擁擠系統(tǒng)阻礙物設(shè)置的真人行為實驗研究

李靖宇，姜　立，沈　超,3，于　忱，韓戰(zhàn)鋼

(1.北京師范大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院，北京 100875；2.中國科學(xué)院科技政策與管理科學(xué)研究所，北京 100190；3.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息系統(tǒng)與信息管理學(xué)院，湖南 410073；4.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875)

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擁擠系統(tǒng)阻礙物設(shè)置的真人行為實驗研究

李靖宇1,2，姜立1，沈超1,3，于忱4，韓戰(zhàn)鋼1

(1.北京師范大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院，北京 100875；2.中國科學(xué)院科技政策與管理科學(xué)研究所，北京 100190；3.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息系統(tǒng)與信息管理學(xué)院，湖南 410073；4.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875)

摘要:開展真人行為實驗，研究擁擠人群疏散行為及阻礙物的優(yōu)化設(shè)置，旨在為提高恐慌下人群疏散效率提供理論支持。觀察實驗視頻，發(fā)現(xiàn)擁擠人群疏散所特有的現(xiàn)象，包括距離出口最近處三人擠壓即可堵住出口，人群疏散過程呈現(xiàn)出一定的周期波動性等。對比有無阻礙物時人群疏散速度得出，在房間內(nèi)合理設(shè)置阻礙物有利于提高人群疏散效率，并且設(shè)置兩個阻礙物優(yōu)于設(shè)置一個阻礙物。此外，阻礙物的設(shè)置有助于減輕人群在出口處的擁擠程度，使得疏散過程變得更加平穩(wěn)有序，從而提高了疏散效率。

關(guān)鍵詞：擁擠系統(tǒng)；真人行為實驗；阻礙物設(shè)置；疏散速度

0引言

在現(xiàn)代社會，隨著人們生活的社會化程度不斷加深，諸如大型的娛樂慶典、宗教朝圣和商業(yè)活動等等，同時聚集成千上萬的人的活動越來越頻繁。在這些大型公眾集會中，極易發(fā)生擁擠踩踏事故，尤其是當(dāng)出現(xiàn)了打架斗毆、火災(zāi)、暴動等突發(fā)狀況的時候，人群的恐慌程度加大，產(chǎn)生傷亡事件的機率提高，人們逃生則會變得困難。2010年11月22日，柬埔寨金邊鉆石島送水節(jié)活動發(fā)生嚴(yán)重踩踏事件，造成345人死亡，數(shù)百人受傷。同年7月24日，德國魯爾區(qū)杜伊斯堡市舉行“愛的大游行”電子音樂節(jié)活動中，人群在地下疏散通道形成擁堵，造成恐慌性踩踏事件，共有19人死亡、342人受傷。國內(nèi)外類似擁擠踩踏事件時有發(fā)生。由此看來，公共場所恐慌擁擠踩踏事件已成為人類活動的災(zāi)難，研究人群運動過程及優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提高擁擠人群疏散效率尤為重要。國內(nèi)外已有很多學(xué)者進行了相關(guān)研究，研究該問題的主要方法是建立行人運動模型、運用計算機仿真進行研究。行人運動模型可分為宏觀模型和微觀模型[1]。其中，以Helbing等建立的社會力模型[2-4]仿真度最高，應(yīng)用最為廣泛。此外，Helbing等還總結(jié)了人群在突發(fā)狀況下恐慌后的特征[5]。

在對恐慌人群逃生建筑的優(yōu)化設(shè)計研究中，Escobar等基于Helbing等人發(fā)現(xiàn)的“不對稱優(yōu)勢”[5]研究了26種不同房間結(jié)構(gòu)情況下的逃生模型，發(fā)現(xiàn)了“安全空間效應(yīng)”并得出“安全空間”效果決定于出口處阻礙物的形狀及位置，他們憑直覺設(shè)計了多種阻礙物形狀及擺放位置，對不同結(jié)構(gòu)的房間進行了模擬實驗，發(fā)現(xiàn)圓柱形阻礙物效果較好，但具體效果跟圓柱形的數(shù)量及位置均有關(guān)系[6]。之后Helbing等[7]設(shè)計了遺傳算法演化模型，通過演化算法得到了特殊的出口阻礙物設(shè)置方式，在一定程度上提高了擁擠系統(tǒng)的疏散效率。但他的設(shè)計也具有浪費空間及制作復(fù)雜的弊端，并在結(jié)構(gòu)上形成了死角。姜立等[8]對Helbing的社會力模型進行改進，考慮了阻礙物與人之間的作用力，直接采用Escobar提出的圓柱形阻礙物，用遺傳算法求解出不同數(shù)量和大小的阻礙物設(shè)置的最優(yōu)位置，仿真結(jié)果顯示人群疏散效率得到了明顯提高。

