利用社会力模型模拟分析人群的自组织现象

利用社会力模型模拟分析人群的自组织现象

万 灏,肖泽南

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2

(1.南昌市消防支队,江西南昌330009;2.中国建筑科学研究院建筑防火研究所,北京100013)

摘 要:介绍人群对向行走过程中出现的自组织现象,利用AnyLogic软件构筑假想通道,模拟两股人流对向行走所形成的人流分布状况。模拟结果显示自组织现象在一定密度条件下产生并始终存在,人流队列的长度呈正态分布、位置随机出现、组成人员呈现动态组合。用社会力模型分析自组织现象,指出自组织现象源自人员的社会心理作用和人员之间的相互作用。认为在对向行走的人流中,同向人流以队列方式行走,是一种速度最快、阻力最小、伤害最小、最合理的行走方式。

关键词:自组织现象;社会力模型;AnyLogic中图分类号:X913.4,B845.6 文献标志码:A文章编号:1009-0029(2010)09-0745-04

通过研究这种人流的自组织现象,理解人员行走过程中的各种决定因素,从而为分析紧急状态下的人员疏散过程提供认识基础。

在日常生活中可以观察到一个有趣的现象:在街道、通道中随意行走的人们,会根据行走方向自然形成一股一股的人流,见图1所示。每一股人流的长短、宽窄都是随机的、瞬时出现的。这就是人流的自组织现象。笔者 (5)材料在阴燃过程中发生热解反应,不断产生可燃气体,在一定条件下析出的可燃气体在边界层中被点燃,形成火焰。从根本上说,影响可燃气点燃有3个方面的因素,一是边界层中可燃气的浓度,二是边界层中氧气的浓度,三是边界层中传热实现点火能的传递。

参考文献:

[1]WeiminSun,ReenWu,JeroldALast.Effectsofexposuretoenv-i

ronmentaltobaccosmokeonahumantracheobronchialepithelialcellline[J].Toxicology,1995,100(1-3):163-174.

[2]AyakoSawada,TsubasaHigashino,TakashiOyabu,etal.Gas

sensorcharacteristicsforsmolderingfirecausedbyacigarettesmokeSensorsandActuatorsB.[J].Chemical,2008,130(1):88-93.[3]林松.阴燃火灾的调查[J].消防科学与技术,2006,25(4):560-562.

[4]刘建勇,杨展,赵侠,等.软体家具燃烧性能评价方法概述[J].消防

科学与技术,2009,28(12):889-893.

图1 人流的自组织现象

目前,除了用社会力模型之外,一般的疏散模拟软件都难以模拟人流的自组织现象。AnyLogic是一个基于社会力模型的商业软件,笔者利用AnyLogic软件模拟并

GEMing-hui1,QIWu-qin1

(1.TianjinKeyLaboratoryofRefrigeration,SchoolofMechanicalEngineering,

TianjinUniversityofCommerce,

Tianjin300134,China;2.TianjinFireResearchInstituteofMPS,Tianjin300381,China)

Abstract:Studytheignitioncharacteristicsofcigarettefireby

experimentsofignitingseveralcommonhouseholditems,andgetthefollowingconclusions:Thoughthetemperatureofciga-rettefireishigh,flameburningisnotnecessarily,andtheremayonlybetraceofcarbonizationorsustainedsmoldering;whetherthematerialhavethermalstoragecapacitydependsnotonlyonthecombustioncharacteristicsofmaterialitself,buta-l

soonthespecificissues;thermalstoragematerialmaynotnec-essarilybelitbythecigarettefire;smolderingreactionisrela-tivelyslow,resultinginmoretoxicgases,noflame,longincu-bationperiod,andisdifficulttodetect.

Keywords:cigarettefire;smoldering;thermalstorage

Experimentalstudyofthecigarette

ignitioncharacteristic

LIUWan-fu1,WANGJian-wei1,ZHAOL-izeng,WANXiang-ming,

基金项目:国家/十一五0科技支撑计划项目(2006BAJ03A03-10)消防科学与技术2010年9月第29卷第9期

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1

作者简介:刘万福(1963-),男,山西太原人,天津

商业大学教授,博士,主要从事火灾安全方面的研究,天津市北辰区津霸公路东口,300134。

收稿日期:2010-05-28

745分析了人流的自组织现象。AnyLogic是一种创新的建模工具,它是基于过去十年内建模科学和信息技术中出现的最新进展而创建的。该软件的特点为:(1)更快速地创建可视化的、灵活的、可扩展的、可重复使用的活动对象,这些活动对象既可以是标准对象或自定义对象,也可以是Java对象。(2)通过使用多重建模方法,更精确地建模和捕捉更多的事件,并针对特定问题对这些事件进行联合和调整。(3)在建模环境中可以直接使用一组优秀的分析和优化工具。(4)轻松有效地将AnyLogic开放式体系结构模型与办公或企业软件,包括电子表格、数据库、ERP和CRM系统等集成起来,或将模型直接嵌入到实时运行环境中。(5)当现实世界中的系统发生变化时,通过对模型进行维护,增长了模型的寿命周期。1 模拟人流的自组织现象

