《考虑行人流交通特性的人员疏散路径选择模型研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
国内图书分类号：X951密级：公开国际图书分类号：656西南交通大学研究生学位论文考虑行人流交通特性的人员疏散路径选择模型研究年级2015级姓名何汉申请学位级别工程硕士专业安全工程指导老师马剑二零一八年四月 ClassifiedIndex:X951U.D.C:656SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisSTUDYONEVACUATIONMODELCONSIDERINGPEDESTRIANFLOWCHARACTERISTICSANDROUTESELECTIONGrade:2015Candidate:HeHanAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:SafetyEngineeringSupervisor:MaJianMar,2018 .西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密□，在年解密后适用本授权书；2．不保密√，使用本授权书。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导老师签名：日期：2018.5.5日期：2018.5.5 西南交通大学硕士学位论文主要工作（贡献）声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：（1）本文主要采取实验与计算机仿真相结合的方式，通过实验计算出不同设施内行人流的基本图，为模型参数取值提供基础。（2）其次改进网络疏散模型，同时研究行人疏散过程中的路径选择机制，提出以Ⓡ行人为主体的进行更新的方法，并通过Matlab将程序实现。（3）最后通过实例进行验证，得到能较为准确的计算出建筑中人员安全疏散时间与行人的路径选择的新网络模型。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名：日期：2018.5.5 西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要人员安全疏散的研究具有重要的意义，但对疏散过程的模拟及疏散时间的计算是一个很复杂的过程。在此，本文主要通过实验与计算机仿真，结合行人的运动特性提出了考虑行人流特性与路径选择的网络疏散模型。模型能较为准确的仿真计算出疏散场景中人员疏散需要的时间，也能较为准确的模拟出实际情况下行人的路径选择。总结下来，本文主要在这几方面进行了研究与创新：1、通过进行通道行人流实验与房间疏散实验，采用视频提取技术得到行人轨迹的数据，同时使用相应算法计算出行人流基本图，为网络疏散模型中参数的取值提供基础；2、根据不同疏散场景的结构特点以及人员在不同场景中疏散的运动特征，将建立的网络模型节点分为五类。根据这些不同的节点的结构特征与行人流运动特性，研究不同类型节点行人疏散算法，提出疏散模型成立的假设，为建立考虑行人流特性与路径选择的网络疏散模型提供理论依据；3、改进以往网络疏散模型以节点更新的方式，在以往网络模型的节点与边结构基础上加入行人这一要素，实现了以行人为主体的更新模式。同时研究行人的路径选择机制，将行人流参数与行人的路径选择作为信息反馈加入到模型中，让模型模拟结果更为真实准确；4、根据疏散实验案例，将考虑行人流特性与路径选择的网络疏散模型应用于实际疏散模拟中，并与实验结果对照，验证了模型的实用性与准确性。因此本文不仅可以为研究疏散过程的模拟与疏散时间的计算提供合理的方法，也可以为建筑结构的优化设计、人员活动的安全管理以及大型公共场的应急疏散策划提供指导与建议。关键词：行人流基本图、网络疏散模型、路径选择、计算机仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第II页AbstractThestudyofpeople'ssafeevacuationisofgreatsignificance,butthesimulationoftheevacuationprocessandthecalculationoftheevacuationtimeareverycomplicated.Here,thispapermainlycombinedexperimentwithcomputersimulation,proposedanetworkevacuationmodelwhichconsidersthecharacteristicsofpedestrianflowandpathselection.Themodelcanaccuratelycalculatethetimeofsafetyevacuationinthebuilding,andcanalsoaccuratelysimulatethepathselectionofpedestriansintheactualsituation.Insummary,thispaperhascarriedoutresearchandinnovationintheseaspects:1.Throughchannelpedestrianflowexperimentandroomevacuationexperiment,weusevideoextractiontechnologytotrackdataofpedestrians,andusethecorrespondingalgorithmtocalculatethebasicmapofpedestrianflow.Finallyweprovidebasisparameterselectionforthemodelingofnetworkevacuation.2.Wedividethenetworkmodelnodesintofivetypesaccordingtothecharacteristicsofthebuildingandtheevacuationcharacteristicsofthepeopleduringtheevacuationprocess.Accordingtothestructuralcharacteristicsofthesedifferentnodesandtheflowcharacteristicsofpedestrians,thepedestrianevacuationalgorithmsofdifferenttypesofnodesarestudied,andsomeassumptionsabouttheconditionsoftheevacuationmodelaresetup,soastoprovideatheoreticalplatformfortheestablishmentoftheoverallnetworkevacuationmodel;3.Weimprovedthepreviousnetworkevacuationmodelbyaddingpedestriansinthepaststructureofthenetworkmodels，andachievedapedestrianorientedrenewalmode.Atthesametime,westudypedestrians'pathselectionmechanism,andputthepedestrianflowparametersandpedestrian'spathselectionasinformationfeedbackintothemodel,sothatthesimulationresultsaremorerealandaccurate.4.Basedonthemetroevacuationexperiment,weappliedthenetworkevacuationmodelconsideringthecharacteristicsofthepedestrianflowandrouteselectiontotheactualevacuationsimulation,andcomparedwiththeexperimentalresultstoverifyingtheaccuracyandpracticabilityofthemodel. 