一种行人跌倒扰动传播仿真方法、存储介质及设备

1.本发明涉及一种人群流动稳定性分析技术领域，尤其是涉及一种行人跌倒扰动传播仿真方法、存储介质及设备。


背景技术：

2.人群密集的公共场所中发生如人群踩踏等灾害事件的前兆往往就是人群的混乱和无序状态，其中行人跌倒是造成人群混乱和无序的重要原因之一。目前，针对人员密集场所中行人跌倒的异常行为的研究方法大致分为两类：基于外部传感器检测和基于计算机视觉检测。基于外部传感器检测法通常将传感器穿戴在身上或放在外部环境中，用于采集人体运动数据。基于计算机视觉的跌倒行为检测法通常提取监控视频中的行人目标的图像特征，设定阀值或使用机器学习的方法判断行人是否发生跌倒行为。
3.到目前为止，针对人员密集场所中行人跌倒的异常行为扰动传播动力学研究尚存在若干不足：1)在许多情况下，由于行人跌倒造成人群运动区域中某点域受到干扰，会导致人群流从稳定的有序状态渐变为混乱不稳定状态。行人跌倒行为是常见的人群流动干扰现象。目前，由行人跌倒这种抽象的行为去构建具体的扰动模型相关研究较少。2)在拥挤的情况下前进时，人群之间会有一定的“压力”，可以描述为人们在遇到紧急情况时内心紧迫的感受程度，并且影响人群的后续运动。其中，反映行人的状态的行人压力是重要的行为特征之一。目前，缺少行人跌倒的异常行为的压力量化讨论和动力学分析。3)人群聚集场所中行人跌倒造成的扰动在时间和空间上的传播规律，以及对人群流动的影响机制研究较少。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种对行人跌倒行为进行压力量化分析、直观且客观的行人跌倒扰动传播仿真方法、存储介质及设备。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种行人跌倒扰动传播仿真方法，包括以下步骤：
7.基于流体动力学理论，构建考虑行人跌倒扰动的人群内部扰动传播动力学模型；
8.基于所述人群内部扰动传播动力学模型，设定行人跌倒扰动点，进行人员密集场所行人跌倒扰动传播仿真，并展示仿真结果；
9.其中，所述人群内部扰动传播动力学模型包括人群流压力项，所述人群流压力项基于考虑行人跌倒行为的压力系数构建。
10.进一步地，所述人群内部扰动传播动力学模型基于ar交通流模型构建。
11.进一步地，所述考虑行人跌倒行为的压力系数表示为：
[0012][0013]
其中，γ表示压力系数，p表示存在行人跌倒行为时的行人压力，f表示行人质心力。
[0014]
进一步地，对于人群内部的不同位置，所述存在行人跌倒行为时的行人压力p的计算公式不同，具体地：
[0015]
对于发生行人跌倒行为的行人i，其行人压力pi表示为：
[0016][0017]
对于后方行人i-1，其行人压力p
i-1
表示为：
[0018][0019]
对于前方行人i+1，其行人压力p
i+1
表示为：
[0020][0021]
其中，下标b表示后方压力，下标f表示前方压力，p0表示行人i未发生跌倒行为时的前方或后方压力，ts表示行人i的跌倒发生时刻，te表示行人i的跌倒结束时刻，k为瞬时衰减系数。
[0022]
进一步地，所述压力系数的取值范围为(1,1.7]。
[0023]
进一步地，所述人群流压力项表示为p＝f(ρ,γ,ξ)，其中，ρ表示人群密度，γ表示压力系数，ξ表示扰动强度。
[0024]
进一步地，所述展示仿真结果具体为：
[0025]
以等高线图描述不同位置处的行人压力。
[0026]
进一步地，所述等高线图包括平面等高线图和立体等高线图。
[0027]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如上所述行人跌倒扰动传播仿真方法的指令。
[0028]
本发明还提供一种电子设备，包括一个或多个处理器、存储器和被存储在存储器中的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如上所述行人跌倒扰动传播仿真方法的指令。
[0029]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0030]
