地下空間人流量監(jiān)測(cè)及人員足跡仿真研究

喬英娟，毛士榮，范益群

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引 言

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的快速發(fā)展，大型復(fù)雜的現(xiàn)代化建筑物越來(lái)越多地涌現(xiàn)，相應(yīng)的大規(guī)模地下空間建設(shè)也越發(fā)普遍。由于地下空間自身特點(diǎn)以及身在其中人群的主觀行為表現(xiàn)與普通建筑內(nèi)有明顯差異，常見(jiàn)的災(zāi)害在發(fā)展過(guò)程和后果嚴(yán)重性上大為不同，部分常規(guī)的防范方法在大規(guī)模地下空間中已不適用，需根據(jù)地下空間的布局、業(yè)態(tài)、人流量等進(jìn)行人員足跡分析與研究。

通過(guò)研制基于視覺(jué)的人流量采集系統(tǒng)，以某地下空間購(gòu)物中心為監(jiān)測(cè)場(chǎng)地，進(jìn)行長(zhǎng)期的人流量監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)采集，得到人員足跡出入規(guī)律；以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用疏散路徑模擬軟件對(duì)地下空間人員足跡進(jìn)行仿真模擬，為人員疏散提供路徑方案及改進(jìn)建議，為地下空間運(yùn)營(yíng)安全提供管理依據(jù)。

1 地下空間人流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及實(shí)施

基于視覺(jué)信息的人流量采集技術(shù)得益于廣泛分布的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)日趨成熟。此次項(xiàng)目采用了幀間差分法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)[1]，在對(duì)人體分類識(shí)別的過(guò)程中，采用了垂直向下的攝像機(jī)。人流量采集系統(tǒng)以該地下空間原有安防系統(tǒng)為核心，作為子系統(tǒng)與其他不同功能的安防子系統(tǒng)進(jìn)行集成，避免了孤立系統(tǒng)并存時(shí)使用不便的情況，節(jié)省了布置、維護(hù)成本，可實(shí)現(xiàn)人流量采集系統(tǒng)與其他安防子系統(tǒng)監(jiān)控信息資源的共享，方便了數(shù)據(jù)通信、信息采集和綜合處理。

攝像機(jī)的固定位置依照各出入口實(shí)際情況判斷。首先要保證攝像機(jī)垂直向下拍攝，這樣有利于圖像中人體形態(tài)的識(shí)別。采用前端攝像機(jī)對(duì)地下空間所有進(jìn)出口進(jìn)行布置，共使用12臺(tái)攝像機(jī)對(duì)5個(gè)主出入口進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在北門、南門、名店街位置依照通道寬度分別使用了3～4臺(tái)攝像機(jī)，在小區(qū)域位置采用1～2個(gè)攝像頭；同時(shí)對(duì)重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)布置。

2 人流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析圍繞三個(gè)方面進(jìn)行：首先對(duì)購(gòu)物中心內(nèi)部人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析1 d內(nèi)人數(shù)峰值出現(xiàn)次數(shù)、出現(xiàn)時(shí)段以及峰值時(shí)段的人員數(shù)量；并結(jié)合長(zhǎng)期數(shù)據(jù)，分析節(jié)假日對(duì)峰值時(shí)段、峰值人數(shù)的影響。其次對(duì)重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域（“風(fēng)云再起”游戲區(qū)）進(jìn)行人員數(shù)量統(tǒng)計(jì)及人流密度分析。最后對(duì)各出口離開(kāi)人員比例、數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以及節(jié)假日對(duì)離開(kāi)人數(shù)比例產(chǎn)生的影響等。

2.1 購(gòu)物中心人數(shù)峰值統(tǒng)計(jì)

對(duì)每小時(shí)段內(nèi)各出入口進(jìn)出人數(shù)進(jìn)行總計(jì)，以出入人數(shù)差值作為增量，擬定午夜5時(shí)購(gòu)物中心內(nèi)人數(shù)為0，進(jìn)行累加，可獲得每小時(shí)段購(gòu)物中心內(nèi)人數(shù)總和。如圖1、圖2所示，截取了5月部分日期（調(diào)整前）、12月部分日期（調(diào)整后）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。其中，面積圖表示周內(nèi)（周一至周五），簇狀柱形圖表示周末（周六、周日），折線圖表示重大節(jié)假日（端午節(jié)、勞動(dòng)節(jié)、圣誕節(jié)、元旦）。

