相向行人流自組織行為機(jī)理研究.pdf

1、擁擠人群的運(yùn)動(dòng)，包含單向、雙向、交叉、往復(fù)等形式，可能引發(fā)諸如踩踏之類(lèi)的嚴(yán)重事故。在這類(lèi)事故中，行人可能遭受身體傷害甚至失去生命。因此，建筑設(shè)施內(nèi)行人運(yùn)動(dòng)的舒適性及安全性問(wèn)題日益引起建筑設(shè)計(jì)及管理人員的關(guān)注。已有的研究表明，影響建筑服務(wù)水平(Level of Service)的因素和行人流自組織的模式緊密相關(guān)。但是，目前尚缺乏對(duì)導(dǎo)致行人流自組織的行人行為機(jī)理的研究。
　　 本文中，我們首先開(kāi)展可控的實(shí)驗(yàn)，研究通道內(nèi)行人運(yùn)動(dòng)的微觀(guān)

2、特征。基于數(shù)字圖像處理的方法，提取出實(shí)驗(yàn)錄像中行人的運(yùn)動(dòng)軌跡，并對(duì)這些運(yùn)動(dòng)軌跡做直接線(xiàn)性變換得到相應(yīng)的現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)。依據(jù)行人的現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)研究單個(gè)行人的運(yùn)動(dòng)特征、行人與走廊間的作用以及行人與行人間的相互作用。結(jié)果表明，當(dāng)在通道中運(yùn)動(dòng)時(shí)，典型學(xué)生行人的平均弛豫時(shí)間為0.71秒，平均最大行走速度為1.51米/秒。同時(shí)，行人在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中與墻壁保持一定的距離。當(dāng)與墻之間的距離太近時(shí)，行人有朝遠(yuǎn)離墻壁方向運(yùn)動(dòng)以避免潛在碰撞的趨勢(shì)。這種運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)最終被量化

3、為行人與墻壁間隨距離增長(zhǎng)指數(shù)衰減的力。當(dāng)通道內(nèi)一個(gè)運(yùn)動(dòng)的行人規(guī)避在其運(yùn)動(dòng)方向上其他靜止行人時(shí)，他們間的作用力呈現(xiàn)出各向異性的特點(diǎn)。典型中國(guó)學(xué)生行人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有顯著的右行偏向。進(jìn)一步定量的分析表明，當(dāng)靜止的行人處于運(yùn)動(dòng)行人的右前方，那么其對(duì)運(yùn)動(dòng)行人的力變化不明顯；當(dāng)靜止行人處于運(yùn)動(dòng)行人的左前方，其對(duì)運(yùn)動(dòng)行人的力隨他們間距離的增加變化顯著。其次，對(duì)于環(huán)形通道內(nèi)單列同向運(yùn)動(dòng)的行人間相互作用的分析則表明，運(yùn)動(dòng)個(gè)體受其直接前驅(qū)最近鄰的影響顯著，

4、而幾乎不受其他行人影響。
　　 基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們建立了k近鄰模型和全近鄰模型兩個(gè)模型以研究相向行人流中運(yùn)動(dòng)個(gè)體間的基本作用。這兩個(gè)模型的更新規(guī)則與隨機(jī)行走元胞自動(dòng)機(jī)模型(即基本模型)一致：通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的個(gè)體依照其運(yùn)動(dòng)方向被分成左行行人和右行行人兩種。不同的是，行人因不同的相互作用形式而具有不同的方向選擇行為。在全近鄰模型中，運(yùn)動(dòng)個(gè)體的方向選擇行為受到距其一定距離范圍內(nèi)迎面而來(lái)的所有的運(yùn)動(dòng)個(gè)體的影響；在k近鄰模型中，運(yùn)動(dòng)個(gè)體的

5、方向選擇則受到從對(duì)面走來(lái)的與其距離最近的k個(gè)個(gè)體的分布的影響。通過(guò)研究相向行人流中自發(fā)形成的行人分層以及影響通道內(nèi)行人分層數(shù)目的因素，我們發(fā)現(xiàn)隨著通道內(nèi)行人密度的變化，全近鄰模型中行人分層的模式變化顯著，而k近鄰模型中行人分層模式基本不變且與實(shí)際觀(guān)測(cè)相符。這意味著k近鄰作用在行人集群行為涌現(xiàn)中起著更基本的作用。基于演化博弈理論，我們分析了模型中行人分層的涌現(xiàn)機(jī)制。并研究了通道內(nèi)行人的平均速度，密度與邊界密度間的關(guān)系，討論了速度、流量增強(qiáng)

6、的原因。
　　 通過(guò)比較模型中行人分層的模式與實(shí)際觀(guān)測(cè)的相向行人流模式、模型計(jì)算得到的基本圖與行人流經(jīng)驗(yàn)基本圖，我們對(duì)k近鄰模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明k近鄰模型可以改善交通環(huán)境，進(jìn)而增加自由流區(qū)域內(nèi)行人的運(yùn)動(dòng)速度，并且能夠重現(xiàn)高密度時(shí)的相分離及自由流向壅塞流轉(zhuǎn)變的特征。考慮到實(shí)際行人流中行人相對(duì)位置有錯(cuò)位的現(xiàn)象，我們對(duì)k近鄰模型進(jìn)行了改進(jìn)，建立了多格子k近鄰模型，并采用多格子k近鄰模型研究了相向行人流受系統(tǒng)尺寸、行人視野范圍以及非