摘  要： 基于元胞自动机和模糊理论建立了人群疏散模型，对教学楼内的人群疏散过程进行了模拟。该模型根据人员对建筑物的熟悉程度、周围人员的吸引力设计元胞行为准则，并且采用模糊隶属度定义人员的体能状态及人员对环境的熟悉程度。实验结果表明，该仿真模型能够较好地模拟紧急状况下的人群疏散过程。
关键词： 人群疏散；疏散仿真；元胞自动机；模糊理论

　伴随着我国城市化进程不断加快，高层建筑已经越来越普及。而高层建筑具有火势蔓延快，垂直距离长，疏散、扑救困难等特点，所以一旦发生火灾，极易造成巨大的财产损失和大量的人员伤亡，所引发的巨大安全隐患也引起了人们的普遍关注。近年来，如何有效地预防和减少火灾及其他突发事件造成的人员伤亡，尤其是群死群伤事故，已成为国内外公共安全工作的重心。
    人员疏散作为紧急情况下降低人员伤亡的重要措施之一，日益得到了国内外学者关注，其研究内容也在不断拓展和深化。人员疏散研究的目标是寻找一种良好的疏散预案，给实际中发生的突发状况提供指导性和前瞻性意见，以减少人员伤亡。
    疏散模型则是疏散研究中的主要工具，通过疏散模型能够预测人员走出建筑的疏散时间和模拟人员疏散时的行走过程，以便寻找实际疏散时所需的最优路径等。将这些模型有机应用到疏散设计中，能够模拟出火灾场景中人员所面临的情景。
    国内外的研究学者从研究方法上对人员疏散进行了划分：宏观模型和微观模型。
    宏观模型理论最早由Henderson提出，他认为人群行为的运动类似于液体的流动，行人行为的气态动力学方程与Boltzmann方程相似，不过它考虑了行人之间的相互影响和行人的目的。宏观模型的不足之处在于没有考虑人员之间的相互作用，因而在紧急情况下其不能如实反映人流运动轨迹。
    微观模型可以对行人流的具体行为进行描述，能够更加真实、准确、动态地模拟人员疏散的整个流程，近年来引起了科学界的广泛关注。微观模型的研究方法主要有连续型和离散型两种。经典的代表性模型为社会力模型、磁场力模型和元胞自动机模型。
    元胞自动机CA(Cellular Automaton)模型就是其中一种模拟离散过程的模型，该模型在均匀一致的网格上由有限状态的变量(或称元胞)构成离散、分散及空间可扩展的动力系统。在人员行为的模拟中，元胞自动机模型的离散性、简单性、灵活性、非线性特征在模拟方面显示了强大的优越性，近年来得到了广泛的研究与应用。
    模糊数学理论近年来广泛应用于计算机仿真领域。模糊数学提供了一种处理不精确性问题的新方法，是描述人脑思维处理模糊信息的有力工具。
    本文根据元胞自动机理论，重新对以往的一些概念进行合理的整合，并且结合模糊集的概念描述模型中的不确定因素，建立了一种二维元胞自动机模型，对教学楼内发生火灾时人员疏散过程进行了计算机模拟。
1 模型的分析与建立
1.1 元胞自动机
    元胞自动机模型(CA)是通过模拟大量简单的个体运动来复制系统的复杂行为模式的数学模型。人员疏散的元胞自动机模型是二维CA模型，其原理是将疏散区域离散成微小被元胞占据的平面，每个元胞分别可以代表建筑物内的空地、物品、需要疏散的人员等，所有元胞必须按照已制定的CA规则同时运动(人员移动可以看成一个元胞到另一个元胞的移动)从而模拟出人员的疏散行为。
1.2 模糊隶属度函数
    若对论域U中的任一元素x，都有一个数A(x)∈[0，1]与之对应，则称A为U上的模糊集，A(x)称为x对A的隶属度。当x在U中变动时，A(x)就是一个函数，称为A的隶属函数。隶属度A(x)越接近于1，表示x属于A的程度越高；A(x)越接近于0，表示x属于A的程度越低。用取值于区间[0，1]的隶属函数A(x)表征x属于A的程度。
1.3 模型设定
    根据元胞自动机原理，本文模型的基本框架是将发生火灾的疏散区域设定为一个二维平面，将该二维平面均匀地划分为精细网格，每一个网格代表一个元胞，所有元胞组成元胞空间。
    每一个元胞可以存在以下几种状态：
    (1)被建筑物或者障碍物占据；
    (2)被人员占据；
    (3)空。
    为了描述火灾的蔓延情况，设定某一个元胞的烟雾浓度达到将对人体产生危害的时候，取消该元胞作为候选元胞的资格。
    走廊和房间的疏散情况具有各自的特点，为了更好地描述人员疏散过程，本模型将走廊和房间分别作为两个元胞自动机考虑。
1.3.1 疏散空间
    参考密集人流中典型的人员空间分配，每个元胞对应为0.5 m×0.5 m的空间，人员疏散的速度1.3 m/s。
1.3.2 人员模型
    (1)模型中采用Von Neumann型邻域确定人员可能的运动方向，如图1所示，即人员只能向前、后、左、右4个方向运动。
    


    通过公式可知，疏散的初始阶段，由于走廊人数较少，行人运动较快，平均速度较大。随着房间内的人员走入走廊，走廊的人数增多，速度减缓。当到达人数峰值时，平均速度到达最低值，这是因为走廊人数激增，导致走廊出现阻塞现象。随着人员不断逃离火场，走廊内的人数又开始不断减少，阻塞现象逐渐消失，平均速度又开始逐渐增大，直到人员全部疏散完毕，整个疏散过程完成。
    基于出口最近原则并利用元胞自动机理论模拟了人员疏散的过程。利用该模型模拟了北甸小学教学楼发生火灾的疏散过程，达到了预期的仿真效果。但是本模型所考虑的条件是井然有序的理想疏散条件，所以疏散所用时间应乘以1.3左右的修正因子。如何更加真实地模拟真实灾难现场，寻求更正确的疏散方法，仍需进一步研究。
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