Evacuati on of Cr owds in Public Buildings

ZHENG X i a o2p i n g,Prof.　ZHO NG T i n g2kuan　ZHANG J i a n2wen

(I nstitute of Safety Manage ment,Beijing University of Che m ical Technol ogy,Beijing100029,China)

Abstract:　The research achieve ments about cr owd evacuati on fr om public buildings are divided int o t w o categories:one is the f our rep resentative achieve ments,such as cellular aut omata models,lattice gas mod2 els,s ocial force models and fluid dyna m ic models.The other is the current three innovative research an2 gles,na mely,fr om the angles of agent2based models,bi ol ogical experi m ents and ga me theory.Then,their traits and app licability are analyzed.It is pointed out that the research on cr owd evacuati on fr om public buildings is certain t o be trending t oward co mp lex syste m that is incor porated with multi2model and multi2i2 dea,and fully reflects the behavi or and p sychol ogy of cr owd.The app licati on of ga me theory t o mass evac2 uati on would be a ne w light s pot.

Key words:　cr owd evacuati on;　rep resentative achieve ments;　innovative achieve ments;　ga me theory

0　引　言

公共建筑属于人群高聚集的场所,当其发生突发事件或者事故灾难时,人群紧急疏散是至关重要的,对其进行研究具有极大的现实意义和社会安全价值。现有的关于公共建筑人群紧急疏散的成果甚多而形成分散。经过笔者系统整理,可归纳为代表性成果和创新性成果两类即代表性成果主要是较为常用和成熟的疏散方法;创新性成果则更多属于近年来发展起来的、比较受学者们推崇的疏散方法。基于上述代表性成果,探讨公共建筑内人流紧急疏散方法已成为人们关注的研究趋势。

1　代表性成果

1.1　元胞自动机模型(Cellular Aut omata,CA)

Von Neu mann[1]最早提出了元胞自动机模型(C A)理论,但是直到20世纪80年代,HPP-FHP格子气模型对于Navier2St ocks方程的数值解才开创了C A理论在科学研究领域的实际应用[2]。最新的成果也许是Ya ma mot o等人[3]取得了最新成果,他们认为,

3文章编号:1003-3033(2008)01-0027-07;　收稿日期:2007-11-22;　修稿日期:2008-01-03

CA 是时空都离散的物理系统的理想化。总之C A 理

论正广泛应用于公共建筑人流紧急疏散的研究中。

Yang 等人[4]

应用一个两维CA 模型来仿真居住者疏散过程的亲缘行为,具体表现为拥挤、紊乱、

聚集、原路返回及等待现象。Zhao 等人[5]

提出了一个二维CA 随机模型,并得到如下结论:

1)对于单出口门,每单位宽度的平均流量随着出口的宽度增加而减少,但是平均总流量是一个关于出口宽度的三阶多项式函数,并随着出口宽度的增加而增加。

2)对于每幢建筑物,出口宽度的值应该高于某值(certain value ),但不必太大。

3)存在隔墙门的临界值(critical value ),并且该值并不随着出口宽度而变化,该值过小或过大都不利于疏散。

4)出口布置应该对称,否则每个出口的不同使用效率将延长疏散时间及引起不稳定的疏散状态。

上面的规律并不随着不同系统的大小及不同的

人员密度而改变。Yuan 等人[6]

提出一个基本的二维CA 模型来仿真人群从多出口的房间疏散。在该模型中,当决定疏散路线的时候,考虑了两个因素:空间距离与人群密度。

为了使仿真更加合理,在扩展模型中他们考虑惯性效应(inertial effect )、群体效应(gr oup effect )、不冒险效应(unadventur ous effect )的人群行为。Varas 等人[7]

应用一个二维C A 模型来仿真房间有或者无障碍物的疏散过程。仿真结果显示:当步行者行走冲突时,他们通过随机选择来解决;当房间没有障碍物的时候,在出口处出现类似拱形的特征(arching )。

