基于Netlogo的大型客運(yùn)汽車(chē)人員疏散模擬

韓心星， 李舒

(1.清華大學(xué)合肥公共安全研究院, 合肥 230601； 2.災(zāi)害環(huán)境人員安全安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 合肥 230601)

公路客運(yùn)作為一種最常見(jiàn)的交通運(yùn)輸方式，以其快捷、方便的特點(diǎn)，成為客運(yùn)方式中不可或缺的一部分[1]。大型客運(yùn)汽車(chē)由于載客量大，依然是中長(zhǎng)途公路客運(yùn)中采用的重要交通工具。一旦出現(xiàn)異常情況，例如發(fā)生地震導(dǎo)致的建筑倒塌、路面破壞、山體滑坡、橋梁垮塌及車(chē)輛交通事故等，客車(chē)內(nèi)的人員疏散就顯得尤為重要。采用人員演習(xí)來(lái)探究疏散規(guī)律，會(huì)浪費(fèi)較大的人力、物力和財(cái)力，而采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)去模擬人員的疏散規(guī)律，可以使得研究更便捷，成本更低廉，不失為一種行之有效的研究方法[2-3]。

關(guān)于人員疏散仿真模擬，中外學(xué)者做了大量研究。國(guó)外學(xué)者Von Neumann[4]提出元胞自動(dòng)機(jī)模型；Helbing等[5]提出社會(huì)力模型；Okazaki等[6]提出磁場(chǎng)力模型；Muramatsu等[7]提出格子氣模型，通過(guò)設(shè)置一定的規(guī)則去模擬人群的疏散行為。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，伴隨出現(xiàn)了Legion、Simulex等多種仿真系統(tǒng)平臺(tái)[8]。國(guó)內(nèi)學(xué)者在該方面研究較晚，在上述理論的基礎(chǔ)上做了拓展和創(chuàng)新[2]；陳長(zhǎng)坤等[9]基于元胞自動(dòng)機(jī)方法，研究了人群疏散過(guò)程中恐慌情緒的影響；魏詩(shī)雨等[10]引入惶恐系數(shù)和集體關(guān)系因素對(duì)傳統(tǒng)社會(huì)力模型進(jìn)行改進(jìn)，利用AnyLogic軟件對(duì)飛機(jī)火災(zāi)下的旅客疏散進(jìn)行了一體化仿真；趙銳等[11]利用Pathfinder軟件模擬化工企業(yè)廠區(qū)內(nèi)人員的應(yīng)急疏散路徑，得到高危區(qū)、中危區(qū)和低危區(qū)的員工疏散時(shí)間；張瑩等[12]采用NetLogo軟件對(duì)教室內(nèi)學(xué)生的疏散過(guò)程進(jìn)行研究，探索了不同學(xué)生人數(shù)、不同出口下的疏散時(shí)間。目前關(guān)于大型客運(yùn)汽車(chē)內(nèi)人員疏散的相關(guān)研究特別是仿真模擬研究較少，只有部分學(xué)者如張碩等[13-14]進(jìn)行了大型客車(chē)乘客疏散特性與制約因素試驗(yàn)研究以及大型客車(chē)事故人員逃生決策模型研究。而基于多智能體的仿真工具NetLogo可以在后臺(tái)通過(guò)編程設(shè)置主體的屬性和運(yùn)動(dòng)規(guī)則去模擬主體的疏散行為，對(duì)于由若干個(gè)體構(gòu)成的較復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制[15]有著很好的適用性。

因此，現(xiàn)基于NetLogo軟件對(duì)大型客運(yùn)汽車(chē)的人員疏散場(chǎng)景進(jìn)行仿真模擬，探究不同載客人數(shù)、不同疏散方案下的人員疏散規(guī)律。

