公共突发事件中人群紧急疏散动力学建模和仿真

This project is an interdisciplinary subject in the fields of pedestrian flows and non-equilibrium dynamics of complex system. The project aims to analyze the characteristics of pedestrians’ behavior in emergencies, determine the local interactions among pedestrians, and construct the corresponding microscopic models based on in situ observation and experiment data by jointly using methods in nonlinear dynamics, statistical physics and applied mathematics, particularly the combination of social field theory and evolutionary game theory. We will focus ourselves on the problems of crowd emergency evacuations in such public places as large shopping malls, teaching buildings and subway stations, and reproduce various nonlinear phenomena, such as blindly following，arching clogging and collective behavior in complex environments. Then we try to reveal the evolution mechanism of the formation and dissipation for the bottlenecks caused by crowd jam, grasp the main factors to improve the evacuation efficiency with the coupling multi-information and explore the application of control theory to ease crowd congestion. The results are expected to achieve the purpose of disaster prevention and mitigation and provide scientific basis and decision support for safety management in public places and implementation of contingency plans. This research project is not only of important in engineering interest, but also of far-reaching scientific significance.

本项目属于行人交通流与非平衡态复杂系统动力学的交叉性课题。拟采用非线性动力学、统计物理学和应用数学的研究方法，基于行人交通实测和实验数据，采用“社会场”理论与演化博弈理论相结合的途径，分析紧急情况下行人的行为特征,确定行人之间的局部相互作用规律，从微观层面建立相应的行人流模型。重点研究突发事件中典型公共场所（如大型商场、教学楼、地铁站等）的人群紧急疏散问题，再现人群在复杂环境下的各种非线性现象（如盲目随从，成拱堵塞，集体行为等），揭示人群拥堵导致的瓶颈形成和消散的演化机理，把握多信息耦合下提高人群疏散效率的主要因素，探求应用控制理论进行人群拥堵的疏导，达到防灾、减灾的目的，并为公共场所安全管理及应急预案的实施提供科学依据和辅助决策。这些研究既有重要的应用价值，也有较大的科学意义。

掌握行人疏散过程以及各种场景中的运动特性及运动规律，对提高行人应急疏散效率有重要意义。本项目研究了不同情形下行人疏散过程特性，以及不同场景的人-车相互作用。重要研究成果包括：.1)引入争夺空位成本函数，提出基于博弈论的新的背景场模型。区分两类行人：有耐心的（合作者）、没有耐心的（背叛者）。分区域采用两种博弈策略来模拟疏散过程，还研究了不执行、执行策略更新规则的情况。.2)引入博弈收益矩阵改进行人疏散冲突模型。在模型中使用收益矩阵来描述行人向目标元胞跃迁的概率，研究行人在房间的疏散过程。.3)考虑行人效应改进背景场模型。将行人看作移动的障碍物，同时考虑行人的不同速度对“场”的影响，提出了新的行人背景场模型。.4)将全局和局域信息引入视野场。行人的期望运动方向根据全局和局域信息来确定，同时考虑静态场和视野场，提出了一个新的的行人流社会力模型。.5)引入行为波动的量化公式，扩展不舒适度函数。结合紧急情况下行人心理特征所表现的恐慌、冲动等行为，通过引入行为波动的量化公式来反映行人心理的紧张程度导致的行为变化，建立了含行为波动效应的行人紧急疏散势场元胞自动机模型。.6)考虑司机对交通灯信号切换的预期效应，以及在过街绿灯周期内行人过街速度逐渐增加的特征，建立了信号交叉口的行人-机动车微观离散模型，深入分析人-车相互干扰的机理。.7)将车辆及其影响区视为可移动的障碍物，同时增加考虑车辆影响区的大小依赖于车速和行人的预判时间，建立了通道中车辆-行人相互作用模型。.8)提出了在智能交通系统环境下，考虑前方车队平均车头间距的车辆跟弛模型，并利用线性稳定性分析方法得到了模型的稳定条件。