[论文解读] Modelling dynamic route choice of pedestrians to assess the criticality of building evacuation

Armel Ulrich Kemloh Wagoum, Armin Seyfried+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2011

Evacuation and Crowd Dynamics参考文献 21被引用 18

一句话总结

本文提出一种事件驱动的、基于图的路由算法，通过实时环境观测的最快路径方法，对疏散过程中动态行人路径选择进行建模。评估了四种策略——局部/全局最短路径与最快路径的组合，结果表明最快路径能有效减少拥堵规模和疏散时间，尤其在扰动条件下表现更优，为评估疏散关键性提供了更真实、更鲁棒的仿真框架。

ABSTRACT

This paper presents an event-driven way finding algorithm for pedestrians in an evacuation scenario, which operates on a graph-based structure. The motivation of each pedestrian is to leave the facility. The events used to redirect pedestrians include the identification of a jam situation and/or identification of a better route than the current. This study considers two types of pedestrians: familiar and unfamiliar with the facility. Four strategies are modelled to cover those groups. The modelled strategies are the shortest path (local and global); They are combined with a quickest path approach, which is based on an observation principle. In the quickest path approach, pedestrians take their decisions based on the observed environment and are routed dynamically in the network using an appropriate cost benefit analysis function. The dynamic modelling of route choice with different strategies and types of pedestrians considers the manifold of in uences which appears in the real system and raises questions about the criticality of an evacuation process. To address this question criteria are elaborated. The criteria we focus on in this contribution are the evacuation time, the individual times spent in jam, the jam size evolution and the overall jam size itself. The in uences of the different strategies on those evaluation criteria are investigated. The sensibility of the system to disturbances (e.g. broken escape route) is also analysed. Keywords: pedestrian dynamics, routing, quickest path, evacuation, jam, critical state

研究动机与目标

• 开发一种能考虑实时环境观测影响的动态路径选择的行人疏散真实仿真模型。
• 通过评估疏散时间、拥堵持续时间与拥堵规模等关键性能指标，评估建筑疏散的关键性。
• 在对称布局与逃生路线损坏等不同条件下，比较静态（最短路径）与动态（最快路径）路由策略的有效性。
• 研究行人对设施的熟悉程度如何影响疏散结果，以及系统对扰动的鲁棒性。

提出的方法

• 模型采用基于图的结构，节点代表决策点，边代表走廊或通道，实现基于网络的路径规划。
• 行人根据观测原则进行路径选择：实时评估当前拥堵水平，并选择成本效益比最优的路径。
• 实现四种策略：局部最短路径（LSP）、全局最短路径（GSP），以及与最快路径的组合（LSQ、GSQ），其中“最快”路径可动态避开拥堵。
• 最快路径方法采用动态成本函数，对高密度区域施加惩罚，促使行人避开拥堵，选择更畅通的路径。
• 仿真采用事件驱动的更新机制，由拥堵检测或路径优化机会触发，实现实时自适应路径重规划，无需预先计算路径。
• 评估指标包括疏散时间分布、个体在拥堵中停留时间以及拥堵规模演化，跨多种场景（不同初始分布与设施干扰）进行分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 将实时环境观测整合到路径选择中，如何影响疏散效率与拥堵形成？
• RQ2 在疏散时间与拥堵规模方面，静态最短路径与动态最快路径策略的相对表现如何？
• RQ3 不同的初始行人分布与设施拓扑结构（对称与非对称）如何影响疏散结果？
• RQ4 系统在逃生路线被阻塞等扰动下如何响应？最快路径策略是否提升了鲁棒性？
• RQ5 何种标准最能捕捉疏散过程的关键性？这些标准在不同路由策略下如何变化？

主要发现

• 与静态最短路径策略相比，最快路径策略将平均拥堵规模减少了20%，低密度场景下平均拥堵规模分别为9 m²与11 m²。
• 在1,000名行人的高密度场景中，最快路径策略将平均拥堵规模降至40 m²，而静态策略为46 m²。
• 最快路径方法显著缩短了疏散时间，并降低了个体在拥堵中的停留时间，尤其在逃生路线损坏等扰动条件下表现更优。
• 在关闭两个出口（E2与E8）后，最快路径策略的疏散时间与拥堵持续时间仍低于静态策略，表现出更强的系统鲁棒性。
• 动态最快路径策略对初始行人分布与对称出口布局不敏感，相比静态最短路径方法更具鲁棒性与通用性。
• 本研究证实，拥堵规模演化与在拥堵中停留时间分布是评估疏散关键性的关键指标，动态策略显著降低了这两项指标。