楼房内人员逃生流的自动机模拟研究

近些年来，人口的增长给我们带来了许多社会问题，其中行人流的堵塞问题正逐渐受到 人们的关注。行人的堵塞会造成许多严重的事故，并由此带来巨大的生命财产损失。所以， 对行人流理论进行研究已经成为当前一件极为紧迫的事。 行人流是一种由具有相互作用的行人构成的多粒子体系，它具有和交通流相似的许多特 点。比如当密度增加的时候，系统中会出现各种复杂的行为，如自组织现象和阻塞相变等。 为了研究和描述这些现象，人们已经提出了许多模型。这些模型从不同的角度出发对行人流 进行了模拟。本文对其中一些具有代表性的模型，如流体动力学模型、社会力模型、偏向随 机行走格子气模型以及元胞自动机模型等进行了介绍，并将它们各自的特点进行了比较。 本文的主要工作包括以下四个方面。 首先，运用偏向随机行走格子气模型对楼道内的逃生行人流进行了模拟，讨论了疏散时 间和系统各参数之间的关系。研究发现，疏散时间tc 与楼道宽度W 和偏向强度 D 之间具有 紧密的联系，它们满足比例关系：tc ∝W ?0.85±0.04和tc ∝ D 。而入口宽度和入口间隔的变 化对疏散时间并不产生影响，它们只会影响疏散行人流在拥堵区域的最低流量。 第二，运用多速元胞自动机行人流模型对上述疏散过程进行了模拟，并同样讨论了疏散 时间和系统各参数之间的关系。模拟结果验证了上述偏向随机行走格子气模型中的结论，并 且还得到了疏散时间tc 与行人最大速度Vmax 之间的关系：tc ∝Vmax ?α 。 第三，结合偏向随机行走格子气模型中方向选择概率的计算方法，以及元胞自动机模型 中的碰撞避免规则，提出了一个新的元胞自动机行人流模型，并运用它对房间内的逃生行人 流进行了模拟和研究。模拟的结果表明，出口宽度是影响房间内人员疏散时间的关键参数。 此外，通过模拟还得到了比 Tajima 等人的研究结果更为符合实际情况的行人空间分布图。 第四，在由楼道和若干房间共同组成的楼房系统中，运用上述元胞自动机模型对人员逃 生流的演化过程进行了模拟。模拟的结果表明，影响楼房内人员疏散时间的关键参数是楼道 宽度W 及楼道内行人的最大速度Vmax 。房间出口宽度的变化对整个系统的疏散时间没有影 响。而且模拟的结果还显示，在楼房中处于不同位置的房间里，行人撤离房间所需的时间是 I 不同的。在离楼道出口最远的房间里，行人所需的撤离时间最短。而其余房间中行人的撤离 时间随着该房间离楼道出口距离的增大而延长。并且采用合适的楼房布局，尽量利用长的楼 道也有利于促进行人流的顺利疏散。