視野受限情況下行人疏散行為特征試驗(yàn)研究*

吳 鑫,林華李,張龍梅,朱 旭,羅筱毓

(1.四川師范大學(xué) 工學(xué)院,四川 成都 610101;2.四川師范大學(xué) 西南土地資源評價(jià)與監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610066)

0 引言

在我國大型和超大型城市現(xiàn)代化建設(shè)過程中,各類公共場所和公共空間不斷大型化、復(fù)雜化,而對于對緊急情況下的人員快速疏散造成嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此,公共場所突發(fā)事件下人群疏散能力至關(guān)重要,是城市管理和危機(jī)處理的新興課題之一。

目前,人員疏散研究主要采用觀測、試驗(yàn)和模擬仿真等手段?，F(xiàn)場觀測一般通過監(jiān)控錄像等方式對某類特定場所(車站、商場等)人群運(yùn)動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,收集行人日常行為和緊急情況下的行為特點(diǎn),由于觀察者與被觀察者之間沒有信息交流,因此相關(guān)規(guī)律及數(shù)據(jù)更貼合實(shí)際情況[1]。相關(guān)研究表明:在不同場景中行人都呈現(xiàn)出特有的運(yùn)動規(guī)律,包括分層現(xiàn)象[2]、分帶現(xiàn)象[3]等。由于觀測法是針對真實(shí)疏散行為開展研究,因此難以控制和展示單一變量對疏散行為的影響,而人群運(yùn)動試驗(yàn)可以通過精確設(shè)置場景和控制變量來克服該局限。包括在教學(xué)樓開展低能見度下的疏散試驗(yàn)[4],探究能見度對個(gè)體疏散速度及路徑選擇的影響?？紤]小群體行為的建筑疏散研究[5]。還有一些學(xué)者開展了行人相向行走或者合并過程的行為研究[6-7],人群中的自組織行為機(jī)制的試驗(yàn)研究[8],出口設(shè)置對疏散效率的影響以及激勵作用下的人群疏散研究等[9-10]。此外,仿真模擬在近年來也得到長足發(fā)展,其中較為典型的是連續(xù)模型-社會力模型[11]和離散模型-元胞自動機(jī)模型,研究影響因素包括疏散標(biāo)志、能見度、心理因素、動態(tài)出口選擇等[12-15]。

目前針對視野受限情況下的人員疏散試驗(yàn)研究依然不多,且集中于行人疏散過程的宏觀行為和仿真模擬[16]。因此,本文聚焦于視野受限條件下個(gè)體的疏散行為特性,以及群體在疏散過程中的典型行為。相關(guān)成果有助于進(jìn)一步理解人群疏散過程行為特征,在公共安全和應(yīng)急管理等領(lǐng)域有一定應(yīng)用價(jià)值。

1 行人疏散試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

以往研究大多都是從宏觀角度出發(fā),分析行人的疏散路徑、疏散速度、疏散時(shí)間等物理量,而忽略了行人自身的微觀動作(包括頭部轉(zhuǎn)動、瞬時(shí)速度等)以及行人在與環(huán)境(墻、出口)的相互作用下的特定動作。因此,在本文中,我們采用1個(gè)單人間的場景,志愿者們將在迷失方向的條件下以正常速度移動并尋找出口進(jìn)行疏散。

設(shè)置1個(gè)5.4 m×5.4 m(長×寬)的正方形試驗(yàn)場地,通過支架和警戒線模擬邊墻,在場地中心正上方8 m處設(shè)置1臺高清攝像機(jī),如圖1所示。在場地角落處分別設(shè)置4個(gè)出口位置,每次試驗(yàn)將隨機(jī)打開其中1個(gè)。試驗(yàn)共征集12名志愿者(8男4女),平均年齡約24歲,平均身高1.72 m,共進(jìn)行試驗(yàn)12組(編號1～12)。為了真實(shí)模擬現(xiàn)場視野受限情況,試驗(yàn)人員將佩戴特制的棒球帽,該條件下,志愿者們能通過低頭或者往下瞥,觀察腳下的環(huán)境從而進(jìn)行方位的判斷,在此情景下,大致能看到腳前方約60 cm的地方,與1個(gè)成年人的臂長相當(dāng),符合行人在視野受限情況下會通過平舉雙手揮舞判斷周遭環(huán)境該過程,同時(shí)也保障了試驗(yàn)人員的安全。