(1)目前，缺少行人跌倒的异常行为的压力量化讨论和动力学分析。本发明提出人群跌倒的压力动力学模型，分析行人跌倒行为的全过程，提出行人跌倒行为的压力系数，表明扰动在时间上的变化，验证压力等行为特征由于速度不一致而存在各向异性，能够直观可靠地对人群聚集场所的行人跌倒传播进行仿真。
[0031]
(2)本发明研究人群聚集场所行人跌倒造成的扰动在时间和空间上的传播规律，基于行人跌倒的异常行为传播，深入分析人群密集的公共场所的局部扰动对全局人群流的影响机制，对人群管控具有重要意义。
附图说明
[0032]
图1为本发明方法的流程示意图；
[0033]
图2为本发明跌倒示意图；
[0034]
图3为本发明行人跌倒的压力特征示意图中，其中，(3a)为行人i的压力变化，(3b)为行人i-1的压力变化，(3c)为行人i+1的压力变化；
[0035]
图4为本发明跌倒行为扰动传播示意图；
[0036]
图5为本发明跌倒行为时的人群压力分布图，其中，(5a)为时间t＝3.0s时的人群压力分布图，(5b)为时间t＝5.0s时的人群压力分布图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0038]
实施例1
[0039]
如图1所示，本实施例提供一种行人跌倒扰动传播仿真方法，包括以下步骤：s1、基于流体动力学理论，构建考虑行人跌倒扰动的人群内部扰动传播动力学模型；s2、基于所述人群内部扰动传播动力学模型，设定行人跌倒扰动点，进行人员密集场所行人跌倒扰动传播仿真；s3、展示仿真结果；其中，所述人群内部扰动传播动力学模型包括人群流压力项，所述人群流压力项基于考虑行人跌倒行为的压力系数构建。所述人群内部扰动传播动力学模型基于ar交通流模型构建。该方法考虑行人跌倒扰动的活动特征，对密集人群扰动传播过程中的压力进行量化讨论和动力学分析，以更加可靠地进行行人跌倒行为扰动的传播动力学仿真，以便于对人群安全管理提供依据。
[0040]
1、行人跌倒的压力动力学模型。
[0041]
通过对行人跌倒时压力特征的分析，得到行人跌倒的压力动力学模型。
[0042]
压力动力学分析：如图2所示，假设行人的移动在一维平面上，标记行人分别为i-1,i,i+1，当中间行人i跌倒时，其对前后的行人均会产生影响，这就代表异常行为发生了扰动并进行了传播。
[0043]
行人在运动过程中，受到前后行人的挤压，分别有一个后方压力p
back
和前方压力p
front
，跌倒时刻记录为ts，整个跌倒过程有一小段的持续，则三个行人的压力变化如图2所示。
[0044]
对于行人i，跌倒发生时，其速度在前进方向上会有骤降，而后方的行人仍会有向前的冲力，因此行人i的后方压力p
back
(对应图中p
i,b
)会突增，然后衰减到一个较小的稳定值，前方行人由于视野的原因，会保持继续前进，因此前方压力p
front
(对应图中p
i,f
)变为零。对于后方行人i-1，其后方压力不变，前方压力和行人i的后方压力是相互作用力，即保持一致。对于前方行人i+1，其前方压力不变，后方压力和行人i的前方压力是相互作用力，即保持一致。
[0045]
因此，行人跌倒的压力动力学模型如下：
[0046]
如图3的(3a)所示，对于行人i：
[0047][0048]
其中，由于运动方向给定，这里压力p取标量。k为瞬时衰减系数。叠加行人的前方受力和后方受力，可知当发生跌倒行为时，行人i的总压力会在ts时刻骤降，随后以指数形式快速上升，最后又在te时刻衰减到一个稳定值附近。
[0049]
如图3的(3b)所示，对于后方行人i-1：
[0050][0051]
叠加行人的前后方受力，行人i-1的总压力会在ts时刻以指数形式快速上升，最后又在te时刻衰减到一个稳定值附近，最终受的压力将小于初始时刻的压力，可以理解为跌倒发生后，后方行人开始有意保持一定的挤压距离。
[0052]
如图3的(3c)所示，对于前方行人i+1：
[0053][0054]
叠加行人的前后方受力，行人i+1的总压力会在ts时刻下降，之后维持一个稳定值。
[0055]
2、构建考虑跌倒行为扰动的人群内部扰动传播动力学模型。
[0056]
