基于非均匀格子气模型的人群疏散动力学模拟

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1、分类号学号D200877270学校代码10487密级博士学位论文基于非均匀格子气模型的人群疏散动力学模拟学位申请人：郭细伟学科专业：固体力学指导教师：陈建桥教授答辩日期：2013年5月23日ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringModelingofPedestrianEvacuationDynamicsBasedontheHeterogeneousLatticeGasModelPh.D.Candid

2、ate:GuoXiweiMajor:SolidMechanicsSupervisor:Prof.ChenJianqiaoHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,P.R.ChinaMay,2013独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，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，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版

3、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，即：学校有权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。本人授权华中科技大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学博士学位论文摘要突发事件下的人群疏散运动是一个非常复杂的过程。由于疏散实验具有一定的人员伤亡风险，很难进行实验，从而导致实际疏散的

4、数据缺失。所以计算机仿真模拟目前是研究突发事件下人群疏散的最主要方法。社会力模型（SF）和元胞自动机模型（CA）是两种比较成熟的用于模拟人群疏散运动的连续模型和离散模型。社2会力模型中个体间的相互作用两两进行评价，对于N个个体，计算量为ON。对于很大的N，意味着计算负担过大，计算成本昂贵。相比于社会力模型，元胞自动机模型的计算量为O(N)，这极大的提高了大规模人群疏散模拟的可行性。另一方面，人群疏散运动中，个体之间的相互作用力是一个基本的要素，对于合理模拟人群疏散起到关键作用。在元胞自动机模型中，通常忽略了这一基本要素。针对以上问题，本文的主要研究内容和取得的成

5、果如下：(1)基于元胞自动机模型和移动格子气模型，建立了模拟突发事件下人群疏散动力学的非均匀格子气模型。该模型的更新规则中包含出口信息因子D，它是影响人群疏散过程的关键参数。D随局部人群密度的变化而发生改变，从而体现了非均匀更新。个体之间的相互作用力通过个体之间距离的非线性函数来描述。他们之间的排斥力随他们之间距离的减小而急剧增大。引入了受伤临界力的概念，并分析了它对疏散过程的影响。数值算例表明，非均匀格子气模型可以再现人群疏散的基本特征，如堵塞和拱形现象。该模型是元胞自动机模型和移动格子气模型的扩展，具有更宽的适用范围。(2)在非均匀格子气模型中引入高程因素，建立

6、了扩展的非均匀格子气模型。高程因素用来描述元胞格子在疏散空间里的位置高度，并通过二维平面来描述三维空间状态。通过模型模拟和实验，研究了人员从阶梯教室疏散的疏散特征。为了研究火灾下的人群疏散过程，将火灾场与格子气模型进行同步耦合，建立了火灾与人员交互作用的人群疏散仿真模型。借助软件FDS，采用大涡模拟的方法模拟了阶梯教I华中科技大学博士学位论文室火灾的发展与烟气蔓延过程。模型中假设个体可能移动方向与周围环境温度相关。个体疏散速度与能见度有关，利用多格子方法来体现速度的变化。分析表明基于扩展的非均匀格子气模型模拟所得结果与实验所得结果有很好的一致性。高程因素对疏散有引导

7、作用，而火灾场明显的改变了行人的疏散路线，造成了频繁的局部拥挤，对疏散过程有明显的阻碍作用。(3)基于格子气模型思想，引入高程因素，建立了模拟地铁站人员疏散的扩展非均匀格子气模型。该模型考虑紧急情况下人员的移动特征，引入多格子方法，根据人员实时步长确定人员移动速度。考虑了人员初始分布对疏散过程的影响，同时分析了紧急疏散出口对疏散的作用。地铁站火灾情况下人员疏散的分析结果表明，适度地使用紧急疏散出口能提高疏散效率，高程因素的引入也促进了疏散进程。关键词:非均匀格子气模型；局部人群密度；人群疏散；受伤临界力；扩展的非均匀格子气模型；高程因素；火灾与人员交互模型；多格