聚集人群系统自组织行为的定量化研究与机理分析

There are special laws and phenomena in crowd flows, such as lane formation, arching and clogging at exits, and onlookers automatically formatting a circle. Connecting these phenomena, we believe it indicates that the crowd as a complex system has the characteristics of self-organization behaviors. This project is to explore the laws and mechanisms of massing crowd system’s self-organization behaviors by quantitatively modeling and calculating. Firstly, a new index "lane formation rate” will be generated to help us understand the role of obstacles in evacuation path through how much the degree of order gets influenced. Secondly, from the point of view of complex systems, the self-organization critical properties will be investigated and reasonably extended to onlookers formatting a circle, the critical radius of which should be calculated. Thirdly, from the standpoint of fractal system, the self-similarity of crowd flows will be studied. The calculation and statistical model of crowd flow’s fractal dimensions will be established and used for the quantitative evaluation of the system safety and evacuation ability. These study results will lead to scientific understanding on the mechanisms of crowd system’s self-organization behaviors, make scientific suggestions for improving the capacity of crowd safety and emergency evacuation, and also provide forward-looking basis and feasible ideas for further research on complex system theory of crowd behaviors.

人群流动有一些特殊的规律和现象，如渠化、成拱，以及围观人群自动成圈等，我们将这些现象联系起来，认为它们共同反映了人群作为复杂系统具有自组织行为特征。本项目拟针对这些具体的实际现象，采用理论分析与实验实证、数值仿真相结合的方法，通过定量的建模与计算，探索人群系统自组织行为的规律和机理：建立“渠化率”指标，从影响人群流动的有序程度来理解疏散路径中障碍物的作用；从复杂性系统的观点，研究人群成拱的自组织临界性质，并合理推广到围观成圈的现象，计算围观圆圈的临界半径；从分形系统的观点，研究人群流动的自相似性，建立人群流动分形维数的计算和统计模型，用于系统安全与疏散能力的定量评估。基于研究成果将对人群系统自组织行为的相关机理形成科学认识，为科学提升群体安全保障和应急疏散能力提供建议，并为下一步继续深入开展人群行为的复杂系统理论研究提供可行思路和前瞻性基础。

人群流动有一些特殊的规律和现象，如渠化、成拱，以及围观人群自动成圈等，本项目将这些现象联系起来，研究聚集人群复杂系统的自组织行为规律和机理，开展了自组织可压缩动力学及渠化效应、自组织成拱、自相似性与韧性等理论和方法研究，并通过实证数据和模拟仿真提供了机理分析支撑。通过项目研究，建立了聚集人群在自组织机理下具有可压缩流体特性的动力学模型以及适用于全密度区间的人群流动“速度-密度”加权函数复合模型，开发了基于光滑粒子流体动力学和社会力模型的人群系统动力学模拟仿真方法及应用软件，建立了可量化描述人群流动渠化效应的“渠化率”指标模型，揭示了通道和出口条件影响人群疏散效率的自组织渠化机理和自组织动力学机理，发现了拱形结构及其演化对人群流动的影响规律和机理，建立了围观人群自组织临界态模型并分析了人群成圈的规律和机理。其中，发现聚集人群流动具有可压缩流体动力学特征以及利用核密度方法和信息熵定义渠化率指标，在人群自组织动力学理论和方法研究方面取得了一定突破，是本项目重要的基础创新成果，有较大的科学意义和研究前景。..项目研究发现人群的自组织韧性可以推广到包括人员和车辆的广义交通流，该研究成果与智能驾驶、5G网络等前沿应用领域相结合，通过相关领域高技术企业深度合作，获得第47届日内瓦国际发明展银奖，未来预期在智能交通安全韧性领域具有较好的转化应用前景。利用人群自组织行为也是韧性社会治理的重要方面，基于自组织韧性理念指导人员密集场所的本质安全设计和应急疏散预案，可为社会治理能力现代化的技术和管理创新提供支撑。