圖1 標(biāo)簽設(shè)置示意Fig.1 Setting of experimental site

為獲取志愿者在疏散過程中的行為數(shù)據(jù),分別在棒球帽的帽檐、帽頂以及志愿者的左右肩上貼4個(gè)標(biāo)簽,有利于通過Tracker軟件來跟蹤人員運(yùn)動和行為軌跡。

1.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)過程按照以下步驟開展:包括:志愿者進(jìn)入到場地中心并在試驗(yàn)員的幫助下正確佩戴帽子并貼上標(biāo)簽;試驗(yàn)員將四個(gè)出口用警戒線關(guān)閉;志愿者原地轉(zhuǎn)圈5周,與此同時(shí),試驗(yàn)員打開其中1個(gè)出口;給出試驗(yàn)開始信號,志愿者需要盡快離開房間;志愿者移動并找到出口,離開房間,試驗(yàn)結(jié)束。

2 行人運(yùn)動模型

視頻采用30幀速率錄制,即每間隔dt=0.033 s記錄志愿者在場地的位置(頭頂位置),對應(yīng)每個(gè)志愿者i的軌跡Li如式(1)所示:

Li={Pi(0),Pi(1),…,Pi(K)|1

(1)

式中:N表示參與志愿者的個(gè)數(shù),個(gè);Pi(0)=(xi(0),yi(K0)),表示初始位置,定義為給定信號試驗(yàn)開始時(shí)志愿者i的地理位置;Pi(K)=(xi(K),yi(K))表示志愿者經(jīng)過時(shí)間步K個(gè)時(shí)間后所處位置的坐標(biāo),K對應(yīng)的是該人員走出出口這一幀的時(shí)間步數(shù)。

2.1 個(gè)體指標(biāo)

根據(jù)試驗(yàn)軌跡,我們可以計(jì)算出每個(gè)志愿者在每次試驗(yàn)中的疏散時(shí)間、行走速度以及頭部轉(zhuǎn)動角度。

疏散時(shí)間表示如式(2)所示:

T=K×dt

(2)

行走速度表示如式(3)所示:

νi(k)=|Pi(k)-Pi(k-1)|∕dt

(3)

式中:νi(k)為志愿者i在第k個(gè)時(shí)間步的行走速度;Pi(k)為志愿者i在第k個(gè)時(shí)間步的位置,其中0≤k≤K。

視線方向如圖1所示。帽檐與帽頂2點(diǎn)間的連線可以確定志愿者i在第k個(gè)時(shí)間步視線的方向αi(k)如式(4)所示,兩肩之間的連線可以確定身體的方向βi(k)如式(5)所示,頭部轉(zhuǎn)動角度如式(6)所示,δi(k)可根據(jù)αi(k)和βi(k)得出:

(4)

(5)

δi(k)=αi(k)-βi(k)

(6)

式中:yHi(k)是行人i在第k個(gè)時(shí)間步時(shí),標(biāo)簽點(diǎn)H的y軸坐標(biāo),m;yPi(k)是行人i在第k個(gè)時(shí)間步時(shí),標(biāo)簽點(diǎn)P的y軸坐標(biāo),m;xHi(k)是行人i在第k個(gè)時(shí)間步時(shí),標(biāo)簽點(diǎn)H的x軸坐標(biāo),m;xPi(k)是行人i在第k個(gè)時(shí)間步時(shí),標(biāo)簽點(diǎn)P的x軸坐標(biāo),m;yRi(k)是行人i在第k個(gè)時(shí)間步時(shí),標(biāo)簽點(diǎn)R的y軸坐標(biāo),m;yLi(k)是行人i在第k個(gè)時(shí)間步時(shí),標(biāo)簽點(diǎn)L的y軸坐標(biāo),m;xRi(k)是行人i在第k個(gè)時(shí)間步時(shí),標(biāo)簽點(diǎn)R的x軸坐標(biāo),m;xLi(k)是行人i在第k個(gè)時(shí)間步時(shí),標(biāo)簽點(diǎn)L的x軸坐標(biāo),m;αi(k)表示行人的視線方向,(°);βi(k)表示行人身體的方向,(°);δi(k)表示行人的頭部轉(zhuǎn)動角度,(°)。

2.2 交互指標(biāo)

上述方法從志愿者本身提取了相關(guān)數(shù)據(jù),在整個(gè)試驗(yàn)過程中,人與環(huán)境還存在著相互作用力?？紤]到這一點(diǎn),將采用人-墻間距Si如式(7)所示:

Si(k)=max (|xw|,|yw|)-max (|xi(k)|,|yi(k)|)

(7)