本文將在理論研究基礎(chǔ)上開展真人行為實驗，模擬擁擠人群疏散行為，驗證阻礙物設(shè)置對人群疏散效率是否有切實的改善作用。這是國內(nèi)外鮮有的研究，對相關(guān)領(lǐng)域具有開拓性的理論意義和實踐意義。

1實驗描述

1.1實驗緒論

通過大量的實驗地點的選擇和預(yù)實驗，本實驗最終選取了北京師范大學(xué)邱季端二層南側(cè)大廳作為實驗場地，采用近似圓柱形的垃圾桶(桶內(nèi)裝約三分之二的水)作為阻礙物。實驗詳細(xì)參數(shù)見表1。

注：表中數(shù)據(jù)均為實際測量值，其中，參與者體寬為在實驗參與者中隨機選取15個男生和15個女生的測量數(shù)據(jù)的平均值。

此外，根據(jù)之前預(yù)實驗的總結(jié)，實驗過程中需讓被試人員充分投入實驗過程，以達到比較理想的擁擠程度。因此，本次實驗過程以素質(zhì)拓展游戲的形式來進行，并設(shè)置了激勵措施。根據(jù)實驗人數(shù)分成10個不同顏色命名的小組，被試人員需從室內(nèi)經(jīng)過規(guī)定出口到達室外各自分區(qū)所在位置。工作人員以各組人員多次實驗的平均名次(成績)進行排名，小組成員將根據(jù)組排名獲得相應(yīng)的獎勵。在每次實驗中，被試人員在場內(nèi)圍成3個大小不等的圓圈，由主持人組織和活躍被試人員參與實驗過程。

1.2實驗過程

實驗準(zhǔn)備階段，按照實驗要求準(zhǔn)備實驗用具以及對場地進行規(guī)劃和布置，主要包括準(zhǔn)備阻礙物、對場地進行分區(qū)和合理布置攝像機。首先，工作人員將實驗器材布置到實驗場地的指定位置。然后，按照既定規(guī)則劃分區(qū)域并做好標(biāo)記。本次實驗過程中，工作人員的任務(wù)是負(fù)責(zé)引導(dǎo)被試人員參與實驗，攝像記錄實驗過程和應(yīng)對突發(fā)狀況。

實驗分為4個部分，即對應(yīng)熟悉流程、無阻礙物、有一個阻礙物和有兩個阻礙物4種情況。實驗中需按阻礙物設(shè)置方式對場地進行兩次調(diào)整，分別為在無阻礙物的基礎(chǔ)上安設(shè)一個阻礙物和兩個阻礙物，阻礙物設(shè)置的具體位置參照模型模擬80人和阻礙物半徑為0.5米時所求得的優(yōu)化結(jié)果[8]，3種阻礙物設(shè)置的實驗場景示意圖見圖1。在3種阻礙物設(shè)置條件下，各開展3次有效實驗，有效實驗共計9次，實際次數(shù)由實驗效果而定。正式實驗前，將被試人員進行分組，向被試人員言明實驗規(guī)則，然后模擬兩次實驗，讓被試人員對實驗過程進行熟悉。接著，進入正式實驗部分，按照無阻礙物、一個阻礙物和兩個阻礙物的設(shè)置依次開展實驗。實驗過程中在保證效率即實驗效果的同時注意人身安全。每次實驗都有專人記錄數(shù)據(jù)，拍攝實驗視頻，圖2為一次實驗視頻截圖。

