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7第2 卷 期
02 07年4月
交 运 输系通 统工 程与 信息
J nulo a s of Sn se gn ne nd I f r nt Tc n g l or a Trn p  ̄f o y ats Em n e rig a n mai o e hoo y ii o
o .V No .172 Ap 2 lo i r 07
文
编号 :10 章74 0(7 0—0 6 8904620 )29 0 — 0
一 ’ ’’’’’’ ’’ ’’’’’ ’’ ’’’’’’’’ ’’ 、 ’
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: 系统 程理 论工与方 法 :
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挤拥 群人中 的 压挤分 析
春霞 卢 (
海 交通 大 船学舶 海 洋建与筑 工 程学 院 , 上上 海204 0)2
0
要摘 :从 观 微度角建 模和 真 仿密高度下 人 中群体个 的 动运 受和力 ,究行 人个体 之 间 研 存 在的缩压 和变形 , 理非想 态 下状的 模建. 本微观 模 型 允人许们 的 体身在 物 理 上 更 密切 是接地触 ,示 种这 于挤 由力 压导致 人 的体一定 的形 和压变缩 展,及这 种 性 弹变形 流与
特动点的互 为影响 关 系 ,力求 免 避该类 事 故 的 一 发再生 究表 明. 是正 种这 压缩 变和 研
才形 致 了导力在拥挤人 群的传 播积和 ,聚而 引发事 故 从, 目很前 多的 仿软真件不 能 揭示
之所 以 密在过度 大时容易失 败,重 原要因 就之 一没 有是考虑人 的受 力, 其是 在 高密尤
度时在力 群 人的中传 播. 关 词键: 挤拥人群 ; 挤 力 压 观;仿 真 微;非理 想 状
态 图中分 号类 X:2 3 9 .80 文 标 献志 码: A
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h a yi f C p oe s dF re i s oe A lssn o mr e s o r Cw
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( c lof aaA c iceaudO e nE gn n eS , g aaJ oogU eis yh nh i0 0,2 n h Sh)o o v lrhtt rn c a inre hgn h ii nt vni ,r S ga 0a 4 Ca i N e i ta2
A bta t Ih aie t,e om en n o c fo s c a ebe aa ye m rh oe tih src : nts p p r h v em atd f e r owrdh v e nnl z
d o fe mtr— i dl agh d se t nh o n iy ad te c pmsrn i a d fd rao om g o sc h sze .dhs mT e s doefe fo tte ac c e sso n eo m t n an rdw m a pi ei i li id r n m r l is h e .T oee tcaeod ia na dte m o ne r sll o rtd.lI se tca fr adn it aue ntte n sh lsi fr to n h vme aet ceyo crae emt ilsi eo m t h tsrls i h
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rf s er na n c u m uag i i h r w od cp edi agd ac l nt nte c o ,whsi h ite i ont a s fed tse .sT alh rcf c s ho m pr t cue o i tra a h f ei eo wd r
umsainu a ih dn ts is t oios c op ed n lti tohg e i l ni l s ff er s ari . yge s eK r :sco s;c m ps def r;emiri— to y wol d r d wor se o coc smu ina;n ni e l —od a LCC m a b r: e X 92 8. O 3 o uD tc d e c mn o e A:
O引
言
全
性研的究 提出 非常强的需 .求 导拥 致事挤故产 生 的 因原有 多 ,很 建如 筑设计
中 的社国会 济经已经 入 进城了市 化 速高发 展 的 快 道车, 市 口人迅 增速 加 ,别是 年 来 大近 城量 特高 层 筑 , 建繁 商华 业 街 ,型 体 育场 等 馆建 筑 修的
