張乃平+陳龍+姚峣

摘 要：計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)成為研究行人疏散的主要仿真手段，基于可基本實(shí)現(xiàn)復(fù)雜自然現(xiàn)象及社會(huì)現(xiàn)象建模與仿真的netlogo建模仿真平臺(tái)，結(jié)合建筑室內(nèi)弱視條件下行人疏散的相關(guān)理論，研究了視野距離、出口寬度、室內(nèi)行人數(shù)量、出口數(shù)量的變化對(duì)疏散的影響。在仿真中發(fā)現(xiàn)，基于netlogo的建模仿真比元胞自動(dòng)機(jī)建模仿真更能反映微觀個(gè)體的運(yùn)動(dòng)，也能體現(xiàn)更多的個(gè)體特征，仿真結(jié)果更能客觀反映現(xiàn)實(shí)。

關(guān)鍵詞：仿真；弱視條件；室內(nèi)疏散；netlogo

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.18.109

0 引言

某些突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，可能會(huì)發(fā)生在晚上，或者引發(fā)火災(zāi)、斷電、產(chǎn)生大量粉塵的情況，使得此類突發(fā)時(shí)間在疏散時(shí)必須在能見(jiàn)度不高、視野受限的情況下進(jìn)行。由于建筑室內(nèi)空間有限，黑暗、煙氣、粉塵等惡劣環(huán)境容易對(duì)逃生著造成較大的心理壓力，行人的疏散及運(yùn)動(dòng)行為明顯不同于正?？梢?jiàn)度的情況。弱視條件下的人群疏散是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，其運(yùn)動(dòng)規(guī)則、疏散策略、疏散過(guò)程的動(dòng)態(tài)演化需要從疏散理論及仿真模擬兩個(gè)方面進(jìn)行研究。

對(duì)于弱視條件下的室內(nèi)行人疏散，國(guó)內(nèi)外已有部分研究成果。

Isobe，Helbing等利用實(shí)驗(yàn)及仿真手段，研究低可見(jiàn)條件下室內(nèi)人員的疏散行為，發(fā)現(xiàn)疏散過(guò)程可以分為兩個(gè)階段：隨機(jī)行走階段及沿墻行走階段；擁擠是影響疏散時(shí)間的重要原因，增加多個(gè)出口并不能非常有效的降低疏散時(shí)間，對(duì)于有著固定人數(shù)的低可見(jiàn)條件下的室內(nèi)疏散，有著最小的疏散時(shí)間。

Ryoichi Nagai，Takashi Nagatani等研究了出口配置對(duì)不可見(jiàn)條件下室內(nèi)人員疏散的影響，Jeon等人研究分析了不同照明條件下人員疏散的行為；Guillermo A等利用社會(huì)力模型，模擬了在低可見(jiàn)條件下的室內(nèi)人員疏散，發(fā)現(xiàn)了低可見(jiàn)條件下的人員疏散行為的三種行為模式：個(gè)人主義行為、類從眾行為、沿墻運(yùn)動(dòng)行為。

國(guó)內(nèi)學(xué)者主要是計(jì)算機(jī)模型，探討相關(guān)變量對(duì)應(yīng)急疏散的影響。關(guān)超等根據(jù)人在弱視情況下的行為特征，建立基于元胞自動(dòng)機(jī)的逃生模型，對(duì)弱視情況下的人群疏散進(jìn)行了模擬。模擬過(guò)程中考慮了人的學(xué)習(xí)能力及人與人之間的相互作用等因素，模型加入吸引子使模擬人的疏散行為更為靈活?；谌四芡ㄟ^(guò)熟悉周圍環(huán)境作出合理判斷的學(xué)習(xí)能力，引入了“積累步長(zhǎng)”的概念，使人的溝通判斷能力在模型中得到體現(xiàn)。同時(shí)通過(guò)大量的模擬實(shí)驗(yàn)，并討論不同的環(huán)境條件對(duì)人群疏散的影響。陳海濤對(duì)建筑室內(nèi)的應(yīng)急疏散發(fā)表了多篇文獻(xiàn)，并基于前人成果的基礎(chǔ)，通過(guò)引入從眾效應(yīng)闡述了可見(jiàn)度較低時(shí)的元胞自動(dòng)機(jī)疏散理論模型，并定義區(qū)分了普遍性從眾、 理性從眾和盲目從眾，并對(duì)這三種從眾對(duì)低可見(jiàn)度條件下的疏散的影響進(jìn)行了分析研究。宋衛(wèi)國(guó)等人利用實(shí)驗(yàn)并建立多格子氣模型研究了弱視條件下行人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。

