1、本科毕业论文（20 届）应用于地震时人员疏散的仿真设计所在学院 专业班级 应用物理 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书- 2 -应用于地震时人员疏散的仿真设计摘要近些年来，由于地壳活跃活跃期的到来，世界各地都发生或多或少，或大或小的地震。由于地震、火灾等突发事件由于疏散的不及时或者疏散预案不够合理，往往都会引起重大的人员伤亡。在建筑物的总体设计中，安全疏散的要求已经成为建筑物安全型评估的最重要因素之一。为了更好的解决上述问题，在人员疏散过程的预测时，引入计算机仿真模拟的方式，对提高建筑物内等人员密集场所的安全疏散性有重要的意义。依据出
2、口最近的疏散原则建立人员疏散的二维连续元胞自动机模型，并考虑包括人员绕行，社会力等环境因素对人员疏散的影响。基于元胞自动机对行人疏散流进行仿真研究，本文讨论了行人在正常环境下，系统规模，疏散人数，行人行为和心理的影响，出口宽度，不同的多个安全出口安排的情况对人员疏散情况的影响。结果表明，行人疏散的时间与行人疏散人数呈正相关，与安全出口的宽度呈负相关的关系。多个安全出口但是其安排是否合理也会对疏散时间造成影响。利用 JAVA 语言编写程序对疏散人群进行仿真，得到人员疏散的基本规律和最优疏散时间和方案。关键字: 元胞自动机 仿真模拟 人员疏散 疏散时间 动态参数天津理工大学 2015 届本科毕业设
3、计说明书- 3 -When applied to earthquake evacuation simulation designAbstractIn recent years, due to the arrival of the crust active, more or less all over the world, big or small earthquakes. Due to emergencies such as earthquake, fire due to evacuate evacuation plan is not reasonable or not in time, of
4、ten can cause significant casualties. In the structure of the overall design, the requirement of safety evacuation has become one of the most important elements of building safety evaluation. In order to better solve the above problem, in the prediction of the evacuation process, the introduction of
5、 computer simulation, to improve the safety of personnel populated places such as building evacuation has an important significance. Based on the principles of recent evacuation set up evacuation of two-dimensional cellular automata model in a row, and consider including personnel around, environmen
6、tal factors such as the social forces to evacuate. On pedestrian evacuation flow based on cellular automata simulation research, this article discussed the pedestrians in the normal environment, system size, number of evacuation, pedestrian behavior and psychological impact, exit width, the export o
7、f arrange different multiple security of personnel evacuation. The results showed that the pedestrian evacuation time was positively correlated with the number of pedestrian evacuation, and negatively correlated with the width of the exit. Multiple security exports but the arrangement is 天津理工大学 2015
8、 届本科毕业设计说明书- 4 -reasonable will affect the evacuation time. Using JAVA language to write programs to evacuate the crowd simulation, get the evacuation and the basic rules of the optimal evacuation time and plan.Key words: cellular automata simulation evacuation time dynamic parameters personal evacu
