建筑火灾人群疏散中行人的微观运动特征分析与建模

将实验研究、理论分析和模型研究相融合，研究了单个行人的运动特征、行人与行人之间的相互作用、拥挤人群的运动特征，建立了体现行人微观运动特征的疏散模型。研究进展包括：1) 开展了开展了疏散运动模型研究，量化了疏散运动的基本特征：建立了两类行人运动基本模型----CDM和视觉场阻模型，获得了行人运动速度和运动方向变化的基本特性；开展行人运动空间分析和路径选择模型研究，得到了行人从出发点到目的地的路径选择对疏散运动的影响；建立了多种车辆换道模型，理解行人与车辆交通的异同点；研究拥挤和烟气对疏散运动的影响，得到关键参数及作用规律；研究建筑物出口、楼梯等瓶颈处的疏散运动模型，认识瓶颈对疏散的影响；建立了一种考虑恐慌传播的疏散模型，研究了行人在恐慌状态时的疏散运动特征；开展疏散引导模型、预动作模型研究，量化这些因素对疏散的影响。2) 开展了行人疏散运动实验研究，获得了第一手科学数据：开展了单列环形运动实验，得到了运动个体的相互作用，以及流量、密度、速度之间的基本关系；开展了多方向行人通过瓶颈和交叉路口的行人实验研究，获得了行人速度-密度、流量-密度基本图以及行人在交叉区域的分层等基本特征；开展了房间疏散和进入流实验，研究低能见度下行人疏散的运动特征；开展行人群组运动研究，得到了群组成员协同运动机制。研究成果发表在国际著名学术期刊IEEE-ITS、Complexity（SCI高影响区期刊）、Journal of Statistical Mechanics、Fire Safety Journal（国际火灾学会会刊）、Physica A、PloS one等，以及PED2014、TGF2013、TGF2015、国际火灾大会、亚澳火灾大会等本领域最重要的国际会议，共表论文31篇，其中SCI论文15篇；发明专利2项，计算机软件著作权2项。研究结果对于揭示火灾环境中人群疏散的基本规律有所推进，可望对相关建筑设计工作有一定指导作用。项目组成员分工明确，开展了密切合作。培养博士生4名，项目负责人获得第十三届中国青年科技奖。开展了卓有成效的国际交流合作，项目组成员多次在重要国际会议担任委员、分会主席等职务并做口头报告。项目负责人申请并获得人员疏散领域最具影响力的国际会议之一“第8届国际行人与疏散动力学国际会议”（PED2016）主办权，这是该系列会议首次来到中国，也是首次来到发展中国家。 2100433B

人群疏散是建筑防火领域的研究热点之一，疏散过程中出现的拥挤、堵塞等现象容易造成严重伤亡。实际行人运动既有向前的移动又伴随侧向摇摆等特征，行人与环境之间具有复杂相互作用，人群中作用力传递叠加具有独特规律。而现有疏散模型难以较好量化这些微观运动特征，有可能产生较大误差。本项目将实验研究、理论分析和模型研究相融合，依次开展四项工作：1）研究单个行人的微观运动特征，如侧向摇摆、转身、侧行等，认识行人自由运动的特点；2）研究行人与行人之间因相互作用产生的微观运动特征，如闪避、变向、协调等，力图找到行人运动与邻近行人参数之间的定量关联；3）研究拥挤人群的运动模式，分析不同模式之间相互转变的条件；4）量化行人的微观运动特征，建立更为精细的疏散模型，探索拥挤人群中作用力的产生、传递和叠加机制，认识人群疏散的规律性。研究结果对于揭示火灾环境中人群疏散的基本规律有所推进，可望对相关建筑设计工作有一定指导作用。

金属和合金的微观分析金属和合金的微观分析X 射线能谱分析的一个较大弱点是尚不能分析原子序数为11(Na)以下的轻元素，因为这些元素的标识X射线波长较长,容易为半导体探测器上的铍窗所吸收。正在试制无铍窗及薄铍窗的探测器，目的是检测碳、氮、氧等轻元素。

