[论文解读] Influence of selfish and polite behaviours on a pedestrian evacuation through a narrow exit: A quantitative characterisation

Alexandre Nicolas, Sebastián Bouzat+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2016

Evacuation and Crowd Dynamics参考文献 9被引用 10

一句话总结

本研究通过受控的人类实验和利用磁性排斥力模拟合作行为的颗粒流类比，实验研究了自私（竞争）与礼貌（合作）行为对通过狭窄出口的行人疏散的影响。研究发现存在一种‘越快越快’效应：更高的自私程度会提高平均流量并导致爆发式疏散，而合作行为则降低流量但增强稳定性。

ABSTRACT

We study the influence of selfish vs. polite behaviours on the dynamics of a pedestrian evacuation through a narrow exit. To this end, experiments involving about 80 participants with distinct prescribed behaviours are performed; reinjection of participants into the setup allowed us to improve the statistics. Notwithstanding the fluctuations in the instantaneous flow rate, we find that a stationary regime is almost immediately reached. The average flow rate increases monotonically with the fraction c\_s of vying (selfish) pedestrians, which corresponds to a "faster-is-faster" effect in our experimental conditions; it is also positively correlated with the average density of pedestrians in front of the door, up to nearly close-packing. At large c\_s , the flow displays marked intermittency, with bursts of quasi-simultaneous escapes. In addition to these findings, we wonder whether the effect of cooperation is specific to systems of intelligent beings, or whether it can be reproduced by a purely mechanical surrogate. To this purpose, we consider a bidimensional granular flow through an orifice in which some grains are made "cooperative" by repulsive magnetic interactions which impede their mutual collisions.

研究动机与目标

• 定量表征预设的自私与礼貌行为对通过狭窄出口的行人疏散动力学的影响。
• 确定人类群体中观察到的合作行为效应是否可在纯机械系统中重现。
• 检验相互回避（礼貌行为）是否可被建模为颗粒流中的排斥磁相互作用。
• 在不同行为条件下，比较人类系统与颗粒系统在全局疏散流量和时间间隔分布上的差异。

提出的方法

• 开展了约80名人类参与者的受控疏散实验，为每位参与者分配固定的行为主角（自私或礼貌），并通过再注入机制提高统计可靠性。
• 测量了在不同自私个体比例（$c_s$）下，出口前的平均流量、连续撤离之间的时间间隔以及空间密度。
• 开发了一种颗粒流类比系统，使用磁性与非磁性圆盘在料仓中流动，其中磁性排斥力通过防止碰撞来模拟礼貌行为。
• 通过改变非磁性（类似自私）圆盘的比例（$c_s$），将颗粒系统的流量和时间间隔分布与人类数据进行比较。
• 分析时间间隔分布 $P( au > riangle t)$ 以检测间歇性及高 $c_s$ 时的爆发式撤离。
• 使用互补累积分布函数和幂律拟合，评估时间间隔中重尾行为，以揭示阻塞动力学特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着自私行人比例（$c_s$）的增加，通过狭窄出口的平均疏散流量如何变化？
• RQ2 礼貌行为（无碰撞）是否会导致比自私行为更稳定、更少间歇性的疏散动力学？
• RQ3 人类疏散中合作行为的宏观效应（如减少阻塞、流动更平稳）是否可在具有排斥相互作用的纯机械颗粒系统中重现？
• RQ4 在不同行为模式下，出口前的行人密度与疏散效率之间存在何种关系？
• RQ5 随着自私程度的增加，连续撤离之间的时间间隔分布如何变化？这些分布揭示了何种流动间歇性特征？

主要发现

• 平均流量随自私行人比例（$c_s$）单调增加，表明在实验条件下存在‘越快越快’效应。
• 在高 $c_s$（例如90%）时，时间间隔分布显示出在 $ riangle t \to 0$ 处的强峰值，表明由于间歇性增强，出现准同时撤离的爆发。
• 平均流量与出口前的行人密度呈正相关，在 $ ho \to 9-10\,\text{m}^{-2}$ 附近达到最大值，接近紧密堆积状态。
• 在颗粒类比系统中，$c_s = 100\%$（非磁性，易碰撞）在 $w = 3\,\text{cm}$ 时的流量（$J = 6.2\,\text{s}^{-1}$）高于 $c_s = 0\%$（磁性，无接触）的情况，与人类实验趋势一致。
• 在 $w = 4\,\text{cm}$ 时，中间 $c_s \approx 60\%$ 的系统达到最高流量（$J \approx 11\,\text{s}^{-1}$），超过两种纯态，表明颗粒系统中存在最优平衡。
• 在高 $c_s$ 条件下，颗粒系统的间歇时间分布表现出在大 $ riangle t$ 处的缓和斜率，表明存在长时间阻塞和强间歇性，与人类疏散数据一致。