任何扰动在动态的人群流动中，都会进行不同程度的动力学传播。流体力学与行人流具有一定的相似性，在连续介质假设的基础上，可将流体力学的连续性方程用来描述行人流的运动特征，因此基于流体动力学理论提出人员跌倒行为的内部扰动传播动力学模型。
[0057]
a.aw和m.rascle在2000年提出的基于流量的人群动力学模型，本实施例参考ar交通流模型的压力项形式，基于交通流模型建立人群跌倒行为下的人群流二维压力项，并基于所述行人跌倒的压力动力学模型构建人群跌倒行为的内部扰动传播动力学模型。
[0058]
本实施例建立跌倒行为下的人群流压力项如式(4)所示：
[0059]
p＝f(ρ,γ,ξ) (4)
[0060]
其中，ρ是人群密度，γ表示压力系数，ξ表示扰动强度。
[0061]
定义压力系数γ为：
[0062][0063]
压力系数γ为行人压力p和行人质心力f的比值，压力代表行人受到单位面积上的外力，跌倒异常行为的压力动力学模型参考式(1)-(3)，质心力是驱使行人运动的内力，当p》f时，行人受到的挤压大于自身的可控力，容易发生不安全事件。根据对行人跌倒行为的研究，γ的取值范围在(1,1.7]之间。
[0064]
定义扰动强度ξ为：
[0065][0066]
当识别出有行人跌倒异常行为时，判定该点为扰动发生点(a,b)，有一初始扰动量ξ0。扰动具有随机性，扰动强度反应人群内部的扰动衰减规律，呈现指数幂级衰减函数特征，即扰动点处人群的扰动强度最大，周围人群以e的指数形式衰减。因此在人群内部随机扰动影响下(x,y)处人群的扰动强度如式(6)所示。其中，t表示扰动已发生的时长。
[0067]
因此，跌倒行为下的人群流二维压力项如式(7)和(8)：
[0068][0069][0070]
其中，ph和p
l
分别表示水平和垂直的压力项。压力项是对速度梯度项的改进形式，并不是真实的压力单位。
[0071]
最终，人群跌倒行为的内部扰动传播动力学模型表示为：
[0072][0073][0074][0075]
其中，v和u分别表示水平和垂直方向的速度，v
eh
和v
el
分别表示水平和垂直方向的平衡速度，τ为松弛因子。
[0076]
3、仿真展示。
[0077]
本实施例以等高线图描述不同位置处的行人压力，进而展示仿真结果。具体地，等高线图包括平面等高线图和立体等高线图。
[0078]
本实施例中，根据文献的总结，人体承受6200n的压力15s，就会造成拥挤窒息。随着时间的推移，压力阈值不断降低。假设行人间的有效接触面积为0.15m2，p
max
＝4.13*104n/m2。本发明中，对于跌倒行为，在时间[ts,te]内任意时刻，行人压力满足pi《p
i+1
《p
i-1
，即在一定距离范围内，扰动中心点压力值最小，后方压力较前方更大。分析压力特征，如图4所示，场景为4.5
×
4.5m。行人在(3.5，3)处跌倒，用fd(fall down)标识，图中v表示人群整体流动速度和运动方向。
[0079]
在火车站等人群聚集的公共场所，由于候车厅检票口的行人运动方向较为一致，但是常常出现排队和拥挤推搡，容易出现行人突发跌倒。本实施例的假设仿真场景为20
×
20m的矩形区域，当仿真步长step＝30，即时间t＝3.0s时，有行人发生跌倒，突发人群跌倒异常行为扰动，扰动位置为(13,10)，人群运动方向表示为速度v的方向。设定人群初始密度ρ＝2p/m2，扰动初始量ξ0＝1.5，人群压力分布图如图5所示。其中z轴表示人群压力，图中fd(fall down)表示行人跌倒扰动点。从图5的(5a)分析可知，扰动点处的压力骤减，扰动点后
方的压力增大。从图5的(5b)分析可得，时间t＝3.0s时，发生异常跌倒，扰动点处的人群压力会出现再次突增，同时以波状向四周传播。
[0080]
上述方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0081]
实施例2
[0082]
本实施例提供一种行人跌倒扰动传播仿真装置，包括模型构建模块、仿真模块和可视化模块，其中，模型构建模块基于流体动力学理论，构建考虑行人跌倒扰动的人群内部扰动传播动力学模型；仿真模块基于所述人群内部扰动传播动力学模型，设定行人跌倒扰动点，进行人员密集场所行人跌倒扰动传播仿真；可视化模块用于展示仿真结果；其中，所述人群内部扰动传播动力学模型包括人群流压力项，所述人群流压力项基于考虑行人跌倒行为的压力系数构建。可视化模块展示仿真结果时，以等高线图描述不同位置处的行人压力。其余同实施例1。