1 Netlogo軟件簡(jiǎn)介

Netlogo軟件[16]是由美國(guó)西北大學(xué)研發(fā)設(shè)計(jì)的模擬仿真平臺(tái)，其實(shí)體主要包括海龜(Turtles)、瓦片(Patches)、鏈接(Links)和觀察者(Observer)，能夠模擬個(gè)體之間以及個(gè)體與環(huán)境之間的交互作用[2,17]。其中海龜是被用戶賦予不同屬性的自由移動(dòng)個(gè)體，瓦片是海龜按照一定運(yùn)動(dòng)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的網(wǎng)格環(huán)境，鏈接一般鏈接兩個(gè)主體表示他們之前的邏輯關(guān)系或最短距離，觀察者能夠通過(guò)輸入指令控制主體行為[2,17]。該軟件既繼承了Logo語(yǔ)言的基本特征，又彌補(bǔ)了Logo語(yǔ)言只能控制單個(gè)個(gè)體的缺陷[2,17]，能夠有效地對(duì)社會(huì)和自然中的宏、微觀現(xiàn)象進(jìn)行模擬，特別適合模擬隨時(shí)間變化的復(fù)雜系統(tǒng)。

2 大型客運(yùn)汽車(chē)疏散模型建立

2.1 疏散環(huán)境

選取載客38人(含司機(jī))的大型客運(yùn)汽車(chē)作為研究對(duì)象進(jìn)行疏散仿真。首先需要將客運(yùn)汽車(chē)內(nèi)部疏散環(huán)境抽象成由一系列瓦片組成的二維網(wǎng)格。基于我國(guó)男、女性的肩寬及胸厚尺寸[18]及客車(chē)內(nèi)部實(shí)際情況，將每個(gè)網(wǎng)格設(shè)置為0.4 m×0.4 m，每位乘客占據(jù)一個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)座椅占據(jù)一個(gè)網(wǎng)格，過(guò)道寬度設(shè)置為0.4 m，乘客疏散門(mén)寬度設(shè)置為0.8 m，具體疏散環(huán)境如圖1所示，其中橙色部分表示座椅，粉紅色部分表示出口前的疏散樓梯區(qū)域。

2.2 乘客屬性及運(yùn)動(dòng)規(guī)則設(shè)置

(1)乘客位置。乘客的位置設(shè)置在座椅前方的深藍(lán)色區(qū)域，以其所處的網(wǎng)格坐標(biāo)表示。

(2)乘客疏散規(guī)則。乘客疏散皆遵循如下規(guī)則：首先從座椅前方移動(dòng)到座椅旁邊的過(guò)道區(qū)域，然后移動(dòng)到疏散出口(前門(mén)或后門(mén))前的過(guò)道區(qū)域，最后由疏散口前的疏散樓梯完成疏散。這里將客車(chē)內(nèi)部環(huán)境劃分為A、B、C三個(gè)區(qū)域，將A區(qū)域乘客定義為后部乘客，B、C區(qū)域的乘客定義為前部乘客，如圖2所示。假設(shè)在實(shí)際疏散過(guò)程中存在下列幾種疏散方案，①方案1：所有乘客皆從前門(mén)疏散；②方案2：所有乘客皆從后門(mén)疏散；③方案3：A區(qū)域和B區(qū)域的乘客從后門(mén)疏散，C區(qū)域的乘客從前門(mén)疏散；④方案4：A區(qū)域的乘客從后門(mén)疏散，B區(qū)域和C區(qū)域的乘客從前門(mén)疏散。

圖1 客車(chē)內(nèi)部疏散環(huán)境Fig.1 Evacuation environment inside the passenger bus

圖2 客車(chē)內(nèi)部疏散環(huán)境區(qū)域劃分Fig.2 Division of evacuation environment areas inside the passenger bus

(3)乘客移動(dòng)速度。當(dāng)乘客從座椅起身，移動(dòng)到中間過(guò)道時(shí)，其速度較慢，同時(shí)考慮網(wǎng)格尺寸大小為0.4 m×0.4 m，將速度設(shè)置為0.4 m/s；當(dāng)乘客從座椅旁邊的過(guò)道區(qū)域向出口前的過(guò)道區(qū)域移動(dòng)時(shí)，由于行人疏散時(shí)的平均速度通常為1～1.2 m/s[18]，但在實(shí)際客車(chē)疏散過(guò)程中，會(huì)受到中間過(guò)道兩側(cè)的乘客影響(兩側(cè)乘客有步入中間過(guò)道的傾向)，在一定程度上會(huì)遲滯疏散速度，同時(shí)考慮到網(wǎng)格的尺寸大小，這里將速度設(shè)置為0.8 m/s；當(dāng)從出口前的疏散樓梯疏散時(shí)，由于下樓梯的速度較慢，考慮到網(wǎng)格的尺寸大小，將其速度設(shè)置為0.4 m/s。另外，在所有的疏散過(guò)程中，如果前方的位置有人占據(jù)，則在原位置保持不動(dòng)，待前方乘客離開(kāi)后再向前移動(dòng)。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同載客人數(shù)下疏散全部人員

