考虑异质特征的密集人群运动建模与安全管理研究

Stampede is a typical casualty loss accident which is the most difficult to prevent and the most destructive among the many emergencies that large-scale mass activities may encounter. Children, women and the elderly with weak anti-extrusion ability often fall down first in the accidents, and then cause a domino effect. Crowd safety management and control is an important way to ensure orderly movement of dense heterogeneous crowd and prevent the occurrence of trampled accidents. By means of controlled experiments, observations and accident cases, the movement characteristics of heterogeneous individuals are quantified, and the dynamics of dense crowd with different population compositions are explored. Based on the experimental data, the movement rules of pedestrians are obtained. Considering different movement characteristics of pedestrians with different ages and genders in the crowd, the agent-based heterogeneous crowd movement model is established, and the phase transition evolution process of heterogeneous crowd is analyzed. Finally, based on the experimental research, theoretical analysis and simulation results, a dense crowd safety management method considering the characteristics of heterogeneous crowds and a safe and efficient evacuation induction strategy in emergency are proposed.

踩踏事件是大型群体性活动可能遭遇的诸多突发事件中预防难度最大、破坏性最强的典型伤亡损失型事故。在事故中，儿童、妇女、老人等抗挤压能力弱的群体往往首先摔倒，继而引发多米诺骨牌效应。人群安全管理和控制是保证密集异质人群有序运动，防止拥挤踩踏事故发生的重要手段。本项目通过采用可控实验、实际观测和事故案例相结合的方式，量化异质个体的运动规律，探索包含多种群体构成的密集人群动力学演化规律；基于实验数据，抽象行人运动规则，考虑人群中不同年龄、不同性别的行人个体异质特性，建立基于agent的异质人群运动模型，并对异质人群相变演化过程进行分析；最终结合实验研究、理论分析和模拟结果，提出考虑异质人群特征的密集人群安全管理方法以及紧急情况下安全高效的疏散诱导策略。

密集人群的安全管理一直是公共安全领域的难题。本项目综合采用实验研究、理论分析、仿真建模等方法，对密集人群运动相关的基础科学问题开展研究。首先关注日常生活中最常见的密集人群运动形式：单向与相向行人流，揭示群组的存在会对单向与相向行人流的运动效率产生负面影响，相同密度下相向运动的人群拥挤程度和人群危险度高于单向运动，人群密度变大时两者的差别会进一步扩大；量化楼梯上双向运动行人冲突的剧烈程度，发现完全相向运动时行人碰撞时间最小，拥挤程度和人群危险度最大。其次，针对典型的密集行人汇流进行深入探讨，发现单列行人汇流基本图不受汇流角度的影响，汇流上游流量在密度0.9人/m时达到最大值1.2人/s；开展了较大规模的多方向行人汇流实验，参与人数391人，发现汇流区域密度大于其他地方的密度，其中汇流的拐角处密度最大，存在较大的安全隐患。最后，研究了包含老人、儿童、静止行人、负重行人等异质人群的运动特性。发现老年人多向流在通行时间、轨迹长度、运动速度等运动特性上与老年人-儿童双人群组多向流呈现相同的规律，但显著不同于儿童多向流。仿真结果表明，与静止行人的存在相比，障碍物条件下的人员疏散流量更大。当静止行人和出口之间的距离等于0.75D（D为出口宽度）时，疏散效率最高，此时静止行人的存在对疏散有正向影响。实验分析得到高层楼梯间疏散中群体凝聚力主要集中在1s左右，负重人群疏散时间较长。综合实验中提取的人员运动特性，基于最小能耗原则以及不同类型行人对于私人空间的需求，建立了考虑异质特征的人群运动模型，用于密集行人流的模拟。本项目研究成果有助于深入理解密集人群运动机制，为制定高效合理的密集人群疏散诱导策略提供技术支撑。