人员疏散的多作用力元胞自动机模型研究

论文摘要

自人类有史以来,火灾就成为危害人类最持久、最剧烈的灾害之一。其负面影响涉及到能源、资源与环境、人口与健康等重要领域。随着国民经济的发展火灾呈现出明显增加的趋势,安全问题也越来越引起了人们的关注。有效预防和减少火灾人员伤亡是火灾防治的第一目标。探索和发现人员疏散的典型特征和基本规律,指导建筑物和公共场所的设计是防治火灾危害的重要下段。在人员疏散过程中,人与人之间、人与环境(如建筑物)之间存在相互作用力,包括吸引力、排斥力和摩擦力。三种力对人员疏散的行为、速度和效率起着关键作用。近年来提出的多粒子自驱动模型(社会力模型)可以较好地体现三种力的作用,但由于它是一种连续型模型,运算的速度较慢并很难得到改善。目前研究较多的离散型模型,如元胞自动机模型和格子气模型等,可以达到较高的运算速度,但很难考虑到摩擦力与排斥力的作用,造成运算结果误差较大。针对这种情况,本文在经典元胞自动机模型的基础上,量化确定了摩擦力和排斥力的运算规则,提出了一种新的兼顾计算效率与精度的元胞自动机模型CAFE。通过将模型的运算结果与多粒子自驱动模型进行比较表明,CAFE模型在人员行为、疏散速度以及“快即是慢”效应等方而都可以得剑与后者相同的结果,而运算速度则比之大为提高。为了量化行人视野范围,对CAFE模型进行扩展和精确化,本文细致分析了人员疏散中的典型现象——相对运动,建立了扩展作用力范围的相对运动模型和考虑交通规则的相对运动模型。研究表明:当作用半径较大时临界入口人员密度不依赖于系统尺寸;拓展作用力范围后,临界堵塞密度、运动速度及其变化趋势、通道占有率……等基本参数相比于经典模型发生了明显改变,行人运动效率明显提高。对考虑交通的相对运动模型研究表明:交通规则并不总是有利于相对运动,它取决于两个基本相反的因素彼此博弈的结果:尽可能地利用通道宽度和尽量避免来自另一组行人的相互作用。在研究结果的基础上开发了人员疏散性能化评估软件SafeGo,并获得国家软件著作权。研究结果先后应用于奥运体育场馆、布达拉宫、秦山核电站、机场航站楼、大型商业中心、仓库等全国多个重要场馆,指导了建筑的消防安全性能化设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 目录
• 第1章 引言
• 1.1 疏散研究的意义
• 1.2 人员安全疏散准则
• 1.3 人员运动时间计算的经验公式
• 1.3.1 Togawa公式
• 1.3.2 Melinek和Booth公式
• 1.4 人员疏散模型与计算
• 1.4.1 社会力模型
• 1.4.2 元胞自动机模型
• 1.5 本章小结
• 第2章 考虑摩擦与排斥的元胞自动机模型
• 2.1 引言
• 2.2 CAFE模型
• 2.2.1 运动目标的确定
• 2.2.2 排斥力的量化
• 2.2.3 摩擦力的量化
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 拱形人群
• 2.3.2 出口人流的幂律分布
• 2.3.3 快即是慢（欲速则不达）现象
• 2.3.4 非连续出口人流
• 2.3.5 出口宽度的影响
• 2.3.6 与其他模型的综合比较
• 2.4 本章小结
• 第3章 考虑周围环境的元胞自动机模型
• 3.1 引言
• 3.2 模型
• 3.3 模拟与结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 违反交通规则对行人相向流的影响
• 4.1 引言
• 4.2 模型
• 4.3 模拟与结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 SafeGo软件及其工程应用
• 5.1 SafeGo软件
• 5.2 工程应用举例
• 5.2.1 某商贸中心的概况
• 5.2.2 性能化解决方法
• 5.2.3 人员疏散计算与分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论及展望
• 6.1 论文结论
• 6.2 论文创新点
• 6.3 进一步工作展望
• 参考文献
• 附录 A 中科大2005疏散演习
• A.1 疏散演习所选场所概况
• A.2 东区221学生宿舍楼疏散演习方案
• A.3 西区第三教学楼疏散演习方案
• A.4 疏散实验的实施
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果