行人交通模拟及安全管理

本书主要分析行人交通研究的基本模型以及人群疏散的宏观、微观动态，以及人与人之间的相互作用行为，有益于将从研究行人交通系统过程中获得的普适性规律应用于指导、管理实际人群疏散，进一步提高行人交通设施的利用与管理效率。本书的特点与独到之处如下： （1）学术思想方面：充分尊重以后研究工作，特别是基础行人交通模型的研究成果，利用数学公式与物理机理分析的方法，重塑了典型模型的精髓。本书是完整的学术研究逻辑思路的范例，揭示学术思想形成的逻辑过程。 （2）内容范围方面：本书内容涉及行人交通模型的发展、模型建立过程、再现人群疏散的宏观现象、行人之间的微观作用行为等。 （3）结构体系方面：本书内容共7章，采用逐层深入研究的结构方式。 （4）写作特点方面：本书采用实际问题引导的方式，从现实中的疏散问题、疏散事故、人行设施的布局等方面出发，围绕能把安全行走的方式量化的思路，提出疏散问题，找到解决问题的方法，并根据行人交通模型、分析模型与实际情况的差别不断地改进模型，建立符合实际问题的模型，再采用论证的方式，模拟验证安全疏散策略的有效性与可行性等。

行人交通安全问题是管理科学、交通科学等交叉学科领域中的重要科学问题之一。寻求合理可行的解决方法是管理科学理论的基本思想和重要途径。深入研究行人交通系统的演变和发展规律,以及系统中行人个体之间的相互作用机制;分析行人在行走过程中体现出的微观个体特性和宏观群集特征;揭示行人的运动特性形成的机理、交通系统内设施与行人运动的交互机理,是合理规划和设计行人交通设施、科学系统地管理行人交通的理论基础。
本书通过介绍行人交通模型的发展、模型建立过程,再现人群疏散的宏观现象、行人之间的微观作用行为等。本书从现实中人群拥挤现象、挤压踩踏事故等实际问题出发,通过建立模型,再现人群疏散动态,深入研究集散场所出入口高密集行人流的变化过程,探索在高密集情形下不同人行设施中,行人个体的行为特征和人群聚集现象形成的内在原因,提出合理的管理疏散措施。
本书从实际问题出发,基于典型行人模型,建立更加合理、更加真实反映行人行为与活动的模型,并深入分析人群疏散宏观现象形成的机理,提出应对安全隐患的管理策略。在充分尊重已有成果的学术研究基础上,本书运用数学公式与物理机理分析的方法,从作者研究与理解模型机理的角度,重塑典型模型的精髓。在已有行人交通模型的基础上,分析了经典模型的优势,提出了新型的势函数场模型。该模型结合了经典连续模型的势函数计算、离散模型的元胞自动机模型更新规则,提出了更能合理模拟人群运动的改进模型与安全疏散策略。本书为人群安全疏散设计提供了理论基础,同时,本书的写作视角也展示出学术思想形成的逻辑过程。
本书总共有7 章,采用了逐层深入研究的结构方式。各章节内容简述如下。
第1章阐述行人交通研究的基本思路与方法。一方面从数学公式建模的角度介绍典型的行人交通模型以及模型的发展,另一方面从行人疏散特征行为分析研究行人交通的宏观与微观特征,包括自组织机制下的宏观现象、微观相互作用、行人之间的博弈心理特征。
第2章阐述行人流地场元胞自动机模型。从数学函数的角度,严谨地阐释地场元胞自动机模型的建立和发展过程,以及模型实现的详细步骤与参数设置等。
第3章建立势函数场元胞自动机模型。结合行人流连续模型中的费用势函数以及最小化费用势函数的行走路径选择策略,引入局部费用函数,采用费用势函数场代替传统地场元胞自动机模型中的静态场和动态场,研究行人疏散过程中的典型自组织现象。此外,通过将行人运动的机理转化为函数公式,利用公式的函数性质分析行人的自组织行为的形成机理,通过数学公式与物理现象描述行人之间的相互作用。
第4章扩展势函数场元胞自动机模型,建立含有聚集力场的预测势函数场元胞自动机模型。考虑行人的可视度与行人之间的聚集力对人群疏散的影响。
第5章建立斜坡人行设施中行人流势函数场元胞自动机模型,模拟人群下坡过程中的挤压踩踏现象。在第4 章考虑聚集力场的模型基础上,本章将考虑行人被推倒的情形,建立模拟行人倒地现象的模型。
第6章对人群行走方式的指导管理进行研究,将指导行人自发采用结队行走方式作为安全策略,量化行人结队行走方式为函数,并将函数引入第5章的行人流势函数场元胞自动机模型中,通过模拟的方法验证行人下坡过程中采用该安全行走策略的有效性。
第7章分析人行设施出口布局策略对人群安全疏散的影响。研究具有两个出口的斜坡设施中人群的疏散问题,利用模型验证了出口位置的最佳分布策略。此章从人行设施布局的角度提出行人安全行走策略。
本书在写作过程中,得到了上海大学张鹏教授、戴世强教授、董力耘教授在学术上的支持与帮助;内蒙古大学刘洋教授为本书的内容提出了宝贵的修改意见。在此向以上各位以及为本书出版给予支持和帮助的顾泳先生表示衷心的感谢。同时,感谢上海应用技术大学、同济大学的支持。
本书有关科研工作的完成得益于国家自然科学基金重点项目(71531011) 、国家自然科学基金重大项目( 71890973) 、国家自然科学基金面上项目(71771153) 、国家自然科学基金青年基金项目(71401126) 的大力资助,在此一并致谢。
出好书让读者受益,是笔者写作此书的初心。由于笔者水平所限,尽管付出了极大的努力,书中难免会有一些不妥之处,望广大读者给予批评指正,谢谢!

