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1、基于元胞自动机的行人流楼道疏散仿真研究!!!周金旺刘慕仁孔令江85*基于元胞自动机的行人流楼道疏散仿真研究周金旺刘慕仁孔令江(广西师范大学桂林541004)摘要根据行人运动的实际特点,提出了一种概率型元胞自动机疏散模型,对某教学楼层楼道疏散过程进行了模拟仿真,研究了楼道宽度对疏散过程的影响,多次仿真结果表明,该模型能够较好地再现行人疏散过程;楼道宽度对疏散过程有较大的影响,但随着楼道宽度的增大,对疏散时间的影响越来越小。关键词元胞自动机;行人交通;疏散;计算机仿真中图分类号:TP301文献
2、标志码:A近年来,火灾、地震、有害物质泄露等紧急情况时有发生,使得人们越来越关注对行人安全疏散的研究。行人流是由相互作用的行人构成的多主体复杂系统,行人之间具有较强的非线性相互作用,人员疏散是一个极为复杂的过程。行人的成功疏散是保证人员安全的重要手段。由于实际演练操作较难实现,且准确性不足,因此,计算机仿真成为了人员疏散研究的主要手段。目前,用图1行人运动方向示意图[1]来模拟行人流的模型主要有社会力模型、格子[4]一般情况下,行人的平均速度为1.0m/s,[2][39]气模型、及元胞自动机模型。3种
3、模型中,在紧急情况下,会达到1.5m/s甚至更大。行人由于元胞自动机更易于计算机模拟运算,因此更移动一格所需时间步长(时步)t=0.4s,对应多地被应用于行人流疏散的模拟研究。的实际速度v=1.0m/s或v=2m/s,即本文中本文提出了一种概率型元胞自动机行人疏散行人具有2种不同的运动速度。微观模型,对特殊情景下的人员疏散进行了计算1.2行人运动规则建模机仿真研究。得到的结果对紧急情况下的行人安本文研究的是楼道中行人的疏散过程,以全疏散和建筑物的设计都具有一定的指导意义和(i,j)表示格点所在位置(其中j为
4、出口方向坐实用价值。标),n(i,j)=1表示该格点被行人占据;n(i,j)=1楼道疏散元胞自动机模型0表示该格点为空,分别用PSL,PSR,PL,PR,PS,PB表示行人向左上方、右下方、左方、右方、1.1元胞自动机建模思想静止等待和后退的概率,每一时步,行人按如下确本文模型建立在二维元胞自动机上,将建筑定的步骤运动:物平面均匀地划分成大小相等的正方形网格,每1)若房间与楼道连接处格点为空,则行人从个格点相当于一个元胞,格点或被行人(建筑物)[2]房间进入楼道。占据或为空,大小取0.4m0.4m。行人
5、根据2)对楼道中的所有行人进行随机编号,行人其邻域内各格点的状态来决定下一时步的运动情(位置为(i,j))按照编好的顺序依次按以下步骤况。采用扩展的VonNeumann邻居,假设行人进行位置更新。向右运动,行人可以向6个方向运动,如图1所示。3)行人以(1-n(i,j+1))的概率移动到前收稿日期:20081009方,行人移动不成功,转向下一步,否则转向步骤*国家自然科学基金项目(批准号:10562001,7。10762005)、广西研究生教育创新计划项目(批准号:4)行人分别以(1-n(i-1,
6、j+1))PSL和2008106020711M239)资助(1-n(i+1,j+1))PSR的概率移动到左上方和右86交通信息与安全2009年第2期第27卷总147期下方,考虑到大多数人在前进中要超过前方行人为了消除系统随机性对计算结果的影响,在时总是靠左侧走的习惯,取PSL=2PSR=0.6,行计算机上模拟运测30次,再从30组数据中随机人移动不成功,转向下一步,否则转向步骤7。的选取20组数据求其平均值作得到最后的结果,5)行人以不同的概率向左方或右方移动,若数值模拟如图3~8所示。n(i-1,j)
7、=0,n(i+1,j)=0,PL=PR=0.4,PS图3给出了行人在楼道疏散过程中出现的4=0.2;若n(i-1,j)=1,n(i+1,j)=0,PR=0.8,个典型状态,再现了整个疏散过程。PS=0.2;若n(i-1,j)=0,n(i+1,j)=1,PL=0.8,PS=0.2;行人移动不成功,转向下一步,否则转向步骤7。6)n(i-1,j)=1,n(i+1,j)=1,若n(i,j-1)=0,PB=0.2,PS=0.8;若n(i,j-1)=1,PS=1.0,转向步骤7。7)对于走出楼道的行人将自动从系统中除
8、图3楼道疏散过程中不同时刻出现的典型状态去。图4和图5分别为楼道中行人数目和行人平8)所有行人位置更新完毕,进入转向步骤1均速度随时间的变化关系图。重复按以上规则运动,直到系统中所有行人走出楼道,行人安全疏散完成。2模拟仿真应用实例以某教学楼楼层为例,对楼道中的行人疏散过程进行模拟研究。图2为教学楼层的平面简图,楼道长宽为40m2m,楼道两边是教室,2图4楼道中行人数目随时间的变化间大教室长
