基于改进元胞自动机地下空间人员疏散模拟研究

论文摘要

人的生命是最宝贵的,因此世界各国的消防政策是以保护人员的生命安全为主。人员安全疏散以成为消防安全工程的重要研究领域,如何有效预防和减少火灾造成的人员伤亡,尤其是防止群死群伤火灾事故的发生,已成为当前国内外公共安全领域的研究热点和重点。火灾情况下人员安全疏散的研究与火灾科学研究一样,具有确定性和随机性双重规律,是一个包含各方面(人、火、环境等)影响的复杂的研究领域。相应的,人员安全疏散模型应该结合建筑物的设计特点,既能够表述人与人、人与火灾环境以及人与疏散建筑结构之间的关系,又能反映火场中人员的心理行为变化,从而有效地模拟人员在应急疏散中的行为,掌握人员在疏散过程中的运动特点和规律,提高应急救援的效率及各级安全防范的性能。本文首先对地下空间环境中行人运动行为特征进行研究,得到在平直通道、通道拐角、楼梯等处行人运动速度—密度关系,并与其他人的试验进行比较分析。然后在研究国内外先进疏散模型的基础上,引入了在复杂系统研究领域应用广泛的元胞自动机模型,并对其在应急疏散仿真中的若干关键问题进行了深入地分析研究,详细设计了基于改进元胞自动机的地下空间人员疏散模型,使其能更有效、更准确的仿真行人运动。最后,对重庆某地下商业街进行火灾情况下的人员疏散模拟研究,并与理论数据进行对比分析。实验结果表明,基于改进的元胞自动机的应急疏散仿真模型能够较为准确的模拟建筑内人员应急疏散行为及紧急事件的发展情况,且模拟计算结果具有一定的合理性和先进性,这为后续应急疏散策略的制定和优化研究提供了一个很好的研究思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 人员疏散过程的三个时间阶段研究
• 1.2.2 疏散时间的量化计算方法
• 1.2.3 人员在火灾中的行为反应
• 1.3 行人运动数学建模及计算机仿真
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 元胞自动机的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 元胞自动机基本概念
• 2.3 元胞自动机构成
• 2.3.1 元胞
• 2.3.2 元胞状态
• 2.3.3 元胞空间
• 2.3.4 邻居
• 2.3.5 规则
• 2.4 元胞自动机的特征
• 2.5 元胞自动机分类
• 2.5.1 按动力学行为分类
• 2.5.2 按空间维数分类
• 2.6 典型元胞自动机
• 2.6.1 S .Wolfram 和初等元胞自动机
• 2.6.2 J .Conway 和“生命游戏”
• 2.6.3 格子气自动机
• 2.7 元胞自动机与行人运动
• 2.8 本章小结
• 3 人员流动状态观测实验及分析
• 3.1 引言
• 3.2 地下街行人运动观测实验
• 3.2.1 实验介绍
• 3.2.2 平直通道中行人运动状态观测
• 3.2.3 通道拐角处的行人运动状态观测
• 3.2.4 楼梯上行人运动状态观测
• 3.3 地下商业街中行人运动观测结果分析
• 3.3.1 平直通道中行人运动状态分析
• 3.3.2 通道拐角行人运动状态分析
• 3.3.3 楼梯上行人速度运动状态分析
• 3.4 本章小结
• 4 基于个体行为特性的元胞运动建模改进研究
• 4.1 引言
• 4.2 元胞运动规则研究
• 4.2.1 偏好矩阵设计
• 4.2.2 地场设计
• 4.2.3 人与墙作用研究
• 4.2.4 更新规则
• 4.3 仿真数学模型改进
• 4.3.1 基于改进的细化网格空间划分
• 4.3.2 基于改进的动态行人运动速度确定
• 4.4 人员疏散复杂路径选择研究
• 4.5 本章小结
• 5 地下商业街模拟实例及分析
• 5.1 地下商业街的火灾特点
• 5.2 地下商业街火灾探测及危险的临界条件
• 5.3 地下商业街人员荷载的估算
• 5.3.1 商场内的人员密度
• 5.3.2 商场内计算面积的核算
• 5.4 实例分析
• 5.4.1 正常情况下疏散情况
• 5.4.2 关闭一个疏散通道下人员疏散观察
• 5.5 本章小结
• 6 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录