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原文传递行人相向流和进入流的实验与模型研究

论文题名：	行人相向流和进入流的实验与模型研究
关键词：	行人流;元胞自动机;拥挤堵塞;排队规则;交通设施
摘要：	随着社会的发展和人民生活水平的提高，城市中涌现出了越来越多的大型公共建筑，建筑结构越来越复杂，如大型广场、购物中心、地铁、火车站和飞机场等，大量人群聚集的机会也相应增多，从日常的外出购物，到大型体育盛会和音乐节，再到大型的宗教仪式等，时常发生拥挤堵塞的现象。当发生紧急情况时，容易出现拥挤踩踏事件，造成重大的人员伤亡和财产损失。其中，相向行人流经常出现在我们的日常生活中，如人行横道、超市和地铁通道等行人交通设施内。关于相向行人流的研究可以为行人交通设施的设计和改造提供科学的建议，包括如何提高设施的通行能力，避免出现人群的过度拥挤。与疏散这种行人流相对应的是行人进入流，即行人进入电梯、地铁和公交车等设施内部的现象，这种行人进入设施内部的过程也是非常普遍。当行人密度过高，进入和分布不规则时，尤其是同时存在行人进入和出去的相向行人流时，容易引起拥挤踩踏，需要引起重视。因此，研究行人相向流和进入流具有极其重要的社会意义。　　为了探讨行人相向流和进入流的运动和分布规律，本文开展了行人流实验和模型研究。首先开展了通道内相向行人流的实验研究，研究了不同瓶颈宽度和行人流方向比例对行人运动的影响。实验中出现了明显的行人分层现象，分析发现行人流分层现象是一种自组织行为，与瓶颈内的初始行人分布有关，行人具有明显的跟随同向行人并避开反向行人的倾向。研究发现，瓶颈宽度会对分层数目产生影响，但行人流方向比例对行人分层影响不明显。实验获得了高密度下的速度-密度关系，丰富了行人流的基本数据库。瓶颈宽度对行人流密度分布范围影响较大，发现并不是瓶颈宽度越窄，行人越拥挤，一个较大的瓶颈宽度可能造成更高的密度分布，这与瓶颈宽度对行人分层数目产生的影响有关，在一个较大的瓶颈宽度下产生了更多的行人分层，导致行人更加拥挤，密度更大，这为行人交通设施的设计提供了参考，并不是道路越宽，通行效率就会越高，合理的设计不仅会降低行人拥挤还可节约资源。　　本文根据实验总结的行人运动特性以及前人研究成果建立了相向行人流模型，该模型考虑了行人的感知区域、碰撞规避、跟随、位置互换等常见相向行人流特性。首先利用经典的行人基本图对模型进行了验证，然后利用建立的相向流模型研究了通道内不同布局的障碍物对相向行人流的疏散影响。通过模拟发现不同布局的行人交通设施具有不同的通行能力，一些不合理的设计极易导致行人的拥堵，影响行人的正常行走，而合理的设计反而能提高通行能力，减少拥挤程度。　　行人进入流，是和常见的疏散过程相对应的一种行人流过程。它描述的是行人从室外空间运动到有限空间内，并在空间内分布和稳定的过程，如行人进入电梯、公交车的过程。为了研究行人进入流过程的特点，我们分别开展了正方形房间和存在单独出入口的房间的行人进入流实验。在正方形房间实验中，研究首先获得了行人进入流的一般性规律，包括行人进入流的过程、时间、速度和空间分布等特征。通过分析稳定状态下房间内行人的空间分布发现行人会尽量避免选择正对入口的区域，从而使得入口前存在一片空白区域，在人数不是过大的情况下，行人在房间内的分布并不是均匀分布或随机分布的，而是有着明显靠近边界分布的特征。随后，研究了一些特殊规则下行人的进入流过程的特征。在进入房间的过程中选择适当的排队规则，比如随入口宽度选择合适的排队数目，可以保证行人进入流过程的安全有序，而且还可以保持较高的通行能力。针对行人在进入时可能会同时考虑出去过程的情况，和正常情况下的行人进入流过程进行了对比，发现行人偏向边界分布的趋势不明显，而是向出入口处拥挤。在视野受限情况下，行人的进入流过程也会受到很大影响，行人的运动速度会明显降低，入口处的行人通行效率也有着明显降低，而且行人在房间内的分布更加随机。在行人进入流过程中设置了三种不同的障碍物布局，发现正对入口设置障碍物会在一定程度上降低行人进入的通行效率，尤其应避免在入口中间设置障碍物。通过设置三种不同进出规则的行人相向流实验，分析了进出规则对行人进入流以及出去过程的影响。对比发现，“同时进出”规则对行人进入流和出去流过程都有明显的影响，使得相向行人流存在一定的冲突竞争，行人不能保持通行的连续性，降低了行人进入流效率。而在“先出后进”规则使得相向流存在时间分隔，避免了出入口处通行效率的降低。　　在存在单独出入口的房间的行人进入流实验中，研究发现，行人进入房间以后的分布也是不均匀的，行人会在房间的中间位置聚集分布。行人在分布的过程中受到入口和出口位置的影响，同时会受到行人之间的空间关系的影响，即行人会倾向于选择靠近出口，又会和周围行人保持一定的距离。在日常生活中可能存在一些惰性行人，他们在进入行人交通设施后由于惰性等因素选择随意停靠。研究发现，惰性行人的存在会对行人进入和出去以及分布过程产生显著影响。最后，为行人交通设施的运营管理提供了实际建议。
作者：	刘晓栋
专业：	安全科学与工程
导师：	宋卫国
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国科学技术大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文