人员紧急疏散系统动力学模型及其分析.pdf

!#$%!计算机工程与应用在大型的体育赛事中，观看比赛的观众形成了一个临时性的，缺乏约束力的组织，如何组织全体的观众有序的观看比赛，并且在发生紧急情况的时候能够及时的疏散人群，对于大型运动会非常重要，尤其是在发生紧急事件时。事实上，在过去赛事场馆内发生的事故中，大部分人的死亡不是因为事故本身，而是因为在疏散过程中的互相拥挤、践踏导致大量的群体伤亡。所以，对紧急事件疏散进行仿真预测，可以提前采取更好的措施来解决疏散中存在的问题。个人是一个非常复杂的能量系统，群体内人与人之间存在着相互影响、相互渗透的交互作用，而所谓“群体动力”是指来自集体内部的一种“能源”。群体为满足共同的需要在寻求与确定各种准社会的目标，于是便会出现各种能量的汇聚、冲突、平衡与失衡以及群体行为的趋向和拒斥等现象，这些现象就是群体动力现象，而针对这些群体动力现象开展的实验研究就是“系统动力学”&%。定性仿真（()*+,-*-,./0,1)+*-,23）是以非数字手段处理信息输入、建模、行为分析和结果输出等仿真环节，通过定性建模推导系统的定性行为描述。相对与传统的数字仿真而言，定性仿真技术在处理不完备知识和“深层”知识以及决策等方面有其独到的长处&!。在紧急疏散中，人与人之间的交互作用很难定量地给出一个定值，这时采用定性方法描述不同人、人群之间的交互作用具有很重要的意义。%紧急疏散系统动力学模型的组成系统动力学（045-/1 643*1,75简称为06）是研究信息反馈系统动态行为的计算机仿真方法。它有效地把信息反馈的控制原理与因果关系的逻辑分析结合起来，面对复杂的实际问题，从研究系统的内部结构入手，建立系统的仿真模型，并对模型实施各种不同的政策方案，通过计算机仿真展示系统的结构、功能和行为之间的动态关系，寻求解决问题的正确途径。06研究系统问题的方法是定性与定量相结合，系统整体思考与分析、推理与综合相结合。06模型模拟是一种结构8功能模拟，它最适用于研究复杂系统的结构、功能和行为之间动态变化关系。组织行为学和管理学理论提供了建立紧急疏散动力学模型的重要信息，加上自身的信息、经验，利用反馈控制理论和计算机仿真技术，就可以对模型进行整体仿真和评估。其紧急疏散系统动力学模型组成如图%所示。图%紧急疏散系统动力学模型的组成人员紧急疏散系统动力学模型及其分析张毅邵晨曦（中国科学技术大学计算机系，合肥!9!:）摘要在大型的体育赛事中，观众是一个非常复杂的能量系统，群体内人与人之间存在着相互影响、相互渗透的交互作用。针对能量的汇聚、冲突、平衡与失衡以及群体行为的趋向和拒斥等现象的研究，对系统问题进行分析，明确系统的界限，确定系统的各种变量，建立系统的因果关系图和流图，构建出系统模型。利用定性描述的方法，分析系统整体与局部的反馈关系，写出06方程，并根据数据进行仿真试验和计算，最终得到一个与实际较为相符的预测结果。关键词紧急疏散系统动力学因果关系定性仿真文章编号%!8;99%8（!#）%!8%中图分类号?9%$!#$%&()#*)%+,&(-+).&/0+12$.3 4$5%$67($2 89)/:)2&)(=&0$?&（A21B)-/C 07,/37/6/B-$2D E3,./C5,-4 2D 07,/37/*3F?/7G32+2H4 2D AG,3*，I/D/,!9!:）*127)/2：J3-G/+*CH/5B2C-5 1*-7G，/./C4*)F,/37/,5*./C4 721B+/K/3/CH4 545-/1，*3F-G/C/*C/,3-/C*7-,23 2D/DD/7-*3F,3D,+-C*-,23 L/-M/3-G/*)F,/37/$?G/C/5/*C7G,3 B22+，723D+,7-，L*+*37/*3F)3L*+*37/2D-G/3/CH4*3F BG/321/3*2D-/3F/374*3F C/B)+5,23 2D L/G*.,2C 2D B/2B+/，L4*3*+4N/-G/545-/1 O)/5-,23，*3F 723D,C1-G/L2)3F*3F.