[论文解读] Modeling pedestrian evacuation movement in a swaying ship

Juan Chen, Jian Ma+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2015

Evacuation and Crowd Dynamics参考文献 5被引用 3

一句话总结

本研究提出了一种基于代理的行人疏散模型，明确模拟了船舶晃动对人类运动动力学的影响。通过引入周期性船舶运动产生的惯性力，该模型量化了侧向晃动如何扰乱步态并减缓疏散速度，尤其是在运动方向与晃动方向一致时，导致疏散时间延长以及开放区域内的轨迹呈曲线形态。

ABSTRACT

With the advance in living standard, cruise travel has been rapidly expanding around the world in recent years. The transportation of passengers in water has also made a rapid development. It is expected that ships will be more and more widely used. Unfortunately, ship disasters occurred in these years caused serious losses. It raised the concern on effectiveness of passenger evacuation on ships. The present study thus focuses on pedestrian evacuation features on ships. On ships, passenger movements are affected by the periodical water motion and thus are quite different from the characteristic when walking on static horizontal floor. Taking into consideration of this special feature, an agent-based pedestrian model is formulized and the effect of ship swaying on pedestrian evacuation efficiency is investigated. Results indicated that the proposed model can be used to quantify the special evacuation process on ships.

研究动机与目标

• 为解决现有仿真模型中缺乏对船舶晃动影响行人疏散行为的考虑这一问题。
• 研究船舶运动（尤其是横向晃动）对行人步态、速度和疏散效率的影响。
• 开发一种计算上可行的基于代理的模型，以捕捉在动态船舶条件下行人的受迫运动模式。
• 评估船舶晃动对真实船舶布局中总疏散时间及乘客集合效率的影响。
• 为早期船舶设计阶段提供一种仿真工具，以识别疏散瓶颈并改进安全规划。

提出的方法

• 开发了一种基于代理的模型，其中每个行人代理通过惯性力感知并响应船舶的晃动。
• 使用时变振幅 $ B(t) $ 和相位 $ \varphi(t) = M \cdot \sin(t) $ 对船舶晃动进行建模，以表示周期性的横向运动。
• 行人的运动由内部自驱力 $ F_e $ 驱动，并动态调整以抵消船舶运动产生的惯性力。
• 该模型将船舶运动的影响整合到行人轨迹生成过程中，模拟了横向偏移和速度波动。
• 在不同条件下进行轨迹模拟：无晃动 vs. 晃动方向与运动方向平行/垂直。
• 在包含开放区域和狭窄通道的船舶布局中，对60名乘客的疏散场景进行模拟，以评估实际影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 船舶晃动如何影响个体行人的运动模式，例如步态和轨迹形状？
• RQ2 行人运动方向与船舶晃动方向之间的夹角对疏散速度和效率有何影响？
• RQ3 船舶晃动如何影响乘客抵达集合点所需的总疏散时间？
• RQ4 空间限制（如狭窄通道）在多大程度上缓解或加剧了船舶晃动对疏散的影响？
• RQ5 与静态条件相比，在真实船舶布局中，船舶晃动使疏散时间增加了多少？

主要发现

• 船舶晃动会引起行人的横向移动，尤其是在开放区域，导致轨迹呈曲线而非直线。
• 当运动方向与晃动方向一致时，行人会经历周期性的加速与减速，从而破坏速度的稳定性。
• 由于步态受到干扰，即使总时间差异相对较小，晃动条件下的疏散时间仍会增加。
• 狭窄通道中的乘客受晃动影响较小，因为物理限制减少了横向运动。
• 该模型表明，船舶晃动降低了疏散效率，尤其对开放区域中横向运动不受限制的乘客影响更为显著。
• 模拟得到的疏散时间可作为评估船舶内部设计和识别紧急预案中潜在瓶颈的可靠依据。