Yu 等人提出了一个不后退的元胞自动机模型(cellular aut omat on model without step back ),仿真行人在通道中逆流(counter fl ow )。在模型中,有两群行人,一群是从左边界到右边界的行人,另一群是从右边界到左边界的行人。模型引入一个称为交感半径(interacti on radius )的参数来描述环境对行人的影响,行人收集他当前位置周围的环境信息后才决定往哪个方向走。他们发现,考虑周围环境是有用的,能够帮助行人降低堵塞的可能性。

W eng 等人提出一个不后退的元胞自动机模型来仿真行人动力学,该模型考虑到人的行为在某些复杂情形能够作出判断。通过不同的时间步长间隔(ti m e 2step intervals )的更新(update ),该模型可以仿真不同步速的行人移动。仿真考虑了周期边界条件(peri od 2ic boundary conditi on )及开放边界条件(open boundary conditi on )两种情形的行人逆流(counter fl ow )。周期边界条件的仿真显示,该模型可以重现一些典型的现

象,例如:小道形成(lane for mati on )、拥挤等。对于周期边界条件,存在步行方式的3个状态,也就是自由移动状态、小道形成状态及在一定密度范围内完全停止状态。对于开放边界条件,在一定的入口密度(en 2trance densities )处,存在两种稳定的步行方式状态。但是第一状态是亚稳定的,自然浮动(s pontaneous fluctuati ons )打破第一稳态,也就是自由移动状态,进入到第二稳态,即完全停止状态。

目前,有多篇较有创新性的成果。Song 等人[8]

基于CA 提出了用来仿真单出口房间疏散过程的新模型CAFE (Cellular aut omata with f orces essentials )。仿真结果证实,紧急疏散中人的复杂行为是来源于3个基本的力:引力(attracti on )、斥力(repulsi on )及摩擦力(fricti on )。关于3个力的解释如下:人们在疏散时总是向出口移动,反映了出口的引力;斥力导致人流速度下降,避免潜在的伤害;当两个步行者彼此接触或者一个步行者与墙壁彼此接触的时候,摩擦力导致人流速度下降。

Kirchnera 等人[9]

引入摩擦力的概念来模拟二维CA 仿真中的竞争外出行为(competitive egress behavi or )。当出口宽度大于临界宽度的时候,竞争行为可以降低外出时间(egress ti m es );当出口宽度小于临界宽度的时候,竞争行为比非竞争行为增加外出时间。Kirchner 等人通过引入摩擦作用(fric 2ti on effect )扩展了一个行人动力学的随机元胞自动机模型(st ochastic cellular aut omat on )。

摩擦与冲突发生有密切的关系,例如:几个人拼命去占有相同地方的情形,该冲突仅仅按与摩擦参数有关的概率来解决,也暗示着摩擦参数不影响单个行人的移动,而仅通过相互作用而出现。在局部高密度区出现的情形下,摩擦作用变得很重要。虽然,摩擦作用只在局部有效,但是它能够对全局有影响,例如:疏散时间。

N ishinari 等人[10]

通过元胞自动机方法以统一的方式研究了蚂蚁与步行者的简易模型,阐明了在轨迹上的蚂蚁与疏散中的步行者的相似性:在形迹上的蚂蚁沿着前面的蚂蚁留下的信息(pher omone )前进;主要出于安全与有效率的原因,在拥挤或者恐慌的时候,步行者也是跟着其他人前进。

Kirchner 等人[11]

使用行人动力学的元胞自动机模型(cellular aut omat on model )描述了疏散过程的仿真,该模型应用仿生学方法(bi onics app r oach )来描述使用趋化性想法(ideas fr om che motaxis )的行人之间的相互作用(interacti on )。

他们发现:为了实现最优化疏散时间,羊群行为(herding behavi our )的合理搭配及利用对环境的了

・

82・中国安全科学学报China Safety Science Journal 第18卷

2008年