模拟中采用一条长100m、宽10m的假想直通道。两股人流分别由通道两侧同时进入通道。行人流量设定为3000人/h。人员由圆点表示,直径为0.4~0.5m,自由行走速度为0.5~1.0m/s。黑色圆点表示自右向左行走的人员,灰色圆点表示自左向右行走的人员。模型结构图如图2所示。

pedSink位于流程设置的末端,用于设定人流消失的位置。数字表示到达出口的人数。

模拟结果显示,1.18min时,右侧入口进入行人45人,滞留在通道中的有45人,有0人到达左侧出口;左侧入口进入行人73人,滞留在通道中的有73人,有0人到达右侧出口。通道内共有直流行人118人,见图3(a)。3.32min时,右侧入口进入行人127人,滞留在通道中的有102人,有25人到达左侧出口;左侧入口进入行人170人,滞留在通道中的有128人,有42人到达右侧出口。通道内共有直流行人230人,通道内平均密度0.230人/m2,见图3(b)。10.3min时,右侧入口进入行人495人,滞留在通道中的有138人,有357人到达左侧出口;左侧入口进入行人552人,滞留在通道中的有137人,有415人到达右侧出口。通道内共有直流行人275人,通道内平均密度0.275人/m2,见图3(c)。30.16min时,右侧入口进入行人1502人,滞留在通道中118人,1384人到达左侧出口;左侧入口进入行人1580人,滞留在通道中134人,有1446人到达右侧出口。通道内共有直流行人252人,通道内平均密度0.252人/m2,见图3(d)。

图2 模型流程图

pedConfiguration的作用是定义与行人模拟模型相关的各种参数,主要参数有:运算时间步长(Timestep)、模型内的物体尺寸比例(Animationscale)、行人的示意图形(Renderpedas)等。pedConfiguration下方的数字表示模型中行人的数量。

PedGround的作用是表示行人所行走的/面0,主要参数有:墙(wall)、行人对墙的容忍距离(Wallstouchto-lerance)、附加约束(Additionalties)等。PedGround下方的数字表示模型的行人总数。

pedSource位于流程设置的开始端,表示有行人流出现,主要用来定义人流出现的位置、到达比率(Arrivalrate)、到达间隔(interarrivaltime)、人流行走的目的地(Target)、行走路线等。pedSource下方的数字表示从这个入口进入的行人总数。

pedGoTo用于设定行人行走的流程,可以定义行人的行走目标(Target)、路线选择方式(Pathchoicemode)、行走路线(Path)等。pedGoTo左边的数字表示从入口进入通道的人员总数,下方的数字表示通道的滞留人数,右边的数字表示到达出口的行人总数。

图3 通道内人员分布

图4的模拟结果清晰地模拟了人流的自组织现象。模拟结果显示了几个特点:

(1)该次模拟人员密度在0.230~0.275人/m2之间,人员可以较为顺畅地对向行走,这也是日常生活中常见的一种密度分布。

(2)自对向行走的人流充分交汇后,人流的自组织现象以人流队列的方式始终存在。

(3)在该人流密度分布之下,人流队列的长度分布近似于正态分布,多数人流队列长度为3、4个人,但最长队列达到9个人,如图3(b)、(d);最短的队列为2人。

(4)人流队列出现位置、区域呈随机分布,表现为各个位置、各个时刻均有可能出现队列。

(5)人流队列的组成呈现动态组合,同一队列并非自始至终存在,存在过程中其长度、组成人员也动态变化。

FireScienceandTechnology,September2010,Vol29,No.9

7462 用社会力模型解释人流的自组织现象

单个行人如果逆着人流行走,会感觉很吃力,会频繁地受到来自各个方向的碰撞、挤压,难以移动。因此,大多数人会产生一个内在的动力,希望避开逆行的人流,走在同方向的人流里。这个心理预期导致对向而行的人流产生了随机而明显的分化现象。人流的人数越多、持续时间越长,这个心理预期所导致的分化作用也越明显。人员的数量和速度,影响了每一股人流的具体分布形态。社会力模型可以很好地解释这个现象。