9、ation天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书- 5 -目 录第一章 概述 .11.1 概述 .11.2 地震人员疏散的研究现状 .11.3 地震人员疏散研究的意义 .21.4 现有仿真模型的分析和软件介绍 .3第二章 仿真模型介绍 .42.1 宏观仿真模型 .42.2.1 微观仿真模型 .72.2.2 连续型仿真模型 .82.3 社会力模型 .92.3.1 社会力模型两大基本概念 .92.3.2 模型参数的设定 .92.3.3 个体行为规律 .92.3.4 社会力模型的不足与缺陷 .122.4 人群疏散仿真软件的介绍 .122.4.1、EXODUS .122.4.2 Sim Walk
10、 .132.4.3 Legion.14天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书- 6 -第三章 简化模型举例 .16第四章 模型的建立 .174.1 元胞自动机概述 .174.1.1 元胞自动机的组成 .184.1.2 元胞自动机的优点 .214.2 人员应急疏散时心理和行为的特点 .224.2.1 应急疏散时人员的心理变化特点 .224.2.2 应急疏散时的人员行为特征 .224.3 影响人员疏散的因素 .234.4 疏散路径的选择 .244.5 模型的建立 .254.5.1 简易计算流程 .254.5.2 动态参数的设定 .264.6 模型演化的规律 .27第五章 疏散的仿真模拟 .2
11、75.1 人群无结伴或人员较少时的模拟 .275.2 人员有结伴且人员较少时的疏散模拟 .285.3 人员有结伴且人员较多时的疏散模拟 .295.4 冲突避让原则 .315.5、人员避让原则 .32参考文献 .33致谢 .34天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书1第一章 概述1.1 概述近些年来，由于地壳活跃活跃期的到来，世界各地都发生或多或少，或大或小的地震。尤其是亚洲地区，自从 1976 年唐山 7.8 级大地震以来，2004 年的印度洋海啸， 2008 年 5月 12 日中国汶川发生 8.0 级大地震；2010 年 1 月 12 日海地发生 7.3 级地震；2010 年 2 月2
12、7 日，日本冲绳 6.9 级地震，同日智利发生 8.8 级特大地震；2010 年 3 月 4 日，台湾高雄发生 6.7 级地震；2010 年 3 月 6 日印尼苏门答腊岛发生 7.1 级地震. 特大型地震给人们的财产生命和心理带来巨大创伤，究其原因，除了自然条件下地壳运动的不可抗力因素外，还有不少人为因素：一是自从改革开放以来，我国经济处于高速发展阶段，为了适应现代化发展越来越多的大型、高层、综合性建筑拔地而起，而当地震发生时往往这类建筑的伤亡率较高；二是因为现在城市居民对地震的理论知识不足，安全防护意识较为薄弱，自我保护能力不强。这种由于人员自身因素造成的地震严重伤亡的情况已经引起政府和社会
13、的重点关注，怎样才能减少由于地震引起的重大人员伤亡，保证广大人民群众在地震发生时，尽量减少伤亡和财产损失，已经成为政府迫切需要解决的重大课题。现在，对于在紧急情况下人员的应急疏散的理论和实践的研究主要方向都是设定在高层建筑发生火灾、恐怖袭击等方面，十分缺乏专门针对当地震发生时人员应急疏散的防灾减灾的问题的研究。当前，我国重点地震高发区域的城市都制定了相应的地震应急疏散的预案，但是，大多数城市所制定的地震应急疏散的预案，仅仅依靠所在城市具体地区的人员分布情况和重点疏散场地的情况，简单的划分出比较合理人员疏散半径和疏散场地的人员最大容纳量。并没有综合的考虑地震前期的预警工作和地震发生时人员疏散的组
14、织的问题。大量的事实提醒我们当地震发生时，应急人员疏散工作的及时开展与否是是否造成重大人员伤亡的重要因素之一，因此，研究动态条件下的人员疏散问题就有了实际的现实意义和重要的使用价值。1.2 地震人员疏散的研究现状依据我国现在正在实行的建筑抗震设计规范的具体要求，城市及乡村建筑物抗震防护的要求是：“当发生低于所在地实际可能发生地震的抗震防护烈度的常发地震的影响时，建筑物基本应该不被损坏或者不需要修理就可以继续使用，当遭遇基本等于或略高于所在地实际可能发生地震的抗震防护烈度的常发地震的影响时，建筑物出现损坏的可能，一般情况下只需要简单修理或者完全不需要对建筑物进行修理就可以继续使用，当遭遇高于所在
15、地实天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书2际可能发生地震的抗震防护烈度的常发地震的影响时，建筑物发生损坏，但是建筑物不会倒塌或者不会发生严重的危害大量人员生命安全和财产安全的最坏结果 。即：“小规模地14震不会损坏，中等强度地震只需要修理，高强度地震不会倒塌” 。然而，当地震发生时，建筑物倒塌程度是否严重与建筑物内人员是否能安全疏散逃生并没有必然的联系。所以，在建筑物防灾减灾的角度分析，当地震发生时的逃生窗口时间内，建筑物使用者的心理状态和行为特点，和由于建筑物内部，非主要受力结构部分和建筑物内各种规格，样式的设施的损坏情况对人员疏散逃生的具体影响的研究也是十分必要的。随着计算机科学的
16、不断发展，计算机模拟仿真技术也更加成熟, 尤其是多主体仿真技术(Multi-Agent Simulation Technology)的发展和进步，为分析地震发生时，不同情况的结构的建筑物内，和不同受教育程度的建筑物使用者的应急疏散逃生的研究提供了可靠地工具。在中国，依靠计算机仿真模拟技术研究人员应急逃生疏散的课题研究起始于 20 世纪 90年代，依靠多主体仿真技术研究地震人员疏散的课题的具体应用研究则开始于最近数年。自2000 年以来，基于计算机仿真模拟技术研究人员应急疏散的问题有了不少的进展和不小的理论的进步，从最初的针对，某一建筑物特点及结构，到现在具体到建筑物内的任意特定场所，和人员应急