[0083]
实施例3
[0084]
本实施例提供一种电子设备，包括一个或多个处理器、存储器和被存储在存储器中的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如实施例1所述行人跌倒扰动传播仿真方法的指令。
[0085]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种行人跌倒扰动传播仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：基于流体动力学理论，构建考虑行人跌倒扰动的人群内部扰动传播动力学模型；基于所述人群内部扰动传播动力学模型，设定行人跌倒扰动点，进行人员密集场所行人跌倒扰动传播仿真，并展示仿真结果；其中，所述人群内部扰动传播动力学模型包括人群流压力项，所述人群流压力项基于考虑行人跌倒行为的压力系数构建。2.根据权利要求1所述的一种行人跌倒扰动传播仿真方法，其特征在于，所述人群内部扰动传播动力学模型基于ar交通流模型构建。3.根据权利要求1所述的一种行人跌倒扰动传播仿真方法，其特征在于，所述考虑行人跌倒行为的压力系数表示为：其中，γ表示压力系数，p表示存在行人跌倒行为时的行人压力，f表示行人质心力。4.根据权利要求3所述的一种行人跌倒扰动传播仿真方法，其特征在于，对于人群内部的不同位置，所述存在行人跌倒行为时的行人压力p的计算公式不同，具体地：对于发生行人跌倒行为的行人i，其行人压力p
i
表示为：p
i
＝p
i,b
+p
i,f
，对于后方行人i-1，其行人压力p
i-1
表示为：p
i-1
＝p
i-1,b
+p
i-1,f
，p
i-1,b
＝p0，对于前方行人i+1，其行人压力p
i+1
表示为：p
i+1
＝p
i+1,b
+p
i+1,f
，p
i+1,f
＝p0其中，下标b表示后方压力，下标f表示前方压力，p0表示行人i未发生跌倒行为时的前方或后方压力，t
s
表示行人i的跌倒发生时刻，t
e
表示行人i的跌倒结束时刻，k为瞬时衰减系数。5.根据权利要求1所述的一种行人跌倒扰动传播仿真方法，其特征在于，所述压力系数的取值范围为(1,1.7]。6.根据权利要求1所述的一种行人跌倒扰动传播仿真方法，其特征在于，所述人群流压力项表示为p＝f(ρ,γ,ξ)，其中，ρ表示人群密度，γ表示压力系数，ξ表示扰动强度。7.根据权利要求1所述的一种行人跌倒扰动传播仿真方法，其特征在于，所述展示仿真结果具体为：以等高线图描述不同位置处的行人压力。8.根据权利要求7所述的一种行人跌倒扰动传播仿真方法，其特征在于，所述等高线图
包括平面等高线图和立体等高线图。9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-8任一所述行人跌倒扰动传播仿真方法的指令。10.一种电子设备，其特征在于，包括一个或多个处理器、存储器和被存储在存储器中的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-8任一所述行人跌倒扰动传播仿真方法的指令。

技术总结
本发明涉及一种行人跌倒扰动传播仿真方法、存储介质及设备，所述方法包括以下步骤：基于流体动力学理论，构建考虑行人跌倒扰动的人群内部扰动传播动力学模型；基于所述人群内部扰动传播动力学模型，设定行人跌倒扰动点，进行人员密集场所行人跌倒扰动传播仿真，并展示仿真结果；其中，所述人群内部扰动传播动力学模型包括人群流压力项，所述人群流压力项基于考虑行人跌倒行为的压力系数构建。与现有技术相比，本发明由行人跌倒的异常抽象行为进行压力量化分析和动力学分析，以数值化准确、可靠地展示行为-扰动过程，对人员密集场所的安全管理具有重要的意义。管理具有重要的意义。管理具有重要的意义。


技术研发人员：赵荣泳 贾萍 王妍 李翠玲 马云龙 张智舒 朱文杰 董承霄 李咪渊
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/9