所谓社会力指行人个体之间以及行人与障碍物及其他建筑结构(门、墙)之间的非线性作用。社会力模型(SocialForceModel)是最老的也是应用最广泛的连续空间模型,连续性模型不需要对计算域进行离散化,它可以给出真实的行人踪迹。社会力模型基于多粒子自驱动系统的框架,假定组成人群的个体具有思考和对周围环境做出反应的能力,把人的主观愿望、人和人之间的相互关系以及人与环境之间的相互影响用社会力的概念来描述,采用一般的力学模型模拟步行者恐慌时的拥挤动力学,见图4所示。社会力的作用将引起人员个体的行为改变,进而可模拟人员的个体行为特征。

社会心理作用力的表示方法:在某一时刻t,疏散人

0

员期望以速率为M方向为e0i(t)、i(t)的速度尽快疏散到安0全区。期望速率Mi(t)的大小与疏散人员所处环境的安全

程度有关,环境越危险,疏散人员的期望速率越大,每个疏散人员具有不同的最大期望速率。期望方向ei(t)与安全出口的方位、火灾蔓延趋势以及烟气扩散情况有关,一般来说指向安全出口并远离危险区域的方向。

疏散人员实际的疏散速度Mi(t)的大小一般小于其期望速率Mi(t),因此,该疏散人员期望在特征加速时间Si

0内加速到M则该时刻疏散人员i的社会心理作用力i(t)。

0

0

fi0(t)可表示为式(1):

00

Mi(t)ei(t)-Mi(t)

fi0(t)=mi

Si

(1)

在疏散过程中,疏散人员同样会受到其心理作用范围之内的其他人员以及建筑物的物理影响。

通常情况下,为了达到最快的疏散速度,人与人之间将尽量避免身体接触,从而在法向上形成心理排斥力。假设疏散人员j在疏散人员i的心理作用范围内,则疏散人员i产生的心理排斥力的方向为nij,大小与两者之间的质心距离dij以及两者之间的半径之和Rij=Ri+Rj的大小有关。此情况受力见图5,计算公式见式(2)。

图4 人员行为改变过程示意图

社会力模型认为人的行为具有以下4个特点:(1)行人希望尽可能自然地跨越一段距离。因此,他会选择一条尽可能短的路径抵达目的地。

(2)人的行为会受到其它行人的影响。与陌生人过近,会令人不安;同样地,人们通常也会与建筑物边界、墙壁、障碍物等保持一定的距离,离得过近,有可能擦伤或者碰伤。当行人前方有事物(另一个人或者物体时),会减小速度避免相撞,以保证自己的安全。两人相向运动时这种现象更明显。

(3)行人有时候会被其他人(例如熟人、家庭成员)、物体(例如个人物品、喜爱的商品)、事件(例如争端、公告板)等吸引,这就是人群形成的内在机制。

(4)在没有阻碍的情况下,行人会自动地加速到期望速度。必须注意到,不同情况下行人有不同的期望速度。

根据社会力的概念,质量为mi的疏散人员i将受到社会心理和物理环境的双重作用。

消防科学与技术2010年9月第29卷第9期

图5 人员之间的排斥力

f

ij

=Aiexp[(Rij-dij)/Bi](2)

式中:Ai为疏散人员的标称心理排斥力,即当dij=Rij时疏散人员i的心理排斥力,N;Bi为人体临界压缩量,m。

当大量人员同时疏散,在安全通道或者安全出口附近形成堆积时,人与人之间的身体接触将不可避免,甚至会出现相互推搡和挤压,这种推搡和挤压会带来法向nij方向上的弹性排斥力和切向tij方向上的滑动摩擦力。疏

v

散人员i受疏散人员j的滑动摩擦力的大小与两者切向

t速率差$Mi成正比,方向与两者切向相对速度方向相反。

此情况受力如图6所示。

法向方向受力计算公式见式(3):

Aiexp[(Rij-dij)/Bi]+K(Rij-dij)

式中:K为人体弹性系数,N/m。

切向方向受力计算公式见式(4):

l

k(Rij-dij)$Mij

(3)

(4)

747现象,并通过社会力模型计算公式揭示其形成原因。同样地,日常生活中还存在一些其他的行人流现象,如/快即是慢0、从众现象、/热凝固0等,都可以通过社会力模型模拟、解释。社会力模型作为一种复杂的疏散模型,是一种新兴的计算方法。国际上对社会力模型的研究与开发正逐步成为一个方向。国内学者应深入研究模型的理论、改进模型的算法,并将之应用于行人动力学的研究。

图6 人员之间的排斥力和摩擦力

参考文献:

2

式中:k是人体相对速度差摩擦系数,N#s/m。

将以上两种情况的受力综合考虑,疏散人员j对疏散人员i的作用力可表述为式(5):

fij

[1]DirkHelbing,P.eterMoln.ar.Socialforcemodelforpedestrian

dynamics[J].PhysRevE,1995,51(5):4282-4286.