*C,*L+/2D-G/545-/1，*3F/5-*L+,5G-G/7*)5*+,-4 7G*C-*3F D+2M 7G*C-，*3F 7235-C)7-G/545-/1 12F/+，*3F*3*+4N/-G/D/FL*7PL/-M/3-G/MG2+/545-/1*3F-G/B*C-L4 O)*+,-*-,./1/-G2F，*3F MC,-/2)-G/06/O)*-,23，*3F-/5-*3F 7*+7)+*-/-G/F*-/，*3F C/7/,./*BC/F,7-,23 7235,5-/3-M,-G-G/D*7-*-+*5-$A$+B7#1：)CH/3-/.*7)*-,23，545-/1 F43*1,75，7*)5*+,-4，O)*+,-*-,./5,1)+*-,23基金项目：国家自然科学基金项目（编号：Q:=9;）；!=年安徽省重点科技计划项目作者简介：张毅（%:Q8），男，汉，讲师，硕士研究生，从事动力学系统研究、复杂系统仿真。邵晨曦（%6、定性仿真理论方面研究。%;计算机工程与应用!#$%!建立紧急疏散模型!$%行为划分根据组织行为学，把紧急疏散中人的行为模式分为个体行为模式、群体行为模式和决策者行为模式。!$%$%个体的行为模式对疏散开始时间影响的人的生理和心理因素主要有：年龄、性别、生理缺陷、现场疏散路线熟悉程度、睡眠状态、培训状况、对药和酒的反应、恐慌、信息和经验等。根据发生火灾后对一些幸存者的调查和询问，其对火灾灾情的反应可用图!&(表示。由图!的统计结果可以看出：建筑物内的人员得到事故警报后，只有%)的人会立即取疏散的行动，这也就表明：事故发生后，疏散行动不是在发出警报后立即开始，而是有一段时间的延迟。根据图!，延迟的时间最少为#秒，有的要超过!#秒，对灾情信号不予理睬的人员将会需要更长的时间才能采取疏散行动。此外，一些学者通过对灾后的幸存者调查和实验模拟统计得出：大于*#岁和小于#岁的疏散开始时间较一般成年人要长，性别对疏散反应时间影响不大。疏散能力有生理缺陷的人与没有缺陷的人相比，有缺陷的人其反应时间要慢，而且在疏散中有可能造成疏散路线的堵塞。对现场疏散路线熟悉而言，人的行为一般表现在路线的选择方面，人员在疏散时，如果在路线的长度相当的情况下，选择熟悉的疏散路线的概率较大，约为选择紧急疏散出口人数的两倍。吃了药或喝了酒的受灾人员疏散反应时间较慢。以上这些研究对疏散计划的制订提供了很重要的基本数据，但都缺乏对几个因素的系统、综合的研究&+(。图!发现火灾到采取疏散行动的时间与人数分布!$%$!群体的行为模式群体行为模式包括人群的交互作用，冲突等。交互作用包括人和人之间的社会关系，比如甲和乙有亲属关系，甲从!方向疏散时，那么一般情况下乙也会从!方向疏散。冲突是在疏散过程中不可避免的，由于人在疏散时都是利已的。当发生冲突时，如果不及时消解，将会对疏散结果造成很大影响。群体行为在紧急疏散中的行为是一个极其复杂的现象，人在紧急疏散中的各种心理和行为可以考虑以下几种因素：（%）群集性。人群是因为有共同关心的问题而聚集在一起，该团体是偶然的、临时产生的，是一个没有任务分担的团体，易于受周围人的感情所影响。（!）交互性。由于某种原困，人们汇集到一起，这些汇集起来的人群的心理又起到相乘的作用。遇到火灾时的烟雾、异味、停电、嘈杂等状况，常常会导致恐慌。例如：内部情况的场所，当人们对情况无法做出冷静的判断时，往往会返回到进来时的线路上。（）跟随性。