蟻群算法在地鐵車站內應急疏散的應用

河南省衛輝市第一中學 馮西敏

蟻群算法在地鐵車站內應急疏散的應用

河南省衛輝市第一中學 馮西敏

本文主要研究蟻群算法在地鐵車站內應急疏散中的應用，介紹了蟻群算法，并以某地鐵車站的應急事件模擬分析為例，對蟻群算法在地鐵車站內應急疏散中的應用進行了探討。

蟻群算法；地鐵車站；應急疏散

地鐵交通是一種高效的現代交通方式，在緩解城市交通壓力方面有著重要的作用，方便、快捷、平穩、輸送量大，是城市重要的基礎公共設施。但是地鐵隧道深埋地下，地下構筑物結構復雜，出口入口數量少，大量的客流集中在狹小的地下空間，如果出現突發事件，應急疏散難度較大，可能出現跌落或者踩踏等嚴重的安全事件，研究地鐵車站應急疏散方法，對提高地鐵交通的安全性非常重要。

一、蟻群算法

蟻群算法最早由Marco Dorigo等人于1991年提出，也稱螞蟻系統，由于螞蟻覓食行為和旅行商問題相似，通過仿生模擬獲得了一種算法，通過信息素實現信息交流，根據信息素選擇更新，經過多次迭代獲得全局最優解。經典蟻群系統中所有個體都進行信息素更新，導致了信息素分配浪費和畸形，蟻群系統運行性能不高。

1996年，M.Dorigo等人又給出了一種改進蟻群系統，該系統中蟻群選擇下一個城市的轉移概率中添加了一個偽隨機分配概率，有效避免了信息素分配畸形，性能得以增強，但是該算法仍然遵循全局信息素更新和局部更新的基本原則，因此仍然存在著大量的信息素冗余，好信息強度被弱化。1997年，T.Stutzie等人提出了一種最大最小螞蟻系統，修正信息素更新規則，每次迭代值更新最好的一只螞蟻的路徑，同時限定信息素最大最小，是上述幾種蟻群算法中性能最佳的，現階段幾乎所有蟻群算法都基于上述算法。

1999年吳慶洪提出了一種變異蟻群算法，使用逆轉變異的方式加快蟻群收斂，隨機變異，增加進化時需要的信息量，由于該算法使用了高效的2-opt換位法，收斂速度大大加快，解的全局性更強。蟻群算法在解決組合優化問題方面的優勢明顯，蟻群算法的發展以改善算法性能為主要方向，在解決實際問題時，選擇算法也應該以性能為主要考量因素。

二、蟻群算法在地鐵車站內應急疏散中的應用

（一）構建模型

1.方法選擇

現階段用于解決路徑規劃問題的群智能算法主要面向一個或者幾個個體，找尋目標路徑，或者基于現有情況分析下一步疏散路徑，在全局優化疏散路徑分析中的表現不佳。地鐵突發事件疏散研究目標是大規模密集分布待疏散人群，恐慌、擁擠會導致人員速度位置出現較大變化，因此需要找尋一種基于全局角度的大規模人員疏散路徑規劃方法。蟻群算法利用了正負反饋和自適應特性，能夠更好地模擬大規模人群疏散的速度變化，解決突發事件后大規模人員緊急疏散問題比較適用。

2.模型構建

設蟻群螞蟻總數為m，地鐵車站內安全出口總數為n，事故地點i與出口j之間的距離記為dij（i，j），t時刻故障地點j和安全出口j信息素濃度記為τij（t），初始時刻不同出口連接路徑有著相同的信息素濃度τ0，螞蟻k（k=1，2，…，m），不同出口間連接路徑上信息素決定出口位置，則t時刻螞蟻k從事故點i轉移到出口j的概率為：

其中，nij（t）-啟發函數；

ηij（t）=1/dij，螞蟻從事故點i到出口j的期望；

allowk-螞蟻k待訪出口集合，初始條件下有n-1個元素，隨著時間推移，數量不斷減少，直到所有出口訪問完畢；

α-信息素重要程度因子；

β-啟發函數重要程度因子。

螞蟻釋放信息素，出口之間連接路徑信息素逐漸消失，結束一個循環之后，需要更新出口連接路徑上的信息素濃度：

通過該模型，就能夠計算信息素濃度，并確定螞蟻經過最優途徑，優化疏散曲線。

（二）蟻群算法在某地鐵車站突發事件應急疏散中的應用

1.研究對象

某市地鐵換乘站M作為研究場地，該車站為三條地鐵線路提供換乘，前兩條線路有5個出口，后一條線路有2個出口。

2.事故模擬

參考背景地鐵一號線火災事故和模式與盧比揚卡地鐵站爆炸事故，模擬地鐵站前兩條地鐵線路換乘站上突發起火，火勢失控，波及范圍8m且在持續擴大。現場煙霧彌漫，部分人員燒傷，現場混亂，乘客慌亂，站臺局部擁擠，為了控制火勢，保護現場人員安全，中控室立即組織站內乘客應急疏散，并使用蟻群算法模型規劃疏散路徑。

3.疏散方案

（1）輸入蟻群算法坐標

建立二維規劃空間矩陣，設置人群集中的某點為事故發生點，根據事故位置、障礙物情況和通道分布情況，將西北方向兩個出口合并為一個，乘客從西北、東北、東南和西南四個出口疏散，根據地鐵站平面位置圖以及公共設施布局確定障礙物和通道坐標。

（2）算法求解

MAKLINK蟻群算法規劃二維空間路徑，模擬起點到疏散終點初始路徑和優劣，更新信息素，獲得最優路徑結果。

（3）疏散時間

火災發生，現場總人數2694人，根據地鐵站臺二維矩陣圖面積，計算需要疏散的人群密度，并和Fruin通行能力服務水平相對照，A-F級別分別對應不同的服務水平和允許行人流量，再折算為人群流動速度系數。

蟻群算法在地鐵車站應急疏散中的應用，能夠快速找尋最佳疏散路徑，縮短疏散時間，提高疏散效率，從而減少人員滯留，有效控制人員和財產損失。

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