西南交通大学硕士研究生学位论文第III页Therefore,thispapercannotonlyprovideareasonablemethodforthesimulationofevacuationprocessandthecalculationofevacuationtime,butalsoprovideguidanceandsuggestionsfortheoptimizationdesignofbuildingstructure,thesafetymanagementofpedestrians,andtheemergencyevacuationplanoflargepublicfield.Keywords：Pedestrianfundamentaldiagram;Networkevacuationmodel;Routeselection;Computersimulation 西南交通大学硕士研究生学位论文第IV页目录第一章绪论............................................................................................................................11.1研究背景及意义........................................................................................................11.2行人交通流国内外研究现状....................................................................................11.3人员安全疏散国内外研究现状................................................................................31.3.1人员安全疏散策略研究.................................................................................31.3.2疏散过程中行人的特殊行为研究.................................................................41.3.3疏散时间计算经验公式.................................................................................51.4人员疏散仿真模型....................................................................................................61.4.1宏观模型.........................................................................................................61.4.2微观模型.........................................................................................................71.5本文研究内容............................................................................................................8第二章行人交通流实验研究..............................................................................................112.1表征行人流特性的参数..........................................................................................112.1.1人群速度.......................................................................................................112.1.2人群密度.......................................................................................................122.1.3人群流率.......................................................................................................122.2行人流参数研究实验..............................................................................................122.2.1行人流实验...................................................................................................122.2.2数据提取.......................................................................................................142.2.3数据处理.......................................................................................................142.3行人流交通特性分析..............................................................................................152.3.1房间行人流特性...........................................................................................162.3.2通道行人流特性...........................................................................................172.3.3楼梯行人流特性...........................................................................................192.3.4电梯行人流特性...........................................................................................21第三章人员网络疏散模型构建方法................................................................................233.1网络疏散模型原理..................................................................................................23 西南交通大学硕士研究生学位论文第V页3.2网络疏散模型的建立..............................................................................................243.2.1网络的构成...................................................................................................243.2.2节点的划分...................................................................................................253.2.3拓扑网络的生成...........................................................................................253.3行人疏散过程的模拟..............................................................................................273.4五类节点疏散算法研究..........................................................................................283.4.1房间节点.......................................................................................................283.4.2通道节点.......................................................................................................313.4.3楼梯节点.......................................................................................................343.4.4电梯节点.......................................................................................................353.4.5出口或避难层节点.......................................................................................363.5网络模型网络特性研究..........................................................................................373.5