基於熵的生物啟發式人群疏散失穩動力學演化機理研究

《基於熵的生物啟發式人群疏散失穩動力學演化機理研究》是依託同濟大學，由王堅擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於熵的生物啟發式人群疏散失穩動力學演化機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王堅
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

近年來，我國各種群體擁擠踩踏事件頻發，人群疏散失穩成為重要的研究課題。針對人群疏散失穩的內在演化規律問題，項目提出了用於定量反映疏散過程中群體混亂與有序程度的疏散熵概念及其度量模型，並借鑑仿生學生物啟發式思想，將鳥群、蜂群、魚群、蟻群和蝙蝠等五種典型動物動力學行為模式映射為群體疏散行為特徵，研究並構建基於熵的生物啟發式人群疏散動力學行為模型；剖析出個體心理、生理、文化和環境等因素對複雜群體行為的湧現機制，揭示人群疏散動力學行為演化規律。進而構建人群疏散過程中的速度、位置、人群密度、群體行為和引導信息等因素對疏散熵隨時間動態演化的疏散熵變方程，並分析這些因素對疏散熵值的非線性作用，探索出擁擠踩踏事件發生前、發生時、發生後的疏散熵態勢演化規律，給出人群疏散中發生擁擠踩踏事件時的失穩臨界疏散熵值，揭示人群運動失穩的動力學內在演化機理，為應急管理中人群疏散研究提供新的視角和科學的方法支持。

結題摘要

近年來，人群擁擠踩踏事故頻發，而人群混亂失穩是導致事故發生的根本原因，也是應急管理的重要研究課題。本項目基於熵理論，構建了基於熵的生物啟發式突發事件人群疏散模型，剖析人群疏散動力學行為演化規律，揭示了人群疏散失穩動力學演化機理，為應急管理中人群疏散研究提供新的視角和科學的方法支持。人群混亂狀態對人群疏散具有重要影響，然而當前人群疏散模型尚未將其作為構建因素考慮。項目引入熵理論，提出疏散熵概念，分別構建了基於熵的離散型和連續型人群疏散混亂與有序程度度量模型即疏散熵模型，實現疏散人群混亂程度的定量表征，為構建人群疏散模型提供了有力的支撐。基於生物啟發式思想，將鳥群、蟻群、魚群、蝙蝠和蜂群等生物行為模式與疏散個體的逃逸、聚集、避障、尋親和引導行為相映射，結合疏散熵模型，提出了多種基於疏散熵的生物啟發式人群疏散模型。進一步，提出五種個體行為規則，與上述模型相結合，綜合運用於疏散個體行為描述，同時考慮人群混亂的熵增和熵減作用，構建了基於疏散熵的人群疏散模型，研究了個體五種行為的綜合湧現，為人群疏散失穩動力學演化機理研究提供了科學的模型基礎。通過對上述模型的仿真與分析，研究了年齡、視野半徑、聲音傳播半徑、恐慌心理、情緒穩定性、引導意願等個體生理、心理因素以及障礙物分布、出口寬度和出口間距等環境因素對疏散熵值以及疏散過程的影響，擬合出疏散熵與疏散人數、時間等因素的函式關係，發現了疏散過程中疏散熵的變化規律。通過對人群事故徵兆的識別，根據疏散熵值變化規律，揭示了突發事件人群疏散失穩動力學演化機理。研究成果表明，疏散熵能夠作為人群失穩的重要依據，當疏散熵超過一定閾值時意味著人群進入失穩狀態。因此，可以通過確定疏散熵的臨界閾值，及時識別失穩發展態勢並加以干預，避免人群踩踏等失穩事故的發生。項目緊密結合國家應急管理戰略需求，將研究成果“基於疏散熵的人群疏散模型”集成到自主研發的“區域大規模人群疏散仿真推演與決策支持系統（ESFE）V1.0”，分別進行了以國家會展中心（上海）和上海野生動物園為疏散場景的實例驗證，證明了研究成果的有效性，可以為管理部門提供人群應急疏散仿真演練、預案分析最佳化和決策支持手段。