电子能量损失谱(electron energy loss spectro-scopy,简写为EELS) 能量为的入射电子与试样中原子的非弹性碰撞使后者电离而处于较高能量的激发态（图2a中是K激发态、能量为）,入射电子损失的能量为 ,为二次电子的逸出功。由此可见，对于不同元素，电子能量损失有不同的特征值。使透射电子显微镜中的成像电子经过一个静电或电磁能量分析器，按电子能量不同分散开来。除了有一个很强的无能量损失的弹性电子能量峰外，还会出现一些与试样中各元素相对应的较弱的具有特征能量损失的峰。尽管这些峰不很明锐（较好的水平是2～3eV），定量分析还存在一定困难，但是由于它有下列两个显著优点而在透射电子显微术中逐渐得到广泛应用：一是可以分析B、C、N、O等轻元素；二是将电子束聚焦到几十埃就可以测出微小区域的组成。显然,入射电子由于产生标识X射线而损失一定能量（图2a、b）,可见电子能量损失谱和X射线能谱有着密切关系。

俄歇电子谱 图2中所描述的K电子复位所释放出来的能量-，除了产生K辐射这种可能性外，还有一种可能性是继续产生电离，使另一核外电子脱离原子变成二次电子。如->,这就有可能使L、L、M、N层以及导带V上的电子逸出,产生相应的电子空位(图2c），图2c中的二次电子称为KLL电子,它的能量等于－－－（为电子逸出功），因此也有固定值，随元素不同而异。这种具有特殊能量的电子是俄歇(Auger)首先发现的,称为俄歇电子。既然俄歇电子有特征能量值，因此也可以利用来进行元素分析，称为俄歇电子谱(Auger electron spectroscopy，简写为AES)。俄歇电子的能量很低，一般是几百电子伏，因此其平均自由程非常短，一般小于10┱。大于这个距离,俄歇电子就要损失能量，不再有特征能量值；即具有特征能量的俄歇电子的来源仅限于表面二、三层原子。因此，俄歇电子谱绘出的是表面二、三个原子层的成分，用离子枪逐层剥离表面上的原子层，还可以分析几十到几千埃深度内的成分变化。轻元素的荧光（X射线）产额低而俄歇电子产额高，因此俄歇电子谱宜于用来检测表面或界面上的轻元素。但俄歇电子的信号是很微弱的，需要用灵敏度高的镜筒（能量）分析器及锁定放大器将它挑选并检测出来,这是俄歇谱仪的关键部件；此外,试样还需要在超高真空中制备，以免表面上吸附气体分子造成不真实的分析结果。图5是一种铬钼钒钢在具有回火脆性状态下晶界断口的俄歇电子谱,磷峰很明显,相当于晶界上单原子中有8%是磷原子。用离子枪从断口表面剥离几个原子层后，磷峰即迅速减弱，说明在具有回火脆性的钢中磷在晶界的偏析也仅是几个原子层, 但浓度很高, 这是产生沿晶界脆断的原因。除了界面偏析外，俄歇电子谱仪还可以用来研究金属与合金的氧化、腐蚀、催化作用等表面化学反应。将电子束聚焦到微米量级并在试样上扫描，配上俄歇电子谱仪进行成分分析,就构成一台扫描俄歇电子谱仪,它可以检测出表面和界面上化学成分的变化，并可显示出组成元素的二维分布，因而也称为扫描俄歇显微镜（scanning Auger microscope,简写为SAM）。

金属和合金的微观分析电子能谱化学分析(electron spectroscopy for chemical analysis,简写为ESCA) 是用光子或X射线光子（如Al的K或Mg的K）照射试样，使其中的原子电离产生光电子。这种电子有特征能量，一般在20～1500eV之间， 可以用来分析4～20┱厚的表面成分。X射线光子不能聚焦，因此试样上的照射面积比较大，不能象俄歇电子谱那样分析微区的表面成分；但是，由于电子的结合能与元素的价态有关，因此这种电子谱可以给出表面原子的化学结合状态（键），因此称为电子能谱化学分析。这对于研究金属与合金的氧化、腐蚀、催化作用等也是很有利的。将电子能谱化学分析仪，俄歇电子谱仪，二次离子质谱仪等表面分析仪器组合在一起，便成为多功能表面分析仪。

