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用元胞自动机模拟学习者行为和行人流疏散现象

作　者: 梁振燕
导　师: 张超英
学　校: 广西师范大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 元胞自动机学习者行为行人流疏散演化模型
分类号: TP301.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来,教育学和心理学领域的学者广泛研究了学习者在各种因素影响下学习者行为的变化规律,但很多理论涉及内外部因素复杂的相互作用,很难以定量的方法来描述学习过程中学习者的行为取向。另外,在现实生活中,难以预测的危险时时存在,防患于未然胜于救灾。因此,研究人们在非常规紧急情况下从建筑物内逃生和疏散的规律和心理、环境等因素的影响具有重要的现实意义。鉴于此,本文主要是从复杂性系统的角度出发,运用元胞自动机模型和计算机辅助语言,以学习者、行人流为研究对象,建立两个不同的元胞自动机模型,模拟不同的控制参量变化对人员选择的影响,并基于实验结果,提出具有现实意义的相关建议,这将对人员进行有效的预测和选择相应的决策有一定的指导意义。第一,本文重点介绍了课题的研究背景及意义、研究现状与进展,以及本课题的研究目标及思路。第二,阐述了元胞自动机的原理,并介绍了其发展、构成、特征、分类和一些初等及经典的元胞自动机和元胞自动机在各领域的应用。第三,综合应用元胞自动机理论、教育学理论、心理学理论、管理学及组织行为学等基本理论,分析了学习者行为价值取向的特征。个体的行为取向,对社会系统来说,不仅复杂,而且是一个动态演化的过程,通常会同时受到多种因素的相互影响。因此,需要通过动态的演化机制来量化地反映这一过程,为了分析理解内外部环境因素影响个体行为的过程,本文采用教育学和心理学的思想,将动机、参与环境等要素引入CA模型,通过这一复杂系统中的微观研究方法来模拟学习者行为的宏观演化过程,建立影响系统关键因素的函数关系,研究分析关系的合理性和适用性。在此基础上,建立动态演化的数学表达式。研究分析群体间相互作用的原理和规律,确定元胞自动机的基本组成和结构,并建立了基于元胞自动机的学习者行为仿真模型。第四,基于元胞自动机(CA)理论,以非常规突发事件学生群体疏散的心理和行为为研究对象,利用距离参数为基本判断依据决定疏散方向,从而建立了一个二维元胞自动机的行人流疏散模型,来模拟和分析研究教学楼一层的疏散过程。同时,研究了不同的出口条件以及不同的内部布局对疏散效率的影响。研究结果得出各种出口宽度影响、瓶颈效应、局部区域密度、距离等物理量的变化规律,提出逃生出口宽度、屋内布局、摩擦碰撞效应和团体心理效应的科学参考依据,该研究结果对教学楼的设计起到一定的指导意义。第五,采用元胞自动机(CA)理论,以非常规突发事件学生群体疏散的行为为研究对象,引入概率论的概念,综合评价疏散距离和出口特定区域内行人的平均密度,以此作为紧急疏散方向的基本判断依据,将复杂的三维立体问题简单化为二维的平面问题,建立了一个模拟二层教学楼的行人疏散模型。同时,研究教学楼层内灾难点发生的位置对疏散时间、平均密度的影响。研究结果表明,灾难点发生位置的不同会对疏散效率产生影响,并得出有意义的结论。仿真结果验证了本文的研究方法和设计的元胞自动机模型是合理有效的,可应用于不同行业,提高管理人员的认识水平和工作效率,减少生命和财产损失,有很好的社会效益。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-15
  1.1 论文的研究背景及其意义  9-10
    1.1.1 学习者行为理论的研究背景及意义  9
    1.1.2 行人流疏散的研究背景及意义  9-10
  1.2 国内外相关研究现状  10-13
    1.2.1 学习者行为理论的研究现状  10-11
    1.2.2 行人流疏散的研究现状  11-13
  1.3 本文的目标及研究成果  13-14
  1.4 本文的框架  14-15
第2章元胞自动机的基本理论及其应用  15-23
  2.1 元胞自动机的发展  15-17
  2.2 元胞自动机的定义  17
  2.3 标准元胞自动机的组成  17-20
  2.4 元胞自动机的特征  20
  2.5 元胞自动机在实践中的应用  20-21
  2.6 利用元胞自动机研究社会复杂系统的优势  21-23
第3章用元胞自动机模型模拟学习者行为  23-30
  3.1 引言  23
  3.2 学习者行为的影响因素分析  23-24
  3.3 元胞自动机模型构建及演化规则  24-26
  3.4 模拟结果及分析  26-29
    3.4.1 参与环境对学习者行为的影响  27
    3.4.2 动机强度对学习者行为的影响  27-28
    3.4.3 双因素变化对不同类型人数影响的模拟  28-29
  3.5 本章小结  29-30
第4章用元胞自动机模拟出口宽度及内部布局对行人流疏散效率的影响  30-44
  4.1 引言  30
  4.2 模型及演化规则  30-35
    4.2.1 演化模型  30-32
    4.2.2 判断参数  32-33
    4.2.3 演化规则  33-35
  4.3 结果及分析  35-43
    4.3.1 不同的出口宽度对疏散效率的影响  35-41
    4.3.2 不同的教室内部布局对疏散效率的影响  41-43
  4.4 结论  43-44
第5章用元胞自动机模拟教学楼层内灾难点对行人流疏散效率的影响  44-58
  5.1 引言  44
  5.2 模型及演化规则  44-50
    5.2.1 演化模型  44-45
    5.2.2 判断参数及演化规则  45-50
  5.3 结果及分析  50-56
    5.3.1 无灾难点和不同位置灾难点对疏散时间、疏散人数的影响  52-54
    5.3.2 楼梯转弯平台区域平均密度的对比  54
    5.3.3 楼道出口区域平均密度的对比  54-55
    5.3.4 教室出口区域平均密度的对比  55-56
  5.4 结论  56-58
第6章总结与展望  58-60
  6.1 本文研究总结  58
  6.2 本文的特色与创新之处  58
  6.3 本文的不足之处及今后研究思路  58-60
参考文献  60-65
读硕期间发表的论文目录  65-66
致谢  66-67

用元胞自动机模拟学习者行为和行人流疏散现象

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