[论文解读] Mechanical response of dense pedestrian crowds to the crossing of intruders

Alexandre Nicolas, Marcelo N. Kuperman+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2018

Evacuation and Crowd Dynamics参考文献 30被引用 54

一句话总结

本文通过实验分析密集静态人群在圆柱形入侵者穿过时的反应（以及单个行人），将行为与颗粒介质进行比较，并强调对预期的出现和主要为横向位移，与颗粒-like 力模型偏离。

ABSTRACT

The increasing number of mass events involving large crowds calls for a better understanding of the dynamics of dense crowds. Inquiring into the possibility of a mechanical description of these dynamics, we experimentally study the crossing of dense static crowds by a cylindrical intruder, a mechanical test which is classical for granular matter. The analysis of our experiments reveals robust features in the crowds' response, comprising both similarities and discrepancies with the response of granular media. Common features include the presence of a depleted region behind the intruder and the short-range character of the perturbation. On the other hand, unlike grains, pedestrians anticipate the intruder's passage by moving much before contact and their displacements are mostly lateral, hence not aligned with the forces exerted by the intruder. Similar conclusions are reached when the intruder is not a cylinder, but a single crossing pedestrian. Thus, our work shows that pedestrian interactions even at high densities (3 to 6 ped/m 2) do not reduce to mechanical ones. More generally, the avoidance strategies evidenced by our findings question the incautious use of force models for dense crowds.

研究动机与目标

• 为安全设计和大型活动管理提供密集人群的力学描述。
• 提供受入侵者影响的人群响应的受控实验数据以用于模型校准和验证。
• 探索人群与颗粒介质对入侵的响应之间的相似性与差异。
• 评估入侵穿越的动力学是否可被力基模型捕捉，还是需要考虑躲避策略。

提出的方法

• 在法国和阿根廷进行两轮实验，参与者35–40人，密度为 2–6 ped/m^2。
• 圆柱形入侵者（直径在法国74 cm，在阿根廷68 cm）沿接近直线路径被工作人员推动，或由横向穿越的行人推动。
• 通过60 Hz的高分辨率顶视记录并进行自动头部/帽状物追踪以提取轨迹，随后进行手动后处理。
• 使用基于Voronoi的局部密度估计，并对边缘进行校正以量化入侵者周围的密度场。
• 使用高斯样核对位移场和速度场进行平滑化，以获得连续场表示（关于 u(r,t) 和 v(r,t) 的方程）。
• 分析位移幅值以及横向与纵向分量，以表征扰动的传播范围和衰减。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高密度下，圆柱形入侵者穿过时人群反应的主要特征是什么？
• RQ2 人群的反应与颗粒介质对入侵者的已知响应有何比较？
• RQ3 行人是否表现出预期，其如何影响入侵者前方的密度和速度场？
• RQ4 当入侵者是单个行人而非圆柱时，会出现哪些差异？
• RQ5 观察到的响应是否支持对密集人群的连续力学描述，还是需要非力学（躲避）成分？

主要发现

• 入侵者后方形成一个空区，类似于颗粒 wake 洞，但人群在两侧呈现密度翼状分布，而非前部的圆顶形高密度区。
• 在入侵者前方的行人提前感知接触并向侧向移动，造成主要横向（x 方向）位移，纵向（y）位移较弱或可变。
• 扰动在横向方向迅速衰减，衰减长度约等于入侵者边界之外一个半径的量级，基本与人群密度无关。
• 当预期减弱或颠倒（例如行人背对或被指示不去预期）时，密度场显示出更多类似颗粒的特征，但仍保持横向位移模式。
• 对于一个单独穿越的行人，在密集人群中扰动仍然以横向为主， wake 空区与圆柱案例相似但幅度较小（峰值约20 cm），并且有时取决于轨迹而减少横向优势。
• 总体而言，行人反应表现出稳健且与密度无关的特征，与颗粒类比不同，强调预期和自推动力作为超过简单接触力的关键驱动因素。