.1节点的度.......................................................................................................373.5.2节点与边的介数...........................................................................................383.5.3节点中心接近度...........................................................................................393.5.4网络特性参数的应用...................................................................................39第四章考虑路径选择的人员疏散网络模型算法设计......................................................414.1网络疏散模型的假设..............................................................................................414.2无信息反馈网络疏散模型算法..............................................................................424.2.1单路径疏散策略...........................................................................................424.2.2多路径疏散策略...........................................................................................434.3有信息反馈网络疏散模型算法..............................................................................444.3.1信息反馈策略...............................................................................................444.3.2行人的路径选择算法...................................................................................474.3.3有网络信息反馈的网络疏散模型整体算法...............................................51第五章人员疏散网络模型分析与应用............................................................................525.1应用案例与网络模型的建立..................................................................................525.1.1疏散实验简介...............................................................................................52 西南交通大学硕士研究生学位论文第VI页5.1.2网络疏散模型的建立...................................................................................545.2模型模拟结果验证..................................................................................................565.2.1各出口疏散人数...........................................................................................565.2.2疏散时间.......................................................................................................595.3簇系数反馈疏散模型模拟结果分析......................................................................615.3.1网络特性分析...............................................................................................615.3.2关键节点人数变化.......................................................................................635.3.3各节点行人最终疏散出口选择...................................................................645.3.4簇系数参数对模型结果影响.......................................................................665.3.5模型结果与经验公式对比...........................................................................675.4案例安全性评价与建议..........................................................................................675.4.1安全评价.......................................................................................................675.4.2安全建议.......................................................................................................68结论与展望............................................................................................................................691.结论...........................................................................................................................692.展望...........................................................................................................................70致谢......................................................................................................................................71参考文献................................................................................................................................72附录......................................................................................................................................77 西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第一章绪论1.1研究背景及意义交通一般是指各类交通工具与人在公共空间中的移动，而人是各类交通活动中主体。随着城市的发展，行人的交通环境也越发复杂。同时在如今的生活中，在公共场所拥挤大量人群的情况并不少见。因此在这样的大环境下，行人交通的效率问题、舒适性问题以及在紧急情况下各种场景内行人疏散的效率问题引起了大家的广泛关注。近年来，因疏散不及时、疏散引导不当或安全疏散设施缺损引起的事故屡见不鲜。[1]仅在2017年，浙江天台县“2·5”重大火灾事故，由于员工和顾客自救逃生方法不当、场所采用大量的可燃易燃装修材料等诸多的原因导致18人死亡、18人受伤；南昌海航白金汇酒店“2·25”火灾，由于施工现场易燃材料与人员疏散不及时，而造成10人死亡、13人受伤；北京“11·18”火灾事故，由于服装厂堆放可燃物覆盖住老化电路失火，且疏散通道被各种障碍阻塞，造成19人死亡，8人受伤等等。