行人流和疏散动力学的宏微观建模和模拟研究

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1、中图分类号：O35单位代码：10280密级：公开学号：11820316博士学位论文SHANGHAIUNIVERSITYDOCTORALDISSERTATION题行人流和疏散动力学的目宏微观建模和模拟研究作者：田欢欢学科щѐ：流体力学导ᐾ：薛郁教授戴世强教授ᇂ成ᰛ期：2015年4月上海大学本论文经答辩委员会全体委员审查,确认符合上海大学博士学位论文质量要求。答辩委员会签名：主席：委员：导师：答辩日期：原创性声明本人声明:所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同

2、志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定。即:学校有权保留论文及送交论文复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：导师签名：日期：上海大学工学博士学位论文行人流和疏散动力学的宏微观建模和模拟研究作者:田欢欢导师:薛郁教授戴世强教授学科专业:流体力学上海大学上海市应用数学和力学研究所2015年4月ADissertationSubmittedtoShanghaiUniversityfortheDegree

3、ofDoctorinEngineeringStudyonMacro-microscopicModelingandSimulationofPedestrianFlowsandEvacuationDynamicsCandidate:Huan-HuanTIANSupervisor:Prof.YuXUEProf.Shi-QiangDAIMajor:FluidMechanicsShanghaiInstituteofAppliedMathematicsandMechanicsShanghaiUniversityApril,2015р⎭ཝ学ঐ༡学փ䇰ᮽ摘要行人交通也称步行交通

4、，是人类最古老、最基本的交通方式之一，是衔接其它各种出行方式的纽带，是无法运用其它出行方式时的最佳选择方案，是城市交通系统的重要组成部分。尽管如此，我们对“步行”的基本规律仍没有完全掌握。近年来，由于社会高速发展、社会活动急剧增多，人们出行对步行的需求日益增加。与此同时，各种行人交通事故频繁发生，各种惨剧频频上演。因此，弄清行人交通的各种宏微观行为特征，揭示其产生的微观机理，保障行人的出行安全成为当今社会亟待解决的热点问题。近年来，许多学者已开始致力于这方面的研究，并取得了一系列重要研究成果，但由于行人自身的复杂性，仍有许多问题尚待解决。本文在现有的行人流理论的

5、基础上，针对行人疏散、单双向行人流等问题，应用博弈论等数学工具，提出了改进模型，并进行相应的理论分析和数值模拟。本文的主要工作如下：（1）为了描述大部分行人在紧急状态下并不是走最短路径，而是根据周围环境动态地选择疏散时间最小的路径的现象，我们基于背景场元胞自动机模型，提出一种改进的背景场计算方法。在该方法中，把行人当作可移动的障碍物，导致背景场的场值增加δ，增加值表示对后方行人的阻碍作用，即行人被其他行人阻挡时，将会另外选择路线来避开。δ的大小为被阻挡行人需要绕行的距离。改进后的背景场是一种动态场。首先，我们应用改进的模型研究了单出口房间的疏散过程，讨论了场值增

6、加δ、出口宽度、出口位置对疏散时间的影响。结果表明：改进的模型的疏散时间比原模型的短得多；当出口宽度不超过6个元胞时，疏散时间与出口宽度成一个负幂律关系；改进后模型得到的平均流率比Nagai以及实验室环境下Müller等人得到的结果大，但对于中等宽度出口的情况，我们的结果与紧急情况下Müller等人得到的结果相近；行人对出口元胞的利用效率较高；行人在选择疏散路径时不完全选择最短路径，而是会同时考虑路径的长短以及该路径的拥堵情况。其次，我们应用改进的模型研究了双出口房间的三种典型的出口设置对疏散过程的影响，并得到了最小疏散时间与出口位置的相图。我们得到的结果可供建

7、筑设计者在设计房间出口时作参考。I᪎㾷（2）为了更好地解决元胞自动机模型在执行并行更新规则时出现两个或两个以上的行人同时争抢同一空位的冲突问题，恰当地体现行人面对冲突时的不同态度，我们在元胞自动机模型中引入了博弈论。把行人划分为“合作者”和“背叛者”两类，合作者是指谦让的一类人，背叛者是指性急的一类人。同时给定了博弈收益矩阵及背叛者参与博弈时付出的成本，且博弈时的收益矩阵表示行人博弈时进入目标元胞格点的概率。通过模拟，分别讨论了行人不执行策略更新和执行策略更新两种情形时的疏散过程。对于行人不执行策略更新的情况，如果背叛者付出的成本较小，背叛者容易通过出口离开房间

8、，合作者由于博弈时常常失