影响下社会力模型的疏散模拟与分析
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在人员安 全 疏 散 的 模 型 研 究 方 面! 据 SFZ664 等的统计!#AAA年之前国际上已经 建立 和 正 在开 发 的人员疏散模型 约 有 $$ 种%#&( 据 卢 兆 明 等 的 统 计! 截至$!!’年初!已有 超 过 ’! 种 人 员 疏 散 模 型 在 %$& 各类文献中被介绍0基于物理空间的模化方法!人 员疏散模型 大 致 可 以 分 为 粗 糙 网 络 模 型 ’ %7)’& 精 细 网 格 模 型 和 %%)##& 连 续 性 模 型 0 %#$)#8&
!! 模 型 修 正
突发公共事件的疏散过程中!根据社会力的概 念!疏散人员将受到社会心理和物理环境的双重作 用0根据文献%#7&! 处 于 非 安 全 区 的 人 员 在 疏 散 过 程中受到的作用力为
2&1b ’ 51b441b *51b#(1b 751b4 ’ Y14.K%"‘1 (-1b $+A1&*2G"‘1 (-1b $! 351b# ’:G"‘1 (-1b $"#13(1b $
比比皆是! 如 #AA% 年! 韩 国 汉 城 商 场 火 灾 由 于 安 全 出 口 太 少! 致 使 ’!$ 人 不 能 及 时 疏 散 而 死 亡( #AA"年!沙特 阿 拉 伯 麦 加 圣 城 大 火! 死 亡 #!!! 多 人 ( _NP+A3## 事 件 造 成 约 $(!! 人 死 亡 0
通过大量观察可以发现!一个人在他前方有事物 "另 一 个 人 或 物 体$时 会 减 小 速 度 避 免 相 撞 ! 以 保 护 自 己的安全!当两个人相向运动时这种现象就更明显! 也就是说!即使在不发生接触的情况下!前方人员运 动情况的不同!也将导致疏散人员社会心理作用力的 不同!这种不同可以通过相对速度来描述!
"7$ 51b4 和51b#分别表 示&1b 的 法 向 和 切 向 分 量 的 大 小( 413’ "51 (53$+-13 为 从3 到1 的 法 向 标 准 化 矢 量(
7 G"7$’ ! 7+!函数把 负 数 设 为 !! 上 述 公 式 中 参 7!7*! 数 的 物 理 意 义 详 见 文 献 %#7&!
$!!8!7%$7($资 助 !)&*+,-#/146Q+B0+!Q;,6=13+04530/6 ! #$陈!涛0火灾情况下人员疏散模型及应用研究0 博士学位论文! 中国科学技术大学 !合肥!$!!8
! 第 !" 卷 ! 第 !# 期 !#$$" 年 !# 月
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一就是火 灾 等 突 发 公 共 事 件 中 的 人 员 安 全 疏 散 问 题0
图#可以直观地表示相对速度对于人员法向社 会心理作用力的影响情况!图中人员3与人员1 和2 的距 离 相 同 且 相 互 不 接 触! 根 据 公 式 "$$可 得 5134 ’5234 !即人员1和2 受 人 员3 影 响 的 法 向 社 会 心理作用力相同!显然! 实 际 情 况 是 5134 (5234 ! 由 公 式 "$$得 到 的 结 果 与 现 实 情 况 不 符 !
德国 交 通 流 专 家 L4-2,6=%#$&最 早 提 出 了 社 会 力 模型!他把人员的心理反应量化为作用力!即社会 力!引入到人员疏散模型中!研究了人ຫໍສະໝຸດ Baidu的期望速 度’期望速度方向对疏散时间的影响!成功地再现 了拱形阻 塞’ 群 体 效 应’ ,欲 速 则 不 达- 等 典 型 的 人员疏散行为0
其中 )+341表示疏散 人 员1 和 疏 散 人 员3 的 法 向 速 率 差!
类似的!疏散人员1受到 第 b 个 障 碍 物 的 法 向 社会心理作用力51b4+ 可表示为
51b4+ ’6G"(#141b $51b4 !
"’$
!!在此!我 们 把 5134 和51b4 称 为 法 向 社 会 心 理 距 离作用力!简称 距 离 力(5134+ 和51b4+ 称 为 法 向 社 会 心理速度作用力!简称速度力!
