螞蟻群體運動規(guī)律的實驗與模擬研究.pdf

1、隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展以及人民生活水平的日益提高，城市中出現(xiàn)了越來越多的大型建筑，同時，由于人口的增長，出現(xiàn)了越來越多的人員密集區(qū)域，因此一旦發(fā)生災(zāi)害或是事故時，大規(guī)模的人群如何更快更安全地從建筑中疏散出來成為了當(dāng)前急需研究的課題。然而，由于之前的研究方法存在一些難以解決的問題，比如:疏散模型的校準(zhǔn)和驗證問題，恐慌狀態(tài)下的人員疏散實驗難以開展，以及事故調(diào)查所存在的數(shù)據(jù)記錄稀缺和不完整性等等，因此，一些研究者們提出了一種新的研究方法:

2、動物實驗。
　　本文主要以螞蟻為研究對象，對單列通道，單出口房間，雙出口房間中的壓力條件下螞蟻疏散行為特性開展了系統(tǒng)的研究，詳細(xì)分析了疏散過程中螞蟻的運動行為特性，并且與人群疏散行為進(jìn)行對比分析，旨在進(jìn)一步認(rèn)識螞蟻本身的運動行為特性，了解螞蟻與人類行為所存在的相似以及不同之處，為研究人員疏散探索新的方法。
　　首先，本文采用日本弓背蟻，開展了螞蟻于單列通道中的疏散實驗，以揭示螞蟻這種常見的社會性昆蟲處于壓力條件下的運動行為特

3、征。在實驗中，本文使用香茅油來驅(qū)動螞蟻從一條單向單列直通道的一端運動到另外一端。整個實驗過程都由一臺攝像機拍攝下來。接下來，本文使用圖像處理的方法從視頻中提取了螞蟻的速度和螞蟻間的間距。實驗結(jié)果表明，螞蟻的流量會隨著螞蟻密度的增加而增加。并且螞蟻的速度并不會隨著密度的升高而單調(diào)下降，反而隨著密度的變化擁有其特有的規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，實驗中所得到的螞蟻運動結(jié)果與人類基本圖存在不同之處。本文的工作為理解群體智能提供了重要的視野，并且為螞蟻交通研

4、究方面提供了有用的實驗數(shù)據(jù)。
　　為了進(jìn)一步地研究螞蟻的運動特性，本文開展了日本弓背蟻于單出口矩形房間中的疏散實驗，在實驗中，本文將螞蟻放置在單出口矩形房間內(nèi)，房間內(nèi)部放置有一張濾紙，濾紙上注入了對于螞蟻具有刺激性的物質(zhì)香茅油。研究發(fā)現(xiàn)，從房間通過單出口疏散時螞蟻流能夠形成多個簇。為了量化螞蟻群體的運動行為，本文統(tǒng)計了六組重復(fù)實驗中每兩只連續(xù)從房間完全疏散的螞蟻間的時間間隔，每組實驗中，房間擁有不同的出口寬度。隨著螞蟻從房間疏散出

5、去，螞蟻個體間的時間間隔是有所不同的，并且時間間隔的頻率分布表現(xiàn)出指數(shù)式衰減的規(guī)律。本文同時也研究了每個簇的螞蟻數(shù)量和簇流量間的關(guān)系。通過本文所做的螞蟻疏散實驗發(fā)現(xiàn)，在壓力條件下的螞蟻疏散并沒有表現(xiàn)出“自私疏散行為”。為了拓展對于這個研究問題的認(rèn)識，本文構(gòu)建了一個元胞自動機模型來模擬螞蟻在壓力條件下的行為。在之前的螞蟻疏散實驗中，本文得到了螞蟻的身長，形狀，實際速度，這些參數(shù)都被考慮到本文的模型之中。在之前所進(jìn)行的螞蟻疏散實驗中，一張注

6、有香茅油的濾紙被放于實驗小室遠(yuǎn)離出口的那一邊上。受實驗的啟發(fā)，參數(shù)D被引入到本文的模型中，參數(shù)D是指螞蟻向前運動的傾向，而向前運動指的是向出口方向運動，即遠(yuǎn)離香茅油的方向。模型中的每只螞蟻(An)都有相同的D值。在本文的模型中，N只螞蟻起始時被隨機放于房間中，本文采用的是順序更新的方法。關(guān)于每種出口寬度下，螞蟻疏散數(shù)量隨時間演化關(guān)系，我們將每種寬度下的疏散都進(jìn)行了多次模擬，并且將模擬出來的結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行了對比。之后，本文還使用模型研

7、究了影響螞蟻疏散效率的因素。
　　接下來，為了研究兩個出口間的距離對于螞蟻疏散行為的影響以及螞蟻從一個雙出口房間逃生的疏散行為，本文采用日本弓背蟻進(jìn)行了壓力條件下的螞蟻疏散實驗，一共進(jìn)行了八組重復(fù)實驗。每組重復(fù)實驗包含五種實驗場景，而每種實驗場景兩出口間的間距都是不同的。本研究發(fā)現(xiàn)螞蟻在壓力條件下表現(xiàn)出“對稱性破缺”的現(xiàn)象。本文還測量了連續(xù)疏散個體間的時間間隔以及流量，通過分析和研究發(fā)現(xiàn)，不同的出口位置對于螞蟻的疏散效率有著很明顯

8、的影響。除此之外，通過比較一些重要的行為特征，比如:位置、軌跡、速度和密度圖，本文發(fā)現(xiàn)，社會力模型中所預(yù)測的行人行為和實驗中的螞蟻于壓力條件下的行為存在一些不同之處。
　　此外，本研究開展了基于“盲人”行為的實驗研究。和之前的研究所不同的是，本文研究了單出口房間中不同大小出口以及雙出口房間中雙出口的不同位置條件下的行人行為，并且還擴(kuò)大了房間尺寸增加了實驗中行人的數(shù)量。本文主要研究了簇形成現(xiàn)象以及無視野條件下人類的行為。整個疏散過程

9、都使用攝像機記錄下來并進(jìn)行觀察。研究發(fā)現(xiàn)，和有視野行人不同的是，被蒙上眼睛的人們表現(xiàn)出一種特殊的行為。在疏散實驗中，本文發(fā)現(xiàn)行人流會形成多個簇。根據(jù)視頻觀測以及數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，本文發(fā)現(xiàn)出口處并沒有發(fā)生阻塞甚至在出口處的密度只能達(dá)到3.29人/平方米。本文對于行人運動的研究顯示被蒙上眼睛的行人速度頻率分布遵循高斯規(guī)律。除此之外，本研究還發(fā)現(xiàn)兩個可選擇的出口若能夠更為平均地使用，雙出口房間的疏散將會更有效率。另外，本文發(fā)現(xiàn)無視野行人疏散時所