这些事故导致了巨大的生命损失与财产损失，带来了巨大的负面影响的同时也为我们敲响了警钟。这说明没有正确的安全疏散引导会导致事故危害程度的提升，因此要安全、有序的保障行人疏散的安全性，就需要有效的行人流运动特性分析、系统的疏散策略引导方法。在这样的环境下，怎么在危险发生时将人员即时、安全地撤离是当前人员疏散研究的重点。综上所述，本文的目的主要在于对人群流动规律与考虑路径选择的人员疏散模型进行研究。即通过科学地研究特定场景下的人群运动规律与各类型行人设施中的人员疏散过程，总结发现影响人群在疏散过程中路径选择的效用模型，最后基于这些特点建立考虑行人流特性与路径选择的网络疏散模型。由此获得的结论也可以为建筑结构的优化设计、人员活动的安全管理以及大型公共场的应急疏散策划提供指导与建议。1.2行人交通流国内外研究现状国外对行人交通流最初的探索开始于上世纪50年代左右，这些早期的研究主要包括现场观测统计、摄影等方法对行人交通流特性参数进行研究。它们可以说是行人交 西南交通大学硕士研究生学位论文第2页通流基础。研究到了上世纪八十年代中后期，已经发展为通过建立各种从微观角度建立的行人动力学方程来描述、模拟和预测行人流的某些特性。之后越来越多的研究者开始涉足这一领域，他们的成果主要有：[2]日本静冈大学的TakashiNagatani教授等人研究微观行人流特性，包括人群移动的速度、延误、不舒适度等，他们通过实验定义了这些基本微观行人流特性参数之间的关系。[3]荷兰的SergeP.Hoogendoorn教授建立了模拟行人行为的NOMAD模型。该模型主要研究对象为单向行人交通流、相向行人交通流和瓶颈处行人交通流的基本参数，并通过这些参数来解释它们的特性。目前NOMAD模型的应用已经发展到了地铁的规划与设计方面。而国内对行人交通流的研究相比于国外而言起步较晚。目前的研究成果主要有：[4]北京工业大学的史建港针对大型活动对活动中行人交通流特性进行了研究。该研究主要建立了平地和楼梯等不同环境的行人交通流模型，并结合我国行人交通流特性提出了通道服务水平分级标准及其分级方法，最后使对影响交通流中行人行为的主要因素进行了分析。[5]北京交通大学的岳昊，利用元胞自动机模型建立了相应的垂直行人交通流、相向行人交通流及四向行人交通流的模型，并通过仿真模拟对不同模型的特性参数—·密度、速度与流率进行了比较分析。[6]吉林大学的张伟则开展了行人交通状态评价方法的研究，该研究借鉴智能交通系统领域已有的相关理论与方法，设计出行人交通状态评价方法，并提出行人交通事件自动识别算法研究。[7]长安大学的周继彪通过设计枢纽内行人交通数据采集试验，对枢纽内行人交通特性进行了深入研究，同时在此基础上研究了行人主观感知对综合交通换乘枢纽服务水平的影响规律，提出了量化其服务水平的SEM模型。[8]北京交通大学的吴昊灵从城市轨道交通行人动力学特性、行人交通仿真模型和行人异质性研究三方面分析并评述国内外现有相关研究，提出了城市轨道交通车站行人异质性理论及场域模型仿真方法，最后分别针对通道、楼梯和站台设施建立多场景、多异质条件下的行人仿真模型，研究了异质性对城市轨道交通不同设施行人动力学的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3页影响。而对于整个行人流研究而言，当众多个体出行目的一致且同时在相同的通行设施中时，行人流在一定程度上可近似为具有整体性、流动性的均质流。因此对于其“密度—速度—流率”关系的研究即行人流基本图的研究成为了行人流研究中的一个重点。近年来，国内外科学家对行人流基本图分别展开了实测、实验、模拟不同手段的研究，[9]得到了一定的成果。同济大学的叶建红对近年来行人流基本图的研究进行了归纳总结，特别针对实测数据与计算数据的基本图和差异进行了研究，重点明确了实验数据基本图的适用性。他的文中指出，对于相同的行人步行设施，实测数据基本图与实验数据基本图存在不显著的差异。在此基础上，本文考虑到若要对模拟的场地的行人流基本图处处实测，其工作量将无比巨大。因此本文拟采用实验的方式，研究几类具有代表性行人设施内行人流基本图，将其作为模型建模的基础。1.3人员安全疏散国内外研究现状1.3.1人员安全疏散策略研究研究人员们对安全疏散的研究起步于上世纪50年代，发展于60年代，之后一直延续至今。他们或通过大量的实测研究、或采取理论分析、或进行建模仿真，此后安全疏散的研究逐步完善深化。在安全疏散策略研究中人员的疏散路径研究是最重要的一部分，一个优秀的疏散策略可以极大减少危险时刻人员的疏散时间，以此保障人员的生命和财产安全。在国[10]外：如Dunn和Newton通过计算疏散点与终点间最短路与次短路集合，将疏散人流[11]分配到路网中，在其通行能力范围下使人员尽快从危险区域转移。Yamada利用运筹学中最小成本最大流问题方法对疏散人流进行分配，假设所有人通过最短路到达安全[12]区域，以此达到疏散总里程最短。KasaiY等人提出了基于拥塞感知自动疏散引导模型，他们在疏散模型中根据疏散路径人流密度加入拥塞感知器，并根据交通拥堵模型[13]计算最小成本路径，为人员疏散重新规划合理方案。KinatederM等人则考虑到疏散人员对疏散场景的熟悉程度与周围人员的影响，在疏散模型中加入两种影响值的效用函数，为行人的疏散路径提供指导。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4页而国内的安全疏散策略研究成果也很多，主要有：[14]东北大学的温丽敏通过对重大事故应的急疏散研究，采用遗传算法并在模型中加入路径系数与有害物质危害系数，通过静态最短路规划问题思想，解决了以危化品[15]泄漏为背景的疏散问题。刘丽霞等人通过对疏散路径集中最短路径与其相异路径选[16]择对比，以产生新的最优路径更为符合出行人员的需求。许焱等人在公交系统应急[17]疏散管理基础上提出了公交车的疏散路径优化模型。冯启达基于车流波动理论的动态路段行程时间模型，它提出疏散时间非拥挤路段与交叉排队路段两部分决定。朱孔[17]金针对建筑物内的多障碍物房间、楼梯和电梯等典型区域开展人员疏散特性和疏散策略的研究，对建筑内紧急疏散时的行为特性、疏散时间和行人流流动状态等进行详细分析，为建筑的结构设计和紧急疏散时的人群疏散策略提供建议和科学支持。王静[19]虹采用理论分析和数学建模相结合的方法，以非常规突发灾害为背景，从突发灾害、外部疏散引导以及大规模疏散人群这三个层面，研究影响大规模人群疏散的随机不确定性，从效率和风险的角度，为突发灾害应急疏散策略提供理论和技术支持。1.3.2疏散过程中行人的特殊行为研究疏散过程中行人会因为自己的心理、个体特征或是社会影响等多方面原因决定他独有的行为方式，而所有行人之间又会形成复杂且相互作用的整体。其中每个行人的行为特性又会影响到行人流整体的疏散过程，从而影响疏散时间、疏散效率等。因此，对行人流行为特性的研究在人员疏散的研究中有重要地位。研究人员在实验与实际观察中发现的行人流一些重要的行为特性：[20]从众现象：指某些人在对某一件事缺乏信息或相关认识的情况下会参照或跟随其他的人一起行动，这就是所谓的“从众”。从众现象的产生更多的是因为群体对个体的影响，或是压力对个体的影响，此时个体不会坚持己见而随大流行动。从众现象在生活中极为常见，在疏散过程中也普遍存在，特别是个体在危险环境下更容易发生这种现象。[21-22]聚集现象：在危险情况下，人们往往会表现出靠近人群的特征或是汇集在较为安全的地带，而且疏散过程中也经常会出现小群体抱团行走的现象。这是因为在人群中个人面对危险的紧张和焦虑会有效降低。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5页[23]返回现象：返回现象即为在某些原因下，疏散人员会返回危险地带寻找亲人、抢救财产或是协助灭火等等。一般情况下，返回行为多是因为亲情行为，如父母返回寻找走失的孩子，这一行为会给建筑物中其他人员的疏散带来负面影响。[24]快即是慢现象：在研究中我们发现，对于一些出口较小的房间，人群从出口疏散时，不同的疏散速度在出口处产生不同的聚集现象，若是人们越想往外走形成的期望速度越高，会导致人员的竞争从而加重出口处的阻塞程度，使人员总的疏散时间加长。1.3.3疏散时间计算经验公式经验公式是常用的计算人员疏散时间工具。如我国现行的建筑防火规范几乎都采用经验公式计算某个场景下的人员疏散时间，以此来评价建筑物的消防安全与否。常[25][26]用的经验公式有以下三种：Togawa推导的疏散时间近似计算公式；加拿大Paul的[27]楼梯计算经验公式；英国的Melink&Booth方程。（1）Togawa经验公式：T1n0T=N−+∑∫NtBi()iiφ()tdtT0（1-1）NB''i=10式中，N是建筑物疏散人员总数：Ni(t)、N’分别是第i个出口和最终出口处的人员流量；n是出口总数：Bi是第i个出口的宽度；T0行人开始稳定流动的时间；φ()t为第i个出i口处人员滞留系数，即聚集在该人数所占的百分比。该式可以简化为：Nkk12T=++（1-2）BN''vv12式中，k1是疏散过程中行人水平方向平均移动的距离，v1是行人在在水平方向的平均行走速度，可以取1.1m/s，k2是疏散过程中行人在楼梯上的行走距离，v2是行人在楼梯上的平均行走速度，可以取0.6m/s。（2）Paul经验公式：Paul根据大量的实验总结，并根据经验推算出人员通过楼梯楼梯疏散的时间经验拟合公式： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6页0.730.680.081+p当单位宽度楼梯通过人数少于6..T=（1-3）2.00.011+p当单位宽度楼梯通过人数大于6..