李蒙，李悅，林從謀

（華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門361021）

隨著國家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的投資力度逐步增大，工程項(xiàng)目有向地下空間發(fā)展的趨勢.目前，處于地面以下的項(xiàng)目如地下商場，地下車庫，隧道，人防工程等地下工程的日益增多，雖節(jié)約了用地，擴(kuò)大了城市空間但同時(shí)也帶來極大的安全隱患.例如，一旦發(fā)生火災(zāi)，則損失慘重.然而，地下項(xiàng)目通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通道彎曲，人員疏散困難，易造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失.因此，針對(duì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，對(duì)人員在地下建筑中的動(dòng)態(tài)疏散過程進(jìn)行仿真，給項(xiàng)目建設(shè)方、施工方、建筑設(shè)計(jì)方以及使用者提出一個(gè)合理的、及時(shí)的、安全的人員疏散方案有重要意義.元胞自動(dòng)機(jī)（cellular automata，CA）模型被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的研究.在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，李璐等［1］提出基于元胞自動(dòng)機(jī)的異質(zhì)個(gè)體HIV／AIDS傳播模型；在交通領(lǐng)域，劉小明等［2］提出考慮路內(nèi)停車的元胞自動(dòng)機(jī)交通流模型，魏麗英等［3］基于元胞自動(dòng)機(jī)對(duì)自行車交通流仿真建模；在人員疏散領(lǐng)域，束鈺等［4］基于元胞自動(dòng)機(jī)對(duì)大型商貿(mào)場所火災(zāi)過程的模擬分析；在建筑領(lǐng)域，饒平等［5］提出復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)人員疏散的元胞自動(dòng)機(jī)模擬研究，郭玉榮等［6］提出了基于元胞自動(dòng)機(jī)理論的緊急人員疏散模擬.在地下建筑方面，趙國敏［7］研究提出地鐵車站人員疏散離散時(shí)間模型研究，但其研究也有自身的局限性，沒有考慮到個(gè)體異質(zhì)的特點(diǎn)，使其結(jié)果很難得到精確的結(jié)果.地下建筑發(fā)生災(zāi)害后的情況同其他建筑發(fā)生災(zāi)害的不同之處在于：其人員疏散的動(dòng)態(tài)過程會(huì)不僅與地下空間結(jié)構(gòu)和災(zāi)害特點(diǎn)相關(guān)，同時(shí)還受到個(gè)體間行為模式及個(gè)體間互動(dòng)等眾多因素的影響.因此，本文采用多智能體仿真技術(shù)（Agent技術(shù)）和元胞自動(dòng)機(jī)結(jié)合的方法來對(duì)疏散中的人員建模，客觀的模擬異質(zhì)人員疏散的過程.

1 基于ECA模型的地下空間中人員疏散問題描述

在地下空間的人員疏散過程中，每個(gè)個(gè)體在每一時(shí)刻每一位置都具有不同的狀態(tài)，同時(shí)，元胞自動(dòng)機(jī)是一個(gè)時(shí)間和空間上離散的模型，其中的每一個(gè)元胞都代表一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)中的微觀個(gè)體，具有不同的屬性.因此，基于ECA模型，結(jié)合影響地下空間疏散的主要因素和鄰域形式描述人員疏散的過程.

1.1 影響地下空間中人員疏散的因素

地下建筑結(jié)構(gòu)不同于地上建筑，其影響疏散的主要因素有4個(gè)方面.

1）由于地下建筑的空間相對(duì)封閉，排煙、排熱性差，通道相對(duì)狹窄，減緩人員的疏散速度.

2）地下建筑疏散出口有限，災(zāi)害發(fā)生后人群將大量涌向出口，一旦出口被封，后果不堪設(shè)想.

3）地下建筑不能進(jìn)行自然采光，災(zāi)害時(shí)正常電源被切斷，能見度降低，人員的活躍程度和疏散速度也會(huì)相應(yīng)降低，使疏散的難度加大.

4）地下建筑的救援途徑少，人員疏散緩慢，導(dǎo)致救援困難.

在地下建筑受災(zāi)后，以上幾個(gè)因素影響著人員疏散的總進(jìn)度，而個(gè)體是通過影響周圍人的活動(dòng)，又同時(shí)受周圍人群的影響來間接影響整個(gè)人員的疏散進(jìn)程.

1.2 ECA模型的鄰域形式及距離

元胞自動(dòng)機(jī)將元胞規(guī)則地排列在的空間格網(wǎng)上，它們各自的狀態(tài)隨著時(shí)間根據(jù)上一時(shí)刻該元胞的狀態(tài)及該元胞的所有鄰元的狀態(tài)來進(jìn)行更新.傳統(tǒng)的CA模型定義了2種鄰域：摩爾鄰域和馮諾伊曼鄰域.為了更好地描述個(gè)體間的交流互動(dòng)關(guān)系，選取擴(kuò)展的馮諾依曼領(lǐng)域進(jìn)行研究.這種擴(kuò)展的具有方向性的結(jié)構(gòu)，可以描述個(gè)體行為在接受外界信息中所蘊(yùn)含的不同偏好或某種具有傾向性的行為模式，從而對(duì)災(zāi)害發(fā)生后人員狀態(tài)的變化進(jìn)行描述.

