基于改進社會力模型的行人復雜運動行為仿真研究.pdf

1、在行人運動研究中廣泛應用社會力模型開展研究，但是傳統(tǒng)模型在描述恐慌人群的反應時仍存在諸多不足。本文在進行基于改進社會力模型的行人復雜運動行為仿真研究中，首先分析了傳統(tǒng)社會力模型的基本原理，結(jié)合人群恐慌狀態(tài)描述，總結(jié)了傳統(tǒng)模型的局限。針對模型的局限，結(jié)合已有相關研究，對傳統(tǒng)模型進行結(jié)構調(diào)整，引入恐慌系數(shù)以整合常態(tài)下和恐慌狀態(tài)下的行人運動，并開展人群實驗獲取所需數(shù)據(jù)進行參數(shù)標定，以人頭時距分布和誤差統(tǒng)計量的指標選定備選參數(shù)集，再驗證改進后模

2、型的優(yōu)化效果。最后選定行人仿真軟件Vissim，基于改進模型對幾種典型的行人復雜運動進行仿真研究，探究不同情況下的行人運動特性。本文的研究成果與主要結(jié)論包括以下幾點:
　　1.對傳統(tǒng)社會力模型進行結(jié)構解析，結(jié)合恐慌狀態(tài)描述，總結(jié)了現(xiàn)有模型的局限，傳統(tǒng)模型以牛頓第二定律的形式，通過行人自驅(qū)動力、行人間的心理排斥力以及行人與障礙物或墻體間的心理排斥力描述行人的加速度變化。傳統(tǒng)模型在描述恐慌場景下的行人運動時存在不足，實際上行人個體模型

3、應該是橢圓形表征，自驅(qū)動力中的期望速度也應滿足一定的分布，而行人在恐慌下存在物理排斥力，力的作用是各向異性的，受力個體分析時也只考慮最鄰近的幾個施力個體。此外，在運用社會力模型模擬行人運動時，應利用實際數(shù)據(jù)對模型進行參數(shù)標定和效果驗證。
　　2.針對傳統(tǒng)社會力模型的結(jié)構局限，改進了社會力模型。在模型結(jié)構上，引入描述恐慌程度的恐慌系數(shù)pp，行人的個體速度分布曲線、基于角度相關前因子的行人間物理排斥力、行人與障礙物或墻體間的物理排斥力

4、以及最大影響源參數(shù)，完成了對模型結(jié)構的調(diào)整。結(jié)合已有研究和所需數(shù)據(jù)，開展人群疏散實驗獲取實驗數(shù)據(jù)，以標定模型中涉及的行人類別參數(shù)，對于難以量化的、存在多個備選參數(shù)集的心理排斥力和物理排斥力強度系數(shù)，通過仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)的人頭時距分布對比、計算誤差統(tǒng)計量F的方法，選取最優(yōu)參數(shù)取值Apsy(i)=Apsy=3.3，Aphy(i)=Aphy=2.2，至此改進模型的全部參數(shù)標定完畢，并利用敏感性系數(shù)檢驗了模型參數(shù)對模型仿真應用結(jié)果的影響。最后

5、利用改進模型與Viswalk默認采用的傳統(tǒng)模型輸出對應仿真結(jié)果，與實驗數(shù)據(jù)比對，驗證了改進模型能顯著提高(t檢驗p值為0.002)恐慌狀態(tài)下行人運動仿真的準確度（準確度提高約27％）。
　　3.通過行人微觀仿真軟件Viswalk，運用研究提出的改進模型對行人復雜運動行為進行了仿真研究，探究了常態(tài)下和恐慌狀態(tài)下行人的相關運動特性。遵循Viswalk一般仿真流程，先從行人的2D/3D模型分布和行走行為參數(shù)入手設定了行人類別參數(shù)，結(jié)合行

6、人常態(tài)下和恐慌狀態(tài)下的期望速度分布，確定了行人組成參數(shù)，然后根據(jù)不同要求繪制行人面域、障礙物和檢測面域，確定仿真環(huán)境和仿真場景，輸入行人流量和路徑?jīng)Q策，最后運行仿真提取檢測面域的行人平均運動速度數(shù)據(jù)、人群平均疏散時間數(shù)據(jù)以及人群的人頭時距分布數(shù)據(jù)。在轉(zhuǎn)向運動的研究中，仿真結(jié)果顯示行人轉(zhuǎn)向時會發(fā)生速度衰減，其衰減幅度與轉(zhuǎn)向角度正相關;常態(tài)下隨著轉(zhuǎn)角增大轉(zhuǎn)向后的速度逐漸回升至接近轉(zhuǎn)向前的速度，恐慌狀態(tài)下行人存在補償心理，隨著轉(zhuǎn)角增大行人的轉(zhuǎn)

7、向后速度迅速回升甚至超過轉(zhuǎn)向前速度;顯著性檢驗還表明恐慌狀態(tài)下小轉(zhuǎn)向角度已經(jīng)能對轉(zhuǎn)向速度產(chǎn)生顯著衰減，因此人流量大的場所需要更嚴謹?shù)乜紤]其建筑設計。在匯流運動的研究中，仿真結(jié)果顯示匯流時行人速度降低，降低量與匯流角度正相關;常態(tài)下匯流完成后速度小幅回升，匯流角度越大，匯流后速度回升幅度越大;恐慌狀態(tài)下匯流完成后速度持續(xù)降低，隨著匯流角度的增大，匯流后速度的降低幅度逐漸縮小;顯著性檢驗表明模擬恐慌狀態(tài)下，行人匯流速度在匯流角度大于60°時

8、就會發(fā)生顯著性衰減，因此對存在大量行人運動的場所，需更加嚴謹?shù)乜紤]行人組織，其建筑設計也應該滿足更高的標準。在瓶頸疏散運動的研究中，仿真結(jié)果顯示常態(tài)下中間出口的疏散效率總體上優(yōu)于角落出口，而恐慌狀態(tài)下角落出口有更優(yōu)的疏散效率;當近出口處放置有直徑為1m的障礙物時，其擺放位置距離出口越遠，瓶頸的疏散能力越小，而當障礙物直徑為0.6m時，其擺放位置距出口越遠，瓶頸疏散能力越大;不同狀態(tài)下存在不同的最優(yōu)出口設計，常態(tài)下中間出口、障礙物直徑1m