小学生疏散行为建模分析与实证研究

Evacuation behavior has become a hot topic in the field of transportation science and public safety science. Recently, elementary student evacuation has attracted many researchers to explore this topic. This project focuses on modeling the elementary student evacuation under normal and emergency situations. Using the mathematical model, questionnaire survey, data collection and experiments, and combining queuing theory, applied mathematics and behavioral science, the corresponding features of elementary student behavior and psychology under normal and emergency situations are analyzed, and the evacuation dynamics model is established. Then, the formation mechanism of self-organization phenomena and the corresponding influences of individual behavior and group self-organization behavior on the evacuation efficiency are studied. Thirdly, the evaluation indexes of elementary student evacuation efficiency are proposed, and the influences of evacuation patterns on the evacuation efficiency and the evacuation patterns with the local and global optimal evacuation efficiency are explored. Finally, some evacuation strategies and guidelines are proposed to improve the efficiency and safety of the elementary student evacuation. The research results have many important roles on managing elementary students safety, eliminating unpredictable catastrophes, designing and optimizing building structure, and formulating emergency preplans.

疏散行为研究是交通科学和公共安全研究领域共同关注的热点问题之一。近年来，小学生疏散行为研究逐渐引起学者们的关注。本项目重点围绕常规和紧急情况下的小学生疏散行为展开深入研究。采用数学建模、问卷调查、数据采集、数值实验等研究方法，结合排队论、应用数学、行为科学等有关知识，表征并量化常规疏散和紧急疏散过程中小学生运动特征与心理状态，建立可以有效刻画小学生疏散行为的行人流模型，揭示各种自组织现象的形成机理以及个体行为和群体自组织行为对疏散效率的制约机理，提出小学生疏散效率评价方法，分析疏散模式对疏散效率的影响，探寻疏散效率达到局部最优和全局最优的疏散模式，为疏散过程提出科学的干预措施和信息引导控制策略。研究成果对小学生安全管理、潜在安全隐患的消除、校园基础设施结构优化与设计及应急预案的制定都具有重要的指导意义。

第六次全国人口普查表明，2010年我国0-14岁少年儿童有2.2亿人，占总人口的16.6%。学校是学生主要活动场所，教学区域内聚集着大量学生。由于小学生在生理、心理和认知等各方面还不够，行为具有特殊性，如果校园设施规划和管理控制上出现问题，将会给他们的带来巨大的不便及安全隐患，甚至会威胁到生命安全。因此，本项目旨在探讨小学生在常规疏散和紧急疏散过程中的运动特征和心理状态，分析不同疏散过程中小学生群体行为和心理变化，揭示各种自组织现象的形成机理以及个体行为和群体行为对疏散效率的影响机理。通过一系列儿童疏散实验，发现了儿童在非紧急情况下的等待行为和群体行为，在紧急疏散情况下的奔跑和推搡行为。在紧急疏散情况下，出口的选择是不均衡的，并且老师对儿童的出口均衡选择具有积极的意义。通过问卷调查的方法，经过统计分析发现位置、拥挤、群体行为和原路返回行为对儿童疏散路径选择有显著影响，年龄只影响儿童的原路返回行为，并且未观察到基于性别和指导的显著影响。基于上述结果，建立了小学生疏散模型，并对模型的参数进行标定和验证。在此基础上，建立了考虑避碰行为的小学生疏散模型。研究发现，在两出口教室进行疏散时，避碰行为会对疏散效率产生负面影响。疏散时间会随着教室过道数量的减少而增加，并且碰撞次数则会随着教室中过道数量的增加而增加。此外，还拓展建立了密集场所人群疏散行为模型、培训教室行人疏散模型以及登机离机模型等以及相应的疏散策略研究。基于上述成果，本项目在《Transportation Research Part C》、《Journal of Transportation Safety & Security》、《Journal of Air Transport Management》、《Physica A》、《Simulation Modelling Practice and Theory》、《Transportmetrica A》和《SIMULATION》期刊上共计发表论文17篇，SCI他引180次，研究成果得到Gwynne、Martins、Haghani、Schultz和Milne等国内外著名学者引用和评价。综上所述，研究成果为提出科学的干预措施和信息引导控制策略提供理论依据与技术支持，对小学生安全管理、消除潜在安全隐患、设计和优化校园基础设施结构、制定各项应急预案都具有重要意义。