不是自己来判断逃生的方向，而是跟在前面的人或是大多数人的后面，胡乱跟随。（+）冲突性。疏散过程中成员之间容易发生冲突。例如在疏散过程中，由于疏散通道有限，就容易引发冲突并导致堵塞。!$%$决策者行为模式决策者根据现场的情况，将会对疏散采取指导性措施。现场情况主要有：是否有冲突；冲突的大小；各出口的人流量等。采取的措施通常有：派出引导员，加强现场的疏导；通过大屏幕，向观众发出疏散信息；派出安全员，现场处理冲突等等。!$!建模与仿真确定系统的目的，对系统问题进行分析；明确系统的界限，确定系统的内生变量、外生变量、输入变量等；建立系统的因果关系图和流图；写出,-方程；进行计算和仿真实验&#(。!$!$%设定变量与参数建立人员紧急疏散模型系统动力学模型的主要目的是根据系统仿真结果，为决策者提供决策依据。模型的主要元素和控制参数：（%）观众总人数./.单位：人（!）正常观众数量0/1单位：人（）非正常观众数量230单位：人（+）人群流量45/单位：%6米秒（#）行走速度,.-单位：米6秒（*）人群流向正确率-71单位：)（8）人群疏散率129单位：)（:）出口宽度;7-单位：米!观众总人数指的是需要从某一出口疏散的人数（这里只考虑一个出口，且出口宽度固定）；正常观众指的是身心健康者；非正常观众数量指的是身心有缺陷者；人群流量是指一定宽度的门在每秒钟能疏散的人数；人群流向正确指的是向着出口疏散，其它方向皆为不正确流向；人群疏散率是疏散人员与总人数之比。在确定了系统的组成元素后，可以根据实际情况给出系统的因果关系图。如图所示：图系统因果关系图图中，观众总数、正常观众数、非正常观众数、疏散方向构成一个负反馈；观众总数、不正常观众数、正常观众数、行走速度构成一个负反馈；正常观众数、疏散方向、行走速度、观众流量构成一个正反馈；非正常观众数、疏散方向、行走速度、观众流量构成一个负反馈；观众总数、正常观众数、非正常观众%!#$%!计算机工程与应用数、疏散方向、行走速度、观众流量构成一个负反馈，这几个反馈的相互作用，是模型得以运行的内在动力。!$!$!系统流程图根据上面的因果关系图，可以给出系统流程图（如图&）。图&系统流程图在图&中，()变量在模型构造中将它们设计为*+,+*变量，-./、)01、123在模型中将它们设计为456+变量。根据上述流程图的基础上写出)7829/方程式：!#$（初始值）%常量方程!&($（初始值）!)*+$（初始值）!+#,$（初始值）!,%$（特性系数）!,!$（特性系数）!,:$（特性系数）!,&$（特性系数）)+#,-$#-.)*+-%辅助方程/+01-$#2.（(3）（4(-56/#-）%状态方程/#-$#2.（(3）（+012-;）,)3-$+01-%#-%速率方程,6/#-$（4(-!(,-）%&(,(,-/$,%5)*+-7,!5+#,-,4(-/$,:5)*+-7,&5+#,-方程中，8?，同理，可得特性系数,!、,:、,&的定性值如下：,!A%,:;%,&A%初始值设为：#!人)*+%人（指老弱病残等）+#,%B人&(米!在)模型方程和“龙格;库塔”核心算法的基础上，利用CD$程序语言在计算机上进行仿真实验应用程序的开发。根据)模型方程中所提供的参数和初值，由实际的仿结果输出得到图#和图。图#疏散人数与疏散时间关系图图行走速度与观众流量关系图:结果分析根据上述仿真结果，可以看出，在大型运动会疏散中，存在以下几点特征：（%）在疏散初期，观众有一个反应时间，部分观众反应过来后，是逃离人数增加的第一个高峰，但是随着观众的疏散中冲突的产生，疏散率迅速下降，表现为第一阶段的渐近增长态势；第二阶段是疏散人员基本成线性增长，即形成了一个均衡的态势；第三阶段是随着大部分人员的疏散完成，剩下的观众行走速度明显加快，疏散率提高，疏散人数呈指数增长。