2 引入異質(zhì)的個(gè)體行為的ECA模型

除ECA模型領(lǐng)域外，還應(yīng)結(jié)合個(gè)體不同的屬性，具體包括個(gè)體的活躍程度，行動(dòng)速度，信息傳遞與信息接受能力.假定地下建筑中的個(gè)體以成年人為研究對(duì)象，并沒有失去行動(dòng)能力的人員.

2.1 個(gè)體的移動(dòng)性

由ECA模型的鄰域形式對(duì)整個(gè)地下空間不同的交通區(qū)域進(jìn)行劃分，建立網(wǎng)格.假設(shè)網(wǎng)格中每個(gè)單元格最多只能容納一個(gè)個(gè)體，只能根據(jù)相應(yīng)地規(guī)則移入相鄰的單元格.在t時(shí)刻，根據(jù)擴(kuò)展的鄰域形式，個(gè)體a以概率pa從一個(gè)單元格移動(dòng)到一個(gè)相鄰的單元格，pa∈（pmin，pmax），（0≤pmin≤pmax≤1）［9］度量了個(gè)體的活躍程度.pa越大個(gè)體的活躍程度越高；反之，則越小 .它在仿真初始時(shí)刻指定且在仿真過程中不隨時(shí)間變化.當(dāng)pmin＝pmax＝0時(shí)，個(gè)體始終處于仿真開始時(shí)指定的位置，不發(fā)生移動(dòng)；而當(dāng)pmin＝pmax＝1時(shí)，個(gè)體在每一時(shí)刻都會(huì)移動(dòng)，若周圍有空的單元格就移入，若周圍的單元格都已被其他個(gè)體占據(jù)，就不移動(dòng)；當(dāng)pmin＝pmax時(shí)，所有個(gè)體的活躍程度都相同，個(gè)體從一個(gè)單元格移動(dòng)另一單元格的概率相同.由此，推算出個(gè)體移動(dòng)的平均時(shí)間為1／pm，通常情況下，個(gè)體的活躍程度越高，個(gè)體的移動(dòng)速度就越快，導(dǎo)致所在人群移動(dòng)越快.

2.2 個(gè)體的信息傳遞與信息接受能力

個(gè)體除了具有不同的活躍程度與運(yùn)動(dòng)速度外，在與周圍人群進(jìn)行交互的過程中還具有不同的信息傳遞與信息接收能力，且所有人在災(zāi)害發(fā)生后都試圖離開，沒有人由于心理原因等情況留在危險(xiǎn)地方.設(shè)hi表示個(gè)體i對(duì)于信息的傳遞能力，hi是服從（0，1）均勻分布的一個(gè)實(shí)數(shù)，該參數(shù)用來表示個(gè)體在與周圍人群交流時(shí)，能將災(zāi)害危險(xiǎn)信息傳遞給他人的概率.顯然，hi的值越大，越有可能將使周圍的個(gè)體狀態(tài)發(fā)生改變；hi的值越小，則越弱.gi表示個(gè)體i對(duì)于信息的接受能力，gi是服從（0，1）均勻分布的一個(gè)實(shí)數(shù)，該參數(shù)用來表示個(gè)體在與周圍人群接觸時(shí)，能接受災(zāi)害危險(xiǎn)信息的概率.每個(gè)個(gè)體對(duì)于信息的接受能力是不同的，gi越大，個(gè)體信息的接受能力越強(qiáng)，反之越弱.

3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

給出一個(gè)典型的試驗(yàn)初始值，基于不同參數(shù)，通過1 000次仿真試驗(yàn)，研究人員在地下建筑中的動(dòng)態(tài)疏散過程.根據(jù)地下空間的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在仿真試驗(yàn)中主要運(yùn)用擴(kuò)展的馮諾依曼領(lǐng)域在地下空間中建立由100×100的單元格構(gòu)成的網(wǎng)格，設(shè)定各參數(shù)的初始值為：人群數(shù)量n＝3 000，已知災(zāi)害發(fā)生個(gè)體數(shù)量占人群總數(shù)的5／1 000，總出口個(gè)數(shù)有8個(gè)，一次仿真時(shí)間為600 s.在實(shí)驗(yàn)過程中，人員隨機(jī)分布在網(wǎng)格上，依據(jù)設(shè)定的規(guī)則隨機(jī)移動(dòng)，居中的70×70的網(wǎng)格中人群密度角度較大，其中，10 000個(gè)單元格中有8個(gè)是安全出口，分布在網(wǎng)格的四個(gè)角落及邊的中點(diǎn)［10］，個(gè)體一旦移入此類網(wǎng)格，則表明個(gè)體脫離危險(xiǎn).易知，出口個(gè)數(shù)越多，災(zāi)害發(fā)生時(shí)的疏散速度越快.由此定義疏散效率（E）等于離開地下建筑的個(gè)體數(shù)占總?cè)藬?shù)的比值，通過個(gè)體的活躍程度，信息傳遞能力與信息接受能力對(duì)疏散效率的影響來描述地下建筑中的人員疏散過程.