從整體趨勢(shì)分析，早8時(shí)之后購(gòu)物中心人數(shù)開(kāi)始增加，直至16時(shí)達(dá)到峰值，而周內(nèi)的人數(shù)峰值出現(xiàn)在20時(shí)左右，這是由于周內(nèi)時(shí)間段前往購(gòu)物區(qū)的目的性消費(fèi)人群有所減少，而娛樂(lè)區(qū)域、餐飲區(qū)域的隨機(jī)性消費(fèi)人群沒(méi)有受到太大影響。商場(chǎng)內(nèi)人數(shù)有三個(gè)階段性的減少，分別出現(xiàn)在18時(shí)、21時(shí)、24時(shí)，分別因?yàn)轭櫩唾?gòu)物習(xí)慣、購(gòu)物中心營(yíng)業(yè)時(shí)間截止、“風(fēng)云再起”游戲區(qū)營(yíng)業(yè)時(shí)間截止。

從人數(shù)峰值分析，周內(nèi)時(shí)間段購(gòu)物中心人數(shù)最少，人數(shù)峰值出現(xiàn)在19—20時(shí)，以?shī)蕵?lè)、餐飲顧客為主，峰值人數(shù)為800～900人。周末時(shí)間段人數(shù)明顯增加，主要表現(xiàn)為人數(shù)峰值時(shí)段前移至16時(shí)，峰值人數(shù)增加至1 300～1 400人。而這一人數(shù)在重大節(jié)假日增加至2 100左右。

隨后以12月至次年4月每天人數(shù)峰值為基礎(chǔ)，鑒于峰值時(shí)段的持續(xù)性與出現(xiàn)概率，取最大峰值2 256人（12月31日元旦節(jié)假日第二天）的95%作為標(biāo)準(zhǔn)峰值，用于考量人流疏散問(wèn)題，則標(biāo)準(zhǔn)峰值人數(shù)為2 143人。

2.2 封閉區(qū)域人流密度統(tǒng)計(jì)

“風(fēng)云再起”游戲區(qū)域人數(shù)計(jì)算方式與總體人數(shù)計(jì)算方式相同，圖3選取了與圖2相同幾日的人數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。整體人數(shù)趨勢(shì)與地下空間內(nèi)總?cè)藬?shù)趨勢(shì)基本吻合。

圖1 5月人數(shù)峰值統(tǒng)計(jì)

圖2 12月人數(shù)峰值統(tǒng)計(jì)

“風(fēng)云再起”游戲區(qū)域?qū)嶋H建筑面積1 873m2，以實(shí)際建筑面積扣除人員無(wú)法使用的面積，可供人員停留與活動(dòng)地面的凈面積為1 055m2，則此區(qū)域人員可接受的最大限度為1 140人（見(jiàn)圖3）。由

表1 人流密度分級(jí)表[2]

2.3 出入口人數(shù)規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析

圖4 是12月各出口離開(kāi)人數(shù)占總離開(kāi)人數(shù)的比例關(guān)系。可以看出，比例基本固定，不存在節(jié)假日等其他因素的影響。購(gòu)物中心內(nèi)人員的離開(kāi)保持固定規(guī)律，其中名店街出口占據(jù)總?cè)藬?shù)的半數(shù)左右，這是由于名店街連接地鐵站，是購(gòu)物中心的主要出口。北門出口作為主干路上的出入口，離開(kāi)人數(shù)約占總?cè)藬?shù)的30%，其他出口約占20%。