式中:Si(k)為第i個(gè)人在第k個(gè)時(shí)間步時(shí)離墻最近的距離,值為正表示行人處于場地內(nèi),值為負(fù)則表示疏散人員已走出了場地;xw,yw為墻(邊界)的橫、縱坐標(biāo)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 路徑分析

行人疏散路徑及速度分布結(jié)果如圖2所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)志愿者們在試驗(yàn)開始指令下達(dá)后,會朝著某一固定的方向徑直向前走,抵達(dá)墻壁后會依據(jù)個(gè)人喜好隨機(jī)選擇方向(往左或往右),之后便沿著墻壁移動并尋找出口。整個(gè)試驗(yàn)過程中,志愿者們并沒有出現(xiàn)掉頭往回走的現(xiàn)象,即使是會繞遠(yuǎn)路,如試驗(yàn)1,這與緊急狀況下行人迫切地尋找出口心理有關(guān):往回走之前已經(jīng)進(jìn)行過判斷的路是做無用功,在行人有“出口一定是和墻壁相連”這一定性思維的前提下,為了盡快尋找出口,信念較為堅(jiān)定。行人在沿墻行走時(shí)還會與墻體保持一定距離,一方面是增大視野范圍,提高自身判斷出口的效率,另一方面則是減少與墻體的摩擦,提升行人的移動速度。

圖2 部分疏散試驗(yàn)的軌跡及速度分布Fig.2 Trajectories and speed distribution of partial evacuation experiments

此外,在整個(gè)疏散過程中,志愿者的低速段是分布在起始點(diǎn)和墻角處,這是因?yàn)槿藛T運(yùn)動有1個(gè)起步階段以及在墻角處會判斷并決策這2個(gè)過程,因此行人的速度通常會慢下來。正常情況下行人的行進(jìn)速度為1.03～1.28 m/s,男性速度略高于女性。表1是9位志愿者運(yùn)動信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果,平均疏散速度0.584 m/s,平均疏散時(shí)間24.78 s,這是由于在視野受限情況下行人會主動降低行進(jìn)速度。

表1 疏散行人參數(shù)分析Table 1 Analysis of evacuation pedestrian parameters

3.2 速度分析

為擬合速度曲線,每3幀(即0.1 s)取個(gè)平均速度,試驗(yàn)一速度擬合結(jié)果如圖3～4所示。行人在運(yùn)動過程中的速度變化與自身所處的場地位置密切相關(guān),降速時(shí)間點(diǎn)是在墻角的位置出現(xiàn)。此外,行人的移動速度在是某一范圍內(nèi)浮動的。因此除開行人在墻角進(jìn)行的判斷過程后,將試驗(yàn)過程分為4個(gè)階段。如圖4所示,階段1為尋找墻的階段,階段2～5為沿墻走階段。

圖3 試驗(yàn)1的速度擬合Fig.3 Speed fitting of experiment 1

圖4 試驗(yàn)1的分段示意Fig.4 Schematic segmentation of experiment 1

對速度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后得到如圖5所示的箱線圖。

圖5 試驗(yàn)各階段速度Fig.5 Speeds in each stage of experiment

行人在階段1(尋找墻的階段)的速度是低于后續(xù)的沿墻走階段,原因是前一階段的行人因?yàn)橹車h(huán)境的不確定性所導(dǎo)致的試探心理,需要降低自己的疏散速度,從而獲取足夠的時(shí)間來判斷周圍環(huán)境是否安全。此外,我們還能觀察到,所分階段數(shù)目較多的(試驗(yàn)1、試驗(yàn)2、試驗(yàn)8、試驗(yàn)9)在后續(xù)沿墻走行為中,其速度都在穩(wěn)定提升,由于一方面是經(jīng)過前幾個(gè)階段,志愿者的疏散技能更為熟練,另一方面,疏散人員的心理從最開始的慌亂茫然中脫離出來,尋找出口的能力得到增強(qiáng),動作迅速。

3.3 視線分析

通過志愿者頭頂和肩部的4個(gè)標(biāo)簽點(diǎn),可以獲得基于身體朝向的頭部轉(zhuǎn)動角度與瞬時(shí)速度圖,如圖6所示。圖中每一份的角度為15°。由圖6可知,在視野受限下的疏散中,人體頭部的轉(zhuǎn)動幅度并不大,視線與身體的夾角基本是處于75°～105°區(qū)域內(nèi)的。其原因在于,緊急疏散情況下行人為了節(jié)省時(shí)間,會使自己的行為變得更簡潔,在行進(jìn)過程中不斷確認(rèn)周圍環(huán)境,故而頭部的擺動較小。

