基于自组织临界性沙堆模型的人群疏散稳定性分析

In the case of disasters, the crowd stampede cuased by panic spread often occurs, leading to huge fatalities as pedestrains are crushed or trampled in the crowd evacuation. This project analyzes psychological and behavioral characteristics of crowd panic spread in the backgroud of the typical disasters. Considering pedestrian individual's physiological, psychological,environmental and social factors, based on crowd evacuation model using swarm intelligence, self-organized criticality (SOC) theory is introduced to build the panic mapping network from a collective crowd into a sandpile with SOC, thereby the complex problem of statibility analysis for crowd evacuation is converted into sandpile statibility analysis in a relatively simpler way. In this panic mapping network, the selected psychological and social characteristcs are quantified and mapped into the sand shape, the panic degree is quantified and mapped into the sand diameter. And the mapped sand diameter is dynamic and non-uniform according to the real panic degree among the evacuation individuals. The scale, average field value and the upper critical dimension of sandpile avalance are studied to decsribe the critical behaviour and determine the instability conditions in the typical evacuation scenarios. Both the machnism of scenario elements' action on crowd evacuation stability and the procedure of sandpile avalance evolution are anylized repectively. This research can discover the stability conditions, dynamics and inherent evolution mechanism of instable crowd evacution from the view of panic spread, further provide the scientific theory and method to prevent the crowd stampede in disasters.

突发灾害条件下人群疏散过程中的恐慌传播是导致人群失稳，引发踩踏事件的重要原因，损失惨重。本项目分析灾害条件下人群的恐慌心理和行为特征，遴选影响疏散个体的生理和心理因素、环境因素和社会因素。以基于群智能的人群疏散模型为基础，采用自组织临界性理论，构建恐慌传播的人群疏散自组织临界性沙堆模型，统计量化疏散个体的生理和社会特征以及恐慌程度，并映射为沙粒形状和粒径特征，建立恐慌映射关系，将人群疏散的稳定性问题转化为动态的非均匀粒径沙堆模型稳定性问题。研究典型疏散情景下沙堆发生沙崩的标度、平均场值、上临界维度等临界行为特性和稳定条件。分析疏散情景要素对于疏散稳定性的作用机理和失稳演化过程。从恐慌传播角度得出人群疏散稳定条件和动力学特征，为预防灾害条件下踩踏事件提供理论依据和方法支持。

研究背景：.随着社会经济和文化生活的繁荣，各类人群聚集活动越来越多，人群发生群集拥挤的可能性越来越高，更容易造成对冲、过度拥挤和踩踏等事故，导致严重的人员伤亡。疏散人群的群体行为中最具灾难性的是由恐慌所致的人群踩踏，踩踏和过度拥挤导致了大量伤亡。人群疏散过程中的恐慌有时是源于火灾等威胁生命的因素，有时则没有显性原因。全世界每年有数千人在人群聚集活动发生的突发事件中丧生。.主要研究内容：.（1）以群集智能人群疏散模型为基础，分析灾害条件下人群的恐慌心理和行为特征，遴选影响疏散个体的主观因素、环境因素和社会因素。采用自组织临界性理论，构建恐慌传播的人群疏散自组织临界性沙堆模型，统计量化疏散个体的生理和社会特征以及恐慌程度，并映射为沙粒形状和粒径特征，建立恐慌映射关系，将人群疏散的稳定性问题转化为动态的非均匀粒径沙堆模型稳定性问题。（2）研究典型疏散情景下沙堆发生沙崩的标度、平均场值、上临界维度等临界行为特性和稳定条件。（3）分析疏散情景要素对于疏散稳定性的作用机理和失稳演化过程，从恐慌传播角度得出人群疏散稳定条件和动力学特征。.重要结果：.麦加朝觐几乎每年都会发生踩踏事件，2015年麦加朝觐过程中发生的踩踏事件（近2000人伤亡）是近几十年来伤亡最大的踩踏事件。对该典型踩踏事件进行系统性地案例研究，提出稳定性判断模型，并给出了人群失稳的临界条件。为大规模人群踩踏提供了重要的模型库和数据库技术支撑。.关键数据：.当局部地区的人群密度达到7人/m^2（2015年麦加踩踏案例仿真数值为7.1345人/m^2），人群发生踩踏；自组织临界状态人群之间“相互作用力”约0.02/ s^2（P(r ⃗,t)=ρ(r ⃗,t) [Var]_(r ⃗,t) (V ⃗)）。.科学意义：.本项目从系统工程角度，综合运用信息科学、社会科学、管理科学和系统科学等多学科理论，基于现有人群疏散的群智能模型，引入自组织临界性理论，通过构建人群恐慌映射网络，将人群疏散的稳定性问题转化为恐慌沙堆模型稳定性问题，深入研究人群疏散稳定条件和失稳演化机理，揭示踩踏等恶性事故的临界特性与演化机理，以科学防范踩踏事件。