按照上述疏散規(guī)則進(jìn)行疏散，當(dāng)載客人數(shù)分別為7、14、21、28、35、38人(本文皆包含司機(jī))時(shí)，比較4種疏散方案下的疏散效果。除了司機(jī)固定座位外，其他乘客上車(chē)后所坐的位置隨機(jī)分布，這里為減小乘客隨機(jī)選座的影響，不同載客人數(shù)、疏散方案下分別以模擬10 000次的疏散時(shí)間的平均值作為該方案下的疏散時(shí)間。每種疏散方案下疏散完不同人數(shù)所用時(shí)間如圖3所示。

由圖3可知，采用方案1和方案2，其疏散時(shí)間要大于方案3和方案4的疏散時(shí)間，表明單車(chē)門(mén)的疏散時(shí)間要大于雙車(chē)門(mén)的疏散時(shí)間，單車(chē)門(mén)疏散時(shí)風(fēng)險(xiǎn)更大。故客車(chē)在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)為節(jié)省疏散時(shí)間，要盡可能保證兩扇車(chē)門(mén)都能正常打開(kāi)。

圖3 不同疏散方案下疏散全部人員的疏散時(shí)間Fig.3 Evacuation time for evacuating all personnel under different evacuation schemes

對(duì)于單車(chē)門(mén)疏散，比較方案1(全部從前門(mén)疏散)和方案2(全部從后門(mén)疏散)可知，方案1的疏散時(shí)間多于方案2的疏散時(shí)間，且隨著乘客數(shù)量的增加，相對(duì)于方案1，方案2的疏散效果越好。這主要是因?yàn)?，?dāng)所有乘客皆從前門(mén)疏散時(shí)，位于客車(chē)后部的乘客離前門(mén)較遠(yuǎn)，完全疏散需要較長(zhǎng)時(shí)間。所以單從前門(mén)疏散比單從后門(mén)疏散，其帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)更大。

對(duì)于雙車(chē)門(mén)疏散，比較方案3(前部乘客分開(kāi)疏散)和方案4(前部乘客從前門(mén)疏散、后部乘客從后門(mén)疏散)可知，方案3的疏散時(shí)間皆大于方案4的疏散時(shí)間，這主要是因?yàn)椴捎梅桨?，雖然B區(qū)域的乘客離后門(mén)較近，但B區(qū)域乘客和A區(qū)域的乘客皆從后門(mén)疏散，會(huì)帶來(lái)很大的疏散壓力，由于疏散門(mén)寬度有限，后門(mén)疏散的乘客需要排隊(duì)等待疏散，會(huì)增加疏散風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 不同載客人數(shù)下疏散相同人數(shù)

上文分析了不同載客人數(shù)下疏散全部人員對(duì)疏散效果的影響，這是從疏散的整體層面去評(píng)估疏散效果，現(xiàn)在分析疏散過(guò)程中的疏散規(guī)律。當(dāng)載客人數(shù)分別為7、14、21、28、35、38人，分別疏散7、14、21、28、35人時(shí)，比較4種疏散方案下的疏散效果。為減小乘客隨機(jī)選座的影響，仍然以模擬10 000次的疏散時(shí)間的平均值作為該方案下的疏散時(shí)間。不同載客人數(shù)下采用不同疏散方案，疏散相同人數(shù)所用時(shí)間如圖4所示。

圖4 不同疏散方案下疏散相同人數(shù)的疏散時(shí)間Fig.4 Evacuation time for evacuating the same number of people under different evacuation schemes

由圖4可知，不同載客數(shù)下，疏散相同人數(shù)其疏散時(shí)間隨著載客數(shù)的增加而減小，主要是因?yàn)檩d客數(shù)較少，乘客隨機(jī)分布，部分乘客離疏散口較遠(yuǎn)，疏散起來(lái)會(huì)耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。當(dāng)載客數(shù)越來(lái)越多時(shí)，鄰近疏散口的最先疏散，疏散所需時(shí)間越來(lái)越少。

