基于有限元理论的枢纽内部密集行人运动行为及演变机理研究

In recent years，transport hub get more and more pressure from the pedestrian motion, so the research on dense crowd evacuation become a hot topic. Pedestrian simulation of transport hub is the basis of walking facilities planning and designing, and Social force model, which can best embody the crowd real movement, is by far the most recognized pedestrian dynamics simulation model, and get great development in recent years. However, most of the research focuses on improvements in the form of the model itself, and less consider is put on the computational efficiency. This project sought to make progress from both the model and algorithms, make improvements on three important sub-models, the driving force model, the interaction model among pedestrians, and the interaction model between pedestrians and the environment. Moreover, based on social force, combining finite element methods in molecular mechanics theory and hydrodynamics theory, this project establish improving pedestrian simulation model which can make fast, accurate identification and determination for pedestrian state in intensive conditions. Furthermore, finite element numerical analysis method is applied in pedestrian simulation model solution algorithm, and common solving steps are given on the basis of considering pedestrian characteristics of individual behavior and macro groups. The project will provide a theoretical basis and technical support to the pedestrian facilities planning & design and Crowded stampede warning in transportation hub.

近些年来，城市交通枢纽的乘客集散压力不断增大，密集人群的疏散成为研究热点。微观行人仿真是研究枢纽内行人运动的重要工具，而社会力模型能够体现行人真实运动情况，是目前较被认可的行人动力学仿真模型，近年来得到较大发展。但大部分的研究着重于对模型形式本身的改进，对计算效率考虑较少。本项目拟从模型和算法两方面出发，通过对行人自驱动力模型、行人间作用力模型、行人与障碍物间作用模型进行改进，基于社会力原理，综合分子力学理论与流体力学理论中有限元方法求解的思路，建立对密集条件下行人流状态快速、准确的识别与判定的行人仿真模型，将有限元数值分析方法引入行人仿真模型的求解中，在考虑行人个体行为与宏观群体特性的基础上给出通用的求解步骤，为枢纽内部步行设施规划设计、拥挤踩踏事件预警提供理论依据和技术支持。

近年来，随着城市轨道交通客流的日益增加，尤其是早晚高峰时段或突发事件发生时，进出站的客流在一些设施瓶颈区易发生拥堵，这不仅影响着出行者的出行效率和舒适度，同时会形成极大的安全隐患，因而，半封闭地下空间内密集行人运动问题研究具有极大的理论及实际意义。微观行人仿真在描述行人之间、行人与周边环境的相互作用方面具有很大优势，是研究枢纽内行人特性的重要手段。根据仿真机理不同，微观行人仿真模型可分为多种类型，其中，社会力模型以牛顿力学为基础，对个体的影响因素考虑较为全面，可以很逼真地模拟行人的运动行为，是目前较被认可的行人动力学仿真模型，近年来得到较大发展，但其存在的拥挤状态下的行人运动模拟失真问题，大规模人群仿真时求解速度缓慢问题仍亟待解决。. 在研究过程中发现，一方面行人作为离散的个体，之间存在接触与脱离，存在相互运动、接触力与能量的联系，与颗粒物质的运动特性具有极大的相似性；另一方面，行人在目的地的选择及其遇到其他行人或障碍物所采取的避让行为又表现出颗粒物质所不具备的主观能动性。同时，借助颗粒流理论的研究成果与平台，有助于解决现有行人微观力学模拟方法在拥挤状态下的失真和效率低下问题。因而，本研究从行人与颗粒物质的相似性入手，构建基于颗粒离散元的新型微观行人交互作用描述机制和非连续介质的力学行人仿真模型，同时借鉴社会力模型中的行人驱动力、排斥力来描述行人在行走过程中选择目的地、避让他人等主观能动性的表现。结合颗粒理论和社会力模型建立的组合模型，能够充分发挥各自在解决行人问题上的优势，提高仿真的运行效率，同时继承社会力模型在描述行人生理、心理的优势，通过对不同类别的行人颗粒分类定义属性，体现出不同交通特性的行人对于整个行人流的影响。