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静止 站 立 在 距 墙 壁 #!* 处! 在#h! 时 刻 开 始 以 +! h7*+;的 期 望 速 度 正 对 墙 壁 运 动 0
模 拟 过 程 中 相 关 参 数 的 取 值 与 文 献%#8&的 取 值 一 致!即#91’!!’;(Y1’$n#!7 Y(A1’!!!(*(2’ #!$n#!’?=3;($(:’$!8n#!’?=3*T#3;(#!当相 对速度影响 系 数6 取 不 同 值 时! 人 员 的 速 度X时 间 曲 线如图$所示!
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! 第 !" 卷 ! 第 !# 期 !#$$" 年 !# 月
作用力的影响!构建社会力修正模型!主要研究相 对速度对疏散效率的影响!
引入相对 速 度 影 响 系 数6! 则 考 虑 相 对 速 度 影 响后! 疏 散 人 员1 受 到3 的 法 向 社 会 心 理 作 用 力 5134+ 可表示为
显然!实际情况下人员在接近墙壁时一般会迅 速停下来!并 不 会 产 生 明 显 的 较 长 时 间 的 速 度 振 荡 !相对速度影响系 数6 的 引 入 则 较 好 地 修 正 了 这 一 问 题 ! 由 图 $ 可 知 ! 当6($ 时 ! 人 员 的 振 荡 基 本 消除!基本体现了实际情况!
突发公共事件中的人员安全疏散与人员的生命
安全密切相 关0 发 生 突 发 公 共 事 件 "比 如 危 险 化 学 品泄漏’地 震’ 城 市 火 灾 等 $后 如 何 快 速 有 效 地 组
织事故现场以及受威胁区域人员的疏散!从而有效 预防和减少突发公共事件造成的人员伤亡!尤其是 防止群死群伤事件的发生!已成为当前国内外公共 安全领域的研究热点和重点0
#%!%
! 第!"卷!第!#期!#$$"年!#月
相对速度影响下社会力模型 的疏散模拟与分析"
陈 ! 涛#! 应 振 根#! 申 世 飞#! 袁 宏 永#! 范 维 澄#"$
#0清华大学公共安全研究中心 !工程物理系!北京 #!!!(8($0中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室!合肥 $7!!$"
摘要!!人是具有自主思维能力的行为个体"紧急情况下疏散过程中的行为表现是其内在心理的 具体体现0文中引入相对速度对疏散人员社会心理作用力的影响"对社会力模型进行修正"通过 模拟分析认为"修正模型增强了人员的主观能动性"解决了原模型中人与人或者人与物接触时速 度的振荡问题"使修正后的疏散模型与实际情况更贴切0通过对典型场景下人员疏散时间的模拟 计算"分析和讨论了两种人员体形特征情况下相对速度对疏散效率的影响0结果显示"相对速度 影响系数对于人员疏散效率的影响具有双重性"虽能减少模型中人员的碰撞和振荡现象而有利疏 散"但也加剧了疏散出口附近人员之间的拥挤程度0因此"当相对速度影响系数为特定临界值时" 人员之间最和谐"所需要的疏散时间最少0
同时考虑距离力和速度力的影响!原模型中人
与人及 人 与 障 碍 物 之 间 的 相 互 作 用 力 &13 和&1b 分 别 可修正为
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其中!6’G")#+341$55113344+ 表 征 速 度 力 与 距 离 力 的 比 例 关 系 ! 当6’! 时 ! 表 示 模 型 中 不 考 虑 相 对 速 度 的 影 响!速度 力 为 !( 当6 为 法 向 相 对 速 度 差 的 倒 数! 即6’#+G")+341$时! 疏 散 人 员 受 到 的 速 度 力 与 距 离 力相等(6 的 数 值 越 大! 则 表 示 法 向 社 会 心 理 作 用 力中速度力所占份额越大!
社会力模型属于连续性模型!是基于多粒子自 驱动系统的框架!假定组成人群的个体具有思考和 对周围环境做出反应的能力!把人的主观愿望’人 与人之间的相互关系以及人与环境之间的相互影响 用社会力的概念来描述!运用一般的力学模型模拟 步行者恐慌时的拥挤动力学!可精细地模拟人员密 集场所人员之间相互冲撞’挤压的拥挤动力学!其 代价是模型复杂度高!模拟计算时间较长0
国际上!人员安全疏散的研究和分析主要包含 两个方面!其一是人员疏散的模型研究(其二是灾 害环境下的人员行为0#AA(年( 月第 四届 ,火灾中 人员行为- 国际学术会议在北爱 尔兰召 开! 来自 $7 个国家和地区的 $!! 多 位 学 者 参 加 了 本 次 会 议! 会 上交流了人员疏散’性能化设计和危险性评估等方 面的科技成果(A3## 事 件 后! 先 后 在 英 国 和 马 来 西亚两次召开了 世 界 性 的 高 层 建 筑 安 全 峰 会($!!’ 年A月 ,第八 届 国 际 火 灾 科 学 大 会 - 在 北 京 召 开! 十多位国内外学者在会上作了有关人员行为和疏散
在上述 L4-2,6=提 出 的 模 型 中!虽 然 考 虑 了 部 分社会因素!但人与人之间都是绝对平等的!人员 之间的法向受力与运动速度没有任何关系!在接触 的情况下!人与人或者人与障碍物之间的相对速度 才会通过改变切向摩擦力来影响人员的疏散速度! 在法向上!则仅通过相对距离的大小决定疏散人员 的社会心理作用力!