由圖4可知，對(duì)于單車(chē)門(mén)疏散，無(wú)論載客多少人，疏散多少人，方案1(從前門(mén)疏散)的疏散時(shí)間皆大于方案2(從后門(mén)疏散)的時(shí)間，主要也是因?yàn)槿繌那伴T(mén)疏散，位于車(chē)輛后部的乘客到前門(mén)所用的時(shí)間較長(zhǎng)，故采用方案2疏散，其疏散風(fēng)險(xiǎn)較小。

由圖4(a)和圖4(b)可知，當(dāng)疏散人數(shù)不多(例如疏散7人、14人時(shí))，隨著乘客人數(shù)的增加，采用方案3疏散所用的時(shí)間先大于后小于采用方案4所用的疏散時(shí)間。這主要是因?yàn)檩d客人數(shù)不多時(shí)，乘客為避免擁擠，會(huì)隨機(jī)坐在車(chē)輛的各個(gè)位置。當(dāng)疏散時(shí)，A區(qū)域和B區(qū)域的乘客很可能會(huì)在較短時(shí)間范圍內(nèi)于后車(chē)門(mén)附近(包括鄰近后車(chē)門(mén)的過(guò)道)聚集，需要排隊(duì)進(jìn)行疏散，增加了疏散時(shí)間。但當(dāng)載客數(shù)較多，疏散人數(shù)又不多時(shí)，此時(shí)靠近疏散口的乘客率先疏散，采用方案3，B區(qū)域的人離后門(mén)較近，從后門(mén)疏散可以節(jié)省疏散時(shí)間，故采用方案3的疏散時(shí)間較少。

由圖4(c)～圖4(e)可知，當(dāng)疏散21、28、35人時(shí)，采用方案3的疏散時(shí)間皆大于采用方案4的時(shí)間，這主要是因?yàn)?，疏散人?shù)較多，采用方案3，A區(qū)域和B區(qū)域的乘客會(huì)在后門(mén)附近排隊(duì)進(jìn)行疏散，導(dǎo)致疏散時(shí)間增加。

3.3 具體疏散過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)

在乘客疏散過(guò)程中，除了要對(duì)不同載客數(shù)下，疏散全部人員以及疏散相同人數(shù)的疏散規(guī)律進(jìn)行研究，還要對(duì)特定載客人數(shù)下，疏散全部人數(shù)的具體疏散過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。分別選取載客28、35、38人，整個(gè)疏散過(guò)程中每多疏散7人所增加的疏散時(shí)間如圖5所示。

由圖5可知，在疏散過(guò)程中，每次疏散相同人數(shù)，其新增疏散時(shí)間存在較大變化。采用方案1時(shí)，每疏散7人，其新增疏散時(shí)間先上升后逐漸穩(wěn)定，說(shuō)明疏散新增風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越大，最后基本保持恒定。這主要因?yàn)榉桨?是所有乘客皆從前門(mén)疏散，首先鄰近前門(mén)的乘客先疏散，離前門(mén)較遠(yuǎn)的位于汽車(chē)后部的乘客逐步向前門(mén)移動(dòng)，故每疏散7人其新增疏散時(shí)間會(huì)逐漸增大，直至剩下乘客皆在前門(mén)附近(包括鄰近前門(mén)的過(guò)道)排隊(duì)疏散，此時(shí)新增疏散時(shí)間逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 每次疏散7人所用時(shí)間Fig.5 Time spent evacuating 7 people each time

采用方案2時(shí)，每疏散7人，其新增疏散時(shí)間先減小后逐漸增大，說(shuō)明疏散新增風(fēng)險(xiǎn)先降低后上升，是因?yàn)閯傞_(kāi)始鄰近后門(mén)的乘客先疏散，第一次疏散7人時(shí)，這7人還要從座位起身走到后車(chē)門(mén)。第二次疏散7人時(shí)，由于離后門(mén)不遠(yuǎn)，他們已經(jīng)在后門(mén)附近等待疏散，所以新增疏散時(shí)間會(huì)減少。接著，離后車(chē)門(mén)較遠(yuǎn)處的乘客會(huì)在座椅前方或過(guò)道中排隊(duì)走向后門(mén)完成疏散，其新增疏散時(shí)間又呈上升趨勢(shì)。