低能电子衍射只反映表面几层原子的分布，也就是表面的二维晶体结构。低能电子衍射与俄歇电子谱结合在一起是研究晶体表面结构和成分的有力工具。

场离子显微镜(fieldion micro-scope，简写为FIM) 是结构简单而放大率可达几百万倍的显微镜,其原理是利用施加到试样上的高压,在试样尖端处（曲率半径为几百埃）产生强电场使附近的惰性气体原子电离，射向荧光屏产生试样的场离子象，其放大倍数由投影距离和试样尖端半径之比确定。图6是钨的场离子象,反映试样尖端的原子排列,图像中的亮点是表面上处于凸出位置的原子。原子在一些平行的原子平面上排列，形成许多台阶，这里场强最大，容易产生气体离子并成像，因此比较容易观察到原子平面边缘处的一圈一圈的原子。但是在一些原子排列稀疏的平面上，可以观察到整个原子平面上诸原子的规则排列。由此可见，场离子显微镜是研究空位等晶体缺陷及固体表面结构的重要手段。场离子显微镜的缺点是试样难于制备，并且要观察大量试样才能得到要观察的视场。

金属和合金的微观分析原子探针 将场离子显微镜配上飞行时间质谱仪，以测定表面上原子的种类与数量，就构成一台原子探针(atom probe, 简写为AP)。除原来施加在试样上的高压外，再利用短时间（几微秒）的脉冲电压使试样尖端表面上的原子电离和蒸发并离开表面飞向检测器，由它将飞来的离子逐个地接收记录下来，不同离子的质量与电荷比不同，达到检测器的飞行时间也不同，据此可以鉴定原子类型及数量。此外，还可将试样尖端各种原子的分布图象直观地显示在荧光屏上,图7是金属钼中M o离子及O离子的图像。从钼离子图像可以看出在这个视场内有三个晶粒形成的一个三重结点晶界;而氧离子图象说明晶界处有氧的富集,这可能就是钼变脆的原因。此外，还可以在原子探针内将试样表面的原子逐层剥除，研究金属表层内的成分在垂直表面方向的变化。

金属和合金的微观分析离子探针 用能量为1～30keV 的一次离子束轰击试样表面，也可以使表面原子电离变成离子溅出，用双聚焦质谱仪检测并分析这种二次离子就可以得出试样表面4～20┱的成分及其随深度的变化，这就是二次离子质谱(secondary ion mass spectroscopy,简写为SIMS)。如果将一次离子束聚焦到1m 甚至更小，并令其在试样上扫描，就可以得到表面上定点的微区成分分析或二维的成分图像。这种微束二次离子质谱仪称为离子探针(ion micro-prooe)。二次离子质谱的特点是:①可以分析包括氢在内的各种同位素，如用离子探针检测出钢中夹杂物内吸附有氢,以及氢在钛的晶界上的偏聚;②灵敏度极高(10%),可以分析半导体中的杂质及注入元素的深度分析;③可以进行同位素的丰度分析。缺点是图谱比较复杂,不易辨识, 最好与其他分析手段结合在一起使用。为了表面及深度分析，又常使用大焦斑 (≥100m)的一次离子束。如果使一次离子束在试样表面扫描,可直接得到离子束照射范围内的二次离子象，得出有关原子分布的信息。这种离子探针也称为离子显微镜(ion microscope)。（见彩图)

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本书就轨道交通枢纽行人仿真建模及应用进行研究，针对现有行人仿真社会力模型的计算效率低、一些现象仿真失真的情况进行修正和完善，提出颗粒离散元发进行建模的心思路，该书可为从事交通枢纽行人仿真研究人员开拓研究思路并拓展新的研究方向，也可作为交通工程专业本科生、交通运输规划与管理学科研究生教学参考用书，还可供从事交通枢纽规划、设计、运营管理相关人员学习并参考使用。

