人群疏散的微观仿真模型研究

论文摘要

我国文化、体育方面的大型活动日益增多,同时,火车站、机场等大型城市枢纽的交通压力也日益增大。由于在建筑设计、行人组织、紧急事件管理等方面的应用价值,人群疏散的特点和规律日益受到学术界的关注。行人行为模型是描述行人的交通行为过程的模型,是进行不同时空尺度的行人仿真、人群疏散仿真的算法核心。本文通过“行人运动实测研究-行为特点总结-行为建模-仿真建模-模型验证-模型应用”的思路,对行人运动和人群疏散进行建模和仿真研究。论文回顾了行人行为和人群疏散的研究现状,系统地总结了基于物理力的模型、基于元胞自动机的模型的基本原理、假定条件、核心方法和发展沿革,指出了现有模型的不足,通过实测研究行人的运动规律,提出了基于精细网格划分、人工势能场的微观行人仿真模型。通过视频采集行人运动,使用视频处理和坐标转换技术得到真实行走空间内的行人运动轨迹,通过对行人运动轨迹进行分析,可得到行人运动参数。在分析了行人的行为特点、行人运动参数之间的关系和影响行人行为的因素的基础上,论文提出了基于精细网格划分、人工势能场的邻域决策模型来描述行人的行为,给出了在考虑多种因素影响下的单人决策模型。针对从单人决策到集体决策的问题、叠加势能场的定义和计算方法等问题,给出了解决方案。精细网格划分是指对行走空间进行10cm×10cm元胞划分,相对于传统的离散模型,这种描述方法加强了对建筑物空间的描述能力,能够更精确地描述行人的体型和位姿。采用人工势能场机制,能够考虑到达目的地的最短路、障碍物、其他行人以及特殊事件对行人的影响。该模型的优点是能够将基于全场景的宏观层面上的路径规划决策和基于邻域的微观层面上的单步决策有机地结合在一起。并且,采用人工势能场机制描述各种因素对行人行为的影响,可以灵活地增加考虑的因素,有利于模型的扩展。论文在基于精细网格划分、人工势能场的行人行为模型的基础上,提出了人群疏散的仿真系统框架。仿真流程主要包括四个步骤:场景建模、势能场生成、仿真运行、结果输出与分析。在Microsoft Visual Studio 2005的开发环境下使用Visual C++语言进行开发,编写完成了初步的人群疏散仿真软件EVA 1.0,对模型和仿真软件的应用进行了说明,通过仿真算例证明行人行为模型和疏散仿真软件具有良好的应用效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究意义和应用前景
• 1.3 研究对象和内容
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 论文中主要问题的界定
• 1.4 人群疏散的研究概述
• 1.5 研究思路与论文构成
• 1.5.1 研究目标
• 1.5.2 研究方法与技术路线
• 1.5.3 论文构成
• 第2章 相关领域的研究进展
• 2.1 研究行人行为的历程
• 2.1.1 国外研究概况
• 2.1.2 国内研究概况
• 2.2 宏观模型
• 2.3 微观模型
• 2.3.1 基于物理力的行人行为模型
• 2.3.2 基于元胞自动机的模型
• 2.3.3 其它模型
• 2.4 人群疏散的仿真软件
• 2.4.1 BuildingEXODUS
• 2.4.2 Legion
• 2.4.3 Myriad
• 2.4.4 SimWALK
• 2.4.5 行人行为模型与人群疏散仿真软件的关系
• 2.5 本章小结
• 第3章 行人数据采集方法
• 3.1 行人数据的采集方法
• 3.1.1 行人数据采集方法
• 3.1.2 本文数据采集方法
• 3.2 视频数据获取
• 3.2.1 观测地点的选取
• 3.2.2 观测角度及摄像机的架设
• 3.3 数据处理
• 3.3.1 图像处理
• 3.3.2 轨迹采集
• 3.3.3 坐标转换
• 3.3.4 行人轨迹
• 3.3.5 行人运动参数的计算方法
• 3.4 本章小结
• 第4章 行人运动特性研究
• 4.1 行人运动特性
• 4.1.1 行人速度
• 4.1.2 行人速度的分布
• 4.1.3 行人加速度分析
• 4.2 行人宏观运动特性
• 4.2.1 基本图分析
• 4.2.2 行人运动的影响因素
• 4.2.3 行人运动的现象
• 4.3 本章小结
• 第5章 行人行为模型
• 5.1 模型基础
• 5.1.1 空间离散化
• 5.1.2 时间离散化
• 5.1.3 状态离散化
• 5.1.4 邻域定义
• 5.2 行人行为建模
• 5.2.1 影响因素
• 5.2.2 行人行为建模
• 5.3 势能场生成算法
• 5.3.1 算法概述
• 5.3.2 势能场元胞分类
• 5.3.3 元胞邻域规则
• 5.3.4 算法执行流程
• 5.3.5 叠加势能场相关问题分析
• 5.4 行人运动模型的应用和讨论
• 5.4.1 单向通道行人仿真
• 5.4.2 变截面通道行人仿真
• 5.5 本章小结
• 第6章 人群疏散的仿真系统
• 6.1 人群疏散的仿真系统框架
• 6.2 仿真软件EVA 1.0 的开发
• 6.2.1 仿真开发环境
• 6.2.2 数据结构设计
• 6.3 图形化输入输出功能
• 6.3.1 场景建模操作
• 6.3.2 势能场生成操作
• 6.3.3 行人管理
• 6.3.4 仿真参数设置
• 6.3.5 仿真控制
• 6.3.6 结果输出
• 6.4 疏散仿真软件的应用
• 6.4.1 单出口密集疏散场景
• 6.4.2 双出口密集疏散场景
• 6.4.3 火灾中人群疏散
• 6.4.4 礼堂的疏散
• 6.4.5 模型的扩展应用
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论和展望
• 7.1 研究结论
• 7.2 论文的主要贡献
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果