采用聚類方法監(jiān)測高密集度人群聚集區(qū)域

菅肖霞 顧海

摘 要：高密度人群聚集區(qū)域存在嚴(yán)重安全隱患，為避免由此引發(fā)的擠壓踩踏事故，可采用基于密度的網(wǎng)格聚類方法，定義網(wǎng)格、密度、高密度的臨界值等參量，建立人群密度監(jiān)測模型，標(biāo)記高于臨界密度值的區(qū)域，并發(fā)布警示信號，引導(dǎo)人群避免聚集，合理疏散，實(shí)現(xiàn)大型活動場站的安全疏散管理。

關(guān)鍵詞：人群;聚集;聚類方法;密度

一、高密度人群聚集現(xiàn)象

高密度人群聚集現(xiàn)象隨處可見。比如，地鐵、火車站等室內(nèi)大型場站，是分散在不同城區(qū)出行人員的匯集點(diǎn)，會頻繁出現(xiàn)聚集現(xiàn)象。加之，目前城際交通系統(tǒng)飛速發(fā)展，人員流動不斷增加，尤其節(jié)假日期間，不同城區(qū)、不同城市間的人員流動增長迅速，成倍地、頻繁地加重地鐵、火車站等場站的聚集程度。此外，各大中型城市中大量的開放性活動廣場內(nèi)有各種各樣大型活動，可能是有組織的活動，也可能是群眾自發(fā)的大型活動，同樣會有不同程度的人群聚集現(xiàn)象。

國內(nèi)外大型活動中經(jīng)常會突發(fā)踩踏事故，均有不同程度傷亡。踩踏事故發(fā)生主要是大規(guī)模人群聚集，行人進(jìn)退兩難，在高密度人群壓力下，若有行人窒息倒地，其他行人的身體平衡受到影響，產(chǎn)生“多米諾”效應(yīng)，行人相繼倒地，在事發(fā)地周圍引發(fā)恐慌，行人逃離路線混亂，而遠(yuǎn)處人群對事發(fā)地的路況信息不明確，繼續(xù)向事發(fā)地行進(jìn)，使整個人群系統(tǒng)進(jìn)入惡性循環(huán)。從聚集程度講，事故區(qū)域的密度較高，又沒有得到及時疏散，是誘發(fā)倒地踩踏事故的重要原因之一。因此，需要考慮監(jiān)測高密度人群，防患于未然。

二、應(yīng)用聚類分析方法監(jiān)測高密度人群聚集區(qū)域

隨著人群聚集密度不斷升高，需要管理者在密度達(dá)到某個臨界值前，對人群進(jìn)行合理疏散，否則將造成嚴(yán)重的人員傷亡。這里我們將采用基于密度的網(wǎng)格聚類方法監(jiān)測高密度人群聚集區(qū)域，為安全疏散管理措施的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供必要的理論基礎(chǔ)。

1.基于密度的網(wǎng)格聚類

聚類分析方法是一類典型的數(shù)據(jù)挖掘方法，根據(jù)在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的描述對象及其關(guān)系的信息，將數(shù)據(jù)對象分組;組（簇）內(nèi)部對象具有公共特性，不同組的對象特性不同。根據(jù)簇類型的不同，可將聚類方法分為不同類型，比如，明顯分離、基于原型、基于密度、基于圖聚類等。這里我們將預(yù)測人群聚集區(qū)域的密度，因此，選擇基于密度聚類中的網(wǎng)格聚類方法[1]。

首先，定義網(wǎng)格與密度，設(shè)定密度臨界值。將監(jiān)控場景全域所在的水平地面作為二維數(shù)據(jù)分布區(qū)域，場景中行人投影到水平地面上作為數(shù)據(jù)點(diǎn)，將行人的位置點(diǎn)用二維坐標(biāo)表示，然后利用等間距的二維正方形單元將場景區(qū)域網(wǎng)格化，其中網(wǎng)格邊長可以根據(jù)測試需要調(diào)整。由于是均勻網(wǎng)格，在定義人群密度時只需關(guān)注人數(shù)，不考慮面積。因此，每個網(wǎng)格單元的密度定義為網(wǎng)格中行人的個數(shù)。