大
的不合上理 错误 、信的 传息 递 理上、 惊慌 的、心 突然
跌倒的 等等 通过对诸 .多拥挤 事 故 的分 发析 现, 其 中相有当 大一 部 是分由于 围周 人群 聚 的 力作集
用,建 都及 到涉 量人大群 移的动 问题 , 拥 挤对 人 群安
收稿日 期: 0 — 1—2 6 13 0 0 基 项金 目: 家自然 科 学 基 金 上面项 目资助 0706 ( .国743 1 ) 作 者 简介: 霞春( 9一) 女8, 海 交 通 学大 舶 海 洋船 与建 筑 程 学工院 教 授副, 士 , 1卢 6, 博上 要主研 究 方 向为 共公 安 全 、
通交全 、安 通交 运 规输划 和 物流 管理 . a-: hn i
u j. d. Enm i c ux @ u e s u c ll ta
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第期2
拥
挤人群 的 中 压挤 析分
9
9
个于人 使 而人受 甚伤 死至 的亡风 险. 集密 群所 人
统计 方 法给出 交了 通流 本基 数参速度, 流 和密 度 量
之间 关 系 .的
立 建压的甚力 至能 压弯钢 铁栅栏或 推 砖 倒 墙 挤,压 将导致行 人的身 体发生变 和形压缩, 甚 至引 严 发 的重生 问题如 理呼吸 难 困… 通… 过 对 这些 故事 分 的 析 ,看到以, 可 类事这 并故不 是全 完可不以避免 , 的许 事多故本 身就 是 历史 事故的 重 .演目前 很 的 多 人群仿 真件 不软揭 示这能类挤 压 象 现, 度过 大 在
格子气密( r .a ) 型。 元 胞 自动机 模 型 gdg s i 。 模 类与 ,似 把行它人视 为在 格子 上( 将研 究地 细点 化为 格 子) 动的 子 , 粒 后 过 概通 率统 计 的 方法 来 研活 然 究 行 步系统的 特 点 ,子也是 基 于规则 概和 率驱 而粒
动 ,的主要 是 本日的 一些学者 采 的用研究 法 方.
时 ,都会失 败 ,中的 一 重 要 原个 就 是没 因 考有虑 其
人受力 ,的其是在 高密 度 力时在 人 群 的中积聚 和 尤 播传 .因这 为个体时 间存之 在严 重的 重 叠,是 这 正 种挤 才使 压得个体 之间 的作 力 在 用 群人中 传递 和 积 聚 , 而引发挤 压事 .故所 以, 建们 的行立 进 人 微观我模型必 须 能许允 们 身 体 人物在理 上 更 密 切地 触 接,能 展示这 由于 种挤压力 致导 人的 体 定一的变 形和 缩压, 这种弹性 形 与流变 动特 点的互为影 响 及 关 ,系 求力 免避类 该事 的一故再 发 .生 就是 本这 文研究论 的 目所 在的, 望能在 理 非 状 态 下想, 微 希 从 角度观 实地 真模建和仿 真 拥挤 人 群行 人中 运的动 和受 ,力 现重 实 的流动 过程际.
元胞 自动模机型和格 子 模型最气 明 的显陷缺是 将人 群 中所有的人建模 为相 同 、的 没思有 的个体考, 有没 虑个人之考 的相间 作互 .用因流体为 粒子没 有 怕害 疼 痛 或的感觉 ,能 决策 , 不 会 不倒 或绊倒跌. 但 是 际观 察和分析发现 , 实, 个体 行为的 往往大会 大 地变改群 人整的行体 为,如一个人 的绊倒 , 会为其 成他
人移动 的
碍 障, 导会多人致的 伤受至甚亡死. 在近几年 出
现的 微观研 究 模型中 , 为著名 的 最就是H l e n ib 的g社会力 型 模 ,把他人行视为 相互 作用的 子粒, 人行之 间的
交 建互模 行为人 与人 将 行之 间的排斥 和 吸 的作 引 ,用这 是与他其 微模 型观最 大区的别所 . 在的究研方 首法先 识认 人到 是群由 新
备 思考能具力 和能对周 围做 出反 应的 个 组体 的 ,
成
1相 关研究
无是论交 通 中的 步 系 行统 是,安 全 疏 散问 还
其 最中著名 的案例 是社力模型会的 P c ani现象 ,如 越
越 慢 .快 的工 作我们重让新思考 何如设计 廊 走的 他 宽 、 门的度数和量位 、 人置们 集聚区的等域 .等
微 粒观子 的 方法由 于已经 将 分析 单 位 的细 化 到个人 , 了每个 人 虑细 的 受力 ,致 精 确 和准性 考
其题
, 行对 的人 观研微究需要 对 其的中个每个 体进
行建模 仿和 真,及个体 的速 度 个体之 及间的互 交等 涉等,而宏 研 观究忽 略个 间体的 差异 ¨’ . 要主涉 及
一
些整体 的评 价 指标, 速 度 如 密、度、 量 的流关 系 、
确性应
比其 该 方 它 法 高 以,备受 理 论 研 究的关
注所 .在 群 人度 过密大时 , 突对拥发挤 事 故的 分但如
析 表明, 由于 压挤, 人 往 往会 发 变 生形和 压 缩 . 行
空 间 的 用率利等 ,关 的是 空 注间分 配问题 , 步 最如
行通 道的宽 度 .