17、疏散的具体行为特点和心理变化等方面的研究，取得了很大的成果。但是，在中国国内，建筑学防灾减灾领域的应用研究仍旧处于起步阶段时期，理论研究所依据的已有理论成果也主要是适用于国外的较为先进的应急疏散理论和相应的具体应用，其结果并不具有中国本身情况的适应性，问题主要有三点：第一点计算机应急疏散研究领域的基础研究数据的十分缺乏， “个体模型”的实际数据少。所以研究出的实际结果基本不能或者很少的体现出当地震发生时，在建筑内部原有环境被毁坏的情况下，对需要疏散人员心理和行为变化的动态影响。尤其是针对于不同年龄，不同受教育程度的中国人的行为变化和心理特点的研究还缺少实验数据记录，所以至今为止，还没有大量可靠
18、的疏散数据集完整正确验证模型，同时模拟实验所选取的样本的年龄等特点单一，尤其缺乏包括对残疾人、老人、妇女、儿童等特殊人群的不同实验样本的研究数据的挖掘。我国所使用的具体数据大都是照搬的外国成熟的研究数据，但是不同国家人口的具体情况千差万别，综合素质别的国家都有较大的差别，所以，很难保证模拟系统和合理性和可靠性。其次，在现有的模拟系统中，中国人习惯的建筑物室内具体的布局、就是“空间模型”经常是被大量的简化。模拟在实际情况下的建筑物内人员疏散的情况时，往往是平面状态下的水平疏散方式，缺少更为真实的立体的情况。正式因为缺少对现实建筑物内部复杂布局的疏散流线的模拟，在实际情况下，模拟出的结果也就失去了
19、其直接的指导意义。即使国外有比较成熟立体情况的疏散模拟系统，因为中国习惯的建筑样式，建筑设计规范等客观因素与外国多少存在差异，也就限制了已有的模拟系统的应用的意义。另外，灾害类别也仅集中于火灾，没有考虑到如地震，水灾，恐怖袭击等可能出现的灾害模式。当前，在我国对于地震灾害发生时，对不同建筑形式的建筑物的破坏程度对人员心理和行为的影响及与逃生成功率的关系的研究领域还是空白。天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书31.3 地震人员疏散研究的意义近些年来在不同地区，接连发生的地震灾害每每造成重大的人员伤亡，严峻的现实迫使我们重新审视和反思建筑物的防灾减灾问题。由于地震灾害发生时，建筑物内人员应
20、急逃生和疏散的模拟系统的理论研究与应用开发在我国还处于空白阶段。从而，对于地震等灾害发生时的人员应急疏散的理论研究，应同时考虑以下几点；(1)建筑物内非主要受力结构部分和建筑物内的不同种类设施的损毁对逃生行为的影响。显而易见，在发生强烈的地震灾害时，建筑物内非主要受力结构部分及各种设施可能发生难以预料的损坏、倒塌、变形、位移等因素，这些都会对室内逃生通道造成巨大的影响，对于人员的逃生造成不可知的影响。(2)遭受强烈地震的侵袭后，恐惧心理对建筑物内逃生人员逃生行为的影响，显而易见，强烈地震的侵害对人身心造成的冲击与火灾等其他灾害不尽相同，当建筑物内发生火灾时，大火通常是在建筑物内的某一点燃起来，
21、然后渐渐向整个建筑物蔓延。如果报警装置和自动扑灭系统都能正常运作，建筑内人员的逃生疏散也相对容易。根据现有的研究数据分析，在地震发生时，未经过训练的人员的成功逃生率远不如经过训练的人群，所以地震中人员疏散的课题研究，不但是建筑物的防灾减灾设计重要的科学依据，也为某种建筑物内人员的逃生训练提供的参考条件，同时也是评价建筑物防灾减灾效果的重要标准。地震人员疏散研究有三项重要的意义：第一，对我国当前的建筑物的设计标准进行反思，改进，并作为科学依据为其服务；第二，科学的评价现在建筑物的应急逃生的设施条件；第三，为以减少地震灾害对人的伤害为根本目的的防灾减灾教育和人员的训练提供参考和训练标准。1.4 现
22、有仿真模型的分析和软件介绍随着现代计算机技术的发展和进步，基于计算机技术的仿真模型更多的应用于建筑物及人员密集区域的人员流动管理及应急疏散的研究，这些模型根据不同用途、不同应用场景等因素而进行了分类，例如 SGME 和 EVACNET，这两种仿真模型大都主要应用于建筑物内的人员疏散仿真；MEMBbrain 和 MASSVAC，这两种模型主要应用于机动车疏散以及建筑物内人员的徒步疏散。对交通通行的情况进行模拟，对人员疏散时间进行预测，以此确定人员的疏散计划和疏散路线。但这些仿真却不能完全适用于建筑物内的疏散的全局规划及整体交通策略的制定与优化。天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书4图 2
23、.1 国内外人员疏散模型Fig 2.1 Evacuation model at home and abroad动态疏散情景研究方向的第一个重要研究成果是 J.Fruin 所著的Pedestrian and Planning Design ，通过对预计疏散区域中行人运动行为的统计数据的研究得到人群行动的平均速度与人群密度的关系。这一研究主要目标是对建筑物内通道设计和管理提出指导方针。在他之后，还有许多研究学者对不同地区、不同人员以及不同空间内的行人运动进行统计分析，得到的结论是人群行走速度和人群密度之间的关系和人群速度与人群密度呈反比的关系。第二章 仿真模型介绍2.1 宏观仿真模型宏观观点的疏散仿真模型是现较早的建筑物内应急疏散仿真模拟模型出仿真模型，由于受到了当时计算机发展程度的限制， 并不能很好的处理一些数据量较大，实际的较复杂的情况，于是该模型有针对性的对于真实的情况作了一系列的简化，条件的简化是宏观模型的主要的特征中的一个。宏观模型中最重要思想是用复杂度较低的网格来替代现实中具体情况下建筑的宏观布局，即网格化空间。这种思想相对的简化了所处理场景的复杂程度，现实中，在许多领域也有