第1章 引言

第2章 行人仿真模型综述

2.1 行人仿真模型分类

2.2 微观行人仿真模型研究

2.3 基于社会力的微观行人仿真模型原理

2.4 颗粒离散元素法应用于社会力模型的意义与必要性

第3章 颗粒离散元素法及应用于行人仿真的适应性分析

3.1 颗粒离散元素法基本原理及流程

3.1.1 基本原理

3.1.2 计算流程

3.2 颗粒离散元方法与社会力模型结合适用性分析

3.2.1 颗粒离散元法在交通领域的发展及应用

3.2.2 解决行人运动问题的优势

3.2.3 离散元与社会力模型结合的适用性

3.3 基于颗粒离散元法的行人运动过程分析

3.4 主流仿真平台及应用简介

3.5 本章小结

第4章 交通枢纽行人交通特性

4.1 交通枢纽行人构成

4.1.1 年龄结构

4.1.2 性别比例

4.1.3 结伴比例

4.1.4 携带行李行人比例

4.2 交通枢纽行人微观运动行为特征

4.2.1 行人个体空间占有特征

4.2.2 行人速度特征

4.2.3 行人步行行为特征

4.2.4 行人结伴行为特征

4.3 不同步行设施的行人交通特征

4.3.1 通道内行人交通特征

4.3.2 楼梯处行人交通特征

4.3.3 候车站台内行人交通特征

4.3.4 检票机处行人交通特征

4.4 本章小结

第5章 基于离散元与社会力组合模型的行人仿真

5.1 行人运动过程分析

5.2 基本运动方程建立

5.2.1 驱动力

5.2.2 排斥力

5.2.3 接触力

5.2.4 行人基本运动方程

5.3 模型参数标定

5.3.1 行人特征参数

5.3.2 社会力模型参数

5.3.3 接触模型参数

5.4 仿真实现

5.4.1 仿真模型构建思路

5.4.2 行人属性及运动空间定义

5.4.3 行人运动方程建模

5.4.4 仿真结果

5.5 本章小结

第6章 基于椭圆形体的不同服务设施内行人仿真模型构建

6.1 不同服务设施内的行人运动

6.2 基于椭圆形体的行人模型构建

6.2.1 行人椭圆形体模型

6.2.2 椭圆形体模型净距算法

6.3 不同服务设施内行人运动模型

6.3.1 接触力

6.3.2 驱动力

6.3.3 排斥力

6.4 本章小结

第7章 结伴行人模型构建

7.1 结伴行为研究现状

7.2 领导者与跟随者特征

7.3 基于Agent的动态目标路径选择模型

7.3.1 作用域与优先级

7.3.2 动态目标路径选择模型

7.4 结伴行人模型构建

7.4.1 驱动力

7.4.2 排斥力

7.5 本章小结

第8章 行人微观仿真平台DEASF

8.1 行人仿真平台功能模块

8.1.1 输入模块

8.1.2 场景构建模块

8.1.3 仿真模块

8.1.4 输出模块

8.2 行人运动模型建模

8.2.1 行人仿真基本流程与实现方法

8.2.2 通道处行人运动仿真建模

8.2.3 楼梯扶梯处行人运动仿真建模

8.2.4 检票机处行人运动仿真建模

8.2.5 候车站台处行人运动仿真建模

8.3 本章小结

第9章 实证研究分析

9.1 高密度情形下行人异质行为的影响研究

9.1.1 实验设定

9.1.2 仿真结果分析

9.2 不同行人设施的密度高点与危险点分析

9.2.1 通道处密度高点和危险点分析

9.2.2 楼梯扶梯处密度高点和危险点分析

9.2.3 检票机处密度高点和危险点分析

9.2.4 候车站台处密度高点和危险点分析

9.3 考虑结伴行为的通道宽度研究

9.3.1 有无结伴情况下不同通道宽度值对行人流速度影响分析

9.3.2 不同流量下通道宽度建议值研究

9.4 本章小结

第10章 基于有限元理论的社会力模型探索研究

10.1 基于有限元理论的行人仿真分析方法

10.2 基于有限元理论的社会力模型改进

10.2.1 行人质量假设

10.2.2 社会心理力改进

10.2.3 接触力模型改进

10.3 有限元方法求解过程分析

10.3.1 求解假设

10.3.2 基本运动方程

10.3.3 平衡方程

10.4 参数标定与仿真实现

10.4.1 双向行人通道建模与参数标定

10.4.2 模型验证及仿真实现

10.5 小结

参考文献2100433B