在主要的模型中，元胞自動(dòng)機(jī)模型對(duì)系統(tǒng)環(huán)境及對(duì)微觀個(gè)體的模擬不夠細(xì)致，而社會(huì)力模型不能完全保證人員之間不相互碰撞，仿真數(shù)據(jù)同實(shí)際現(xiàn)象之間沒(méi)有實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。而利用Netlogo平臺(tái)建模，不僅可以基本實(shí)現(xiàn)行人應(yīng)急疏散的建模與仿真，達(dá)到對(duì)微觀個(gè)體的細(xì)致觀察，同時(shí)建立的模型具有簡(jiǎn)便、易開(kāi)發(fā)、易理解的特點(diǎn)。

本文基于Netlogo平臺(tái)，利用現(xiàn)有弱視條件下的疏散理論，建立符合行人疏散動(dòng)力學(xué)特征的疏散模型，分析不同可見(jiàn)度、不同室內(nèi)人群數(shù)量、不同出口寬度、不同出口數(shù)量對(duì)疏散時(shí)間的影響，尋找弱視條件下建筑室內(nèi)達(dá)到最佳疏散效果所需要滿足的條件。

1 模型建立

1.1 模型概況

在本文中，每個(gè)“瓦片”代表著0.4m*0.4m的區(qū)域，每個(gè)“海龜”代表一個(gè)行，房間大小為8m*8m的正方形，隨機(jī)分布著N（N=20，40，60，80，100，140）個(gè)行人，房間中有M（M=1，2，3，4）個(gè)出口，每個(gè)出口位于墻的中央，并對(duì)稱分布，門的寬度為W（W=0.4，0.8，1.2，1.6）。可見(jiàn)度用S（S=1，2，3，4，5）表示，行人的視野距離為0.4S。模型建立后，共設(shè)計(jì)多種不同的仿真方案，圖1顯示的是某方案（S=3，N=60，M=2，W=0.8）的初始狀態(tài)。

1.2 疏散策略

弱視條件下行人疏散的具體運(yùn)動(dòng)方式由行人視野范圍的具體情況決定。如圖2所示，根據(jù)行人的視野距離可以將疏散區(qū)域分為3部分：出口可見(jiàn)區(qū)域、墻壁可見(jiàn)區(qū)域、盲目運(yùn)動(dòng)區(qū)域。出口可見(jiàn)區(qū)域是到出口的距離小于或等于行人視野距離的區(qū)域；墻壁可見(jiàn)區(qū)域是到墻壁的距離小于或等于視野距離的區(qū)域；盲目運(yùn)動(dòng)區(qū)域是指疏散空間排除出口可見(jiàn)區(qū)域和墻壁可見(jiàn)區(qū)域后剩余的區(qū)域。行人隨機(jī)分布在疏散空間內(nèi)，由于視野有限，不同區(qū)域行人感知的信息不同，其疏散策略也不同。具體疏散策略為：

1）盲目運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)行人沿初始方向運(yùn)動(dòng)，到達(dá)出口可見(jiàn)區(qū)域或者墻壁可見(jiàn)區(qū)域，然后根據(jù)出口可見(jiàn)區(qū)域或墻壁可見(jiàn)區(qū)域行人運(yùn)動(dòng)策略進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；

2）墻壁可見(jiàn)區(qū)域行人先朝可見(jiàn)的墻壁運(yùn)動(dòng)，達(dá)到墻壁后沿著墻壁運(yùn)動(dòng)，直到達(dá)到出口可見(jiàn)區(qū)域，然后根據(jù)出口可見(jiàn)區(qū)域運(yùn)動(dòng)策略運(yùn)動(dòng)；

3）位于出口可見(jiàn)區(qū)域內(nèi)的行人或行人到達(dá)出口可見(jiàn)區(qū)域后，直接向出口運(yùn)動(dòng)，直至到達(dá)外部安全空間。

