复杂环境下人群应急疏散的元胞自动机模型和特性研究

本项目属于行人交通科学课题。从行人流微观动力学角度入手,运用元胞自动机方法对突发事件中行人疏散过程进行建模,通过计算机仿真模拟,研究行人在复杂环境下应急疏散的运动规律。在突发事件中,行人面对的环境非常复杂，其心理和行为与正常状态存在巨大的差异,导致行人运动具有独特的动力学特性。对突发事件现场的观测可以发现：侧身向前"挤-行"和翻越障碍物是行人逃生的常见现象。行人的这种应急行为增加了行人疏散的复杂形态，对疏散过程带来了明显的效应。为了描述这种特殊形态的行人疏散过程，需要一种针对性的建模方法。本项目在已有的行人流元胞自动机模型的基础上,创新元胞自动机建模方法，引入新的演化规则描述行人侧身"挤-行"和通过障碍物空间的动力学特性,对突发事件中行人的应急疏散开展研究，探索行人应急疏散过程的各种非线性特性。可以预期能发现新的行人疏散动力学规律,其结果对行人疏散的管理和控制具有重要的现实意义。

近年来，突发事件在公共场所引发行人拥挤造成的人员伤害已成为社会的一个关注点。加强公共场所基础设施的科学规划和建设,强化对人群聚散过程的科学管理和控制, 提高已有设施的运行效率，是缓解行人交通拥挤问题，预防和减少突发事故中人员伤害的重要举措。而公共场所基础设施的科学规划和建设，人群聚散过程的有效控制和管理，需要先进的，适合实际的行人交通科学理论的指导。. 本项目从微观动力学角度入手,运用元胞自动机方法对突发事件中人群疏散过程进行建模和计算机模拟,研究行人在有障碍物分布的复杂空间环境中应急疏散的相关问题，同时，对与行人疏散有关的行人流、复杂网络和交通流等方面进行了有益的探索。. 在房间无障碍物的人群疏散研究中，提出了一个将行人间相互作用作为静态场参量的新行人流背景场模型，在此模型中平均流率以及行人对出口的利用效率比其它模型高，行人在选择疏散路径时不完全选择最短路径，而会同时考虑路径的长短以及该路径的拥堵情况；利用细化的格子气元胞自动机模型，建立了不同速度的混合人群在障碍物影响下的行人疏散格子气元胞自动机模型，分析了疏散时间与障碍物的大小、障碍物与大门距离之间的关系，结果表明，在不同密度下，在合适的位置放置适当大小的障碍物能够减少疏散时间，提高疏散效率。对于复杂网络，通过在完全图中引入Kuramoto模型，研究了耦合-频率关联对同步的影响；通过将Kuramoto模型置于一簇具有不同度-度关联、频率-频率关联的复杂网络和置于一簇加权的静态无标度网络上进行数值模拟，对相振子网络中爆炸式同步转变的涌现进行了研究，发现只有当网络振子对的度及频率都是异配的，爆炸式同步才能发生；在均质网络中，当微观关联指数由正变负时，爆炸式同步被连续性相变所代替。在交通流研究中，通过考虑车辆（或行人）的转向，提出了一个新的二维格子流体力学模型——考虑转向的格子流体力学模型。在该新模型的基础上，通过线性稳定性分析，得到了新模型的稳定性条件。在临界点附近，通过非线性理论推导出了KdV方程。. 本项目的研究成果，加深了复杂空间环境下人群疏散行为机理、复杂网络和交通流的规律和特性了解，为人群聚散和交通流的管理、行人和交通公共基础设施的规划建设、提供理论参考。