式中，T为不考虑楼梯拥堵情况下的疏散时间，单位为min；p为疏散楼层测得每米有效宽度楼梯所能容纳的人数。（3）Melink&Booth经验公式：nTr=(∑Qirs)/('Nb−1)+rt（1-4）ir=式中，Tr为位于第r层以上的人疏散所需时间；Qi为疏散时第i层的人员数量：N’为理论上单位宽度楼梯的流率，可取值为1.5人/m●s；br-1是第r层与第r-1层间的楼梯宽度；ts是在一般情况下的人员往来于相邻楼层需花费的时间，此处可取值为20s。该公式主要运用于估算高层建筑的总疏散时间。1.4人员疏散仿真模型对于人员疏散研究而言，若都采用实验的方式进行，费时费力，会造成很大的资源浪费。为了使研究者们的研究成果与理论模型能更好的应用与实际情况中，进行计算机仿真则成为了当前人员疏散规律研究的主流方法。一般来说人员疏散仿真模型主要分为两大类：宏观模型与微观模型。1.4.1宏观模型宏观模型通常不考虑周围非逃生相关的事物和人员，假设疏散人员按照最有效的疏散方式进行疏散，将人员视为具有共同特征的整体而不考虑其间的差异性。其模拟计算重点在于对场景整体疏散时间的比较，评价疏散场景的安全程度。目前常用宏观疏散模型多为网络疏散模型，而应用网络模型最为出名的疏散软件是EVACNET4。[28]EVACNET4：是由佛罗里达大学开发，目前使用最广的人群疏散模型软件，该软件可以以网络的形式描述建筑物的结构，模拟人员在这种网络形式内由起始点到安全点疏散流动的全过程。以节点的方式表示建筑物内的不同空间，如各个厅室、过道、楼梯、安全出口等，将安全点定义为目标节点，所以建立合理如实的建筑网络模型是该软件疏散模拟中的关键。之后通过虚拟路径连接各个节点，设置人员流动方向开始 西南交通大学硕士研究生学位论文第7页进行疏散模拟。利用EVACNET4进行实验可以模拟出包括瓶颈识别、避难概况和路线、疏散完成时间等在内的14个实验数据。1.4.2微观模型微观仿真模型的重点在于模拟出接近真实疏散的情景，体现出每位人员在疏散过程中的具体行为和受到的影响，并且会考虑每个疏散个体的个体特征。当前仿真使用的微观模型主要有三种：[29-31]社会力模型：该模型主要描述行人运动过程中的行人之间以及行人与边界、障碍物的相互作用，并将其量化各种力。主要为行人向着目标运动的驱动力，行人之间作用、行人与通道边界、障碍物等之间相互影响的排斥力。这个模型中每个行人运动过程可以通过牛顿运动定律的微分方程来描述。如式1-5与式1-6所示。ddwdma=Ft()+ξ（1-5）aadtdddddddddddddddd00FtFvvea()=a(,aaa)+∑∑∑Ferrab(,aa−+b)FerraB(,aa−+B)Ferrtai(,aa−i,)（1-6）bBidd式1-5中，ma为行人a的质量；wa为当前环境下的行人速度；Fta()为行人流中行人所受到的合力，ξ为随机变量代表行人因不确定的个人行为产生的变力。式1-6中其表达式右侧第一项为驱使行人向目的地运动的驱动力，第二项为行人与其他行人相互影响作用力的合力，第三项为行人与通道边界或障碍物作用力的合力，第四项为各种吸引力的合力[32-33]格子气模型：格子气模型是一种有偏移的随机运动模型，它最主要的应用是对相向行人流的模拟。该模型将行人运动过程的时间分为时间步，将行人运动的空间分为离散的格点。在模拟过程中，规定每位行人在每个时间步只能占据一个格点也只能运动一步，即每位行人只能从当时占据格点运动到其相邻上下左右的格点或是不动。模型中行人选择向其上方、下方、前方格点运动的路径与概率由他周围格点的状态决定。[34-36]元胞自动机模型：元胞自动机模型与其它动力学模型差别很大，它并没有严格定义的函数，其核心在于构造模型所规定的规则，并通过这些规则来模拟行人移动的过程。元胞自动机模型没有复杂的计算公式，运用计算机模拟其过程较为方便。简 西南交通大学硕士研究生学位论文第8页单来说，模型将人流中每个人视为一个元胞，将行人运动的空间化为网格化的二维平面。模拟过程中一个元胞只能占据一个格点，所有的元胞都同时运动，每个时间步内每个元胞只移动一格，且模拟过程不能突然停止。模型中时间步可以根据实际情况将其划分为长短不同的时间段，其目的是控制模拟的速度对其适当的增加或减缓。另外，在遵守基本、简练以及必要的原则上，一般假定每一位行人都有明确的目的地即模型中每个元胞都有确定的终点，不会无目的地运动。1.5本文研究内容本文的主要研究内容将包括以下几个方面：（1）行人流交通特性实验与研究由于人群流动具有特定的规律性，因此其流动参数即行人流的速度、密度、流量三者之间的关系称为基本图。基本图直观反映人群运动状态以及行人交通设施的服务水平。为此，我们设计了各种典型的行人设施行人流实验，采用不同的计算方法获得相向行人流的“密度—速度”与“密度—流率”关系。发现基本图中行人流速度、流量随密度变化规律，并根据该规律确定了各个实验中行人流的特征值，并对设施中行人流特性做出定性与定量结论，最后将行人流特性参数应用于网络疏散模型中，让模型的计算结果更为合理。（2）人员路径选择算法实现通过分析研究行人出行的考虑因素，研究行人路径选择的反馈算法。该部分主要对行人在空间内部行为进行描述、行人路径选择的反馈方式进行分析以及对行人实时路径选择生成。人员路径选择算法的建立可以为实际生活中各类场所行人疏散策略提出有意义的借鉴，实现理论疏散行人流与实际疏散行人流的相互匹配，以此达到安全疏散的目的。（3）考虑行人流特性与路径选择的人员网络疏散模型的建立改进以往网络疏散模型以节点为主体的更新方式，提出以行人为主体的更新算法，同时通过研究各类型设施内行人运动特点、行人疏散影响因素，并充分考虑各类型设施行人交通应急疏散的特征建立相应的疏散模型，将不同设施行人流参数关系研究结果引入网络疏散模型，用以计算每个时刻模型中不同节点内的行人移动速度与密度， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9页而非将所有人的情况一概而论，以此达到契合实际的效果。最后通过行人路径选择算法建立考虑信息反馈的人员网络疏散模型，在宏观模型中加入微观因素，从而更好的研究与模拟紧急事件情况下行人的疏散时间与路径选择行为，为保障行人交通安全提供相应的科学依据。（4）案例分析与现在已有的经典疏散模型对真实案例进行模拟对比，确定本文模型的可靠性与准确性，同时根据模型结果评价案例场景的安全性并提出建议。根据上述研究内容，本文技术路线为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第10页考虑行人流交通特性的人员疏散路径选择模型研究行人交通特性研究基础资料准备国内外研究现状部分行人安全疏散研究行行数人人据行人交通特性行人交通流特征实验研究流流处研究实特理验征网络建疏立两散拓种扑模类网型型核心部分模型的建立与编程实现络网建路络径疏立选散择模算型法案例结模模论型案例分析型对评建比价收尾立结论与展望图1-1本文技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第11页第二章行人交通流实验研究随着社会的发展，人员的出行量也相继增加，随之而来的行人交通问题也越来越严重。对于如何改善现有行人交通运行状况，相关研究也在不断地深入，其中对行人交通流关系和特征的研究是支持步行设施规划设计、行人疏散指引的关键理论。本章主要对表征人群流动的重要参数等进行讨论，然后通过实验视频获得了低密度到高密度的相对完整运行状态下的行人流参数（密度、速度与流率），通过散点图分析行人流率、密度和速度之间的总体趋势，最后对行人流运动的特征值与规律进行总结。而本章研究的结论主要为下文考虑行人流特性的网络疏散模型的参数取值提供基础。2.1表征行人流特性的参数除了对行人流的行为特性进行定性上分析外，我们需要采取定量分析的手段研究[37-38]行人流的特性进行描述，一般而言行人流的速度、密度与流率这3个参数最为关键。2.1.1人群速度人群速度指场景中人群运动的平均速度。人群作为多个行人个体组成的一个小型系统，系统中每个个体之间会都会相互影响，相互作用，而最终所有个体在系统中其他个体的作用下体现出来的平均速度即为人群速度。行人自由速度受内在因素（个人状态、个人行为选择偏好等）和外在因素（场地状况、天气温度、周围行人状态等）影响。人群的拥挤程度则会对个体速度造成较大影响，当人群密度处于较高水平时，环境对个体作用力增强，弱化个体间的差异性，个体速度逐渐趋向于人群速度；当人群密度处于较低水平时，环境对个体作用力减弱，个体间的差异得以体现，个体速度表现出差距，最终体现为人群的自由流。一般而言，人群整体速度会随着人群密度的增大而变小。人群作为多个行人个体组成的集体，其虽表现出一个共同的人群速度，但是其内部个体的速度会存在一定的差异，这会对人群的流动造成影响。由于每个个体在行进过程中一般会趋向于优先寻找最短路径，但每个个体自身的行进速度存在差异，这使得部分个体在进行过程中选 西南交通大学硕士研究生学位论文第12页择超越，人群中的超越行为可能会引起个体间的碰撞、推搡，严重时会造成拥堵甚至踩踏等情况。2.1.2人群密度人群密度是用来表示人群密集程度的。一般人群密度可用单位面积上的人员的数22量表示，单位为人/m；也可用其倒数，即人均占有的面积来表示，单位为m/人。当人群密度处于较高水平时，会对人群中的个体运动有一定的抑制作用，从而使人群体现出群集流动，此时可将人群的表现类似地看作流体，其速度受人群密度影响较大，几乎不受人群中个体平均速度影响。人群密度达到一定水平后，它的增大会使得群体速度逐渐变小，而当密度超过一定阈值之后，人群将因为过度拥挤而无法移动。