1.3 行人運(yùn)動(dòng)規(guī)則

在系統(tǒng)內(nèi)，行人（海龜）的大小同瓦片一樣，但并不是剛好占據(jù)某個(gè)完整的瓦片，但每個(gè)行人沒(méi)有重疊的部分。行人的仿真過(guò)程被離散成相等的時(shí)間步長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)若干個(gè)時(shí)間步，行人最終通過(guò)出口安全離開(kāi)房間。由于行人有著向左轉(zhuǎn)的偏好，行人在達(dá)到墻壁后需要轉(zhuǎn)向沿著墻壁運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)定向左運(yùn)動(dòng)及向右運(yùn)動(dòng)的概率都為0.5。在盲目區(qū)域，行人運(yùn)動(dòng)速度按照可見(jiàn)度為0的情況處理并設(shè)置為0.4m/s；在可見(jiàn)區(qū)域，行人的速度按可見(jiàn)度正常的情況處理，其運(yùn)動(dòng)速度為1.2m/s。

1.4 沖突處理

沖突是由于人與人之間行動(dòng)不協(xié)調(diào)或競(jìng)爭(zhēng)造成的 。競(jìng)爭(zhēng)行為常發(fā)生在空間內(nèi)人口密度很大時(shí) ，因而沖突是不可避免的。本系統(tǒng)中，某時(shí)刻當(dāng)兩個(gè)行人按照既有疏散策略運(yùn)動(dòng)時(shí)在下一個(gè)時(shí)間步會(huì)出現(xiàn)重疊部分，這樣就產(chǎn)生了沖突，針對(duì)沖突的處理辦法如下：

（1）沖突發(fā)生在盲目運(yùn)動(dòng)區(qū)域時(shí)：系統(tǒng)隨機(jī)選擇其中的某個(gè)行人改變自己原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向并同另外一人一致。

（2）沖突發(fā)生在沿墻運(yùn)動(dòng)的階段時(shí)：引入沿墻累計(jì)步長(zhǎng)L的概念，表示行人從達(dá)到墻壁開(kāi)始時(shí)到發(fā)生沖突時(shí)經(jīng)歷的時(shí)間步長(zhǎng)。一旦行人到達(dá)墻壁就開(kāi)始積累他所經(jīng)歷的時(shí)間步， 這相當(dāng)于Agent對(duì)環(huán)境的認(rèn)識(shí)。行人相遇之后雙方選擇墻壁累計(jì)步長(zhǎng)較大的人所指向的方向?yàn)榍斑M(jìn)方向， 如果步長(zhǎng)一致，則隨機(jī)選擇其中一個(gè)行人的方向?yàn)槎吖灿械姆较?，這樣有利于行人盡量避免多余的路徑尋找，也是行人之間信息共享及學(xué)習(xí)行為的表現(xiàn)。

在Netlogo平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)上述模型，并建立弱視條件下室內(nèi)群體疏散的仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)總體效果圖如圖4所示。

2 仿真分析

仿真開(kāi)始時(shí)行人初始位置隨機(jī)分布，初始方向也隨機(jī)分配，一旦行人初始位置及初始方向確定，行人按上述疏散策略和規(guī)則運(yùn)動(dòng)，疏散時(shí)間也就確定?？梢?jiàn)，在疏散策略及規(guī)則確定的情況下，行人的初始狀態(tài)對(duì)疏散有著很大的影響。為消除因行人初始狀態(tài)對(duì)疏散時(shí)間帶來(lái)的不確定性，每種方案，都模擬1000次。

2.1 室內(nèi)視野距離對(duì)疏散的影響

視野距離是弱視條件下室內(nèi)行人信息判斷的第一要素，視野距離越大，行人越容易接收到墻壁及出口的信息，對(duì)自身疏散路徑的選擇也更為準(zhǔn)確。在弱視條件下，視野距離對(duì)疏散效率有著重要影響。

圖5通過(guò)仿真給出了疏散時(shí)間隨視野距離變化的變化曲線，仿真中，出口寬為0.8m，出口數(shù)量為1，初始行人分別為20人、60人、100人。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在不同的行人數(shù)量下，疏散時(shí)間隨著視野距離的增加而減小，然而減小的幅度同文獻(xiàn)[]相比顯得更加平緩，這是因?yàn)橛捎诒狙芯恐锌梢?jiàn)區(qū)域內(nèi)行人的運(yùn)動(dòng)速度較盲目運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)更快，同時(shí)加入“累計(jì)步長(zhǎng)”的作用，相對(duì)于文獻(xiàn)【7】而言，增加了仿真時(shí)的疏散效率，減小了視野距離對(duì)疏散時(shí)間的影響。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，初始行人較大時(shí)，隨著視野距離的增大，疏散時(shí)間減小的程度會(huì)越來(lái)越大，這主要是由于視野距離減小了盲目運(yùn)動(dòng)區(qū)域的面積，同時(shí)可見(jiàn)區(qū)行人速度更快，使得疏散效率提高。而初始人數(shù)較少時(shí)，隨著視野距離的增大，疏散時(shí)間的減少程度較初始人數(shù)較多時(shí)平緩。