1.3數(shù)據(jù)處理

通過觀察拍攝視頻，針對不同的阻礙物設(shè)置共篩選出9組有效視頻作為進一步分析的實驗數(shù)據(jù)來源。運用視頻處理軟件(會聲會影)觀察實驗視頻，探究實際疏散過程中所涌現(xiàn)出的現(xiàn)象并截取相應(yīng)圖片；記錄各個視頻中每人逃離出口時對應(yīng)時刻，制作人員疏散數(shù)據(jù)表。根據(jù)各實驗效果，最終選取76人(47男，29女)的疏散時刻數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)中以第一人離開出口時刻為零時刻。

2實驗數(shù)據(jù)分析

2.1人群疏散過程呈現(xiàn)周期波動性

觀察實驗視頻發(fā)現(xiàn)，在疏散過程的起始階段，門口聚集的人不是很多，人能以較快的速度逃離出口，隨著時間的推移，門口聚集的人逐漸變多，系統(tǒng)開始出現(xiàn)擁擠，觀察發(fā)現(xiàn)當(dāng)距離出口最近處有3個人時，即可形成擁擠，在擁擠狀態(tài)下，會階段性無人逃出或者幾個人連續(xù)逃出。連續(xù)截取實驗中41人的逃離時間，計算相鄰兩人的疏散間隔時間(單位：s)，折線圖如圖3所示。

從圖3中可以看出，人員疏散間隔時間并不是保持不變的，也不是持續(xù)增加或減小，而是在一定的周期內(nèi)先增大后減少，整體圖像在一定的水平內(nèi)上下波動。從上面3種條件下，所得波動圖形可以大概看出，間隔時間波動周期范圍在3至5人，即在連續(xù)的4人(或3人，或5人)中，人群疏散總是有慢有快。由于當(dāng)人群擁擠時，室內(nèi)人員會受到身體側(cè)向擠壓力和身體前后的擠壓力，當(dāng)距離出口最近處人員所受到的側(cè)向擠壓力過大時，其無法向前移動逃離出去；而當(dāng)這種情況持續(xù)一段時間后，來自后面他人的擠壓力逐漸變大，系統(tǒng)會突然崩塌，距離出口最近的人會被擠出，而隨后的人員就緊跟著逃出，很快室內(nèi)剩余的人會繼續(xù)擠壓形成之前的局面，如此循環(huán)往復(fù)，系統(tǒng)疏散過程中間隔時間會呈現(xiàn)周期性波動。

因此，結(jié)合觀察現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析，可以得出擁擠人群的疏散過程呈現(xiàn)出一定的周期波動性。

2.2影響實驗結(jié)果的主要因素

本實驗所控制的變量為阻礙物個數(shù)，而在不同數(shù)目的阻礙物設(shè)置下分別開展了多次實驗。因此，本實驗除了考查阻礙物的個數(shù)對實驗效果的影響，還需檢驗實驗是否具有明顯的學(xué)習(xí)效應(yīng)。

注：平均疏散速度為：總?cè)藬?shù)除以疏散總時間，單位為人/s。系統(tǒng)總?cè)藬?shù)為76人。表中的均值與方差分別針對不同的阻礙物設(shè)置而求得。在相同阻礙物設(shè)置條件下，重復(fù)進行3次實驗，在表中用實驗1、實驗2和實驗3進行標(biāo)記。

據(jù)表2數(shù)據(jù)顯示，各組實驗平均疏散速度的方差和標(biāo)準(zhǔn)誤的值均較小，說明同種實驗條件下開展的3次實驗測量結(jié)果偏差不大?？梢缘玫?，每組實驗中隨著時間先后順利進行的3次實驗，平均疏散效率并沒有明顯的升高或者降低的趨勢。而從數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著阻礙物個數(shù)的變化對疏散速度的影響更為明顯。用SPSS進行多因素方差分析可以得到：阻礙物個數(shù)的顯著性p=0.002<0.05，實驗順序p=0.397>0.05。因此，阻礙物個數(shù)對疏散速度的影響是顯著的，而相反地，實驗順序?qū)κ枭⑺俣葲]有顯著性影響。此外，通過交互性檢驗可知，實驗順序與阻礙物個數(shù)也不存在明顯交互作用。

可以得出，由于實驗形式、實驗條件和實驗時長等諸多因素的影響，實驗效果并沒有因?qū)嶒瀳?zhí)行順序的不同有明顯的改善或者惡化，從而排除了本實驗的學(xué)習(xí)效應(yīng)。因此，阻礙物個數(shù)則是影響實驗結(jié)果的主要因素，實驗開展的順序?qū)嶒灲Y(jié)果無顯著影響。

