建筑火災(zāi)人群疏散中行人的微觀運動特征分析與建模中文摘要

人群疏散是建筑防火領(lǐng)域的研究熱點之一，疏散過程中出現(xiàn)的擁擠、堵塞等現(xiàn)象容易造成嚴重傷亡。實際行人運動既有向前的移動又伴隨側(cè)向搖擺等特征，行人與環(huán)境之間具有復(fù)雜相互作用，人群中作用力傳遞疊加具有獨特規(guī)律。而現(xiàn)有疏散模型難以較好量化這些微觀運動特征，有可能產(chǎn)生較大誤差。本項目將實驗研究、理論分析和模型研究相融合，依次開展四項工作：1）研究單個行人的微觀運動特征，如側(cè)向搖擺、轉(zhuǎn)身、側(cè)行等，認識行人自由運動的特點；2）研究行人與行人之間因相互作用產(chǎn)生的微觀運動特征，如閃避、變向、協(xié)調(diào)等，力圖找到行人運動與鄰近行人參數(shù)之間的定量關(guān)聯(lián)；3）研究擁擠人群的運動模式，分析不同模式之間相互轉(zhuǎn)變的條件；4）量化行人的微觀運動特征，建立更為精細的疏散模型，探索擁擠人群中作用力的產(chǎn)生、傳遞和疊加機制，認識人群疏散的規(guī)律性。研究結(jié)果對于揭示火災(zāi)環(huán)境中人群疏散的基本規(guī)律有所推進，可望對相關(guān)建筑設(shè)計工作有一定指導作用。

將實驗研究、理論分析和模型研究相融合，研究了單個行人的運動特征、行人與行人之間的相互作用、擁擠人群的運動特征，建立了體現(xiàn)行人微觀運動特征的疏散模型。研究進展包括：1) 開展了開展了疏散運動模型研究，量化了疏散運動的基本特征：建立了兩類行人運動基本模型----CDM和視覺場阻模型，獲得了行人運動速度和運動方向變化的基本特性；開展行人運動空間分析和路徑選擇模型研究，得到了行人從出發(fā)點到目的地的路徑選擇對疏散運動的影響；建立了多種車輛換道模型，理解行人與車輛交通的異同點；研究擁擠和煙氣對疏散運動的影響，得到關(guān)鍵參數(shù)及作用規(guī)律；研究建筑物出口、樓梯等瓶頸處的疏散運動模型，認識瓶頸對疏散的影響；建立了一種考慮恐慌傳播的疏散模型，研究了行人在恐慌狀態(tài)時的疏散運動特征；開展疏散引導模型、預(yù)動作模型研究，量化這些因素對疏散的影響。2) 開展了行人疏散運動實驗研究，獲得了第一手科學數(shù)據(jù)：開展了單列環(huán)形運動實驗，得到了運動個體的相互作用，以及流量、密度、速度之間的基本關(guān)系；開展了多方向行人通過瓶頸和交叉路口的行人實驗研究，獲得了行人速度-密度、流量-密度基本圖以及行人在交叉區(qū)域的分層等基本特征；開展了房間疏散和進入流實驗，研究低能見度下行人疏散的運動特征；開展行人群組運動研究，得到了群組成員協(xié)同運動機制。研究成果發(fā)表在國際著名學術(shù)期刊IEEE-ITS、Complexity（SCI高影響區(qū)期刊）、Journal of Statistical Mechanics、Fire Safety Journal（國際火災(zāi)學會會刊）、Physica A、PloS one等，以及PED2014、TGF2013、TGF2015、國際火災(zāi)大會、亞澳火災(zāi)大會等本領(lǐng)域最重要的國際會議，共表論文31篇，其中SCI論文15篇；發(fā)明專利2項，計算機軟件著作權(quán)2項。研究結(jié)果對于揭示火災(zāi)環(huán)境中人群疏散的基本規(guī)律有所推進，可望對相關(guān)建筑設(shè)計工作有一定指導作用。項目組成員分工明確，開展了密切合作。培養(yǎng)博士生4名，項目負責人獲得第十三屆中國青年科技獎。開展了卓有成效的國際交流合作，項目組成員多次在重要國際會議擔任委員、分會主席等職務(wù)并做口頭報告。項目負責人申請并獲得人員疏散領(lǐng)域最具影響力的國際會議之一“第8屆國際行人與疏散動力學國際會議”（PED2016）主辦權(quán)，這是該系列會議首次來到中國，也是首次來到發(fā)展中國家。 2100433B

