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基于介观元胞自动机的城市区域人员疏散模拟方法

吕伟 汪京辉 房志明 毛盾

吕伟, 汪京辉, 房志明, 毛盾. 基于介观元胞自动机的城市区域人员疏散模拟方法[J]. 机械工程学报, 2021, 70(10): 100706. doi: 10.7498/aps.70.20210018
引用本文: 吕伟, 汪京辉, 房志明, 毛盾. 基于介观元胞自动机的城市区域人员疏散模拟方法[J]. 机械工程学报, 2021, 70(10): 100706. doi: 10.7498/aps.70.20210018
Lü Wei, Wang Jing-Hui, Fang Zhi-Ming, Mao Dun. Simulation method of urban evacuation based on mesoscopic cellular automata[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2021, 70(10): 100706. doi: 10.7498/aps.70.20210018
Citation: Lü Wei, Wang Jing-Hui, Fang Zhi-Ming, Mao Dun. Simulation method of urban evacuation based on mesoscopic cellular automata[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2021, 70(10): 100706. doi: 10.7498/aps.70.20210018

基于介观元胞自动机的城市区域人员疏散模拟方法

doi: 10.7498/aps.70.20210018
详细信息
    通讯作者:

    E-mail: zhmfang2015@163.com

  • 中图分类号: 07.05.Tp, 05.10.-a, 05.65.+b

Simulation method of urban evacuation based on mesoscopic cellular automata

More Information
  • 摘要: 传统元胞自动机疏散模型中, 空间多划分为微观层面的精细网格, 难以对大范围的疏散场景进行模拟. 基于此, 本文结合行人流的运动特征, 建立了应用于大尺度人员疏散场景的人员疏散介观元胞自动机模型. 该模型以道路元胞划分替代平面网格元胞划分方式, 并引入“源加载”元胞加载模拟场景内疏散人员, 建立元胞间状态转移方程模拟疏散过程中的人员运动. 应用该模型, 对高校校园进行疏散子网划分, 模拟应急疏散过程并规划疏散路径, 既可以对场景内宏观疏散情况进行分析, 又可以观测单个元胞的状态变化. 基于模拟结果, 能够发现实际疏散过程中可能存在的问题, 提出相应的改进指引和意见.

     

  • 图  场域模型中的运动过程示意图

    Figure  1.  Sketch map of the movement process in FF model.

    图  平面网格划分向道路元胞切分转变示意图

    Figure  2.  Change from plane mesh to road cell segmentation.

    图  疏散道路元胞间宏观状态量更新示意图

    Figure  3.  The update of macro-state variable between road cells.

    图  疏散道路元胞间宏观状态量更新规则示意图 (a) 无加载源; (b) 有加载源

    Figure  4.  The update rule of macro-state variable between the evacuation road cells: (a) Without load source; (b) with load source.

    图  研究区域的空间范围及边界

    Figure  5.  The spatial scope and boundary of the study area.

    图  路网的元胞切分示意图

    Figure  6.  The road cell segmentation of the road network.

    图  各出口覆盖疏散道路范围示意图

    Figure  7.  Evacuation range of the roads covered by each exit.

    图  “源加载”元胞加载概率密度分布图

    Figure  8.  Probability density distribution figure of “source loading”cell.

    图  各出口及总疏散人数随时间变化关系

    Figure  9.  The relationship between the exits and the total number of evacuees varies with time.

    图  10  各出口及总疏散剩余人数随时间变化关系

    Figure  10.  The total number of remaining evacuees at each exit varies with time.

    图  11  “观测”元胞的位置分布

    Figure  11.  The location distribution of “observed”cellular

    图  12  各“观测”元胞人数随时间的变化

    Figure  12.  Changes in the number of “observed” cells over time.

    图  13  各“观测”元胞速度随时间的变化情况

    Figure  13.  Variations of cell velocity with time in each observed cell.

    图  14  空间人员数量分布图 (a) t = 100 s; (b) t = 200 s; (c) t = 300 s; (d) t = 400 s; (e) t = 500 s; (f) t = 600 s

    Figure  14.  Spatial staffing distributions: (a) t = 100 s; (b) t = 200 s; (c) t = 300 s; (d) t = 400 s; (e) t = 500 s; (f) t = 600 s.

    表  1  区域道路元胞编码统计信息

    Table  1.   Statistical information of regional road cellular coding.

    道路
    编号
    长/m 宽/m 元胞
    数量
    “源加载”元胞 “出口”元胞
    1 280 12 28 Cell1,8 Cell1,1
    2 290 6 29 Cell2,9,
    Cell2,29
    3 230 6 23 Cell3,23
    4 290 6 29 Cell4,9,
    Cell4,17
    5 200 6 20 Cell5,9 Cell5,1
    6 90 6 9
    7 68 6 7
    8 250 6 25
    9 180 6 18 Cell9,5,
    Cell9,13
    10 795 6 80 Cell10,59,
    Cell10,80
    11 90 6 9 Cell11,9
    12 148 6 15
    13 530 6 53 Cell13,21
    14 70 6 7
    15 326 6 33 Cell15,22 Cell15,33
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    表  2  模型参数

    Table  2.   Model parameters.

    参数 含义
    l 道路元胞长度 10 m
    w 道路元胞宽度 6 m
    vf 自由疏散速度 1.5 m/s
    $\Delta t$ 计算时间间隔 1 s
    ρm 拥塞临界密度 5 per/m2
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    表  3  各“源加载”元胞加载人数

    Table  3.   The number of pedestrians loaded by each ‘source loading’ cell.

    “源加载”
    元胞
    加载总
    人数/人
    “源加载”
    元胞
    加载总
    人数/人
    Cell1, 8 500 Cell2, 9 500
    Cell2, 29 500 Cell4, 9 700
    Cell4, 17 500 Cell5, 9 900
    Cell9, 5 800 Cell9, 13 800
    Cell10, 59 600 Cell10, 80 600
    Cell11, 9 600 Cell13, 21 700
    Cell15, 22 500
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    表  4  各出口疏散人数

    Table  4.   Evacuation number at each exit.

    出口 疏散总人数/人
    出口1 1600
    出口2 1700
    出口3 3200
    出口4 1700
    总计 8200
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-04
  • 修回日期:  2021-02-19
  • 网络出版日期:  2021-05-27
  • 发布日期:  2021-05-27

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