采用方案3和方案4時(shí)，每疏散7人，剛開(kāi)始的新增疏散時(shí)間近似穩(wěn)定或下降，后面新增疏散時(shí)間逐漸增加。其主要原因和采用方案2時(shí)類(lèi)似，這里不做贅述。只是在圖5(a)中，當(dāng)載客28人，采用方案3時(shí)，第二次疏散7人增加的時(shí)間比第一次疏散7人的時(shí)間略高一點(diǎn)，這可能是因?yàn)檩d客人數(shù)并不是很多時(shí)，乘客隨機(jī)分布。第二次疏散的7人從離后門(mén)較遠(yuǎn)處逐步聚集到后門(mén)完成疏散，故疏散增加的時(shí)間略微偏高。

4 討論

基于Netlogo軟件對(duì)載客38人的大型客運(yùn)汽車(chē)內(nèi)的乘客疏散規(guī)律進(jìn)行了初步探索，得到了一些規(guī)律，例如，雙車(chē)門(mén)疏散的風(fēng)險(xiǎn)小于單車(chē)門(mén)疏散的風(fēng)險(xiǎn)；單車(chē)門(mén)疏散時(shí)，后門(mén)疏散風(fēng)險(xiǎn)小于前門(mén)疏散風(fēng)險(xiǎn)；雙車(chē)門(mén)疏散時(shí)，前部乘客從前門(mén)疏散、后部乘客從后門(mén)疏散的風(fēng)險(xiǎn)小于前部乘客分開(kāi)疏散的風(fēng)險(xiǎn)等等。這些研究結(jié)果也為平時(shí)的客車(chē)(包括車(chē)門(mén))的維護(hù)保養(yǎng)以及突發(fā)情況下車(chē)內(nèi)的人員應(yīng)急疏散提供建議。但該研究只是基于人員疏散的一般行為特征所做的仿真模擬，沒(méi)有考慮人員角色(包括性別、年齡、文化程度)差異、人員心理(從眾、競(jìng)爭(zhēng)、恐慌等)、是否有應(yīng)急疏散經(jīng)歷等因素的影響。另外，基于Netlogo軟件本身網(wǎng)格分布特點(diǎn)，對(duì)客車(chē)內(nèi)的疏散環(huán)境的建立基本能反映客車(chē)內(nèi)實(shí)際情況，但也有微小差異，在將來(lái)的研究中，這些因素都應(yīng)該考慮在內(nèi)，使模擬仿真更接近現(xiàn)實(shí)，更好地支撐大型客運(yùn)汽車(chē)的應(yīng)急疏散。

5 結(jié)論

(1)單車(chē)門(mén)疏散時(shí)，完成疏散采用方案2(全部從后門(mén)疏散)所用的疏散時(shí)間小于采用方案1(全部從前門(mén)疏散)所用的時(shí)間，且隨著乘客數(shù)的增加，方案2的疏散優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。

(2)雙車(chē)門(mén)疏散時(shí)，其疏散時(shí)間皆小于單車(chē)門(mén)疏散時(shí)間。完成疏散采用方案4(前部乘客從前門(mén)疏散、后部乘客從后門(mén)疏散)所用的疏散時(shí)間小于采用方案3(前部乘客分開(kāi)疏散)所用時(shí)間，且隨著乘客數(shù)的增加，方案4的疏散優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。

(3)不同載客數(shù)下，疏散相同人數(shù)其疏散時(shí)間隨著載客數(shù)的增加而減小。且相對(duì)于方案1，方案2始終存在疏散優(yōu)勢(shì)。當(dāng)疏散較多人數(shù)時(shí)，相對(duì)于方案3，方案4存在疏散優(yōu)勢(shì)，疏散風(fēng)險(xiǎn)較小。

(4)在具體疏散過(guò)程中，除了采用方案1，其疏散新增風(fēng)險(xiǎn)逐步增大外，采用其他方案疏散，其疏散新增風(fēng)險(xiǎn)一般都是先下降(或近似不變)，后逐漸上升。