（!）在人群行走速度大约为%$#米E秒时，疏散时间最短，也是最不容易造成人身伤害的，这时出口的人群流量也最大。人群疏散的期望速度大约为#米E秒，但是当人群速度达到这一速度时，会突现冲突增多现象，进而导致受伤观众增多，人群速度急速下降，疏散效果反而更差，这就是平常所说的欲速则不达。（:）在疏散过程中，由于存在老弱病残等观众，这些观众对疏散造成相当大的影响，使得疏散时间大为增加，并且其自身也容易受到伤害，所以建议在观众比赛时，给老弱病残以专门区域，并且配以专门的出口。&结论用定性的方法处理动力学系统中的交互作用是一种有效的办法，因为系统变量之间的交互作用很难量化，或者是有的即使可以量化，但是要很大的工作量才能得到准确的数据，并且在一些情况下，如研究系统的发展趋势时，并不要求有很精确的量化数据。定性的方法使得一些复杂系统的研究变的更为简单。动力学系统内部的反馈回路决定着系统行为的性质及其变化与发展，研究系统的诸反馈回路对研究系统特性有很重要!计算机工程与应用!#$%!&()*算法 出错位：码流的第一位&()*算法 出错位：+(第一位&()*算法 出错位：+(&第一位!值&,-.#$/#!.%!0+(段&,-.%0$10!.2!+(&段&,-.!1$1!3!0算法性能的比较以&()*算法和本文算法分别对多幅图像进行了编解码实验。实验采取了456789:;87;?的标准图像8A5为例，得出实验数据列于表%。图!给出了当编码流中不同部分的位出错时该文算法与&()*的性能比较。从主观或客观的角度上都可以看出，新算法的抗误码的性能明显优于&()*算法，压缩比虽然有些下降，但衡量其抗误码的性能还是值得的。#结论该文提出了一种适合网络传播的小波图像压缩算法。它改变了&()*算法对信道错误极为敏感的缺陷，在传输过程中出现误码时仍能得到很好的解码图像，甚至是在出现丢包的情况下，解码端也能得到较好的图像。该算法在保留&()*算法编码高效性的基础上，大大提高了算法的抗误码能力，在目前的网络状况下，可以作为传输图像应用的一个较好的选择。（收稿日期：!0年月）参考文献%$&5;B C，85DE5A F C$一种新的基于空间分裂树的快速、有效的图像编码算法GHI$(JJJ*D5A电路系统$视频技术，%33/；（/）：!02K!#!$&6ALB58 M:N，85DE5A F C$改进的抗误码的嵌入式视频编码GMI$见：!2年数据压缩论坛，!2O22$HNN:88 P;E，Q8D8D856-Q，C?6A755R S$应用不同的错误保护在英特网上传输容错的图像和视频GHI$(JJJ*D5A!.%!0+(段&,-.#!$/0!.2!+(&段&,-.2!$/图!仿真结果（上接#1页）作用，如系统的稳定性、系统突变点等等，有利于发现不稳定因素，改进系统的结构。（收稿日期：!0年%!月）参考文献%$王其藩$高级系统动力学GQI$清华大学出版社，%330!$邵晨曦，白方周$定性仿真技术及应用GHI$系统仿真学报，!0；%/（!）：!K!32$&Q+N$8NU8;AV;D8OC?6BWNX?:878:5Y;N6D5D859?;NANXU8NU8;A5X;D8;AO9;B8A?;A)NALPNALGHI$V;D8JAL;A88D）：3K300$肖国清，温丽敏，陈宝智$建筑物火灾疏散中人的行为研究的回顾与发展GHI$中国安全科学学报，!%；%（2）：#K#$贺建勋$系统建模与数学模型GQI$福建科学技术出版社，%33#/$白方周，张雷$定性仿真导论GQI$中国科学技术大学出版社，%331$李林红$滇池流域可持续发展投入产出系统动力学模型GHI$系统工程理论$陈亮，任旭$装备采购与部署的系统动力学模型GHI$军械工程学院学报，!2；%#（!）：!K2!%