露天活动应急疏散模拟：基于楼层场元胞自动机模型

### 露天活动应急疏散模拟：基于楼层场元胞自动机模型 #### 1. 引言 露天活动，像音乐会、节日庆典和狂欢节等，往往会吸引大量人群聚集在特定且通常较为有限的空间内。人群规模从几百人到数千人不等。然而，由于诸如火灾、爆炸和地震等不可预测且常具危险性的事件，该区域的紧急疏散可能成为必要举措。事件的不可预测性，再加上在这些过度拥挤活动中人们的行为，可能导致受伤甚至死亡。多数情况下，此类事故的发生是由于缺乏适当规划或有效的观众管控。要为参与者维持高水平的安全是一项挑战。 为了在紧急疏散期间提高安全性，进行充分的初始规划至关重要，这包括确定出口路径、区域内障碍物的配置、允许同时进入的最大人数以及可能的拥堵点。通过了解风险和人类行为，并相应地设计露天活动，大多数涉及疏散人群的重大灾难可以得到有效避免。 为了确定在露天活动紧急疏散期间应采取的适当安全措施并评估其效率，在活动之前会使用不同的模型进行疏散模拟，以检测潜在问题并采取相应措施。这些模型是人群心理学和疏散动力学研究的成果，旨在模拟行人的移动。 本文提出了一种可定制的楼层场元胞自动机模型，该模型结合了不同参数来模拟疏散过程中的行人移动。该模型可用于大型露天场所的人群管理。这项研究的目的是为活动协调者提供一个工具，帮助他们在观众安全方面做出决策。该模型在一次活动的不同场景中进行了评估。 #### 2. 相关工作 在存在危险或威胁的情况下模拟行人在紧急疏散过程中的移动是文献中一个持续的研究主题。已经有许多基于各种基础理论的研究发表，用于模拟人类移动，如流体动力学、博弈论、动物行为、元胞自动机和基于代理的模型。这些方法之间的一般比较已有相关描述。 采用元胞自动机进行行人疏散的研究通常将目标区域划分为固定大小的单元格网格。在这些单元格中，人、空空间、墙壁和障碍物用不同的状态表示。行人之间的相互作用经常使用不同的力场来建模，如静态或动态力场。 许多上述模型都考虑了在有障碍物的疏散地点的应用。包含障碍物为模拟目的提供了诊断工具，有更多的案例场景。因此，通过以各种方式布置障碍物，可以区分紧急情况的结果，以努力实现空间中物体的最佳放置。 人类行为特征和社会模型也得到了研究。一般来说，人们在紧急情况下倾向于表现出恐慌。在这种情况下，行人有远离障碍物和其他人的倾向，因此引入了墙壁排斥和冲突解决机制。此外，由于不可避免的人群拥堵（主要在出口处），还描述了摩擦和其他减速因素。一些模拟还在行人的移动性中加入了惯性效应，以创建更真实的场景。 尽管在紧急情况下使用疏散模型有大量研究，但对人类行为各种变量的整合是有限的。据我们所知，这是首次使用包含行人速度、摩擦和排斥、惯性、恐慌和随机减速等参数的元胞自动机疏散模型来模拟露天活动中的紧急疏散。 #### 3. 元胞自动机模型 本部分详细介绍了所提出的用于疏散的元胞自动机模型。楼层场被定义为描述网格中每个单元格某些属性（如距离）的一组变量值。该模型使用了两种楼层场，即静态楼层场和动态楼层场，两者都通过长程力实现行人之间的相互作用。此外，下面还讨论了将疏散场景中人类行为的不同方面也纳入了模型。模型参数是根据第4节中描述的普岑斯市场集市场地定义的。 像音乐会、狂欢节或体育赛事的场地这样的户外区域可以用元胞自动机来表示。为此，在该区域上叠加一个单元格网格，每个单元格的面积为0.4平方米，这是在密集情况下一个人通常占据的面积。每个单元格可以处于“空”状态，表示可被行人或障碍物占据的区域空间；“行人”状态，表示行人当前所在的区域；或“障碍物”状态，表示行人或其他障碍物无法进入的区域。 时间步t = 0被标记为疏散的开始，并被选为自动机的初始状态。在随后的每个时间步t，行人或障碍物可能从坐标为(i, j)的起始单元格移动到坐标为(i′, j′)的相邻目标单元格。在这种情况下，起始单元格的状态将被设置为“空”，而目标单元格的状态将相应地修改为“行人”或“障碍物”。对于本文的模型，使用了摩尔邻域，即对于给定的单元格，其邻域包括所有8个相邻单元格。需要注意的是，对角相邻单元格的距离比正交相邻单元格的距离更远，因此箭头更长。 行人在时间步t移动到相邻单元格的概率由以下公式给出： \[P_{i',j'} = N \times exp(P_S \times P_D \times P_w \times P_I)\] 其中，N是用于将所有概率归一化为1的参数。概率\(P_S\)、\(P_D\)、\(P_w\)和\(P_I\)的定义如下。 ##### 3.1 静态楼层场 疏散过程的目标是安全地引导行人离开给定区域。在紧急情况下，人们的主要动机是尽可能直接地向最近的出口移动。出口点通常为参与者所知，因