著者

本书从数学函数表示与物理机理分析的角度,系统论述行人交通仿真模型构建的微观机理,模拟人群特征的宏观现象,并深入分析内在机制,量化分析安全疏散策略。全书围绕势函数场元胞自动机模型的建立、分析、优化以及应用于实现安全疏散策略的量化等展开,为人群聚集场所和大型活动设施布局、设计、管理疏导和应急疏散提供理论支持。
本书可作为行人交通研究领域基础知识的入门参考书,也可以供交通规划与管理、管理科学与工程、应用数学等相关专业的师生及科研人员参考。

第1 章　绪论1
1.1　行人交通 1
1.2　行人交通模型及其发展 4
1.2.1　行人流连续模型 5
1.2.2　行人流半离散模型 8
1.2.3　行人流离散模型 12
1.2.4　行人交通模型发展评述 18
1.3　人群疏散行为 20
1.3.1　人群踩踏事故 20
1.3.2　人群疏散宏观现象 21
1.3.3　人群疏散微观行为 22
1.3.4　行人博弈心理行为 24
1.4　本书的主要内容 27

第2 章　行人流地场元胞自动机模型30
2.1　地场元胞自动机模型 30
2.1.1　模型基本规则 31
2.1.2　地场定义 32
2.1.3　模型更新规则 35
2.2　改进地场的类型 38
2.2.1　基于最短距离路径的地场 38
2.2.2　基于最短时间路径的地场 43
2.3　更新规则的发展 47
2.4　本章小结 56

第3 章　势函数场元胞自动机模型57
3.1　势函数场模型描述 57
3.2　势函数场 58
3.2.1　连续区域的势函数场 58
3.2.2　离散区域的势函数场 60
3.3　模型更新规则 62
3.3.1　确定移动概率 62
3.3.2　解决冲突 63
3.4　模拟与分析 64
3.4.1　行人疏散宏观动态 64
3.4.2　两组行人流疏散动态 69
3.5　本章小结 77

第4 章　含有聚集力场的预测势函数场元胞自动机模型78
4.1　预测势函数场模型描述 78
4.2　预测费用势函数场 80
4.3　聚集力场 82
4.4　预测模型更新规则 84
4.4.1　聚集力作用下的移动概率 85
4.4.2　解决冲突 86
4.5　疏散仿真模拟与机理分析 87
4.5.1　具有瓶颈出口长廊的行人流问题 87
4.5.2　具有90°转角通道的行人流问题 91
4.6　本章小结 93

第5 章　斜坡人行设施行人流势函数场元胞自动机模型95
5.1　斜坡设施模型概述 95
5.2　具有坡度影响的势函数场 96
5.3　斜坡下聚集推力场 98
5.4　位置更新规则 100
5.5　倒地现象模拟 101
5.6　本章小结 105

第6 章　人群下坡疏散结队行走策略106
6.1　模型简述及更新规则 106
6.2　倒地现象模拟 111
6.3　两人结队行走策略模拟 113
6.4　本章小结 117

第7 章　双出口斜坡设施行人安全疏散策略118
7.1　双出口斜坡人行设施模型概述 118
7.2　双出口斜坡人行设施的费用势函数场 119
7.3　考虑上下坡情形的聚集推力场 120
7.4　更新规则 121
7.5　模拟及分析出口分布策略 123
7.6　本章小结 131

参考文献132