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内容概要:该论文提出了结合社会力模型(SFM)和高斯烟团模型(GPM)的改进组合社会力模型(CSFM),专门用于模拟地铁站遭遇有毒气体袭击时的紧急疏散过程。研究表明毒气源位置和数量、管理人员反应速度以及风速等因素对乘客疏散和伤亡情况有显著影响。模型不仅能够模拟个体间的竞争、群体跟随等行为,还能估算受影响人数和气体浓度等参数,为应急决策提供支持。文中详细介绍了CSFM的Python实现,涵盖模型初始化、毒气源处理、社会力计算、模型更新及可视化等方面。此外,还探讨了模型的数学基础、改进方向、验证方法及其在多场景中的应用潜力。 适合人群:具备一定编程基础的研究人员、工程师及对应急疏散模拟感兴趣的学者。 使用场景及目标:①研究地铁站等封闭空间内的有毒气体扩散规律及其对人员疏散的影响;②评估不同应急响应措施的效果,如毒气源位置、风速、信息传递速度等对疏散时间和伤亡率的影响;③为地铁站设计和应急预案制定提供科学依据。 其他说明:此资源不仅提供了详细的代码实现和数学解析,还深入探讨了模型的改进方向和应用场景,旨在帮助读者全面理解组合社会力模型的工作原理及其在实际应急疏散中的应用价值。建议读者在学习过程中结合代码实践,通过调整参数和运行实验来加深对模型的理解。
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复现论文或解答问题,以下是详细可运行代码及其解释
# 论文复现与分析
## 1. 论文标题
**"Research on evacuation in the subway station in China based on the Combined
Social Force Model"**
## 2. 内容概括 (不超过 200 字)
该论文提出了一种结合社会力模型(SFM)和高斯烟团模型(Gaussian Puff Model)的改进组合
社会力模型(CSFM),用于模拟地铁站遭遇突发有毒气体袭击时的紧急疏散过程。研究表明:
(1)毒气源位置和数量会影响乘客疏散;(2)若管理人员未能及时检测并通知危险,将导致更多
伤亡;(3)风速越大,受伤乘客越少。该模型能模拟竞争、群体跟随等个体行为,并估算受影
响人数和气体浓度等参数,为应急决策提供支持。
## 3. 论文复现代码及解释
以下是使用 Python 复现该论文核心模型的代码实现:
```python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.stats import norm
from matplotlib.animation import FuncAnimation
class CombinedSocialForceModel:

"""
组合社会力模型(CSFM)实现
结合社会力模型和高斯烟团模型模拟有毒气体环境下的疏散过程
"""
def __init__(self, num_agents=100, width=50, height=50, num_exits=2):
"""
初始化模型参数
参数:
num_agents: 模拟人数
width: 地铁站宽度(m)
height: 地铁站高度(m)
num_exits: 出口数量
"""
self.num_agents = num_agents
self.width = width
self.height = height
self.num_exits = num_exits
# 初始化乘客位置和速度

self.positions = np.random.rand(num_agents, 2) * np.array([width, height])
self.velocities = np.zeros((num_agents, 2))
# 设置出口位置 (均匀分布在边界上)
self.exits = np.zeros((num_exits, 2))
for i in range(num_exits):
if i % 2 == 0:
self.exits[i] = [0, height * (i+1)/(num_exits+1)]
else:
self.exits[i] = [width, height * (i+1)/(num_exits+1)]
# 毒气源参数
self.gas_sources = []
self.gas_concentration = np.zeros((width, height))
# 模型参数
self.A = 2000 # 人与人之间的排斥力系数
self.B = 0.08 # 人与人之间的排斥力范围系数
self.k = 1.2e5 # 人与障碍物的排斥力系数
self.kappa = 2.4e5 # 人与障碍物的摩擦系数
self.tau = 0.5 # 反应时间

self.desired_speed = 1.34 # 期望速度(m/s)
self.wind_speed = 0.0 # 风速(m/s)
self.wind_direction = np.array([1, 0]) # 风向
# 高斯烟团参数
self.gas_diffusion_rate = 0.1 # 气体扩散率
def add_gas_source(self, position, strength=1.0):
"""添加毒气源"""
self.gas_sources.append({'position': position, 'strength': strength})
def update_gas_concentration(self):
"""更新气体浓度分布(高斯烟团模型)"""
self.gas_concentration = np.zeros((self.width, self.height))
for source in self.gas_sources:
x, y = np.meshgrid(np.arange(self.width), np.arange(self.height))
dx = x - source['position'][0]
dy = y - source['position'][1]
# 考虑风向影响
dx -= self.wind_direction[0] * self.wind_speed
dy -= self.wind_direction[1] * self.wind_speed

distance_sq = dx**2 + dy**2
concentration = source['strength'] * np.exp(-distance_sq / (2 *
self.gas_diffusion_rate**2))
self.gas_concentration += concentration.T
# 标准化浓度
if np.max(self.gas_concentration) > 0:
self.gas_concentration /= np.max(self.gas_concentration)
def social_force(self, i):
"""
计算第 i 个人的社会力
包括: 目标驱动力、人与人之间的力、人与障碍物的力、气体影响
"""
pos_i = self.positions[i]
vel_i = self.velocities[i]
# 1. 目标驱动力: 朝向最近出口
nearest_exit = min(self.exits, key=lambda x: np.linalg.norm(pos_i - x))
e_i = (nearest_exit - pos_i) / (np.linalg.norm(nearest_exit - pos_i) + 1e-5)
driving_force = (self.desired_speed * e_i - vel_i) / self.tau
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