基于元胞自动机的公共场所人员疏散Matlab仿真

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🔥 内容介绍

在现代城市中，商场、体育馆、地铁站、电影院等公共场所日均人流量巨大，一旦发生火灾、地震、恐怖袭击等突发事故，人员疏散效率直接决定生命财产损失程度。传统疏散规划多依赖经验公式（如 “每平方米容纳人数”“疏散时间 = 人数 / 出口宽度”），难以精准模拟人员的复杂行为（如从众、恐慌、路径选择偏好）和环境动态变化（如烟雾扩散、通道堵塞）。

元胞自动机（Cellular Automaton, CA）作为一种 “自下而上” 的离散动态建模方法，通过定义 “元胞网格”“状态规则”“邻居交互” 三大核心要素，可逼真模拟大规模人群的疏散过程 —— 从个体行为到群体涌现，从静态环境到动态风险，均能实现精细化刻画。本文将从原理适配、应用优势、实战案例、实操技巧四个维度，详解元胞自动机在公共场所人员疏散中的应用，为疏散预案制定、设施布局优化提供科学支撑。

一、原理与适配逻辑：元胞自动机如何模拟人员疏散？

要理解元胞自动机与人员疏散的结合逻辑，需先明确 “疏散过程的核心特征” 与 “CA 建模机制” 的内在匹配性 —— 疏散本质是 “个体在约束环境中，根据自身决策与邻居影响，向安全区域移动的群体行为”，而 CA 恰好擅长通过局部规则涌现全局动态。

1. 公共场所人员疏散的核心要素与挑战

人员疏散过程涉及 “人 - 环境 - 风险” 三大交互主体，核心要素包括：

• 人员特征：年龄（老人、儿童移动速度慢）、身体状态（伤残人士需辅助）、行为模式（恐慌时无序拥挤、理性时选择最短路径、从众时跟随大流）、个体目标（寻找家人、携带物品）；

• 环境特征：空间布局（通道宽度、转弯数量、障碍物位置）、出口属性（出口数量、宽度、位置分布、是否有标识引导）、设施配置（楼梯、电梯、应急通道的分布）；

• 风险特征：危险源扩散速度（如火灾烟雾蔓延、毒气扩散）、危险强度（如高温、能见度降低对人员移动的影响）、预警时间（从事故发生到人员开始疏散的间隔）。

传统方法的局限性在于：无法量化 “个体行为差异” 对整体疏散的影响（如 10% 行动缓慢人员可能导致通道堵塞），也难以动态耦合 “风险扩散” 与 “人员移动”（如烟雾遮挡出口后人员的路径重新选择），而元胞自动机可通过网格离散化与规则定制，解决这些核心挑战。

2. 元胞自动机的核心建模机制

元胞自动机的本质是 “由大量相同元胞组成的离散系统”，其建模逻辑可拆解为三大要素：

• 元胞网格（空间离散化）：将公共场所划分为均匀的 “元胞单元”，每个元胞代表一个固定空间（如 0.5m×0.5m，匹配人体平均占地面积），元胞类型包括：

• 人员元胞：代表正在疏散的个体，状态可细分为 “正常移动”“恐慌移动”“受伤滞留”“已疏散”；

• 环境元胞：包括 “通道”（可通行）、“障碍物”（如柱子、货架，不可通行）、“出口”（目标终点，人员到达后标记为 “已疏散”）、“危险区域”（如烟雾覆盖，移动速度降低或不可通行）；

• 状态转换规则（个体决策逻辑）：每个人员元胞的下一时刻状态，由 “自身当前状态”“邻居元胞状态”“环境约束” 共同决定，核心规则包括：

• 路径选择规则：人员优先向 “距离出口最近”“邻居密度最低”“危险等级最低” 的元胞移动（如当正前方元胞被堵塞时，自动选择左侧或右侧通道）；

• 速度调整规则：根据人员类型调整移动步长（如正常成年人每步移动 1 个元胞，老人每 2 步移动 1 个元胞），根据危险等级调整移动概率（如烟雾区域移动概率降低 50%）；

• 交互规则：当多个人员元胞竞争同一目标元胞时，按 “优先级”（如儿童、老人优先）或 “随机概率” 分配（模拟拥挤场景中的无序争夺）；

• 时间步长（动态演化）：以固定时间间隔（如 1 秒 / 步）更新所有元胞状态，通过迭代模拟人员从 “初始位置” 到 “出口” 的完整疏散过程，记录每一步的 “疏散人数”“通道拥堵程度”“危险区域覆盖范围” 等关键指标。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

🔗 参考文献

[1]李伟娟.基于元胞自动机的城市车辆换道模型仿真研究[J].吉林大学, 2015.

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