人群运动多时空尺度建模及应急疏散一致性控制研究

发布时间：2020-05-04 16:29

【摘要】：轨道交通具有运能大、效率高、安全便捷、绿色环保等优势,在满足人民群众出行需求、缓解城市拥堵等方面发挥了重要作用。城市轨道交通客流量大,运营环境相对封闭,一旦发生突发事故,以车站为典型场景的人群疏散困难且救援难度大,容易造成严重的人员伤亡和经济损失。轨道交通车站等公共场所密集人群的动力学特征分析及应急疏散问题已经引起了国内外学者的广泛关注,成为交通领域涌现出的研究前沿与热点之一。通过对行人微观运动机理以及人群宏观自组织现象进行分析,研究合理的应急疏散策略,对人群运动进行有效的干预和控制,具有重要的科学意义和实际应用价值。本文将围绕人群运动多时空尺度建模和应急疏散一致性控制问题展开研究,主要研究内容概括如下:1.针对单向通道内人群运动建模及自组织现象分析问题,首次提出了人群运动的双时间尺度混杂模型,将人群的群集行为分析转化为模型的一致性问题并给出了严格的数学证明。该模型将通道划分成等距的虚拟窄通道,假设行人只能在虚拟通道内向前运动(x-方向),或者在必要时通过更换虚拟通道进行侧向移动(y-方向),这样行人运动被分解为x-方向的跟随行为和y-方向的跳变行为,对此分别建立了连续时间的常微分方程模型和离散时间的迭代方程模型。可以发现当行人选择跟随其前面的邻居运动并且换向速度更快的虚拟通道时,则通道内人群的运动状态是渐近稳定的,即行人间距和行人速度会最终趋于一致,每条虚拟通道内行人数量的分布也会达到平衡。利用循环矩阵的性质、网络系统稳定性理论以及随机逼近等方法对人群的这种一致行为进行了证明,揭示了行人个体间交互作用与群体自组织现象涌现行为的内部关联。2.在双时间尺度的建模框架下,提出了改进的人群运动广义双时间尺度模型,从模型稳定性分析的角度研究了通道内人群的运动特征。在x-方向上,考虑相邻行人速度和行人间距的影响,将行人的“跟随”行为由一阶微分方程模型扩展为二阶系统;在y-方向上,将每个行人的“换道”行为建模为Markov决策过程,即行人会根据相邻虚拟通道内的人群速度来决定是否更换通道。通过分别对两个方向模型进行稳定性分析以及量化一致性分析,揭示了正常情况下人群运动的速度-密度特征以及拥堵情况下人群由自由运动状态向时走时停波动状态转变的演化机理。3.针对正常情况下行人运动避障问题,综合考虑行人感知能力和周围邻居(障碍物)排斥作用的影响,提出了依据最快路径选择障碍物之间空隙穿行的避障方法,建立了基于局部感知信息的行人运动主动避障优化模型,并给出了模型的有效性验证。对单个行人避障轨迹、多个行人避障行为的仿真结果表明,所提出的模型更加符合实际,为解决传统力学模型中由惯性作用而导致行人运动反弹、震荡等问题提供了一种可行方案。针对应急情况下人群疏散引导问题,考虑行人从众行为和疏散领导者的吸引作用,改进在视野受限等应急条件下的行人运动规则,建立了基于领导者的人群疏散模型,进而研究了引导下的人群疏散动力学行为以及领导者不同数量和位置对疏散效率的影响,为设计合理的疏散引导策略提供了有效支撑。4.针对人群疏散过程中会存在对应急出口利用不平衡而导致疏散效率低下的问题,提出了基于一致性控制理论的疏散人群出口均衡分配策略。对于出口通行能力完全相同的情况,提出了基本的一致性分布式控制算法,只需根据相邻出口的状态信息来改变行人的运动方向,可以在较短的时间内实现对行人在各个出口的均衡分配。对于出口通行能力存在差异的情况,提出了约束和加权条件下的一致性控制算法,可以依据不同出口的通行能力对人群进行加权平均分配。该算法具有良好的鲁棒性和扩展性,可以应对疏散中行人数量突变和出口阻塞、锁闭等状况,为解决应急情况下的疏散控制问题提供了一种可行的方法。
【图文】：

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１邋Ｔｈｅ邋ｐａｓｓｅｎｇｅｒｓ邋ｗａｉｔｉｎｇ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ｔｒａｉｎ邋ｄｕｒｉｎｇ邋ｐｅａｋ邋ｈｏｕｒｓ邋ｉｎ邋ａ邋ｓｕｂｗａｙ邋ｓｔａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｂ动力学的研宄面临巨大的挑战。以轨道交通车站为例，既包括出等不同的行人运动设施，又涉及避障行为、出口选择等不同的行难通过单一的方法对车站人群进行全面的研究。通过将轨道交通通道、二维平面区域（表示站厅）和网络（表示整个车站）三种不同场景下人群运动多时空尺度建模方法和应急疏散控制策略，体间互动作用与群体自组织现象涌现行为内部关联的理解，为人群制定提供理论支撑，具有重要的科学意义和现实应用价值。逡逑内外研究现状逡逑人群及疏散动力学的研究最早可追溯到二十世纪五十年代，至今的历史［４＜。早期的研究大多通过直接观察、拍摄照片和电影胶卷特性进行宏观上的统计和评价［７＿９］，其主要目的是发展建立行人

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逡逑面对快速增长的客流，现有站内设施设备的能力己经逐渐不能满足需求，不逡逑仅造成车站列车人群拥挤、乘坐舒适性不高（如图１．１所示，，为北京某地铁站早逡逑高峰乘客候车时的场景，可见站内乘客己远远超过其设计能力），还会对站内人逡逑群带来极大的安全风险等问题。逡逑研宄表明，当人群密度过高时，有可能会引发人群运动状态的“相变”，逡逑由有组织的运动状态演变为人群湍流甚至拥挤踩踏事故［１］，行人的意外摔倒、逡逑错误信息的传播以及火灾、停电等突发事件都会成为诱发因素。据统计，以逡逑轨道交通车站为典型场景的大型公共场所发生的人群事故数量呈逐渐上升的逡逑趋势。如图１．２为２０００年以来世界范围内主要人群事故的发生数量和伤亡人逡逑数以及发生地点的情况。城市轨道交通运营环境相对封闭，一旦发生突发事逡逑故，人群疏散困难且救援难度大，如果应对处置不当，后果将更会加严重。例逡逑如，２００３年２月１８日，韩国大邱地铁纵火案造成１９８人死亡、１４６人受伤；逡逑２０１７年７月２０日
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U298

【参考文献】