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原文传递基于改进社会力模型的行人复杂运动行为仿真研究

论文题名：	基于改进社会力模型的行人复杂运动行为仿真研究
关键词：	行人运动行为;社会力模型;恐慌状态
摘要：	在行人运动研究中广泛应用社会力模型开展研究，但是传统模型在描述恐慌人群的反应时仍存在诸多不足。本文在进行基于改进社会力模型的行人复杂运动行为仿真研究中，首先分析了传统社会力模型的基本原理，结合人群恐慌状态描述，总结了传统模型的局限。针对模型的局限，结合已有相关研究，对传统模型进行结构调整，引入恐慌系数以整合常态下和恐慌状态下的行人运动，并开展人群实验获取所需数据进行参数标定，以人头时距分布和误差统计量的指标选定备选参数集，再验证改进后模型的优化效果。最后选定行人仿真软件Vissim，基于改进模型对几种典型的行人复杂运动进行仿真研究，探究不同情况下的行人运动特性。本文的研究成果与主要结论包括以下几点: 　　1.对传统社会力模型进行结构解析，结合恐慌状态描述，总结了现有模型的局限，传统模型以牛顿第二定律的形式，通过行人自驱动力、行人间的心理排斥力以及行人与障碍物或墙体间的心理排斥力描述行人的加速度变化。传统模型在描述恐慌场景下的行人运动时存在不足，实际上行人个体模型应该是椭圆形表征，自驱动力中的期望速度也应满足一定的分布，而行人在恐慌下存在物理排斥力，力的作用是各向异性的，受力个体分析时也只考虑最邻近的几个施力个体。此外，在运用社会力模型模拟行人运动时，应利用实际数据对模型进行参数标定和效果验证。　　2.针对传统社会力模型的结构局限，改进了社会力模型。在模型结构上，引入描述恐慌程度的恐慌系数pp，行人的个体速度分布曲线、基于角度相关前因子的行人间物理排斥力、行人与障碍物或墙体间的物理排斥力以及最大影响源参数，完成了对模型结构的调整。结合已有研究和所需数据，开展人群疏散实验获取实验数据，以标定模型中涉及的行人类别参数，对于难以量化的、存在多个备选参数集的心理排斥力和物理排斥力强度系数，通过仿真数据与实验数据的人头时距分布对比、计算误差统计量F的方法，选取最优参数取值Apsy(i)=Apsy=3.3，Aphy(i)=Aphy=2.2，至此改进模型的全部参数标定完毕，并利用敏感性系数检验了模型参数对模型仿真应用结果的影响。最后利用改进模型与Viswalk默认采用的传统模型输出对应仿真结果，与实验数据比对，验证了改进模型能显著提高(t检验p值为0.002)恐慌状态下行人运动仿真的准确度（准确度提高约27％）。　　3.通过行人微观仿真软件Viswalk，运用研究提出的改进模型对行人复杂运动行为进行了仿真研究，探究了常态下和恐慌状态下行人的相关运动特性。遵循Viswalk一般仿真流程，先从行人的2D/3D模型分布和行走行为参数入手设定了行人类别参数，结合行人常态下和恐慌状态下的期望速度分布，确定了行人组成参数，然后根据不同要求绘制行人面域、障碍物和检测面域，确定仿真环境和仿真场景，输入行人流量和路径决策，最后运行仿真提取检测面域的行人平均运动速度数据、人群平均疏散时间数据以及人群的人头时距分布数据。在转向运动的研究中，仿真结果显示行人转向时会发生速度衰减，其衰减幅度与转向角度正相关;常态下随着转角增大转向后的速度逐渐回升至接近转向前的速度，恐慌状态下行人存在补偿心理，随着转角增大行人的转向后速度迅速回升甚至超过转向前速度;显著性检验还表明恐慌状态下小转向角度已经能对转向速度产生显著衰减，因此人流量大的场所需要更严谨地考虑其建筑设计。在汇流运动的研究中，仿真结果显示汇流时行人速度降低，降低量与汇流角度正相关;常态下汇流完成后速度小幅回升，汇流角度越大，汇流后速度回升幅度越大;恐慌状态下汇流完成后速度持续降低，随着汇流角度的增大，汇流后速度的降低幅度逐渐缩小;显著性检验表明模拟恐慌状态下，行人汇流速度在汇流角度大于60°时就会发生显著性衰减，因此对存在大量行人运动的场所，需更加严谨地考虑行人组织，其建筑设计也应该满足更高的标准。在瓶颈疏散运动的研究中，仿真结果显示常态下中间出口的疏散效率总体上优于角落出口，而恐慌状态下角落出口有更优的疏散效率;当近出口处放置有直径为1m的障碍物时，其摆放位置距离出口越远，瓶颈的疏散能力越小，而当障碍物直径为0.6m时，其摆放位置距出口越远，瓶颈疏散能力越大;不同状态下存在不同的最优出口设计，常态下中间出口、障碍物直径1m、距离出口0.8m的设计有着最优的瓶颈疏散能力，而恐慌状态下角落出口、障碍物直径0.6m、距离出口1.2m的设计有最优的疏散能力。
作者：	林浚恺
专业：	交通运输工程
导师：	叶智锐
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文