圖5 描述了重大節(jié)假日平均每天內(nèi)各時(shí)段離開(kāi)人數(shù)以及各出口離開(kāi)人數(shù)。各出口離開(kāi)人數(shù)比例基本符合規(guī)律，且離開(kāi)人數(shù)峰值出現(xiàn)在16時(shí)，正是重大節(jié)假日購(gòu)物中心內(nèi)人數(shù)峰值出現(xiàn)的時(shí)間段。5月各出口離開(kāi)人數(shù)的數(shù)據(jù)分析表明，各出口離開(kāi)人數(shù)隨時(shí)間段的變化趨勢(shì)與購(gòu)物中心人數(shù)變化相似，因?yàn)槿藬?shù)越多人員流動(dòng)也越頻繁。而都在21—22時(shí)左右出現(xiàn)了另一個(gè)高峰，且在“風(fēng)云再起”電梯出口尤為明顯，此時(shí)已經(jīng)是購(gòu)物中心停止?fàn)I業(yè)的時(shí)間，因此離開(kāi)人員數(shù)量增加。在21時(shí)，購(gòu)物中心總的離開(kāi)人數(shù)早已呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，此時(shí)購(gòu)物中心內(nèi)部人數(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于峰值時(shí)期，所以此時(shí)的離開(kāi)人員高峰不再具有人員基數(shù)支撐，不做考慮。

綜合以上可以得出，購(gòu)物中心內(nèi)部人員數(shù)量峰值時(shí)期，空間內(nèi)人員從各出口離開(kāi)的比例基本固定，分別為名店街48.18%、北門30.46%、南門13.15%、“風(fēng)云再起”電梯6.21%、中央采光球1.99%。

3 地下空間人員足跡仿真模擬

以購(gòu)物中心內(nèi)部人數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)量及峰值為基礎(chǔ)，各出口離開(kāi)人員比例為依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)空間布局與指示標(biāo)志布置情況，利用專業(yè)疏散路徑模擬軟件對(duì)購(gòu)物中心人員疏散進(jìn)行模擬驗(yàn)證。在模擬過(guò)程的定義中可以修改門流出率、最大空間密度、門邊界層等參數(shù)，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的修改可以直接影響人員的碰撞檢測(cè)、路徑規(guī)劃、逃離時(shí)間等。

對(duì)人員的疏散模擬分兩組進(jìn)行：一組是無(wú)引導(dǎo)方案，模擬緊急疏散指引標(biāo)志缺失，疏散引導(dǎo)人員不足的情況下，內(nèi)部人員按照行為習(xí)慣選擇出口；一組是最佳疏散方案，綜合最短移動(dòng)路徑、最快疏散時(shí)間、最小人流密度等因素給出的最優(yōu)方案。比較兩種方案，確定在缺少指示時(shí)人員疏散所面臨的問(wèn)題。為區(qū)分異質(zhì)人群對(duì)仿真模擬結(jié)果的影響，對(duì)場(chǎng)地內(nèi)人員移動(dòng)速度分三級(jí)進(jìn)行隨機(jī)調(diào)整，分別模擬成年人、兒童、老人，但保持三級(jí)人數(shù)比例為6∶3∶1。

圖3 12月游戲區(qū)域人數(shù)峰值統(tǒng)計(jì)

圖4 12月各出口離開(kāi)人數(shù)占總離開(kāi)人數(shù)百分比

圖5 重大節(jié)假日平均每天各出口離開(kāi)人數(shù)堆積柱形圖

3.1 無(wú)引導(dǎo)方案

綜合之前統(tǒng)計(jì)所得各出口離開(kāi)人數(shù)占總離開(kāi)人數(shù)百分比（名店街48.18%、北門30.46%、南門13.15%、“風(fēng)云再起”電梯6.21%、中央采光球1.99%），再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)出口位置、通道寬度進(jìn)行分析，取消通往地下空間的名店街出入口，取消“風(fēng)云再起”電梯出入口。北門取（48.48%+30.46%）×0.8=62.91%，南門取（13.15%+6.21%）×0.8=15.49%，其余21.6%選擇任意出口。內(nèi)部人員總數(shù)設(shè)為2 143人，其中1 143人分布在“風(fēng)云再起”游戲區(qū)域，在固定區(qū)域內(nèi)部人員位置隨機(jī)分布（見(jiàn)圖6）。