金屬和合金的微觀分析金屬和合金的微觀分析X 射線能譜分析的一個較大弱點是尚不能分析原子序數(shù)為11(Na)以下的輕元素，因為這些元素的標識X射線波長較長,容易為半導體探測器上的鈹窗所吸收。正在試制無鈹窗及薄鈹窗的探測器，目的是檢測碳、氮、氧等輕元素。

電子能量損失譜(electron energy loss spectro-scopy,簡寫為EELS) 能量為的入射電子與試樣中原子的非彈性碰撞使后者電離而處于較高能量的激發(fā)態(tài)（圖2a中是K激發(fā)態(tài)、能量為）,入射電子損失的能量為 ,為二次電子的逸出功。由此可見，對于不同元素，電子能量損失有不同的特征值。使透射電子顯微鏡中的成像電子經(jīng)過一個靜電或電磁能量分析器，按電子能量不同分散開來。除了有一個很強的無能量損失的彈性電子能量峰外，還會出現(xiàn)一些與試樣中各元素相對應(yīng)的較弱的具有特征能量損失的峰。盡管這些峰不很明銳（較好的水平是2～3eV），定量分析還存在一定困難，但是由于它有下列兩個顯著優(yōu)點而在透射電子顯微術(shù)中逐漸得到廣泛應(yīng)用：一是可以分析B、C、N、O等輕元素；二是將電子束聚焦到幾十埃就可以測出微小區(qū)域的組成。顯然,入射電子由于產(chǎn)生標識X射線而損失一定能量（圖2a、b）,可見電子能量損失譜和X射線能譜有著密切關(guān)系。

俄歇電子譜 圖2中所描述的K電子復(fù)位所釋放出來的能量-，除了產(chǎn)生K輻射這種可能性外，還有一種可能性是繼續(xù)產(chǎn)生電離，使另一核外電子脫離原子變成二次電子。如->,這就有可能使L、L、M、N層以及導帶V上的電子逸出,產(chǎn)生相應(yīng)的電子空位(圖2c），圖2c中的二次電子稱為KLL電子,它的能量等于－－－（為電子逸出功），因此也有固定值，隨元素不同而異。這種具有特殊能量的電子是俄歇(Auger)首先發(fā)現(xiàn)的,稱為俄歇電子。既然俄歇電子有特征能量值，因此也可以利用來進行元素分析，稱為俄歇電子譜(Auger electron spectroscopy，簡寫為AES)。俄歇電子的能量很低，一般是幾百電子伏，因此其平均自由程非常短，一般小于10┱。大于這個距離,俄歇電子就要損失能量，不再有特征能量值；即具有特征能量的俄歇電子的來源僅限于表面二、三層原子。因此，俄歇電子譜繪出的是表面二、三個原子層的成分，用離子槍逐層剝離表面上的原子層，還可以分析幾十到幾千埃深度內(nèi)的成分變化。輕元素的熒光（X射線）產(chǎn)額低而俄歇電子產(chǎn)額高，因此俄歇電子譜宜于用來檢測表面或界面上的輕元素。但俄歇電子的信號是很微弱的，需要用靈敏度高的鏡筒（能量）分析器及鎖定放大器將它挑選并檢測出來,這是俄歇譜儀的關(guān)鍵部件；此外,試樣還需要在超高真空中制備，以免表面上吸附氣體分子造成不真實的分析結(jié)果。圖5是一種鉻鉬釩鋼在具有回火脆性狀態(tài)下晶界斷口的俄歇電子譜,磷峰很明顯,相當于晶界上單原子中有8%是磷原子。用離子槍從斷口表面剝離幾個原子層后，磷峰即迅速減弱，說明在具有回火脆性的鋼中磷在晶界的偏析也僅是幾個原子層, 但濃度很高, 這是產(chǎn)生沿晶界脆斷的原因。除了界面偏析外，俄歇電子譜儀還可以用來研究金屬與合金的氧化、腐蝕、催化作用等表面化學反應(yīng)。將電子束聚焦到微米量級并在試樣上掃描，配上俄歇電子譜儀進行成分分析,就構(gòu)成一臺掃描俄歇電子譜儀,它可以檢測出表面和界面上化學成分的變化，并可顯示出組成元素的二維分布，因而也稱為掃描俄歇顯微鏡（scanning Auger microscope,簡寫為SAM）。