圖6 頭部轉(zhuǎn)動角度與瞬時(shí)速度Fig.6 Head rotation angle and instantaneous speed

圖6還顯示出大部分行人頭部朝向并沒有在正前方,而是偏左或者偏右,具有一定的傾向性。在行人的整個(gè)疏散過程中,沿墻走這一行為占據(jù)了大部分時(shí)間。結(jié)合視頻分析可發(fā)現(xiàn),行人在沿墻走的時(shí)候,身體為了保持向前行進(jìn)的一個(gè)狀態(tài),會下意識的將身體與墻保持1個(gè)垂直的角度,而頭部的視線為了確認(rèn)周圍環(huán)境(此時(shí)主要是確定墻的狀態(tài))會將頭部的朝向偏向墻面一側(cè),此時(shí),視線與身體方向便存在一定夾角,具體偏向與順逆時(shí)針行走方向以及個(gè)體差異有關(guān)。

此外,我們還做了基于地面為參考系的頭部朝向圖,如圖7所示。結(jié)果表明,行人在視野受限情況下,整個(gè)疏散過程中頭部的朝向轉(zhuǎn)變不會太頻繁,存在著幾個(gè)主方向(占比很大),同時(shí)這幾個(gè)方向也是墻的方向以及剛開始試驗(yàn)時(shí)頭部的朝向。圖7中,深色部分表示低速,占比較少且大多分布在西南、西北、東南、東北方向。淺色部分表示的是速度較快的情況,主要出現(xiàn)在沿墻走的過程中,這說明為了保證行動的有效性和人身安全,行人的疏散速度是處于謹(jǐn)慎的狀態(tài)下表現(xiàn)出來的。

圖7 部分試驗(yàn)的頭部朝向玫瑰圖Fig.7 Head orientation rose diagram of partial experiments

3.4 人-墻距離分析

圖8統(tǒng)計(jì)了志愿者們隨著時(shí)間在整個(gè)疏散過程中的人-墻距離變化圖,這個(gè)距離是指行人自身的位置到最近墻體的直線距離,數(shù)值小于0則代表行人走出了試驗(yàn)場地。由圖8可知,行人在疏散指令下達(dá)后,人-墻距離會減小,少部分在初始時(shí)間會出現(xiàn)增加的現(xiàn)象,這是因?yàn)樾腥颂幱谝曇笆芟耷闆r,并不清楚哪個(gè)方向是離墻最近的,符合現(xiàn)實(shí)情況。之后,人-墻距離將保持在0～0.5 m這一范圍內(nèi),較集中于0.2～0.3 m這一范圍值內(nèi),說明行人即使是在視野受限的緊急情況下,仍然會和墻壁保持一定的距離,這是為了保證自身的逃生速度以及安全。其中,試驗(yàn)7和試驗(yàn)8的后半部分出現(xiàn)了增大的特殊情況,這是因?yàn)樵摯卧囼?yàn)的志愿者在疏散過程中決定遠(yuǎn)離墻壁,冒險(xiǎn)去選擇近道以提高效率。這展示了應(yīng)急疏散過程中行人的風(fēng)險(xiǎn)偏好,當(dāng)視線受限時(shí),大多數(shù)人會選擇安全可靠的行進(jìn)路線,也有少部分人為迅速撤離而選擇主觀判斷的行進(jìn)路線,后者更偏好風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 人-墻間距變化Fig.8 Change of man-wall spacing

4 結(jié)論

1)視野受限下行人疏散行為與正常情況不同,在周邊無參照物時(shí)會隨機(jī)選擇某一方向徑直走,遇到墻體后便以其為參考“沿墻走”,直到尋找到出口位置,也有少部分偏好風(fēng)險(xiǎn)的行人,為盡快撤離而選擇遠(yuǎn)離墻體這一參照物去冒險(xiǎn)尋找捷徑。

2)試驗(yàn)過程行人的平均疏散速度為0.584 m/s,疏散時(shí)間為24.78 s。劃分階段后還發(fā)現(xiàn),尋找墻階段的行人速度慢于沿墻走階段;遇墻角轉(zhuǎn)彎及出口等需判斷的情況速度也會明顯降低;隨著對環(huán)境的適應(yīng),疏散后期行人速度會相對提升。

3)對視野受限疏散過程中的行人頭部轉(zhuǎn)動特征研究發(fā)現(xiàn),行人面部朝向與肩膀的夾角一般為90°±15°范圍。在尋找墻階段頭部轉(zhuǎn)向變化更大;而在沿墻走階段,行人為鎖定參照物并提高疏散效率,頭部會習(xí)慣性偏向墻面一側(cè)。