3.2 最佳疏散方案

取消通往地下空間的名店街出入口，取消“風(fēng)云再起”電梯出入口。內(nèi)部人員總數(shù)設(shè)為2 143人，其中1 143人分布在“風(fēng)云再起”游戲區(qū)域，在固定區(qū)域內(nèi)部人員位置隨機(jī)分布（見(jiàn)圖7）。

圖6 結(jié)束時(shí)間人員路徑（無(wú)引導(dǎo)方案）

圖7 結(jié)束時(shí)間人員路徑（最佳疏散方案）

3.3 模擬仿真結(jié)果

（1）無(wú)引導(dǎo)方案下疏散2 052人共耗時(shí)918.3 s，人員疏散路徑混亂，有大量交錯(cuò)、逆向沖突；最佳疏散方案下疏散2 052人共耗時(shí)782.8 s，人員疏散路徑基本統(tǒng)一。

（2）有三個(gè)出入口（Door-16、Door-20、Door-23）的疏散時(shí)間超出平均疏散時(shí)間很多。

（3）最佳疏散方案下，最終撤離人員行走路徑略長(zhǎng)，且經(jīng)過(guò)人流密集區(qū)。

根據(jù)群集動(dòng)力學(xué)理論，每個(gè)個(gè)體的行動(dòng)都在一定程度上影響著群體的運(yùn)動(dòng)，因此群體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程相比個(gè)體要復(fù)雜得多。人群在疏散過(guò)程若缺少必要的指引，會(huì)容易形成來(lái)自不同方向的異向群集，特別是在多個(gè)通道的交會(huì)處。在緊急情況下，各群集在各自前進(jìn)的過(guò)程中會(huì)相互阻塞、沖突、碰撞，在這種混亂的局面下容易因擁擠和踩踏而造成人員傷亡。無(wú)引導(dǎo)方案中路徑的交錯(cuò)、逆向沖突都導(dǎo)致了疏散時(shí)間延長(zhǎng)。

Door-16、Door-20、Door-23 的位置都是面向大流量疏散通道，因?yàn)槭覂?nèi)與通道形成異向群體，所以室內(nèi)人群移動(dòng)緩慢。當(dāng)室內(nèi)擁擠的人群涌向狹窄的出口時(shí)，除了正常的縱向人流外，還存在從兩側(cè)進(jìn)入房間出口的人流。而這種從兩側(cè)進(jìn)入的人流會(huì)妨礙正常流向人群通行，從而在出口處形成滯留人群，人群密度逐漸增大，達(dá)到一定程度時(shí)，出口處形成拱形的人流結(jié)構(gòu)，瞬時(shí)所有人都無(wú)法通過(guò)。

疏散道路的規(guī)劃直接影響最終的疏散時(shí)長(zhǎng)，道路彎曲折疊、主要疏散通道寬度不足等情況會(huì)導(dǎo)致人群的滯留；而群體移動(dòng)速度不是取決于群體中個(gè)體的平均移動(dòng)速度，而是取決于人流密度。人流密度越大，群體的移動(dòng)速度越小；當(dāng)人流密度達(dá)到一定極限時(shí)，群體會(huì)因過(guò)于擁擠而無(wú)法移動(dòng)。

人群中每個(gè)個(gè)體的行動(dòng)都受到外部指示、外部環(huán)境刺激。當(dāng)群體的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)不到自己的期望時(shí)，忍耐程度也會(huì)隨著時(shí)間的推移而增長(zhǎng)，從而影響行為判斷。所以在人群疏散過(guò)程中應(yīng)當(dāng)做好指示、指引工作，保證人員疏散暢通，避免出現(xiàn)異向群體、成拱現(xiàn)象。對(duì)各個(gè)空間布局需要仔細(xì)安排，縮短疏散路徑長(zhǎng)度、保障疏散通道寬敞，合理安排通道交匯、空間出口位置。

4 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)人流量采集系統(tǒng)，對(duì)不同時(shí)間段內(nèi)人員峰值及出入口的人流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)人員足跡特點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)極限人流量及人流密度進(jìn)行設(shè)定；基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行人員足跡仿真模擬，提出人員疏散的主要影響因素及最佳疏散方案，為地下空間人員的管控提供參考方案及改進(jìn)建議。