2.2 初始行人數(shù)量對(duì)疏散的影響

行人是疏散的主體，在正常視野條件下，初始行人的數(shù)量很大程度上決定著疏散效率及最終的疏散時(shí)間。圖6給出了弱視條件下初始行人數(shù)量對(duì)疏散時(shí)間的影響，仿真中，出口寬度為0.8m，出口數(shù)量為1，視野距離為3。從中可以明顯看出，隨著初始人數(shù)的增加，疏散時(shí)間隨之增加。然而同正常視野條件下相比，增加的疏散時(shí)間并不多。

為解釋這一現(xiàn)象，圖7給出了出口寬度為0.8m，出口數(shù)量為1，視野距離為3，初始行人人數(shù)分別為20人、100人時(shí)的單次仿真疏散時(shí)間步-疏散人數(shù)圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在初始人數(shù)為20人的某次仿真中，在第18個(gè)時(shí)間步，就有行人成功疏散，而直到第110個(gè)時(shí)間步，最后一位行人才成功疏散，在大部分的時(shí)間步內(nèi)，出口并沒(méi)有得到利用。在初始人數(shù)為100人時(shí)，第1個(gè)時(shí)間步就有行人成功疏散，而第126個(gè)時(shí)間步，所有行人成功疏散，大部分的時(shí)間步內(nèi)出口都得到滿負(fù)荷利用。在弱視條件下，由于視野的限制，行人看不到出口，可能存在著初始運(yùn)動(dòng)方向并不朝出口以及沿墻壁運(yùn)動(dòng)階段選擇方向也不朝出口的行人的情況，這樣導(dǎo)致該行人花費(fèi)了大量時(shí)間尋找出口，這種存在于弱視條件下，行人疏散過(guò)程中存在某一運(yùn)動(dòng)階段離出口越來(lái)越遠(yuǎn)的現(xiàn)象，稱之為“遠(yuǎn)離出口”現(xiàn)象。即便初始人數(shù)較少，由于存在“遠(yuǎn)離出口”現(xiàn)象，出口的利用率不高，疏散時(shí)間較長(zhǎng)?！斑h(yuǎn)離出口”現(xiàn)象正是導(dǎo)致弱視條件下隨著初始疏散行人的增加疏散時(shí)間較正常視線條件下增加幅度不明顯的原因。表1給出了在門寬為0.8m、出口數(shù)量為1、視野距離為1條件下不同初始行人數(shù)量下的疏散時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差，從表中可以看出，隨著初始人數(shù)的增加，疏散時(shí)間的離散程度減小。這是由于初始人數(shù)較少時(shí)，“遠(yuǎn)離出口”現(xiàn)象的存在使得最后一人疏散時(shí)間的變化范圍比較大，而初始人數(shù)多時(shí)，累計(jì)步長(zhǎng)的存在減小了“遠(yuǎn)離出口”現(xiàn)象的影響，這體現(xiàn)了人與人之間的信息交互有助于提高疏散效率。

2.3 出口寬度對(duì)疏散的影響

出口寬度是決定室內(nèi)建筑疏散能力的一個(gè)重要標(biāo)志，其大小對(duì)疏散時(shí)間有著明顯的作用和影響。

圖8給出了出口數(shù)量為1，視野距離為3，初始行人分別為20人、60人、100人、140人條件下疏散時(shí)間隨出口寬度的變化關(guān)系曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在初始人數(shù)為100時(shí)，隨著門寬的增加，疏散時(shí)間先是迅速減小，隨后基本保持不變。而初始人數(shù)分別為20人，60人時(shí)，疏散時(shí)間的減小十分緩慢，疏散時(shí)間基本不受門寬的影響。這是由于當(dāng)人數(shù)較多時(shí)，若出口寬度為0.4m時(shí)，出口處一個(gè)時(shí)間步只能疏散一個(gè)行人，這樣會(huì)在出口處形成擁堵，降低出口疏散效率。隨著出口寬度的增大到0.8m，每個(gè)時(shí)間步最多能疏散的行人增加到2人，出口處很少形成擁堵，疏散效率大大加快，迅速降低了疏散時(shí)間。而隨著出口寬度的繼續(xù)增加，出口越來(lái)越難以形成擁堵，疏散時(shí)間主要取決于行人疏散路徑，導(dǎo)致疏散時(shí)間依然會(huì)隨著出口寬度的增加而減少，但是減小的速度變緩。而初始人數(shù)較少時(shí)，由于疏散人數(shù)較少，出口出極少會(huì)出現(xiàn)擁堵，因而隨著出口寬度的增加，疏散時(shí)間的減小并不明顯。

