人群疏散的实测和基于耦合社会场的微观模拟

日益突出的行人拥堵现象降低了人们的出行效率，频繁发生的行人踩踏伤害事故对人们的生命财产安全造成严重威胁。本项目关注有限空间中密集人群的疏散问题，旨在以非线性力学、数学和统计物理学为工具，从探索行人流拥堵的产生和疏散机理出发，通过对真实交通环境中行人流的观测和组织相应的行人实验，深入了解行人运动的宏微观特征，建立反映我国行人心理特点和行为特征的微观动力学模型，采用耦合"社会场"来表征行走区域中各种信息对行人路径选择行为的综合影响。通过仿真来研究高峰期交通换乘枢纽中密集人群的疏导、发生突发事件时大型场馆内和高层建筑内人群的紧急疏散等典型问题，再现人群在不同环境下的各种自组织现象，重点探讨瓶颈处行人流的疏导方法，分析疏散过程中的关键问题，揭示各种行人流现象的内在规律，为缓解行人交通拥堵，充分地利用现有资源，有效疏散密集人群和减少踩踏事故的发生提供理论依据和可行方案。

本项目通过开展多种形式的行人交通实测和组织行人进行交通实验，全面认识行人运动的宏微观特征，建立基于耦合社会场的微观动力学模型，掌握行人拥堵的产生原因和疏散机理，为优化行人的步行设施、提高正常及紧急状况下行人的疏散效率、保障公共安全提供科学依据。目前已经发表学术论文13篇，其中7篇和1篇分别被SCI和EI检索。主要研究成果包括：（1）组织了教室人群疏散实验，其中考虑到教室内不同的内部布局和出口宽度；组织了单向和双向行人流经过通道瓶颈的实验。通过这些实验获得了人群运动的定性和定量特征，为建模和模拟提供了实验基础。（2）采用改进的格子气模型研究了周期边界下通道内双向行人流的自组织成行现象。同时考虑了同向和反向行人在某一行人的视野区域内对其的影响，即行人倾向于跟随与自己同向的行人而避开与自己反向的行人。数值结果表明，改进的模型可以完美的再现成行现象，并且这个产生过程非常快，符合真实的行人交通流。（3）将地铁站内行人流的交织运动简化为连通双通道内两股行人通过瓶颈的情形。采用推广的格子气模型，通过引入背景场，使改进的模型可以刻画地铁站内行人流的运动特征。当瓶颈宽度小于临界宽度时，逆向交织的行人经过研究区域具有更高的效率，验证了行人流实验的结果。（4）我们采用基于背景场的元胞自动机模型研究了人行横道上的双向行人流的自组织现象，其中行人之间的长程相互作用通过引入了行人视野。数值模拟表明，该模型可以快速地再现成行现象，与实际观测相符。（5）基于背景场元胞自动机模型，我们提出一种改进的背景场计算方法，将行人当作可移动的障碍物。首先应用改进的模型研究了单出口房间的疏散过程，然后研究了双出口房间的三种典型的出口设置对疏散过程的影响。（6）基于教室人群疏散实验，采用基于动态背景场的元胞自动机模型研究了不同桌椅排列和出口宽度时的教室人群疏散过程，将桌椅分别视为不可穿越和可穿越的静态障碍物，而行人则被当成可移动的障碍物。该模型可以较好地刻画人群疏散的特征。项目申请人3次在国内外大型学术会议上组织交通流专题研讨会。项目申请人及课题组成员参加国外学术会议5次，国内10余次。在项目完成过程中，共有5名硕士研究生毕业，目前2名硕士研究生在读。