人行设施出入口高密集人群疏散行为和管理对策研究

Crowd evacuation is a typical issue in the field of pedestrian traffic management in China and aboard. A plenty of researches focus on the pedestrian evacuations with the density being below 7ped/m2, few work pays attention to high density situations, especially, the crowd collects in the gateways of the usual pedestrian facilities where the densities of crowds are over 7ped/m2 and where the potential safety hazards exist. In these cases, each pedestrian moves in the way of pushing others; while the pedestrian cannot bear the large pushing forces, he or she is easy to be pushed to the ground, which causes pedestrians who are around him or her moving without the directions under the influence of panic. In this project, we focus our research on investigating the bounded rationality behaviors of pedestrians in the high crowded and designing the traffic safety strategies. On the one hand, to refine the space occupied by each pedestrian and measure the pushing forces among pedestrians, we propose a cost potential field cellular automata model with refining grids and a pushing force field, in order to simulate the overcrowding phenomena and falling to the ground, and investigate the microscopic interactions among pedestrians. On the another hand, using this proposed model, we detect and forecast the local domains with high density, in view of these local domains, our management strategies are as follows: adjusting instantaneously the gateways, we control the pedestrian flows; and guiding the pedestrians to move side-steps or torsion, we evacuate the local overcrowding cases to prevent stampede happening. In this project, we design the pedestrian safety measures taking advantage of the game between the crowd and the manager, and verify the feasibility of these moving strategies according to the simulations using the proposed model.

人群疏散问题是国内外行人交通管理领域的重要课题。现有的大量研究工作以密度不大于7ped/m2的行人疏散问题为主，较少考虑高密情形，尤其是常见的人行设施出入口周围人群密度远远超过7ped/m2，存在安全隐患。行人以推动前方行人的方式前进，当行人无法忍受巨大推力时，容易倒地，引发其周围行人的恐慌而无序乱撞，最终导致踩踏事故。本项目将研究行人在高密集情形下的有限理性运动行为和安全通行策略。一方面通过细化行人占据空间，量化行人的接触推挤作用力，建立耦合推力场的加细网格费用势函数场元胞自动机模型，模拟高密度行人流的过度拥挤、倒地现象，探究行人之间的微观作用机理；另一方面利用模型检测和警示高密度点，采用实时开关入口限流，结合指导行人自行侧身、绕行的管理策略，以疏散局部区域的过度拥挤状况，避免事故发生。本项目充分利用人群与管理者之间博弈作为行人安全管理设计的前提，并利用数值模拟验证所提策略的可行性。

本项目主要通过建立耦合相互作用力场的费用势函数场元胞自动机模拟，模拟分析人群在高密度情形下的有限理性行为，以及推挤倒地现象，并在此基础上，设计安全通行策略并验证策略的有效性。主要内容与重要结果包括三个方面。第一，建立耦合行人之间挤压作用力场的势函数场元胞自动机模型，用于模拟单向行人流在斜坡场景中的疏散问题。利用模型分析斜坡角度、人群密度与行人挤压倒地现象之间的作用机制，提出两两结队行走策略可以减少倒地人数。模拟结果表明采用两两结队行走策略时倒地人数不超过总人数的10%。第二，建立了耦合作用力场的费用势函数场元胞自动机模型，应用于模拟具有两个出口的斜坡人群疏散问题，分析行走区域斜坡倾斜程度、两个出口位置分布情况对于行人疏散行为的影响。在人群拥挤的情况下，也考虑了聚集推力对于人群疏散的影响。数值模拟结果表明，最佳的出口位置分布为：斜坡顶部与底部各有一个出口，且出口均位于顶部与底部的中间位置，此种情形可有效阻止行人倒地现象中的“多米诺”效应。第三，建立斜坡通道中双向行人流模型。考虑到人群密度增加时, 行人之间的挤压、冲突作用均增强，加之，斜坡倾角越大，行人行走的稳定性越差，易引发推挤倒地的安全隐患。模型考虑行人之间作用力和通道倾斜度影响，用于模拟双向行人流动态和倒地现象。数值模拟结果得出：当通道坡度、行人入流密度增加时，上坡人群的倒地概率达40%，而下坡人群的倒地概率高达60%。在此基础上，考虑到我国行人偏向右边行走的习惯，以及人群的跟随相应，通过划分两个方向人群的入流位置，将两向行人流分为两股互不干扰的行人流，从而解决行人之间的挤压与冲突，并通过模拟验证该策略可以避免倒地现象发生。以上研究成果从指导行人疏散路径\人行设施设计，以及双向行人流复杂性的角度，分别提出安全疏散策略，为实际人群疏散指导的应用推广提供必要的理论依据。