金屬和合金的微觀分析電子能譜化學分析(electron spectroscopy for chemical analysis,簡寫為ESCA) 是用光子或X射線光子（如Al的K或Mg的K）照射試樣，使其中的原子電離產(chǎn)生光電子。這種電子有特征能量，一般在20～1500eV之間， 可以用來分析4～20┱厚的表面成分。X射線光子不能聚焦，因此試樣上的照射面積比較大，不能象俄歇電子譜那樣分析微區(qū)的表面成分；但是，由于電子的結(jié)合能與元素的價態(tài)有關(guān)，因此這種電子譜可以給出表面原子的化學結(jié)合狀態(tài)（鍵），因此稱為電子能譜化學分析。這對于研究金屬與合金的氧化、腐蝕、催化作用等也是很有利的。將電子能譜化學分析儀，俄歇電子譜儀，二次離子質(zhì)譜儀等表面分析儀器組合在一起，便成為多功能表面分析儀。

低能電子衍射只反映表面幾層原子的分布，也就是表面的二維晶體結(jié)構(gòu)。低能電子衍射與俄歇電子譜結(jié)合在一起是研究晶體表面結(jié)構(gòu)和成分的有力工具。

場離子顯微鏡(fieldion micro-scope，簡寫為FIM) 是結(jié)構(gòu)簡單而放大率可達幾百萬倍的顯微鏡,其原理是利用施加到試樣上的高壓,在試樣尖端處（曲率半徑為幾百埃）產(chǎn)生強電場使附近的惰性氣體原子電離，射向熒光屏產(chǎn)生試樣的場離子象，其放大倍數(shù)由投影距離和試樣尖端半徑之比確定。圖6是鎢的場離子象,反映試樣尖端的原子排列,圖像中的亮點是表面上處于凸出位置的原子。原子在一些平行的原子平面上排列，形成許多臺階，這里場強最大，容易產(chǎn)生氣體離子并成像，因此比較容易觀察到原子平面邊緣處的一圈一圈的原子。但是在一些原子排列稀疏的平面上，可以觀察到整個原子平面上諸原子的規(guī)則排列。由此可見，場離子顯微鏡是研究空位等晶體缺陷及固體表面結(jié)構(gòu)的重要手段。場離子顯微鏡的缺點是試樣難于制備，并且要觀察大量試樣才能得到要觀察的視場。

金屬和合金的微觀分析原子探針 將場離子顯微鏡配上飛行時間質(zhì)譜儀，以測定表面上原子的種類與數(shù)量，就構(gòu)成一臺原子探針(atom probe, 簡寫為AP)。除原來施加在試樣上的高壓外，再利用短時間（幾微秒）的脈沖電壓使試樣尖端表面上的原子電離和蒸發(fā)并離開表面飛向檢測器，由它將飛來的離子逐個地接收記錄下來，不同離子的質(zhì)量與電荷比不同，達到檢測器的飛行時間也不同，據(jù)此可以鑒定原子類型及數(shù)量。此外，還可將試樣尖端各種原子的分布圖象直觀地顯示在熒光屏上,圖7是金屬鉬中M o離子及O離子的圖像。從鉬離子圖像可以看出在這個視場內(nèi)有三個晶粒形成的一個三重結(jié)點晶界;而氧離子圖象說明晶界處有氧的富集,這可能就是鉬變脆的原因。此外，還可以在原子探針內(nèi)將試樣表面的原子逐層剝除，研究金屬表層內(nèi)的成分在垂直表面方向的變化。