因此，選擇有效的出口寬度，首先應(yīng)當(dāng)考慮室內(nèi)行人的數(shù)量，行人數(shù)量較多時(shí)，增加門寬能有效的降低疏散時(shí)間，而人數(shù)較少時(shí)，增加門寬并不能有效降低疏散時(shí)間，相反，門寬過(guò)大，則對(duì)疏散沒(méi)有幫助。

2.4 出口數(shù)量對(duì)疏散的影響

出口數(shù)量是室內(nèi)環(huán)境的重要組成部分，對(duì)疏散也有著重要影響。本研究中，門的配置都是在墻壁的中央并成對(duì)稱分布，不同出口數(shù)量的門的分布如圖9。

圖10給出了門寬為0.8m，視野距離為3，初始行人數(shù)量分別為20人、60人、100人時(shí)疏散時(shí)間同出口數(shù)量的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當(dāng)在建筑室內(nèi)的出口相對(duì)一面墻多增加一個(gè)出口時(shí)，疏散時(shí)間迅速的減少。室內(nèi)初始行人越多，多增加一個(gè)出口時(shí)疏散時(shí)間減少的速度越快，當(dāng)出口數(shù)量增加到4時(shí)，疏散時(shí)間減少，但是減少的速度降低。這是由于越多的出口，降低了“遠(yuǎn)離出口”現(xiàn)象對(duì)疏散時(shí)間的影響。但是增加過(guò)多的出口對(duì)疏散時(shí)間的降低作用會(huì)越來(lái)越小。

結(jié)合2.3中的圖8來(lái)看，相對(duì)于增加出口的寬度，在出口的相對(duì)一面增加一個(gè)出口，更能有效的提高疏散效率，減少疏散時(shí)間。

3 結(jié)論及建議

利用netlogo，建立弱視條件下的行人疏散模型，通過(guò)仿真，分析不同條件下視野受限時(shí)建筑室內(nèi)行人疏散的情況，得出相關(guān)結(jié)論：

（1）視野距離的增加、初始行人的減少、出口寬度的增加、出口數(shù)量的增加，都有利于減少疏散時(shí)間。其中，在行人數(shù)量較大的情況下，出口寬度一定程度上的增加，能有效避免行人在出口處的擁堵，因而有效提高疏散效率降低疏散時(shí)間。

（2）“遠(yuǎn)離出口”現(xiàn)象是導(dǎo)致弱視條件下疏散效率不高的重要原因，在人數(shù)較多時(shí)，人與人之間的信息交互，能減少“遠(yuǎn)離出口”現(xiàn)象對(duì)疏散效率的負(fù)面影響。而在相對(duì)的墻面上設(shè)置出口，能快速的減少疏散時(shí)間，極大的降低行人尋找出口路徑長(zhǎng)度，降低“遠(yuǎn)離出口”現(xiàn)象對(duì)疏散時(shí)間的作用。

（3）相比元胞自動(dòng)機(jī)模型及社會(huì)力模型，利用netlogo建模，可以體現(xiàn)個(gè)體（Agent）更多更復(fù)雜的屬性，使得仿真結(jié)果同現(xiàn)實(shí)現(xiàn)象更加接近。

（4）為保證疏散效率，獲得較好的疏散效果，體現(xiàn)出建筑最佳的疏散狀態(tài)，在設(shè)計(jì)建筑時(shí)，需要同時(shí)考慮建筑室內(nèi)所能容納的最大人數(shù)、出口寬度、出口數(shù)量及出口設(shè)置三個(gè)因素，使得疏散過(guò)程高效快速，降低“遠(yuǎn)離出口”現(xiàn)象對(duì)疏散的負(fù)面影響，確保弱視條件下室內(nèi)人員快速安全疏散。

影響行人疏散的原因眾多，除了室內(nèi)環(huán)境，個(gè)人特征也是很重要的因素。未來(lái)，行人的個(gè)體特征，如年齡、性別等也可在Netlogo平臺(tái)中Agent的屬性中得到體現(xiàn)，以期仿真數(shù)據(jù)更客觀的反映實(shí)際。

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