若干情境下行人走行及疏散行为的实验和仿真研究

发布时间：2020-06-19 11:23

【摘要】：步行是一种最基本、最原始的出行方式,是人们各种出行活动不可分割的一部分。不同于机动车辆的运动受限于固定的道路环境以及特定的交通规则,行人的运动分布于整个城市内的地面空间以及建筑物内的活动空间,没有特定的规则约束,因此其运动行为具有很大的灵活性、随机性。而且行人的走行行为每天都在不断地重复和演化,变得非常复杂,因此无法利用简单的刺激-反应模式去预测行人在各种情境下的运动行为。对于研究者来说,为了更好地认清和理解行人复杂的运动行为,就必须通过大量的实地观测以及可控的实验室实验去探究和掌握行人之间以及行人与环境之间复杂的、非线性的相互作用关系。在此基础之上,借助于有关的仿真模型重现观测到的行人运动行为,并将其应用到更为广泛的场景中去模拟和预测行人的行为及其和环境之间的相互影响,从而为行人设施的设计、评价以及大规模人群的管理和疏散提供相应的理论依据和科学指导。本论文的研究也是遵循这一思路,以可控的行人运动实验为基础,提取和分析行人在各种特定场景下的运动行为特性,并通过相关的微观仿真模型对行人的运动行为进行建模和分析。具体地来说,本论文的研究包含以下四个方面的内容:(1)离散时空下对向行人流运动的实验及分析。元胞自动机被广泛地应用于行人运动建模。然而,使用元胞自动机模型在模拟对向行人流中经常会遇到死锁现象的发生。一个可能的原因是现有的元胞自动机模型还不能正确地体现行人在运动时的认知和决策过程。为了探究如果让真正的行人在离散的时间和空间下运动时,死锁现象是否会出现,组织了一个对向行人流运动实验。在实验中实验者被要求在离散的空间和时间下运动。在实验中观测到了行人之间非常明显的合作行为,使得两个方向的行人群体形成相应的离开通道,阻止了死锁现象的发生。进一步,组织了正常情况下的对向行人运动实验。两个实验的对比显示:在低密度时两个实验的结果比较接近,而到了高密度时两个实验则出现了很大的差异。实验的结论表明为了更好地使用元胞自动机来模拟对向行人流必须考虑行人之间广泛的合作行为。另外,从对比实验的结果来看,一些其他的因素比如行人运动的灵活性、元胞的尺寸以及行人速度的异质性也是值得考虑的。(2)基于行为的对向行人流元胞自动机模型。提出了一种基于行为的对向行人流元胞自动机模型。考虑行人的主动减速和换道行为,对开口边界条件下通道内的对向行人流演化进行了模拟。提出了优势通路的概念来刻画行人的换道行为。通过密度线图和两个分离时间指标对对向行人流的演化过程进行量化分析。模拟的结果表明即使在高密度的条件下新模型也可以形成稳定的分层通路,通过和一些经典的对向行人流元胞自动机模型相比,证明新模型能够在很大程度上抑制死锁现象的发生。(3)有限视野和听觉条件下交流机制对行人疏散的影响研究。基于社会力模型研究了行人在视野和听觉受限情况下的疏散行为。假设人群由两类行人组成:一种是了解出口信息的个体,另一种是不了解出口信息的个体。在疏散过程中,不了解出口信息的行人可以和感知域内了解出口信息的行人进行交流,从而获得并记忆出口的信息。通过对有无交流以及有无记忆效应几种情况的仿真对比,发现交流和记忆效应能够提高疏散的效率。另外,还探究了两类行人之间的交流行为对于紧急出口疏散效率的影响。(4)有限视野条件下行人顺墙行走行为的实验及建模。在视野受限的紧急情况下,顺墙行走行为被认为是一种非常重要的指导行人寻路的行为模式。尽管在现有的许多行人疏散模型中都考虑了行人的顺墙行走行为,然而这一方面的实证研究以及实验结果依然很匮乏。几个相关的问题,比如行人是如何寻找墙壁的,行人是如何决定其顺墙行走的方向(顺时针或逆时针),以及行人是如何处置在顺墙行走过程中遇到的冲突等都还未得到充分的认识。因此,我们在一个搭建的房间内组织了有30名大学生参加的疏散实验。为每一位实验者佩戴一顶棒球帽并覆盖以不透明的方巾来制造一种有限视野的环境。总共进行了 13轮实验。对每个行人在每轮实验的行为模式(共计270个案例)进行记录和研究。基于此对上述的三个问题进行回答。根据实验的结果,在社会力模型框架下提出一个顺墙行走行为模型,模型的仿真结果很好地重现了实验的发现。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U491.226;TP301.1
【图文】：

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