人群疏散中自组织行为仿真研究

摘要

近年来，随着社会经济迅速发展，公共场所内经常出现大规模人群聚集现象，为规避拥塞事件出现，减少生命财产损失，通过仿真手段模拟研究人群疏散的行为规律，为研究紧急情况下的人群疏散提供了良好的解决方案。而在对人群行为的运动仿真的研究中，人群的成群结队行为是不可忽略的研究内容。一方面，真实的疏散过程中，并不是所有的行人都知道场景的完整出口信息，在并不能完全了解疏散路径的情况下，疏散过程中的个体行为极易受到外界人群行为的影响，自身判断与行为表现出符合公众行为的状态，只有极少数的行人保持了运动独立性，由于从众心理更易引发人群在疏散过程中人群自组织的从众抱团现象。另一方面，研究表明，行人在道路拥挤、不能随心所欲的疏散情况下，更趋向于选择聪明的群体行动方式，使得行人能够实现各种自组织集群行为。因此在人群疏散仿真中，不只要考虑单独个体的自主行为，同时也需要了解因从众心理等因素引起的自组织团体集体疏散行为特性与机理，才能为疏散过程中人群的行为模拟提供一定理论上的支持。 目前在已有的对人群集群行为的研究中，已有模型通过添加吸引力来模拟人群聚集现象，计算量大且聚集过程缓慢，疏散效果上只能完成相对松散的模拟。同时在有明确引领的群组中，引领人员与其余群组成员被同等对待，未能显示出其运动过程中的特殊性，引领者的作用没能最大化。 针对目前人群自组织行为仿真研究中存在的问题，本文以人群中的自组织集群现象作为主要研究对象开展研究。首先，本文系统的研究了真实疏散视频中行人的自组织行为，研究发现，人群疏散过程中人群受视线等因素的影响，会自发的聚集成自组织群组；同时，在自组织群组中存在着引领人员，行走在群组前方的引领人员往往影响着整个群组的运动状态。在社会力模型的基础上，本文进一步提出了双层社会力模型，模拟了自组织群组产生、疏散及消亡流程。同时双层社会力模型也为疏散仿真与大数据分析结合提供了可能，本文采用基于实例的学习方法，通过对已有疏散参数提取，寻找疏散过程中没能充分利用的路径，为人群疏散仿真提供指导。最后，构建了完整的自组织群组仿真平台，并通过与真实地震视频下的疏散过程中人群自组织行为对比，对本文模型进行了充分的实验验证。 本文的主要工作及创新点概括如下： (1) 提出了一种双层社会力模型用于实现自组织群组的聚集行为模拟。双层社会力模型以引领作为出口与群组成员之间的纽带，将引领者的作用最大化。在不添加新作用力的情况下实现了行人的快速聚集、局部紧密疏散等自组织行为。同时在双层社会力模型基础上，充分考虑出口处视线制约与引领离开房间后无引领可选等因素，提出了临时引领转换算法。当引领人员离开当前房间后，群组成员重新选取临时引领人员，使得模型可以满足更复杂的疏散情景。 (2) 提出了一种离散行人向自组织群组动态汇聚的方法。通过对真实疏散过程的分析，提出了一种包含离散行人的群组划分方法。同时充分考虑疏散过程中离散行人的从众心理等因素，提出了离散行人动态汇聚方法，模拟了离散行人动态的选择群组聚合、跟随的效果。 (3) 提出了一种结合基于实例的学习与双层社会力模型的路径规划方法。改进后的双层社会力模型为疏散仿真与大数据分析的结合提供了可能。本文采用基于实例的学习与双层社会力模型相结合的路径指导方法，降低了在疏散过程中因视线受阻等因素引发行人滞留现象出现的可能性，提高了行人通行率。 最后，在本文工作的基础上，进一步完善了仿真系统，并在系统及平台中进行仿真实验，对疏散仿真效果进行分析与研究。通过仿真实验，真实的再现了自组织群组的聚集、跟随、消亡过程，同时对比真实人群的运动行为特性，能够验证本文所提出的方法能够逼真地模拟真实人群的自组织行为，对于未来研究人群行为特性分析以及针对不同场景提供高效疏散方案具有较高参考价值和应用价值。

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摘 要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 群体智能模型

1.2.2 自组织理论研究

1.2.3 路径规划与控制干预

1.3 人群自组织疏散仿真中存在的问题

1.4 本文主要研究内容和创新点

1.5 论文组织结构

第二章 人群自组织现象研究

2.1 引言

2.2 行人组成分析

2.2.1 广场疏散过程

2.2.2 房间内疏散过程

2.2.3 数据量化分析

2.3 自组织群组的形状分析

2.4 自组织群组的流程分析

2.5 本章小结

第三章 双层社会力模型

3.1 引言

3.2 社会力模型基本原理

3.3 双层社会力模型

3.3.1 群组划分与引领选取

3.3.2 群组成员运动模型

3.3.3 离散行人运动模型

3.3.4 引领者运动模型

3.4 双层社会力模型模拟自组织群组实例

3.4.1 群组形态分析

3.4.2 引领转换机制及离散行人动态汇聚到组分析

3.4.3 双层社会力模型效率对比

3.5 本章小结

第四章 基于实例学习的路径优化方法

4.1 引言

4.2 基于实例学习的路径规划方法

4.2.1 信息提取

4.2.2 场景信息与路径信息分割

4.2.3 实例的类比推理

4.2.4 路径信息相似度匹配

4.3 基于实例学习的路径规划指导的双层社会力模型应用实例

4.4 本章小结

第五章 群组自组织仿真系统的实现

5.1 引言

5.2 仿真系统结构与功能

5.3 模型性能分析

5.3.1 引领者个数对疏散效率的影响

5.3.2 简单场景下人群自组织群组现象研究

5.3.3 真实场景下文本模型有效性研究

5.3.4 障碍物场景下有路径指导的人群自组织行为安全性研究

5.3.5 自组织群组的消亡性分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的主要成果

致 谢