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原文传递通道中单向与相向行人流运动特征的实验研究

论文题名：	通道中单向与相向行人流运动特征的实验研究
关键词：	行人动力学;单向行人流;相向行人流;运动特征
摘要：	随着世界各国城镇化建设的不断推进，城市人口占总人口的比重逐年升高。面对公共交通设施内日益频繁的拥挤现象以及大规模人群集会中的踩踏事故，有必要对行人动力学进行深入研究以更好地实施人群管控，保证行人出行和集会时的舒适性和安全性。单向与相向行人流是日常生活中最常见的运动形式，基于当前研究现状，开展了直角转弯处、楼梯上和包含两人群组的单向与相向行人流运动实验。通过提取行人运动轨迹，系统地研究了这三个场景中行人在宏观与微观层面上的运动特征。　　首先，研究了不同密度下单向与相向行人流穿过一个直角转弯通道时的运动特征，得到了基本图、时空图、转弯处速度和角速度变化等定量结果。与类似场景下的德国实验进行对比，发现密度较高时德国行人的运动速度小于中国行人。根据时空图，行人在转弯处会出现压缩现象。随着通道内密度的升高，越来越多的人开始肩并肩行走，导致更多行人只能沿外侧运动，因此压缩现象会减弱。与单向运动相比，相向运动中由于行人的相互避让及分层现象，压缩现象会表现得更弱一些，甚至会在高密度下由于拥挤和堵塞的出现而基本消失。实验中单向运动的最大压缩率为53％，而相向运动则为24％。通过速度与位置的关系，对转弯的瓶颈效应进行了量化。在大多数情况下，当行人靠近转弯区域时速度都会发生下降。通过一个大小与行人迈步频率有关的时间窗口，滤除了头部轨迹中的摆动，得到了整个运动过程中行人角速度的变化规律。角速度随位置的变化曲线具有明显的对称性，其峰值出现在转弯区域。在单向运动中，密度升高时，由于内侧行人受到的限制增强，峰值处的形状会由平的转变为凸起的。在相向运动中，一般来说行人层越处于内侧，转弯处对应的角速度值越大。　　接着，研究了不同比例系数下相向行人流穿过一个楼梯直通道的运动特征（这里的比例系数被定义为下楼行人数量与实验总参与人数的比值），得到了基本图、碰撞时间和拥挤程度等定量结果。由于需要额外克服重力做功，上楼行人的平均水平穿越速度总是小于下楼人群。提取并对比了楼梯完全相向运动、上楼运动和下楼运动状态下的基本图，发现完全相向运动的基本图位于上下楼基本图的下方，这说明当通道中存在相向运动时通行效率会变低。通过计算碰撞时间，量化了不同比例系数和不同运动状态下行人冲突的剧烈程度。当两侧行人数量越接近时，个人碰撞时间的均值越小，并在比例系数为0.5时达到最小值2.93s。完全相向运动时通道内密度最高，速度方向也最为混乱，因此碰撞时间（均值为2.61s）小于单向运动（上楼与下楼运动的均值分别为5.35s和7.66s）。与上楼运动相比，下楼运动过程中速度分散性更小，因此碰撞发生得更温和，甚至更少，使碰撞时间的均值更高。由于实验过程中稳定分层现象的出现，同向行人间的冲突次数总是多于反向行人间的冲突次数。不同比例系数下旋度范围、拥挤程度和人群危险度的数值与个人碰撞时间的结果相呼应，当上下楼人数相等时对应的均值最高(分别为5.21s-1，11.68m-1和28.84m-3)，说明此时的楼梯运动是最危险的。　　最后，研究了包含两人群组的单向与相向行人流在一个封闭环形通道内的运动特征，观察到了两人群组的典型避障行为，得到了基本图、拥挤程度和群组特征等定量结果。中低密度下两人群组的冲突可由一个群组成员来进行反应并解决，主要的避障模式可分为三种:与同伴靠得更近;旋转身体;调整与同伴的空间构型。虽然是在相同的全局密度下，但相向运动中能达到的局部密度更高。然而对比两者的基本图，在重叠的密度范围内并无明显差别。将本次实验的基本图与此前一个类似但仅包含单人的实验结果进行对比，发现当密度达到1.5人/m2时仅包含单人的基本图中流率更高，说明群组的存在会对单向与相向行人流产生负面影响。在拥挤程度和人群危险度与密度的关系中，相同密度下相向运动时的数值高于单向运动，并且随着密度的升高两者的差别会进一步扩大。在单向与相向运动中，全局密度对两群组成员空间相对位置分布的分散性的影响是相反的。在单向运动中，密度的升高会使群组的运动受限程度升高，因此分散性会降低。而在相向运动中，升高密度意味着会有更多的冲突和碰撞发生，此时群组需要更频繁地调整空间构型，因此分散性反而升高。　　考虑到本文仅进行了最为基础的可控实验研究，未来拟建立相应场景下的行人运动模型，并根据实验结果进行模型验证和参数校准。另外在保证安全的前提下，未来打算在这三个场景中开展更高密度的运动实验。
作者：	叶锐
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：	2020
正文语种：	中文