3.1 個(gè)體的活躍程度對(duì)人員疏散效率的影響

個(gè)體的活躍程度影響人員的流動(dòng)性，進(jìn)而影響了整個(gè)群體的疏散效率.個(gè)體的活躍程度可以用單位時(shí)間內(nèi)個(gè)體轉(zhuǎn)換單元格的次數(shù)來度量.隨著個(gè)體移動(dòng)概率pa的增大，轉(zhuǎn)換單元格的次數(shù)也將增大.在利用Repast模擬時(shí)，由于pa是離散值，為了能正確地反映隨著pa變化導(dǎo)致的疏散效率的影響程度，擬定取值分別為p1＝0.2，p2＝0.4，p3＝0.6，p4＝0.8.當(dāng)個(gè)體的信息傳遞能力和接受能力不變，假定分別為hi＝0.5和gi＝0.5，當(dāng)pa取不同值時(shí)人員疏散效率的平均值隨時(shí)間變化的仿真結(jié)果，如圖1所示.由圖1可知：整體的疏散效率在災(zāi)害發(fā)生前期逐漸上升，后期逐漸下降，當(dāng)pa取0.2時(shí)，在一定時(shí)間內(nèi)疏散效率增加緩慢，到某一時(shí)刻開始下降，波動(dòng)范圍小，總效率較低；當(dāng)pa取0.4時(shí)，疏散效率增長較快，且達(dá)到最大值，后期下降不大；當(dāng)pa取0.6時(shí)，疏散效率增長最快，但效果不如p2時(shí)的效果；當(dāng)pa取0.8時(shí)，活躍程度雖然很高但疏散效率較低.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：個(gè)體的活躍程度在疏散過程中起了重大作用，當(dāng)假定pa＝0.4時(shí)有最大的疏散效率，因此，并非個(gè)體活躍程度越大，疏散效率越高，在災(zāi)害發(fā)生時(shí)應(yīng)有秩序的進(jìn)行疏散.

圖1 個(gè)體的活躍程度對(duì)人員疏散效率的影響Fig.1 Influence of mobility on the evacuation efficiency

圖2 個(gè)體的信息傳遞能力對(duì)人員疏散效率的影響 Fig.2 Influence of agent′s ability to spread information on the evacuation efficiency

3.2 個(gè)體的信息傳遞能力／信息接收能力對(duì)人員疏散效率的影響

個(gè)體的信息傳遞能力在疏散過程中不斷影響著周圍個(gè)體的信息量，正確的信息將加快疏散進(jìn)度，然而錯(cuò)誤的信息將阻礙疏散進(jìn)程.當(dāng)個(gè)體活躍程度pa＝0.4，信息接受能力hi，變化個(gè)體的信息傳遞能力hi，同樣為了反映趨勢，擬定hi的取值分別為h1＝0.2，h2＝0.4，h3＝0.6，h4＝0.8，如圖2所示.從圖2可知：疏散效率的平均值隨時(shí)間變化的仿真結(jié)果，總體呈隨時(shí)間增加逐漸上升，到某一時(shí)刻開始下降.在當(dāng)hi等于0.2和0.8時(shí)，個(gè)體的信息傳遞能力較弱和較強(qiáng)時(shí)，人員疏散效率較低，疏散效果不明顯，隨時(shí)間的推移效率趨近于0；當(dāng)hi等于0.4和0.6時(shí)，疏散效果好，在h3＝0.4時(shí)能達(dá)到最大的疏散效率，且效果顯著.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：并非個(gè)體傳遞信息的能力越強(qiáng)，疏散效果越好，從而災(zāi)害發(fā)生時(shí)，準(zhǔn)確的逃生路標(biāo)與信號(hào)指示顯得尤為重要.

4 結(jié)束語

基于ECA模型的摩爾鄰域，引入個(gè)體異質(zhì)行為與疏散過程中人員的不同狀態(tài)，對(duì)地下建筑中的人員疏散過程進(jìn)行研究.通過個(gè)體活躍程度，信息的接受能力與傳遞能力對(duì)疏散效率的仿真實(shí)驗(yàn)，得出以下3個(gè)主要結(jié)論.

1）不論是個(gè)體活躍程度還是個(gè)體的傳遞與信息接收能力，隨著時(shí)間的推移都會(huì)對(duì)人員疏散效率產(chǎn)生先增后減的影響.

2）當(dāng)擬定pa取值分別為p1＝0.2，p2＝0.4，p3＝0.6，p4＝0.8時(shí)，pa＝0.4時(shí)，人員的疏散效率有最大值.這說明人員的活躍程度越大或越小，都會(huì)影響整體的疏散速度.

3）當(dāng)擬定hi取值分別為h1＝0.2，h2＝0.4，h3＝0.6，h4＝0.8時(shí)，hi＝0.4時(shí)，有最大疏散效率.這說明個(gè)體接受信息的能力越強(qiáng)或傳遞信息能力越強(qiáng)，影響其在危險(xiǎn)情況下的判斷力.

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