2.1.3人群流率人群流率是指单位时间内通过单位长度的人数，单位为人/(m•s)，它不仅可以用来衡量人群流动规律，而且还可以用来衡量场所通流能力。人群流率的最大值受场所自身参数（场所类型、有效行走宽度、面积等）影响和决定，它与人群密度是密不可分的，人群密度只有处于特定值时才能使人群流率达到最大值。2.2行人流参数研究实验不同的建筑设施会对行人运动产生不同的影响，对行人的流动造成不同程度的约束。本文为了研究行人流特征参数，进行了房间和通道的行人流实验，之后对房间与通道两种类型行人设施的实验视频数据进行了处理分析，最后对楼梯与电梯类设施行人流的相关研究进行了总结，以此得出不同设施中的行人流特征参数，为下文中行人疏散模型的建立提供基础。2.2.1行人流实验1、房间疏散实验 西南交通大学硕士研究生学位论文第13页图2-1房间疏散实验为了取得房间内行人疏散的相关数据，我们进行了房间疏散实验（如图2-1所示）。该实验使用方钢搭建1个8m×8m的框架，在疏散方向的墙面铺设木板，以此模拟疏散的房间，同时共邀请了90名学生参与。实验开始前参与者们随机的分布在距离房间门口2m后的空间内，实验房间门宽1m且位于疏散方向墙面的正中，所有被试者均佩戴红色的帽子以便后续跟踪提取其轨迹。实验房间门口上方固定有DV摄像机，用以记录行人在房间口的运动，录像过程获得的视频帧率为50帧每秒，每一帧图像的分辨率是1080每一帧图像。当收到实验开始的通知时，所有参与人员同时开始向房间外移动，直至所有人走出房间。2、通道疏散实验（a）单通道（b）交叉通道图2-2通道疏散实验本文建立了一个宽2m，长8m的通道。实验中固定通道宽度为2m，不作不同宽度通道比较。实验通道上方固定有DV摄像机，用以记录行人在通道内的运动。录像过程获得的视频帧率为24帧每秒，每一帧图像的分辨率是1080每一帧图像。实验完成后，使用软件从视频录像中提取图像空间行人轨迹，并进一步校正映射到物理空间。实验共邀请40名在校大学生参与。他们年龄在20至24岁之间，身高接近。所有 西南交通大学硕士研究生学位论文第14页实验参与者被随机分为两组，每组20人。两组人员分别戴上红色和黄色的帽子以便区分。本文共设计两种情况下的人员流动实验，如图2-2所示：第一种：行人在单通道中移动；第二种：行人在交叉通道中移动；每种情况下的实验各重复多次。在每次实验开始前，两组人员排成5列，每列4人分别站在通道的入口等候。当收到实验开始的信号时，所有人员同时开始移动，直至走出通道。2.2.2数据提取[39-40]实验中，所有被试者均佩戴红色或黄色的帽子以便后续跟踪并通过Mean-Shift算法提取其轨迹。具体地说，首先给定图像中红色或黄色帽子的RGB值作为特征量，测量后续帧图像中其它像素与这一特征在RGB彩色空间的距离，如果它们之间的距离小于给定的阈值，这一像素就会被判定为红色或黄色帽子的组成部分记录下来。通过对实验视频每一帧图片进行处理，提取每个人的移动轨迹，并汇总校正得到每个人每个时刻所在位置的坐标值。结果之一的通道实验行人轨迹数据如图2-3所示，图中x与y轴坐标代表通道实验场景的几何尺寸，每条线即为实验人员行走的轨迹。图2-3通道实验行人轨迹数据2.2.3数据处理取得每位行人的轨迹数据后，需要通过相应的公式计算行人流特征参数。本文定 西南交通大学硕士研究生学位论文第15页义平均密度ρt为t时刻测量区域内行人总数N除以测量区域的面积，如式（2-1）所示。这里的测量区间是指对实验场景某一关键部分的行人流参数，来表征整个实验场景中整个行人流的运动情况。这样设置的原因是若采用整个实验场景的面积用作计算明显不合理，因为行人并没有平均分布在整个场景中，而实验场景关键部分的行人流运动状况可以合理有效地反映出整个场景内行人流的运动特征。例如图2-5，我们对直通道实验场景取其最中间2m的范围作为测量区间。测量区间图2-5直通道测量区间示意Nρt=（2-1）S测而平均速度vt被定义为在t时刻测量区域内所有人瞬时速度vti()的平均值，如式（2-2）所示：1Nvti=∑i=1vt()（2-2）N其中每个人的瞬时速度vti()可以如式（2-3）所示，即通过行人很短位移内的时间∆t'进行计算，本文中∆t'为两帧图像的间隔时间，xi（t）为t时刻时，行人的坐标值。∆∆tt''xt(+−−)(xt)ii22（2-3）v=i∆t'行人流率计算的采用如式（2-4）所示的交通流中广泛采用的基本关系：Jv=•ρ（2-4）2其中：行人流率J(人/m∙s)、速度v(m/s)、以及密度ρ(1/m)。2.3行人流交通特性分析[41-42]这一节，我们首先在房间与通道行人流研究实验的基础上，利用基本图法对实验数据的结果进行分析和总结。基本图是行人流研究中最重要的方法之一，它定量 西南交通大学硕士研究生学位论文第16页地描述了行人运动参数流率（特定时间内通过通道单位宽度垂直断面的行人数量）、密度（通道单位面积内行人数量）和速度（行人流的平均行走速度）间的关系，因此行人流率、密度、速度三者之间的定量关系被称为基本图，它们之间的变化规律则反映了行人交通流的宏观运行特性。由于行人流中每一个个体总是会根据其相邻的其它个体的移动状态调整自身步行行为。所以从某种意义上来说，速度—密度关系图是最本质的基本图，它反映出在不同密度条件下人与人之间相互作用的大小，而流率—密度关系能反映出通道通行能力与人员密度之间的关系。其次结合前人研究，对楼梯这种常用且重要的行人设施内行人流的特征参数进行归纳总结，选取最为合理的结论作为本文的参考，为下文疏散模型的建立提供数据支撑。最后简要叙述电梯结构的行人运动方式与特性。2.3.1房间行人流特性经过数据处理后，我们得到房间内参试人员运动随时间变化的关系图。图2-6（a）为实验开始后，房间中剩余人数随时间变化关系。（a）房间剩余人数随时间变化（b）每时刻房间流率变化图2-6房间疏散实验行人流变化图在视频第5秒时，开始有人走出房间，第38秒时所有人走出房间实验结束。图中可以看出整个实验过程中行人走出房间的流率保持一定的斜率基本不变，由于房间结构内人员疏散人数满足以下公式（2-5）：N=J∙w∙t（2-5）N为走出房间的人数（本实验为90人），w为房间门宽（本实验为1m），J为门口 西南交通大学硕士研究生学位论文第17页处行人流率，t为疏散总时间（本实验为33s），因此房间出口处行人流率J可以推算为2.72人/（m∙s）。图（b）为每一时刻参试者走出的流率变化，即每秒记录走出房间的人数。可以观察出流量基本稳定在2-3人/（m∙s），最多为4人/（m∙s）。即对于同一个房间，人员走出房间的流率不会有特别大的波动，影响室内人员走出房间效率的主要因素为房间门的宽度。2.3.2通道行人流特性（1）单通道根据已经获取的单通道实验数据，进一步计算得到单通道中行人流密度—速度与密度—流率基本图，如图2-7所示。（a）单通道密度—速度基本图（b）单通道密度—流率基本图图2-7单通道行人流基本图如2-7（a）所示，密度—速度基本图中存在两个重要特征量：（1）行人不受他人影响或影响很小时的自由运动速度；（2）速度随密度增加下降速率。从图2.3-6（a）我们可以看出，对于单通道行人自由流平均速度都约为1.1m/s。同时根据观察，单通道中行人流平均速度随密度变化的速率也基本稳定，根据数据我们拟合出密度—速度曲2线方程为式（2-6），拟合曲线模型拟合度判定系数R=0.876。v=1.11-0.122ρ（2-6）根据上一节中我们拟合的实验密度—速度模型公式和密度、速度、流率三参数基本关系公式（2-5），我们可以得到换算后的密度—流率关系如式（2-7）： 西南交通大学硕士研究生学位论文第18页2J=1.11ρ-0.122ρ（2-7）2密度—流率基本图如图2-7（b）所示，密度小于6人/m部分为实测数据，密度大2于6人/m后为拟合曲线。我们可以观察到，曲线在开始时流量随着密度的增加而增加，22当密度约大于4人/m时流量随曲线下降，在密度约为8.5人/m时等于0。经计算可以22得到在下通道阻塞密度ρ0约为8.78人/m，通道最佳密度ρc约为4.4人/m。在最佳密度时本实验中通道的行人最大通行量为7.06人/s，此时行人流速度约为0.54m/s。（2）交叉通道根据已经获取的交叉通道实验数据，进一步计算得到单通道中行人流密度—速度与密度—流率基本图，如图2-8所示。（a）交叉通道密度—速度基本图（b）交叉通道密度—流率基本图图2-8交叉通道行人流基本图从图2-8（a）我们可以看出，对于交叉通道行人自由流平均速度都约为1m/s。同时根据观察，交叉通道中行人流平均速度随密度变化的速率也基本稳定，根据数据我2们拟合出密度—速度曲线方程为（2-8）：，拟合曲线模型拟合度判定系数R=0.792。v=0.966-0.114ρ（2-8）根据上一节中我们拟合的实验密度-速度关系和密度、速度、流率三参数基本关系公式（2-5），我们可以得到换算后的密度—流率关系如式（2-9）：2J=0.966ρ-0.114ρ（2-9）2交叉通道密度—流率基本图如图2-8（b）所示，密度小于6人/m部分为实测数据，2密度大于6人/m后为拟合曲线。我们可以观察到，曲线在开始时流量随着密度的增加22而增加，当密度约大于4人/m时流量随曲线下降，在密度约为8.5人/m时等于0。经 西南交通大学硕士研究生学位论文第19页2计算可以得到在实验三条件下通道阻塞密度ρ0约为8.47人/m，通道最佳密度ρc约为24.23人/m。在最佳密度时本实验中通道的行人最大通行量为6.14人每秒此时，行人流速度约为0.48m/s。2.3.3楼梯行人流特性由于时间所限，本文并未开展关于楼梯的行人流运动特性研究实验，但已经有国内外研究者门对行人在楼梯上的运动特征进行了研究，他们通过实验或者实地观测获得了行人在楼梯间的运动参数，本文在他们研究的基础上对楼梯间行人流运动参数进行了归纳总结。