计
算 技机 术发的展促 使行 人 微 观的 模 建方 兴未 艾,因为 微观 建模 和 真仿 往往 涉 及 到 大 量 的计 算 .如 , 早 的将 车辆 交通 的 元胞 自 动 机模型 例较 ( uea Ata n C引入步行交 通 中 “ . C ll o t , A)ul r om 元 胞
自机是动近年来 涌 现 出的一 个描 述 复 杂 行为的 仿工具真 ,是一种 时 间、 间 、空 态 状都 散 离的力 动模 学
在
对 会社 力模 型数 的 学 分 析中 ,我们 也 发 现 , e H1 . nb没有考 虑 体与个 个之体 、间ig 个 与 体界边等之 间 的挤 力 .因压 这 为只有在密 度过 大才时出 现, 而
根据我
们的 察观与 分析 那,时个 体 间作 之用应的 该 是
以挤压 力 主为 个,体 的 动受运制 于挤 压. 时每 这
个 体并个 有 占有没 应有其的空 间 而是 , 被紧地交紧 错挤 压在一 起
而且 ,. 压 挤使还 力 得 在群 人传 播 中 和 聚 积 ,在社 会些 模型力 中没 有很 都地好考 虑. 这 们 我在对 众实 际多行 人 的 流的 深入分 析中发 现 ,群 人密度不 是很 大 的 情 况 ,下会 力 模 型 是在 非常 社接 现近实 的 , 揭 示能 现实 中 很 多行 人的流 特 点 是,, 如 刚才 的析分, 但 正 这
是基于 密度 不是 大 很的 提前下 , 即 行 流人还没 拥 挤 到发 生有 压 挤,理 是 状态 下想 的模建 ,而 本 论文 研 究 的是 在高 密度下 、 行人 因 挤压 生 了发变 形和 缩状压态下 的行 人 流,是
型 特,别适 合 于杂复系统 空时 化过 程 演动的态 拟 模 研 . 2究从 0世 纪 9 年 代 0 引入被车 辆 交通 领域 以 来, 经 已得众 多取成果 元.胞 自 动 的灵 机性活 对 和 同不情 况的应适 性使 在描 它述 更 为复杂 多变 的行 交 人流 通题问上 体现 出 了更 多的 越 优性.规 则 的 样多 给性区 别对 待 同不 群 人不的 同 具 行体为 特 征 提供 了工具. 胞 自元机 模动型 可 以在 单简的行 为 规 下则以 较快的速 大规度 模真仿 网路, 揭示 各种
微观 为行 化所带来变 宏 观的 行人通 交流 的特征, 过通
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交 运通输 系 工统 程与 信息
2
0 4月年 7 0
对这种非理想 状态 的 人行 流 建的和模分 析
虑考行 人之间个 差体 别的 最 著名 微的 观模型 莫 于德过 H国 i l e n授 的 会 力社模 型 “,个 b g教 每 行人 运 动的方向 和度速 取 将决于 其 的受 力,行 人将 与 境环、 人 与 行 人 间 之 交的互 模建为 行人 与环 行 境 、人行与 行人 之间 的 排 斥和 吸 引作的 ,用 典型 是 的 以 个体 为 中心 的微 观研究方 法. 包 括 社力会模 型 在 内 的 众多微 模 观 都存 在 型样这 问的题, 们 的模 都型 隐 含这样 假 的设: 他 即 个 体 是刚 性的, 占 有一 的定空间 , 的前进 、各 他 后 、 退
转 向 , 等不 管在是原 有位置 、 是 入进一 个位下置 , 还
对2 社会 力模 型 的 析分
对 人行 的微流观 研究首 需先 认 识 到要 行是
