基于组团的震后疏散模型及算法研究

发布时间：2020-08-13 00:41

【摘要】：近年来,全球范围内地震灾害频发,对人类的生命和财产安全带来了严重的威胁。地震发生后,如何确保建筑内人员安全疏散对于减少地震造成的人员损伤至关重要。通过分析疏散人群的行为特征、疏散人员的受力以及疏散逃生的最优路线等关键因素,提前制定相应的应急疏散方案是开展震后人员疏散的有效措施,具有极其重要的现实意义。国内外学者对应急疏散已经开展了大量的研究工作,但是在震后疏散方面,仍存在以下问题有待进一步解决和完善:(1)缺少对群体疏散中组团行为的深入探索;(2)对多、高层建筑内震后人群疏散问题相关研究较少;(3)对群体疏散中最优疏散路径的规划问题有待进一步完善。本文以地震后多、高层建筑内人群安全疏散作为研究目标,针对震后疏散中存在的以上问题展开研究,本论文的贡献主要包括以下三个方面:(1)针对群体疏散的临时组团特点,提出了在震后疏散过程中存在的“羊群效应”。“羊群效应”是指在突发状况下,个人行为受到周围人行为的影响,从而跟随其他行人的一种运动现象。在震后的群体疏散中,家人、朋友、邻居以及其他密切相关的人会依据亲密程度形成组团现象,存在“羊群效应”。人与人之间的关系越密切,在团体内的聚集度越高,并且疏散人群中的这种羊群效应在整个疏散过程中是一直存在的。为了能够更加真实地反应出人群在疏散运动过程中的分组现象,本文提出了一种在震后疏散过程中存在的羊群效应,在研究震后疏散过程中,充分考虑行人与行人之间以及行人与领队之间的相互影响关系,定义了“追赶”和“跟随”两种仿真行为模型来描述震后疏散过程中的典型行为特征和行为规则。(2)针对多、高层建筑中震后疏散问题,提出了一种融合羊群效应的社会力模型。本文针对多、高层建筑结构复杂、人员密集,导致地震后人群疏散更为复杂的特点,提出了一种融合羊群效应的社会力模型,用于模拟震后的多高层建筑内人群疏散。在该模型中,通过加入由疏散行人间的视觉力、聚合力、排斥力组成的“羊群”作用力来模拟行人与周围环境中的其他行人所产生的“追赶”和“跟随”等交互行为,更加真实地反映出多、高层建筑内震后人群疏散过程中存在的羊群效应。实验结果表明,加入羊群效应的社会力模型,有效地评价出群组规模、群组关系、出口数量以及出口大小等因素对震后人群疏散产生的影响,能够更高效、更逼真的模拟出多、高层建筑内震后人群疏散运动。(3)针对震后疏散中的最优疏散路径规划问题,提出了一种融合羊群效应与萤火虫算法的群体疏散路径优化算法。最优疏散路径规划问题是指在复杂的环境中寻找一条从起始点到疏散出口的最优路径。传统萤火虫算法在求解优化路径问题时存在收敛速度慢、求解精度不高等不足。本文针对以上不足,结合震后疏散的特点,提出一种改进的群体疏散路径优化算法。首先,在疏散初期,结合羊群效应提出一种相对吸引力机制,形成多个小规模疏散小组;然后,在疏散过程中建立疏散小组间的信息共享机制,根据相对吸引力的大小不断地对每个疏散小组进行调整或重组,从而更加真实地模拟出震后疏散中组团行为对疏散路径选择造成的潜在影响。实验结果表明,融合羊群效应的改进萤火虫算法能够有效地降低整体疏散时间,提高了群体疏散仿真的真实性,解决了震后疏散过程中的最优路径规划问题。
【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P315.9;TP18
【图文】：

图 1-1 中国强震及地震带分布图00-2018 年间，中国大陆地区 7.0～7.9 级地震共发生了 75 次，8.0 级以上地震发，这些地震造成 28 个省份受到损害，死亡人数高达 67.9 万人，伤残人数为 11灾人数高达数亿人。特别是 2008 年汶川地震、2010 年玉树地震、2013 年雅安地17 年九寨沟地震，都造成了严重的人员伤亡和财产损失[2]。震发生时房屋或建筑物被破坏或倒塌，引起人们的恐慌，人员来不及从建筑物中导致人员伤亡严重的主要原因。因此，降低地震灾害的首要任务是将人员的伤亡到最小。人员的安全疏散与其自身安全息息相关，震后将人群从危险区域快速有至安全区域是防止和减少人员伤亡的重要手段[3]。例如，日本处于环太平洋地震生地震的情况非常频繁。2008 年，日本东北地区发生 7.2 级地震，导致 7 人死亡人受伤。如此低的伤亡率得益于日本政府定期组织的防震演练及有效的震后疏散大地降低了地震带来的危害和损失。因此，积极开展震后疏散方面的研究，具有的现实意义。着信息技术的快速发展，研究人群紧急疏散的方式已从传统的疏散演习转变为通仿真技术研究人群疏散行为。仿真模拟可以很好地展现出整个疏散的过程，同时

图 3-4 Netlogo 系统界面定为一个封闭的空间，整个空间大小为 25×252，空间右为疏散出口（图 3-5），这里对 300 个人组成的人群进行视范围，基本速度，速度变化量，与距自身最近的行人之验中，参数值参考人的真实运动数据，部分参数设置如表y=25x=25exit1y=25x=25exit1exit2图 3-5 单双门实验场景

可以清晰地观察到人群自组织组团现象的形成，如图3-6 所示。在疏散过程中，疏散人员都朝着安全出口汇集，人群流速会逐渐降低。图 3-6描述了疏散时间为 60 秒时空间内行人分布情况，图中每个形状均代表待疏散行人，不同形状代表不同类型的行人。其中，黑色标注的五角星代表领队，黑色标注的三角形代表已进入亲友组的行人，黑色标注的圆圈代表自发组织汇聚在一起的疏散小组，白色标注的圆

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本文编号：2791257