以下是几种应用较为广泛的人员运动模型。
(1)基于粒子的人员运动仿真模型
1983年,粒子已应用于计算机图形领域来描述自然模糊事物的可视化,例如水、云、气及火等。基于粒子的人员运动模型最初是由法国的科学家Eric Bouvier建立的。
1)用粒子来仿真人群中的每个人,整个人群被看成是一个粒子系统。其中,每个粒子都有自己独特的属性,粒子之间也存在相互运动与相互影响。粒子所受所有力的相互作用决定了粒子的运动。计算出所有粒子的速度、加速度、位置等属性,便可以控制每个粒子运动的方向和速度,以此来实现人员运动的仿真模拟。
2)场景中的所有物体共同决定粒子的受力状况。进行基于粒子的人员运动仿真时,应充分考虑粒子之间可能发生的相互作用,如粒子的系统密度、碰撞检测、粒子运动的目的地、遇到障碍物的处理方式等等。这些参数将影响人员运动仿真的结果。即基于粒子的人员仿真模拟中每个疏散人员的受力状况决定了人员的运动。
3)利用粒子建立的实用简单的人员运动仿真模型,适用于特征明显,较易抽象的人员运动行为,例如地铁站里的人流等。而对复杂的、需较多决策知识的人员运动行为还需在该模型的基础上做进一步的扩展和改进,如创建决策知识库以及给出人员行为模式的学习方法等。
(2)流体动力学模型
在流体力学基础上发展起来的流体动力学模型是比较有代表性,也较为成熟的人员疏散模型,该模型用与流体类似的属性来描述人群的疏散,利用流体动力学等逻辑以偏微分方程的形式描述速度与密度随时间变化的相互作用关系。
Hughes利用连续统一体模型描述了系统中有多种行人类型的行为。为了揭示特大群疏散人员的运动机理,Hughes导出了控制疏散人员两维流动的运动方程,另外,Hughes基于疏散人员智能化的特征,提出“思考流体”的概念。
colombo等人提出一个疏散人员流动的模型用以描述该类人员流动的一些基本特征,特别应用此模型来描述人群中的过压缩现象,即人群因恐慌发生拥挤从而导致一个出口的流出量下降。该模型得出这样的结论:在一群人仅通过一个出口离开走廊时,如果出口所允许的流出量低,则出口附近的人员恐慌会导致实际流出量下降,使得比未发生恐慌时出口所允许的流出量低。
Fang等人应用基本的流体动力学原理建立了相应的数学函数来描述疏散人员的流动;由研究得出的结论发现,前方行人移动的产生效应大概是侧面行人的10倍,人员密度与其移动速率之间本质上是指数关系。
(3)社会力模型
社会力的概念最早是由美国心理学家K.Lewin提出的,上世纪90年代开始,D.Helbing等人研究了行人在运动过程中受各种不同环境因素的影响,在分子动力论和K.Lewin的“心理场论”基础上提出了支配行人运动的“社会力”概念,把促使行人在运动过程中改变运动状态的各种因素统称为“社会力”,提出了社会力模型。
社会力模型有如下特点:是多粒子自驱动型的模型;利用社会力(包括排斥力,吸引力及自驱动力)这一物理学概念来描述疏散人员之间的相互作用力,基于牛顿第二定律等物理定律研究疏散人员与环境及疏散人员之间的社会物理和心理作用;能精确描述恐慌环境下的人员疏散行为,如从众心理、欲速则不达等;仿真运行时耗费时间比较长。
现实生活中,大量的疏散人员同时涌向出口会威胁疏散人员的生命安全,同时会遇到这样的情况,当第一批疏散人员遇到疏散瓶颈时,他们的运动速度将会减小,但其余人员仍然保持向前运动,这样,疏散人员将在瓶颈处呈现堵塞状态,位于后面的人员极其微小的推力,将在位于前面的人群中产生巨大的具有破坏性的压力,一些行人可能因此而跌倒,导致剩余人群的运动更加复杂,能够反映出此现象是一个优秀的人员运动模型所要完成主要任务。