其中四位研究者的结论最为出名，他们分别是Predtechenskiiand[43][44][45]Milinskii(PM)，NelsonandMowrer(NM)，Fruin(FN)，and[46]Weidmann(WM)他们的结论如下图所示。[47]图2-9行人下楼基本图图2-9为行人在楼梯下楼时，速度、流率和密度之间的基本图。总体来看，随着密度和流率的增加，行人在楼梯的速度从0.8m/s降低，然后在范围保持稳定的规律递减。 西南交通大学硕士研究生学位论文第20页1.411.20.8-1)10.60.80.60.4specificflow/(m•s0.4horizontalvelocity/m/s0.20.20002468100246810-2density/m-2density/m[47]图2-10行人上楼基本图图2-10为行人在楼梯上楼时，速度与流率、密度的基本图。总体来看行人在楼梯上随着密度和流率的增加，行人在楼梯的速度从0.6m/s降低，然后在范围保持稳定的规律递减。通过对比观察，我们发现不同的研究的得出的结论差异较大，考虑到日常生活中楼梯的实际情况，其中NelsonandMowrer的研究结果对于行人上下楼梯基本图没有变化，这明显不符合常理，所以不考虑他们的结论，而PredtechenskiiandMilinskii与Fruin的研究时间太过久远，因此本文拟采用Weidmann的结论。楼梯中人的行走速度可以根据不同的人流密度选取，如表2-1所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第21页表2-1楼梯行人流主要参数上行下行单位宽度平单位宽度平平均行走速平均密度平均行走速平均密度均流率均流率22度m/s人/m度m/s人/m人/(m.s)人/(m.s)0.60.5<0.150.70.5<0.180.580.5-10.430.660.5-10.500.551-1.50.690.631-1.50.790.51.5-20.870.551.5-20.960.382-2.50.850.452-2.51.010.32.5-30.830.352.5-30.760.233-3.50.750.253-3.50.810.173.5-40.640.183.5-40.6750.14-4.50.430.14-4.50.430.054.5-50.240.064.5-50.290.025-5.50.10.025-5.50.10>5.500>5.502.3.4电梯行人流特性电梯目前广泛应用于各类建筑或设施中，是一种方便楼层间竖向联系的主要交通工具，但是由于普通电梯相较于消防电梯电路结构简单、消防功能不齐全，在发生火灾时会出现停运甚至着火的情况，因此普通电梯在发生火灾时被禁止使用，但是消防电梯则可以在火灾发生时，保证正常运作，实现消防人员的抵达和撤离以及人员快速疏散。因此本文研究的电梯皆为消防电梯。[48-49]此外，消防电梯和普通电梯的主要区别在于：消防电梯的消防功能完善；消防电源采用双路电源，当发生紧急情况，备用电路会在主电路无法正常运作的情况在自动投合以保证消防电梯正常运作；消防电梯具备紧急控制功能，当发生紧急情况是，可以控制消防电梯优先进行消防人员的运送，期间不进行人员疏散，消防人员抵达现场后可继续进行人员疏散；消防电梯在轿厢顶部预留一个紧急疏散出口，以备电梯轿门出现故障是保证轿厢内乘客安全疏散。此外，消防电梯与普通电梯在运作时的控制方法也会存在一定差异，普通电梯在运作时同事受轿厢内和轿厢外控制，两处只要有信号电梯就会运作，而消防电梯则只收电梯轿厢内控制。行人通过消防电梯的疏散和其他设施疏散有所不同，它是一个间断的过程而非连续的过程，且主要依靠电梯自身的承载量与运行速度而不是行人本身，即每次通过一 西南交通大学硕士研究生学位论文第22页个较为固定的时间运送不超过一定数量的人到达目的地。因此电梯结构中行人的流动量主要与电梯的型号尺寸有关，不同的电梯每次往返运送的人数不同，根据国家标准，乘用电梯型号与最大承载乘客数关系如表2-2所示。表2-2电梯尺寸与最大乘客数关系额定载重量最大乘客人轿厢最大有效面积额定载重量最大乘客人轿厢最大有效面积22/kg数/m/kg数/m750101.91250172.98001121350183.1900122.21425193.251000132.41500203.41050142.51600213.651125152.652000274.21200162.82500335 西南交通大学硕士研究生学位论文第23页第三章人员网络疏散模型构建方法网络疏散模型是指将组成建筑物的各个部分使用或节点（表示建筑物内各个单元）或线段（表示连接各个单元的通道）表示，根据建筑物实际情况相连形成疏散网络，然后通过描述人员在建筑物中的位置和状态随时间的变化情况以模拟疏散的过程。网路疏散模型不仅可以直观地呈现建筑物的疏散路线，以及该路线的疏散时间，这对于建筑物在疏散路线设计的过程中具有很强的指导作用，而且还可以将建筑物结构进行完整的描述。本章主要讨论网络模型的原理与构成、组成模型中不同类型节点的属性与需要的参数。同时提出以行人为主体的网络疏散模型更新算法，并研究不同属性节点行人疏散的模拟过程。最后对表征网络模型特性的相关参数进行分析，为解决疏散问题找到关键节点。3.1网络疏散模型原理[50-55]网络疏散模型，其原理概括来说是将疏散场景中的单元设置为节点，连接单元的通道设置为线段，最终将疏散场景以网状结构表示。同时在进行人员疏散的模拟时，忽视人员与人员之间的相互影响与作用，人员的移动被简化为单元间的移动。具体而言，模拟人员疏散过程为：人员确定初始位置和安全地点的位置，通过特定算法找出疏散路线，然后完成疏散路线上各个单元间的移动，最终抵达安全地点。模拟中可以得出任何时间点所有人员的所处单元情况，也就可以得知人员实际所在位置，而人员从初始位置出发到其走完最后一个单元所用全部时间即为它的疏散时间。最后统计网络中所有人的信息，即可知道整个疏散场景所需要的疏散时间，也可以知道每个节点的疏散情况。此外，我们还要假设疏散人员按照设定的模型假设进行有序疏散。而且由于模拟中对个体行为对疏散的影响的弱化，模拟中无法得出疏散过程中的个体特征。而网络疏散模型相较于微观疏散模型虽然路径划分较为粗糙，但是其计算时参数较少、运算时间也较短。使用网络疏散模型进行疏散模拟时，可以对场景内发生紧急情况时的人员疏散时 西南交通大学硕士研究生学位论文第24页间、疏散时场景中容易形成瓶颈的点和容易造成疏散死角的地方进行了解，同时还可以得到不同紧急情况、不同位置的危险源的情况下疏散状况。从而对建筑物中的疏散设计中的存在的不足进行了解并针对性进行整改，确保其满足规范。3.2网络疏散模型的建立3.2.1网络的构成网络疏散模型的基础是根据疏散场景建立相应的拓扑网络，而拓扑网络的建立需要一定的已知量参与到行人疏散过程的模型计算当中，这些已知量主要分为三类：节点（node）、边（edge）以及行人（pedestrians）。节点（node）行人（pedestrians）cost房间通道capacity出口边（edge）图3-1网络构成示意节点（node）：节点的最基本的功能是代表行人所处的实际位置（如图3-1中的房间与通道），并且作为行人路径选择与行为活动的场所。可以根据不同的建筑功能将节点分为以下几类：起点或开始疏散的节点、通道边之间的连接性节点以及终点或到达安全区域的节点。其中起点即为行人开始进行疏散的节点，而终点即为行人离开或到达安全区域节点，而起点与连接性的节点具体又可以根据类型的不同分为四类：房间、通道、楼梯、电梯。因此在模型中我们需要的赋予节点属性主要为节点的编号、节点具体类型、节点内人数。边（edge）：网络中任何一个节点都是由边所连接的（如图3-1中绿色箭头），它是一个虚拟的存在而非实际存在，代表的是节点之间的可达性，即节点之间连通状态。边有量个主要状态量边的容量（capacity）、与边的花费（cost），其中边的容量（capacity） 西南交通大学硕士研究生学位论文第25页是指单位时间内从一个节点到另一个节点最多转移的人的数量，也代表出口的通行能力，而边的费用（cost）是指从该节点转移到下一节点所需要的消耗的费用，该费用的衡量可以用时间，可以用距离，也可以用边内的行人流量与密度的关系决定。在模拟过程中边的容量不变的，而边的花费根据模型类型的不同可以不变，也可以随时间变化而变化的。因此在模型中我们需要赋予的边基本属性主要包括连接的边的编号、边的容量、边的费用。行人（pedestrians）：行人是网络疏散模型中运动的主体，行人在网络中的运动过程简单来说为从起始节点经过连接型节点到达出口节点，该过程即为疏散过程的模拟。由于网络疏散模型较少的考虑行人个体的行为，因此在模型中我们需要赋予的行人属性主要包括行人的位置、行人的速度、人的选择路径这几个参数。3.2.2节点的划分作为疏散过程中行人活动的场所，对于不同类型的节点而言，人员的流动方式与特征差别很大，使得不同类型节点下的人员疏散过程各具特点。考虑到不同节点在疏散中的不同特点与行人交通流特征，可将疏散模型的节点按建筑单元的划分方式分为房间、通道、楼梯、电梯以及出口五种典型的类型。（1）房间节点，疏散时没有人员进入，只有人员离开节点；（2）通道节点，疏散时既有人员进入，也有人员离开的节点；（3）楼梯节点，该节点的特点与通道结构单元类似，不过它代表的是相邻楼层之间竖直方向上的疏散通道，在模型中楼梯与通道的区别在于行人流“密度—速度”关系的不同；（4）电梯节点，疏散时只能按批次运送人员的节点，通过该节点的人员疏散过程是间断的；（5）出口或避难层节点，疏散人员到达该节点可视为处安全状态，即该类节点是整个网络疏散模型的中行人的最终目的地、每条路径的终点。