其次，高密度網(wǎng)格單元形成聚集區(qū)域。計(jì)算每個網(wǎng)格的密度，與臨界值比較，超過臨界值的、相鄰近的網(wǎng)格構(gòu)成聚集區(qū)域。其中，鄰近的網(wǎng)格可以定義為以一個網(wǎng)格單元為中心，其水平與垂直方向上的四個網(wǎng)格單元構(gòu)成鄰近網(wǎng)格，也可以是水平與垂直方向、對角線方向上的八個網(wǎng)格單元構(gòu)成的鄰近網(wǎng)格，這些鄰近高密度網(wǎng)格單元構(gòu)成高密度人群聚集區(qū)域。注意到，不同的鄰近區(qū)域定義可能丟失周邊的低密度網(wǎng)格單元，造成簇凝聚不完整，但是我們只需要高密度聚集區(qū)域，并不需要完整的簇，因此，此設(shè)計(jì)是合理可行的。

2.監(jiān)測高密度人群聚集區(qū)域

利用基于密度的網(wǎng)格聚類方法是可以得到高密度聚集區(qū)域，但是要得到合理而精準(zhǔn)地?cái)?shù)據(jù)，還是要對網(wǎng)格劃分尺度、密度定義、密度臨界值定義、鄰近區(qū)域定義加以校準(zhǔn)。比如，網(wǎng)格劃分太細(xì)，網(wǎng)格單元尺寸太小，可能每個網(wǎng)格單元最多包含一個行人或者單元中沒有行人，也就是說密度取值只有0和1，無法合理預(yù)測高密度人群。網(wǎng)格劃分太粗，網(wǎng)格單元尺寸太大，每個單元容納的人數(shù)就較多，人群在網(wǎng)格單元分布的稀疏程度不同，其內(nèi)部有些局部區(qū)域密度可能超過臨界值，有些局部區(qū)域密度較低，總的單元密度可能沒有達(dá)到臨界值，造成局部高密度區(qū)域沒有被發(fā)現(xiàn)的錯誤監(jiān)測。因此，網(wǎng)格邊長的大小將影響高密度區(qū)域獲取的準(zhǔn)確度，網(wǎng)格劃分的尺度要經(jīng)過多次計(jì)算模擬，并結(jié)合實(shí)場景真實(shí)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。同時，密度臨界值的定義也要考慮經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者實(shí)際管理情況而定。

在合理的確定參數(shù)后，行人可視范圍內(nèi)的明顯位置標(biāo)記網(wǎng)格位置識別信息，便于發(fā)現(xiàn)高密度聚集區(qū)域后，準(zhǔn)確定位。根據(jù)實(shí)時人群分布，計(jì)算人群密度，分析高密度聚集區(qū)域，發(fā)出警示信號，管理者要及時控制行人流量，對高密度區(qū)域周圍的行人流進(jìn)行疏散，并引導(dǎo)高密度區(qū)域內(nèi)部的人群離開此區(qū)域。

三、結(jié)語

考慮到大型活動場站或場所基本都有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，管理者通過視頻實(shí)時監(jiān)控人群動態(tài)，利用圖形圖像處理軟件或方法，提取行人位置分布信息，采用基于密度的網(wǎng)格聚類方法，及時發(fā)現(xiàn)高密度聚集區(qū)域，實(shí)時發(fā)出警示信號，可以采取現(xiàn)場管理者引導(dǎo)的方式實(shí)時限流，或者控制中心廣播指引疏散路徑等方式，阻止人群中出現(xiàn)高密度聚集區(qū)域。總之，行人對于活動場站或場所的擁擠度均有一定地認(rèn)知，因此，只要采取有效的監(jiān)測方法，設(shè)計(jì)合理的疏散線路，管理者提供警示信號與引導(dǎo)，可以避免高密度人群擠壓踩踏事故發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳封能、斯坦巴赫、庫瑪爾著， 范明、范宏建等譯. 數(shù)據(jù)挖掘?qū)д摚和暾鎇M]. 北京：人民郵電出版社，2011.