基于非均勻格子氣模型的人群疏散動力學模擬.pdf

1、突發(fā)事件下的人群疏散運動是一個非常復雜的過程。由于疏散實驗具有一定的人員傷亡風險,很難進行實驗,從而導致實際疏散的數(shù)據(jù)缺失。所以計算機仿真模擬目前是研究突發(fā)事件下人群疏散的最主要方法。社會力模型(SF)和元胞自動機模型(CA)是兩種比較成熟的用于模擬人群疏散運動的連續(xù)模型和離散模型。社會力模型中個體間的相互作用兩兩進行評價,對于N個個體,計算量為ON2。對于很大的N,意味著計算負擔過大,計算成本昂貴。相比于社會力模型,元胞自動機模型的計

2、算量為O(N),這極大的提高了大規(guī)模人群疏散模擬的可行性。另一方面,人群疏散運動中,個體之間的相互作用力是一個基本的要素,對于合理模擬人群疏散起到關鍵作用。在元胞自動機模型中,通常忽略了這一基本要素。針對以上問題,本文的主要研究內(nèi)容和取得的成果如下:
　　(1)基于元胞自動機模型和移動格子氣模型,建立了模擬突發(fā)事件下人群疏散動力學的非均勻格子氣模型。該模型的更新規(guī)則中包含出口信息因子D,它是影響人群疏散過程的關鍵參數(shù)。D隨局部人群

3、密度的變化而發(fā)生改變,從而體現(xiàn)了非均勻更新。個體之間的相互作用力通過個體之間距離的非線性函數(shù)來描述。他們之間的排斥力隨他們之間距離的減小而急劇增大。引入了受傷臨界力的概念,并分析了它對疏散過程的影響。數(shù)值算例表明,非均勻格子氣模型可以再現(xiàn)人群疏散的基本特征,如堵塞和拱形現(xiàn)象。該模型是元胞自動機模型和移動格子氣模型的擴展,具有更寬的適用范圍。
　　(2)在非均勻格子氣模型中引入高程因素,建立了擴展的非均勻格子氣模型。高程因素用來描述

4、元胞格子在疏散空間里的位置高度,并通過二維平面來描述三維空間狀態(tài)。通過模型模擬和實驗,研究了人員從階梯教室疏散的疏散特征。為了研究火災下的人群疏散過程,將火災場與格子氣模型進行同步耦合,建立了火災與人員交互作用的人群疏散仿真模型。借助軟件FDS,采用大渦模擬的方法模擬了階梯教室火災的發(fā)展與煙氣蔓延過程。模型中假設個體可能移動方向與周圍環(huán)境溫度相關。個體疏散速度與能見度有關,利用多格子方法來體現(xiàn)速度的變化。分析表明基于擴展的非均勻格子氣模

5、型模擬所得結(jié)果與實驗所得結(jié)果有很好的一致性。高程因素對疏散有引導作用,而火災場明顯的改變了行人的疏散路線,造成了頻繁的局部擁擠,對疏散過程有明顯的阻礙作用。
　　(3)基于格子氣模型思想,引入高程因素,建立了模擬地鐵站人員疏散的擴展非均勻格子氣模型。該模型考慮緊急情況下人員的移動特征,引入多格子方法,根據(jù)人員實時步長確定人員移動速度?？紤]了人員初始分布對疏散過程的影響,同時分析了緊急疏散出口對疏散的作用。地鐵站火災情況下人員疏散的