当所有人到达该类节点时，疏散结束。3.2.3拓扑网络的生成通过已知三类参数的属性设置，再根据我们需要模拟的行人疏散场景的平面图， 西南交通大学硕士研究生学位论文第26页可以以此生成相应的拓扑网络图，基本原理为：Step1：例如图3-2所示，（a）为某建筑平面cad图，首先清除场景平面图中的冗余信息，如尺寸标注等，只留下房间、通道、楼梯等建筑结构。也就是说，将基本的建筑图纸简化成5类结构:房间、通道、楼梯、电梯和出口。再留下门和开口做连接，而其他的冗余信息全部清除，如（b）所示；（a）原始平面图（b）简化后建筑结构图3-2某建筑平面cad图Step2：接下来根据简化后的建筑平面图将各类建筑单元、门与开口网络化，首先将这些简单元转化为网络模型中的节点，在为每个节点编号（如图3-3（a）所示），再根据图纸上建筑单元所在的位置与周围建筑单元的链接关系生成边，用边将节点链接，生成行人疏散的拓扑网络（如图3.2-3（b）所示），并为网络中的节点（node）、边（edge）、行人（pedestrians）赋予初始值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第27页（a）节点划分与编号exit391234678910111251440exit13341541exit3616171819202135313738332232678910111212exitexit（b）拓扑网络生成图3-3拓扑网络生成示意3.3行人疏散过程的模拟行人疏散过程是指当危险事件已经发生或即将发生时，但严重程度尚未达到危害人身安全或财产损失前，能将行人顺利分散或转移到达安全区域的行动。一个完整的行人疏散过程应该是“灾害产生—报警信息—确认信息—反应时间—疏散过程—疏散完成”这样的流程，而本文中网络疏散模型主要模拟的是不考虑预警时间与反应时间，行人直接向安全点逃生的疏散过程。网络模型中行人疏散过程的模拟的关键是确定模型中人员运动的流向。通常人员逃生的流向是根据网络出初始节点间的连接关系，从危险源流向安全出口，离开危险区域。同时，行人根据其疏散情况的不同又可以分为两种情况，一种是目的性很强， 西南交通大学硕士研究生学位论文第28页十分了解疏散场景中各通道设施的位置，能尽快选择出到出口的最短路径；另一种是对没有了解的或了解不够的，这一类人会在疏散过程中参考指路标志或是会盲目跟随别人的行动，没有非常明确地目的性。行人疏散过程实质上就是行人由初始点，途径中间节点，最终抵达安全点所形成的由经过的节点、边所组成的活动链。研究行人疏散过程其实就是确定活动链的路径集合。一般而言，我们可以将行人的疏散过程中路径的集合由以下四种方式生成：（1）在疏散开始之前按照一定的生成规则（例如最短路径算法）获得；（2）在模拟中通过一定的根据节点的状态根据相应路径选择算法实时获得；（3）通过实际观察分析、经验总结得出；（4）直接随机生成。行人疏散路径集合直接影响模型的结果。而在研究中，大多数行人疏散路径集合通常都采用第一种方法生成，即按照一定的生成规则方法获得行人的疏散路径集合，在这些路径生成规则中，最常用的是基于最短路径的算法，具体而言就是通过对整个网络每个点到出口间边（edge）结构的属性费用（cost）的计算，找到该节点到出口的最短路径，依次通过该路径上的节点，以此生成行人疏散路径集合。本文则根据第一种方法与第二种方法分别建立了两种类型的网络疏散模型。3.4五类节点疏散算法研究3.4.1房间节点房间节点只有人员流出而没有人员流入，在实际建筑物中可以是教室、办公室等。房间节点疏散开始时，人员随机分布在该节点内，在疏散开始后，节点内的人员只能从房间内疏散出来，而不能将该节点作为连接其它节点的通道。当房间节点存在多个疏散出口时，会出现两种情况：出口对应不同连接节点；出口对应相同连接节点。当多个出口对应不同连接节点时，在模型构建时，需要以疏散时间最短为前提生成路径集，并为房间内人员选定疏散出口；如果多个出口对应相同连接节点时，如图3-4（a）所示，在本研究中将这些出口等效为一个出口进行问题的计算分析，等效出口的宽度为这些出口的有效宽度之和。 西南交通大学硕士研究生学位论文第29页当房间节点中存在障碍物（柜台、玻璃门等）时，会将房间分割为若干部分，为方便研究，可根据房间和障碍物具体情况将房间划分为多个小房间进行分析。房间节点的划分方法如图3-4（b）所示。（a）出口转化等效宽度[54]（b）有障碍物分割空间时房间节点划分图3-4房间节点的划分对于房间节点而言，其制约行人疏散的主要因素是房间出口的有效宽度，因此单位时间内从房间节点疏散的人数N如式（3-1）：N=J∙w（3-1）J为行人流量系数，根据上一章行人流研究，此处J可以取值为2.72人/ms•，w为房间出口的有效宽度，根据每个房间的实际情况取值。此时N的计算值代表了与房间节点该出口相连边（edge）的容量（capacity）。同时我们还需要得到与该节点相链接的边的费用（cost），即通过该出口从房间内走出去需要花费的时间。首先确定房间内最远点到出口的距离（因为本文建立的是疏散模型，因此需要考虑到疏散过程中最不利的情况，所以此处选择最远距离），根据房 西南交通大学硕士研究生学位论文第30页间类型的不同（例如图3-5所示）：A、无障碍物房间；B、有障碍物房间。房间内最远点到出口的距离分别如式（3-2）与式（3-3）：22dab=+（3-2）Adab=+（3-3）B图3-5不同房间情况下最远距离计算a，b为房间的边长。dA为无障碍房间内，距离出口最远点A点到出口的距离，其距离直接为A点到达出口的直线距离；dB为有障碍房间内，行人从距离出口最远点B出发，到达出口的距离，因为该场景存在路障，行人需要拐弯才能绕路出去，因此dB的大小为房间边长之和。那么与房间节点相链接的边i的花费edge（i）.cost如式（3-4）：edge（i）.cost=dv/（3-4）v是一般情况下的行人流平均速度，根据第二章研究此处可取值1.1m/s。之后根据距离d，给房间内所有行人随机生成一个距出口距离d’，让他们的距离的期望等于d，以此来模拟行人在节点内随机分布的状态，让模拟的情形更为真实。在此基础上，房间节点的人员疏散算法为：Step1：计算该房间节点相连的边的容量（capacity）与花费（cost）；Step2：输入房间内初始人数，假定房间内所有人都在离房间最远的位置，并为房间内每个人赋一个倒计时初值t1，大小为d’的值；Step3：每个时间步（即我们设定的时间间隔∆t）让每个人倒计时的初值自减∆•tv，并判断倒计时的值是否为0，若为0说明行人已经走到出口处，开始从出口走出；若不 西南交通大学硕士研究生学位论文第31页为0说明行人没有走到出口处，则继续循环直到t1=0；Step4：根据边capacity的大小在每个时间步∆t移除相应的人数，然后判断房间单元中在∆t时间内是否有人员存在，如果N>0，则重复循环，直到节点内的人数为N=0时，认为该房间节点疏散结束。房间节点行人疏散算法流程图如图3-6所示：开始房间节点初始属性赋值房间内行人属性初始值更新行人速度t1=t1-Δt●vt1是否为0否是行人移除房间，进入下一节点N=N-ΔN房间是否有人有人无人计算疏散时间结束图3-6房间节点疏散算法流程图3.4.2通道节点通道节点是在疏散时有行人进入也有行人离开的节点，它对于整个网络模型而言是一种起过渡作用或连接功能的结构单位。对于这样的连接性型节点而言，在模型中我们需要考虑到在通道里疏散的行人的速度会根据通道中人员的密集程度产生不同变化，而不是一概而论。但是对于整个通道中的行人流特征的表述并不好界定，因为不同通道的形状、大小动不一样，行人也并非均匀分布在通道里，所以用节点中总人数直接除以节点的面积来计算节点内行人流的密度并不准确。考虑到在疏散过程里行人汇集的位置，本文假定通道出口处的行人流特征能代表整个通道内行人流的特征。如 西南交通大学硕士研究生学位论文第32页图3-7所示，我们假设行人在通过通道时都会通过一个距离通道出口处3m的监测区间，该区间内行人的“密度—速度—流率”关系即为整个通道内的行人流特征。图3-7行人流参数测定范围那么，行人流的密度即为当前时刻处于该监测区间内的人数除以区间的面积，行人流的速度则根据第二章的结论，同时考虑到通道形式的不同，通过式2-6与式2-8计算。因此对于通道节点相连接的边而言，还需要设置一个参数密度（density），通过对密度的更新来计算行人流的速度变化，以此表征通道内行人流的特征。同时我们还需要计算与通道节点相连的边的容量（capacity）与费用（cost）。与通道节点连接边和与房间节点连接的边类似，capacity用行人流最大流量乘以通道出口宽度获得，cost用通道最远点到出口的距离除以一般情况下的行人流平均速度即可获得。通道节点行人疏散算法为：Step1：计算该通道节点连接边的容量（capacity）与花费（cost），计算每个进入该通道节点入口到出口的距离；Step2：判断通道节点是否有人，若有人，给每个人随机生成一个到出口的距离d，其大小在0到最远点到出口距离之间，若没人，则不考虑；Step3：判断是否有人进入通道，若有人进入，给进入的人设置到出口的距离d，其大小为进入通道节点入口到出口的距离，若没人进入，则更新时间，直到有人进入；Step4：判断是否有人进入行人流计算区间，即出口前3m的范围，若有人，则根据该区间内行人流的关系为通道内所有人赋予速度v的值，若没人则当做所有人自由移动，速度初值设为1.1m/s；Step5：在每个时间步（∆t）让每个人到出口的距离d自减∆•tv，同时判断d的 西南交通大学硕士研究生学位论文第33页大小，若03<
此文档下载收益归作者所有
