行人流数值模拟的若干新方法

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1、中图分类号：O351单位代号：10280密级：公开学号：09810096博士学位论文SHANGHAIUNIVERSITYDOCTORALDISSERTATION题行人流数值模拟的若干新方法目作者陶亦舟学科专业流体力学导师戴世强教授完成日期2015年5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：主任：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志对本研究所做的任何贡献均已

2、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数值模拟的若干新方法姓名：陶亦舟导师：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5月ADissertationSubmittedtoShanghaiUniversityfortheDegreeofPh.D.inEngineeringSomeN

3、ewTechniquesinNumericalSimulationofPedestrianFlowsPh.D.Candidate：TaoYizhouSupervisor：Prof.DaiShiqiangMajor：FluiddynamicsShanghaiInstituteofAppliedMathematicsandMechanics,ShanghaiUniversityMay,2015上海大学博士学位论文行人流数值模拟的若干新方法摘要行人流数值模拟的基本目标是通过建模和模拟的方法重现行人在各种场景下的运动状态，研究各种典型现象背后蕴含的机理。本文提出了几种新

4、的行人流数值模拟方法，并将其应用到行人流的若干典型问题中。文中回顾了行人流研究历史，对几种典型行人流模型的基本方法与建模思路做了系统阐述。在此基础上，做了如下工作：一．提出了一种基于背景场的多向行人流相互作用元胞模型，并将该模型应用于行人对流和正交流问题的研究。为了反映更加真实的行人间相互作用，在背景场模型的基础上建立了多向行人流的相互作用模型。该模型的特点在于：将一组行人的动态场作为另一组行人的参考依据，借此体现行人跟随-避让的基本选择。同时，假设两组行人的冲突强度与运动方向的夹角有关，以便灵活处理多种情况下的多向行人流问题。在行人个体方面，还假设行人间存在有

5、条件的换位行为。此外，改进了动态场耗散性，使其更加符合行人避免冲突的心理。在将该模型应用至对流问题后，通过数值试验分析讨论了动态场强度、行人流平均密度以及动态场耗散-衰减作用等模型参数对行人流成行现象的各方面影响，包括成行现象中的行人队列数、非同向行人间的换位次数以及成行现象的发生概率等。从而获知，动态场强度对成行现象的影响可分为两个密度区间，只有在高密度区间其影响才是显著的；而动态场的耗散与衰减都直接影响行人队列的稳固程度，并间接影响成行概率与行人间的换位次数。在数值试验中还发现，平均个人换位次数这一参数可以用来区分成行与不稳定成行现象。针对正交流，相互作用模

6、型重现了其对应的拟定常态，数值结果反映出行人绕路和路径穿越等一系列行为。特别是，当行人流密度持续增加时，交互区外的部分行人会沿着已有路径通过交互区，而不是开辟新的路径。二．将社会力思想引入元胞自动机模型，设计了两种复合模型。利用两者的基I上海大学博士学位论文行人流数值模拟的若干新方法本图，研究了行人的疏散问题与瓶颈对流问题。设计了两种将社会力与元胞模型相结合的复合模型，即基本复合模型与S-RCA模型。基本复合模型建立在静态场上，为了更加真实地反映行人运动的特征，引入了最小运动步数、行人视野以及元胞效费比的概念。假设行人的移动概率与所受社会力的分量有关。而S-RC

7、A模型则利用了RCA模型的原理，使得行人能够以任意速度向任意方向移动。将行人的驱动力表示为行人周围行人流等效密度的函数，真实反映了不同情况下的行人心理预期。此外，S-RCA模型的还将行人的受力限制在试验范围内，减小了模型的计算时间的耗费。基本模型的基本图测算表明，在一些参数条件下结果与观测数据相吻合，说明了模型的合理性。另外，基本图还反映出视野范围和跟随行为对行人运动效率的影响具有两面性。S-RCA模型的基本图与Helbing等实测得到的基本图相近，同时数值结果揭示了行人视野和行人间距与行人运动效率的关系：行人视野只有在低密度区间内才对提高运动效率有利，而适当的

8、间距有助于提高行人流整体