关键词!!疏散模型!人员行为!相对速度!社会力
!!当前!随着经济的发展!我国各类危险源与人 口同步增加!突发公共安全事 件时 有 发生0$!!8 年 8月#%日重 庆 天 原 化 工 厂 氯 气 泄 漏 事 故 共 疏 散 #’ 万人!其中江北区有(万人被疏散!嘉陵江对岸的 渝中 区’ 化 龙 桥 片 区 等 地 区 共 有 %0( 万 人 被 疏 散0 #AA#年以来!我国 发 生 一 次 性 死 亡 ’! 人 以 上 的 特 大火灾 达 #$ 起! 死 亡 人 数 达 #’’$ 人#$0 国 际 上! 突发公共事件造成的大量人员疏散和死亡的案例也
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5134 和513#分别表示&13的法向和切向分 量 的 大 小! 人 员与障碍物之间的作用力&1b 可表示为
图 !! 相 对 速 度 对 于 法 向 社 会 心 理 作 用 力 影 响 示 意
基于以上分 析! 本 文 以 L4-2,6= 的 社 会 力 模 型 为基础!引入相对速度对于疏散人员法向社会心理
模型的报告0在这些国际性会议中!关注的焦点之
!$!!%&!#&#$ 收 稿 !$!!%&!8&$% 收 修 改 稿 ! " 国家重点基 础 研 究 发 展 规 划 "批 准 号 #$!!#PH8!A%!!$’ 国 家 自 然 科 学 基 金 "批 准 号#"!’!7!#"$和 中 国 博 士 后 基 金 "批 准 号#
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"! 模 型 讨 论
显然!公式"%$和""$中 在 原 模 型 的 基 础 上! 进 一步考虑了 人 员 相 对 运 动 情 况 "通 过 相 对 速 度 进 行 描述$对人 员 法 向 社 会 心 理 作 用 力 的 影 响0 为 明 确 相对速度对于人员社会心理作用力的影响!下面将 通过两个简单的模拟实验验证这种影响0
图 "! 人 员 面 向 墙 壁 行 走 时 的 速 度>时 间 曲 线
由图$ 可 知!6’! 时! 即 不 考 虑 速 度 力 影 响 时!模 拟 人 员 将 以 大 约 7*3;T# 的 速 度 与 墙 体 相 撞!在人体与墙壁接触瞬间!形成较大的人体与墙 壁的距离力51b4 !迫 使 人 体 以 类 似 球 体 碰 撞 的 形 式 反弹!而后 又 在 期 望 速 度 的 影 响 下 继 续 撞 向 墙 壁! 最后经过一系列较长时间的振荡后紧贴墙壁静止!
!! 模 型 修 正
突发公共事件的疏散过程中!根据社会力的概 念!疏散人员将受到社会心理和物理环境的双重作 用0根据文献%#7&! 处 于 非 安 全 区 的 人 员 在 疏 散 过 程中受到的作用力为
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通过大量观察可以发现!一个人在他前方有事物 "另 一 个 人 或 物 体$时 会 减 小 速 度 避 免 相 撞 ! 以 保 护 自 己的安全!当两个人相向运动时这种现象就更明显! 也就是说!即使在不发生接触的情况下!前方人员运 动情况的不同!也将导致疏散人员社会心理作用力的 不同!这种不同可以通过相对速度来描述!
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德国 交 通 流 专 家 L4-2,6=%#$&最 早 提 出 了 社 会 力 模型!他把人员的心理反应量化为作用力!即社会 力!引入到人员疏散模型中!研究了人ຫໍສະໝຸດ Baidu的期望速 度’期望速度方向对疏散时间的影响!成功地再现 了拱形阻 塞’ 群 体 效 应’ ,欲 速 则 不 达- 等 典 型 的 人员疏散行为0
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关键词!!疏散模型!人员行为!相对速度!社会力
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