金屬和合金的微觀分析離子探針 用能量為1～30keV 的一次離子束轟擊試樣表面，也可以使表面原子電離變成離子濺出，用雙聚焦質(zhì)譜儀檢測并分析這種二次離子就可以得出試樣表面4～20┱的成分及其隨深度的變化，這就是二次離子質(zhì)譜(secondary ion mass spectroscopy,簡寫為SIMS)。如果將一次離子束聚焦到1m 甚至更小，并令其在試樣上掃描，就可以得到表面上定點的微區(qū)成分分析或二維的成分圖像。這種微束二次離子質(zhì)譜儀稱為離子探針(ion micro-prooe)。二次離子質(zhì)譜的特點是:①可以分析包括氫在內(nèi)的各種同位素，如用離子探針檢測出鋼中夾雜物內(nèi)吸附有氫,以及氫在鈦的晶界上的偏聚;②靈敏度極高(10%),可以分析半導體中的雜質(zhì)及注入元素的深度分析;③可以進行同位素的豐度分析。缺點是圖譜比較復(fù)雜,不易辨識, 最好與其他分析手段結(jié)合在一起使用。為了表面及深度分析，又常使用大焦斑 (≥100m)的一次離子束。如果使一次離子束在試樣表面掃描,可直接得到離子束照射范圍內(nèi)的二次離子象，得出有關(guān)原子分布的信息。這種離子探針也稱為離子顯微鏡(ion microscope)。（見彩圖)

金屬和合金的微觀分析2100433B

本書就軌道交通樞紐行人仿真建模及應(yīng)用進行研究，針對現(xiàn)有行人仿真社會力模型的計算效率低、一些現(xiàn)象仿真失真的情況進行修正和完善，提出顆粒離散元發(fā)進行建模的心思路，該書可為從事交通樞紐行人仿真研究人員開拓研究思路并拓展新的研究方向，也可作為交通工程專業(yè)本科生、交通運輸規(guī)劃與管理學科研究生教學參考用書，還可供從事交通樞紐規(guī)劃、設(shè)計、運營管理相關(guān)人員學習并參考使用。

第1章 引言

第2章 行人仿真模型綜述

2.1 行人仿真模型分類

2.2 微觀行人仿真模型研究

2.3 基于社會力的微觀行人仿真模型原理

2.4 顆粒離散元素法應(yīng)用于社會力模型的意義與必要性

第3章 顆粒離散元素法及應(yīng)用于行人仿真的適應(yīng)性分析

3.1 顆粒離散元素法基本原理及流程

3.1.1 基本原理

3.1.2 計算流程

3.2 顆粒離散元方法與社會力模型結(jié)合適用性分析

3.2.1 顆粒離散元法在交通領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用

3.2.2 解決行人運動問題的優(yōu)勢

3.2.3 離散元與社會力模型結(jié)合的適用性

3.3 基于顆粒離散元法的行人運動過程分析

3.4 主流仿真平臺及應(yīng)用簡介

3.5 本章小結(jié)

第4章 交通樞紐行人交通特性

4.1 交通樞紐行人構(gòu)成

4.1.1 年齡結(jié)構(gòu)

4.1.2 性別比例

4.1.3 結(jié)伴比例

4.1.4 攜帶行李行人比例

4.2 交通樞紐行人微觀運動行為特征

4.2.1 行人個體空間占有特征

4.2.2 行人速度特征

4.2.3 行人步行行為特征

4.2.4 行人結(jié)伴行為特征

4.3 不同步行設(shè)施的行人交通特征

4.3.1 通道內(nèi)行人交通特征

4.3.2 樓梯處行人交通特征

4.3.3 候車站臺內(nèi)行人交通特征

4.3.4 檢票機處行人交通特征

4.4 本章小結(jié)