2.3對比不同阻礙物設(shè)置下疏散效率及過程的差異

2.3.1阻礙物設(shè)置對疏散效率的影響

T0，T1和T2分別表示無阻礙物時、設(shè)置一個阻礙物和設(shè)置兩個阻礙物時的平均疏散時間。平均疏散時間為相同阻礙物設(shè)置條件下3次重復(fù)實驗的疏散時間均值。

圖4平均疏散時間差

Fig.4The differences of average evacuation time among three situations

選取不同阻礙物設(shè)置下的平均疏散速度均值(后文簡稱速度均值，數(shù)據(jù)見表2)，依次計算速度提升比例，可以得到：設(shè)置一個阻礙物和兩個阻礙物較無阻礙物時速度均值提升比例分別為10.33%,15.99%，設(shè)置兩個阻礙物較一個阻礙物時速度均值提升比例為5.12%。從結(jié)果來看，在擁擠系統(tǒng)中合理設(shè)置阻礙物有助于提高人群疏散效率，兩個阻礙物較一個阻礙物效果更好；而阻礙物的個數(shù)和系統(tǒng)的速度均值提升幅度并不呈等比例增加，可知阻礙物從無到有的提升效果比從一個增至兩個的提升效果更顯著。

通過進一步分析實驗視頻，計算不同阻礙物設(shè)置下的平均疏散時間差(見圖4)，可以發(fā)現(xiàn)：實驗過程初始階段，阻礙物設(shè)置對人群疏散的影響不大，圖4中3條線對應(yīng)的疏散時間差均在0附近上下浮動；當(dāng)疏散人數(shù)達到15以后，無阻礙物的情況下需時明顯要多于設(shè)置阻礙物時，與設(shè)置一個和兩個阻礙物的疏散時間差均大于1s，且呈顯著增加趨勢；而當(dāng)疏散人數(shù)達30以后，設(shè)置兩個阻礙物與設(shè)置一個阻礙物的差異逐漸明顯(圖中三角點線和方點線分離)，兩者疏散時間差(圓點線)顯示設(shè)置兩個阻礙物比一個阻礙物更節(jié)省時間，且疏散時間差幾乎全在1秒以上。因此，阻礙物設(shè)置并不是從一開始就對系統(tǒng)疏散效果有明顯改善，而是當(dāng)系統(tǒng)達到一個狀態(tài)后才能起作用，本實驗中疏散人數(shù)為15和30時是發(fā)生明顯變化的點。

瞬時疏散速度計算方法為：連續(xù)截取5人，計算時間差△t，把此小段時間內(nèi)的平均速度當(dāng)作瞬時速度，即用5/△t。統(tǒng)計數(shù)據(jù)為匯總不同阻礙物設(shè)置下3次實驗數(shù)據(jù)計算所得，1次實驗數(shù)據(jù)量為15，3次實驗數(shù)據(jù)量即為45。

2.3.2阻礙物設(shè)置對疏散過程穩(wěn)定性的影響

文中對不同阻礙物設(shè)置下實驗人群疏散過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了對比，主要通過計算瞬時疏散速度來進行研究，相關(guān)統(tǒng)計量見表3。

從數(shù)據(jù)可以看出，阻礙物個數(shù)從0增至2時，瞬時疏散速度的均值和極小值均逐漸增大，即系統(tǒng)疏散過程中逃逸速度的最低水平及平均水平都逐漸升高；而方差在逐漸減小，能大致反映出隨著阻礙物的個數(shù)增加，系統(tǒng)瞬時疏散速度的波動減緩，即疏散過程更加平穩(wěn)。添加了阻礙物后，人群疏散過程更平穩(wěn)有序，整體疏散速度加快。這與人們?nèi)粘Ｅ抨犜接行蛟娇?，越亂越慢的體驗是一致的。

