行人流运动中的组群特性及运动过程研究

Walking in social groups with family, friends or colleagues is common in the pedestrian flow at traffic, business, exhibition and teaching places. The high proportion of walking in groups and the complexity of structure, movement and behavior of groups make complicated affections on the movements of other individuals and even on the distribution of the whole crowd. Groups also change the safety and efficiency of evacuation of the crowd. .The project is aiming at the group-level movements and behaviors by methods of observing experiments and mathematical analysis on the social groups at rail transit stations, walkways and business centers, and on campuses. .The variation of group's pattern and functional zones in the group's private space will be studied as well as the dynamics of groups on the base of plentiful experimental data collection and analysis. And a spatial structure model for groups will be set up. .The intra-group behaviors and inter-group relationships will be studied as well as the movement process model to simulate the complicated and vivid behaviors of groups and their effects on the movement of the crowd..The conditions and processes for groups' aggregation are to be studied to explain the self-organization phenomena of the pedestrian flows on the group-level reasons and mechanisms..To describe the pattern variations, dynamics features and behavioral procedures, a set of group-level simulation models and group simulation techniques are to be developed..The outcomes of the project will make contributions in the organization and evacuation of pedestrian flows by supplying theoretical guidance and technical support.

在交通、商业、会展及教学等步行空间中成组出行占到了人群的很大比例，行人小组由于其构成、运动和行为的复杂性，对其他行人甚至人群的运动和分布产生复杂影响，改变了人群运动的安全性和疏散效率。本项目拟以轨道交通车站、步行道、商业区、校园等公共空间为背景，运用观察实验和数理分析等方法来研究人群中小组层面的行为。通过大量实验和观测数据的统计分析，了解小组的形态、私有空间功能区域的变化规律及动力学特性，建立小组空间结构理论模型；研究小组的各种组内和组间行为过程，建立小组运动过程模型，模拟小组的复杂微观行为过程及对人群运动的影响；研究组群聚合行为的发生条件和演化过程，以及对人群运动的复杂影响，解释人群运动自组织现象产生的小组层面原因和机理；针对小组形态、动力学特性和行为过程，建立面向小组层面的仿真模型，建立行人流的组群仿真技术。研究成果可以为提高人群组织的安全性和疏散效率提供科学依据和理论支持。

行人流由大量独立行人个体和大量行人组群融合而成，行人组群的构成和形态变化复杂，对人群的顺畅行走和紧急疏散都有很大影响。以往的研究往往通过观测和动力学模型对2-3人组形态和变化进行经验描述，尚未对更大规模组群结构及形态变化的本质规律进行深入研究。.本项目聚焦行人组结构转换、形态变化和运动，在对2-4人规模的简单组观测基础上，重点对5人以上复杂行人组群的运动开展了现场观测并设计了有针对性的实验来研究其结构、形态和运动中的基本规律。研究的主要成果有：一是提出基于元组的复合组多态性理论。大胆提出了较大规模行人组由有限种类的基本单元组合而成并存在结构和形态多态性的假设，并通过设计行人组形变压缩实验和开展更大规模人群的观测，验证了2-4人元组的存在以及2、3人元组是最稳定、最普遍的基本单元，总结出复合组的主要结构，发现复合组的多态性具有内生性以及与其他组群的交互性，是产生人群自组织行为的重要因素。二是完善了行人组私有空间几何模型。通过对自由流的观测和设计绕行实验测量了行人组私有空间的几何特征，提出行人组形态转换的三个控制变量：相邻成员间的个体距离、安全空间的短轴和舒适空间的半径，并测算了不同规模和结构行人组三个控制变量的数值，计算了简单组成员空间分布密度和分布概率。三是构建了基于关系矩阵的复合组形态变换模型。创新性地提出了简洁通用的复合组结构符号描述方法，用于描述复合组中各成员的空间位置和逻辑关系。引入关系矩阵对复合组成员位置分布和逻辑关系进行建模，在观测、实验基础上对不同规模复合组的成员关系矩阵规模及单元格占用率进行了标定，并结合行人私有空间几何模型提出了基于关系矩阵变换的复合组形态变换的规则，用改进社会力模型与相邻成员间的个体距离相结合建立驱动成员个体运动的方法，以行人组私有空间几何模型约束各元组成员的空间分布。四是形成了融合个体与组群的行人流运动仿真方法。建立了仿真流程框架，并在原有Stapass仿真软件的基础进行进一步开发，形成融合了个体与组群的行人流运动仿真功能，通过仿真实验初步研究了行人组群对行人流及人群组织、疏散的影响。.本项目提出和构建的基于元组的复合组多态性理论、行人组私有空间几何模型、基于关系矩阵的复合组形态变换模型是在行人组群研究中的理论突破，融合了个体与组群的行人流运动仿真是应用上述理论开展人群组织和疏散研究的有益尝试，在未来值得继续深入研究和推广应用。