[2]MAPEL,KTWALDEER.Simulationofpedestrianflowsbased

onthesocialforcemodelusingtheverletlinkcellalgorithm[D].Poznan:PoznanUniversityofTechnology,2004.

[3]DirkHelbing,IllesJFarkas,PeterMolnar,etal.Simulationof

pedestriancrowdsinnormalandevacuationsituations[J].Pedestr-ianandEvacuationDynamics,2002:21-58.

={Aiexp[(Rij-dij)/Bi]+Kg(Rij-dij)}nij+

y

l

kg(Rij-dij)$Mijtij

l

ij

y

(5)

式中:$M=(Mj-Mi)#tij;当x<0时,g(x)=0,当x>0时,g(x)=x。

与之类似,疏散人员i受到第w个墙或者障碍物的作用力表示为式(6):

f

iw

={Aiexp[(Ri-diw)/Bi]+Kg(Ri-diw)}niw+

(6)

Simulationandanalysisofself-organized

pedestrianphenomenabasedon

socialforcemodel

WANHao,XIAOZe-nan

(1.

NanchangFireDetachment,

1

2

t

kg(Ri-diw)$Miwtiw

综合疏散人员的社会心理作用力fi0(t)、人员相互作用力fij,以及人与墙或人与障碍物的作用力fiw,同时考虑到疏散人员i心理作用范围内的其他人员或障碍物不止一个,社会力模型中人员实际疏散速度变化的动力学方程见式(7):

00

dMMii(t)ei(t)-Mi(t)mi=mi+dtSi

iX1

JiangxiNanchang

330009,China;2,InstituteofBuildingFireResearch,ChinaAcademyofBuildingResearch,Beijing100013,China)Abstract:Theself-organizedpedestrianpheromonewhenpedes-triansarewalkinginoppositedirectionsisintroduced.Utilizing

2f

ij

+

2f

w

iw

(7)

thesoftwareAnyLogic,webuildafictitiouspassagetosimulatetwopedestriancrowdsenteringthepassagefromtwoterminalssynchronously.Theresultindicatesthatatsufficientlyhighdensities,theself-organizedphenomenaalwaysexists,andthelengthoflanesfollownormaldistribution;thepositionoflanesisstochastic;andthepeoplecomposedthelanesaredynamic.Utilizingsocialforcemodeltoanalyzethephenomena,webe-lievethatthephenomenaisaresultofsocialpsychologyandin-teractionbetweenpeople.Itisconcludedthatwhenpedestrianswalkinoppositedirections,forminglanesofuniformwalkingdirectionmaybethemostreasonablewalkingmodewiththefas-testspeed,thesmallestresistance,andtheleastinjury.Keywords:self-organizedpheromone;socialforcemodel;Any-logic

疏散人员在时刻t的物理位置ri(t)由速度Mi(t)以及人员的初始位置r0给出,见式(8):

ri(t)-r0=

M(t)dt󰀁0ii

(8)

根据社会力模型,人流自组织现象的内在成因为人员的社会心理作用力fi0(t)和人员相互作用力fij。对向行走的人流,相对速度远大于同向行走的人流,产生的切向摩擦力要大的多;同时,对向行走的人流将不得不降低期望速率M(t);相反,同向行走的人流,特别是以沿着行走方向形成队列的方式行走,切向摩擦力可能低至0,排斥力也较小,队列中位置居前的行人的移动会给后面的人员提供更大的移动空间,带来较高的行走速度。由此可见,同向行走的人流以队列的形式行走,是一种速度最快、阻力最小、伤害最小、最合理的行走方式,这就是自组织现象产生的根源。3 总 结

人员的自组织现象是日常生活中常见的行走模式。笔者采用基于社会力模型的AnyLogic软件模拟了这一

0

i

作者简介:万 灏(1972-),男,江西南昌人,南昌市消防支队防火处处长,高级工程师,主要从事建筑防火和消防监督管理工作,江西省南昌市红谷滩新区丽景路777号,330009。

收稿日期:2010-06-19

FireScienceandTechnology,September2010,Vol29,No.9

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