根據(jù)觀察實驗視頻，也可以發(fā)現(xiàn)在疏散過程中，當(dāng)系統(tǒng)中個體移動速度較大時，人群在較短時間內(nèi)會聚集在出口周圍，并形成半圓的形狀。對于處在半圓中間位置并距出口最近的人來說，他所受到的來自左右兩側(cè)行人的擠壓力較大，從而會阻礙其順利逃離出去，進而減緩整個人群的疏散速度，當(dāng)人數(shù)較多時，則形成較為明顯的擁堵現(xiàn)象。實驗發(fā)現(xiàn)，設(shè)置阻礙物減輕了人群在出口處的擁擠程度，減少了個體間側(cè)向的擠壓力，使得疏散過程變得更加平穩(wěn)有序，從而提高人群疏散效率。

3結(jié)論及展望

本研究開展真人行為實驗研究擁擠人群疏散行為，以及阻礙物的設(shè)置對人群疏散效率的影響。通過實驗觀察，可以發(fā)現(xiàn)擁擠人群疏散特有現(xiàn)象，如距離出口最近處三人擠壓即可堵住出口，人群疏散過程呈現(xiàn)出一定的周期波動性。通過實驗可知，合理設(shè)置阻礙物有利于提高人群疏散效率，并且設(shè)置兩個阻礙物優(yōu)于設(shè)置一個阻礙物。同時，通過實驗發(fā)現(xiàn)，阻礙物設(shè)置并不是從一開始就對系統(tǒng)疏散效果有明顯改善，而是當(dāng)系統(tǒng)達到一個狀態(tài)后才能起作用，本實驗中疏散人數(shù)為15和30時是發(fā)生明顯變化的點。根據(jù)模型求解與實驗結(jié)果的對比分析，可以得到在房間內(nèi)設(shè)置恰當(dāng)?shù)淖璧K物，能夠有效提高室內(nèi)恐慌人群的疏散速度；合理設(shè)置阻礙物有助于減輕人群在出口處的擁擠程度，使得疏散過程變得更加平穩(wěn)有序，從而提高人員疏散效率。

本研究通過真人行為實驗驗證了合理設(shè)置阻礙物有助于提高擁擠人群疏散效率，并從中發(fā)現(xiàn)了擁擠人群疏散過程特有現(xiàn)象。文中的研究結(jié)論只適用于室內(nèi)擁擠人群且易在出口處形成擁堵的人群疏散過程。目前國內(nèi)外少有采用真人行為實驗對人群疏散進行研究，本文為日后相關(guān)問題的探討提供了一定的參考價值。然而，本研究仍存在不足之處，比如模擬過程中只考慮了常規(guī)情況并未加入實際人群疏散過程中可能出現(xiàn)的逆行等行為，本項目所開展的真人行為實驗規(guī)模較小等，期待日后在本研究領(lǐng)域能看到更加出色的研究成果。

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(責(zé)任編輯李進)

Human Experiments for Optimizing Obstacles Settings in a Crowd System

LI Jingyu1,2, JIANG Li1, SHEN Chao1,3, YU Chen4, HAN Zhangang1

(1.School of Systems Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;2.Institute of Policy and Management, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;3.College of Information Systems and Management, National University of Denfense Technology, Hunan 410073, China;4.College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

Abstract：Based on what the previous studies did before, the researchers carry out human experiments to analyze the process of evacuation and the optimization of obstacles settings, thus providing theoretical support to improve the efficiency of evacuation in a panic situation. The experimental videos provides us peculiar phenomena during the evacuation, for instance, three individuals crowding together can block the exit and the evacuation process seems to be periodically fluctuated. By comparing experiments differentiated by the obstacle settings, the paper concludes that a reasonable placement of obstacles can improve the efficiency of evacuation, and that setting two obstacles is better than one. Furthermore, crowding is partly alleviated by the placement of obstacles, so that the evacuation process could become more stable, more orderly, thereby the efficiency of the evacuation is better.

Key words：crowd system; human experiments; obstacles settings; evacuation speed

文章編號：1672—3813(2016)02—0022—05;

DOI:10.13306/j.1672-3813.2016.02.003

收稿日期：2014-10-25；修回日期：2015-01-16

基金項目：國家自然科學(xué)基金(61074116,61374165)

作者簡介：李靖宇(1992-)，女，重慶人，碩士研究生，主要研究方向為科技政策和復(fù)雜系統(tǒng)。 通訊作者：韓戰(zhàn)鋼(1965-)，男，北京人，博士，教授，主要研究方向為多主體系統(tǒng)與演化算法。

中圖分類號：N945

文獻標(biāo)識碼：A