第5章 基于離散元與社會力組合模型的行人仿真

5.1 行人運動過程分析

5.2 基本運動方程建立

5.2.1 驅(qū)動力

5.2.2 排斥力

5.2.3 接觸力

5.2.4 行人基本運動方程

5.3 模型參數(shù)標定

5.3.1 行人特征參數(shù)

5.3.2 社會力模型參數(shù)

5.3.3 接觸模型參數(shù)

5.4 仿真實現(xiàn)

5.4.1 仿真模型構(gòu)建思路

5.4.2 行人屬性及運動空間定義

5.4.3 行人運動方程建模

5.4.4 仿真結(jié)果

5.5 本章小結(jié)

第6章 基于橢圓形體的不同服務(wù)設(shè)施內(nèi)行人仿真模型構(gòu)建

6.1 不同服務(wù)設(shè)施內(nèi)的行人運動

6.2 基于橢圓形體的行人模型構(gòu)建

6.2.1 行人橢圓形體模型

6.2.2 橢圓形體模型凈距算法

6.3 不同服務(wù)設(shè)施內(nèi)行人運動模型

6.3.1 接觸力

6.3.2 驅(qū)動力

6.3.3 排斥力

6.4 本章小結(jié)

第7章 結(jié)伴行人模型構(gòu)建

7.1 結(jié)伴行為研究現(xiàn)狀

7.2 領(lǐng)導者與跟隨者特征

7.3 基于Agent的動態(tài)目標路徑選擇模型

7.3.1 作用域與優(yōu)先級

7.3.2 動態(tài)目標路徑選擇模型

7.4 結(jié)伴行人模型構(gòu)建

7.4.1 驅(qū)動力

7.4.2 排斥力

7.5 本章小結(jié)

第8章 行人微觀仿真平臺DEASF

8.1 行人仿真平臺功能模塊

8.1.1 輸入模塊

8.1.2 場景構(gòu)建模塊

8.1.3 仿真模塊

8.1.4 輸出模塊

8.2 行人運動模型建模

8.2.1 行人仿真基本流程與實現(xiàn)方法

8.2.2 通道處行人運動仿真建模

8.2.3 樓梯扶梯處行人運動仿真建模

8.2.4 檢票機處行人運動仿真建模

8.2.5 候車站臺處行人運動仿真建模

8.3 本章小結(jié)

第9章 實證研究分析

9.1 高密度情形下行人異質(zhì)行為的影響研究

9.1.1 實驗設(shè)定

9.1.2 仿真結(jié)果分析

9.2 不同行人設(shè)施的密度高點與危險點分析

9.2.1 通道處密度高點和危險點分析

9.2.2 樓梯扶梯處密度高點和危險點分析

9.2.3 檢票機處密度高點和危險點分析

9.2.4 候車站臺處密度高點和危險點分析

9.3 考慮結(jié)伴行為的通道寬度研究

9.3.1 有無結(jié)伴情況下不同通道寬度值對行人流速度影響分析

9.3.2 不同流量下通道寬度建議值研究

9.4 本章小結(jié)

第10章 基于有限元理論的社會力模型探索研究

10.1 基于有限元理論的行人仿真分析方法

10.2 基于有限元理論的社會力模型改進

10.2.1 行人質(zhì)量假設(shè)

10.2.2 社會心理力改進

10.2.3 接觸力模型改進

10.3 有限元方法求解過程分析

10.3.1 求解假設(shè)

10.3.2 基本運動方程

10.3.3 平衡方程

10.4 參數(shù)標定與仿真實現(xiàn)

10.4.1 雙向行人通道建模與參數(shù)標定

10.4.2 模型驗證及仿真實現(xiàn)

10.5 小結(jié)

參考文獻2100433B