由具备人思考 力能 能 和 对 周围 出 做反 应个 体 组成的 的, 这 涉及个体 与 境环 、 体 与个个 体 间 之的交互 , 很 大的主 有随观意性 ,与 车辆交 通 有本 质 上的 区别 . 应该 行将 人建模 有为差 异的 、 感 觉 的 个体, 有改 变
胞元自动 机 中的 械机建模 方 式 .通过 际实 察观和
分 析发 现, 个体 行 的往往为 大 会大改变 地行人 的流 体行 为 整 .一个人的 行 强挤 , 如推会在 集 密有 的序 流 动中 , 地 杀行出 外另一 人 流股; 个 不 人 恰当 强 一的为或 行个故 障可某视 为一 动 , 扰 扰将动形 成一 个该波, 过通人流 向前或 向 后传播 ,后 产 生 一 个 最激波 而,引 群 起 性体的骚
动 混或乱 ; 个人 绊 的继 一 ,倒成 为他人 其 动 移 的障 碍 导, 多致 的受人 伤 会会
至死甚 亡
. 无论任 密何度大 小 , 何任状 况 下, 必 须 有 一个 在 都
一
致
的 间空分给配 ,他 实是一其种理 想态状. 这 图1 所 示 是 目行前人 流中几 主要种的仿 模 真型 ,从
左 到右
别 为元分 胞动自 模 型 机 社会、力 模型 、 维 三
仿
,真其 同特共 点 是在 个 仿整 过程真中 , 假 设每 均 个 体个占据 空 的不间 变.
图 主 1要的仿 真 模型 F
i1 T yiai to l d l.g p lsmuc ianm o e
s
我 们 对在会 力模社型 分 析的和 真 仿中发 ,现在
现 代社会 在 , 大量人中 聚群集在 公 共场所是常 见 事的情 , 我 如 每国 年春的 运 ,人让想 到的就 人是 山 海 人、 挤拥 不 堪 ,京火 车 站高 峰 时 每天 上 车下
北数 人 7近O万 .管不是 对 挤拥 的现 场 料资 分析 还 ,
行人度密不 大 时, 实 际状 非况常 合吻, 能 演 示与 如在
向双流 时动 的动自分 、 流人流 交 时 的叉 纹条 行 状 ai、 现象 等等. 在 度密过大 时 , nP c该模 型 与就
实际符 ,不 在 H如l 教授 i图 1的 图 2示, e n b 和 所 这
g是
们 自己的切 身 体我 会 我们, 经 看 到常 在下上 车 、 拥挤 的 门 口 台、等 ,柜 在 密度 过 时大 ,出在现如 考 参文 [献 3图1 图中2所示 的 人 的变体 和压缩 形 .] 1和
每个时 体并个没有 占 其 应有有的 间空 而,是 紧被紧 交错挤地压 一起 在. 根 统据 ,计人 身体 的 均平 宽 行 度( 之膀 的间距 离) 厚 度 腔 前 后 厚 ( )度肩 和 胸为
4 . m8×2 .0m ,行 人 垂 投 直 影到平面 上 ,5c58 2c 所
将时 ,这 多人 并不能 占据 他 应有 的 空间 许 如( 0
2l ,们 的 体 身交在错 地 重着叠 ,.H)他 2 他们 运 的
占的面动 大约积为 0 2 l也 即 平每 米方上 最多站 5 H , . 2
方 并向 不受 能主观 控制 , 能 着随人 流 而行, 谓只 所 的“ 着跟 流走 潮有 ”人 些 甚被架 至空. 如果 们 在 人
,高密度 境下 环 平(方 超过米6~ 每 8人 ) 的 续间 持时 长 过 ,引起生理 问题 , 会肺 的如扩张 和收缩, 吸 将呼 受 到压 、抑 脑 心缺氧 , 至可 能 成造 人伤 员事亡故 .甚 如 果行 人模流型是 实诚的 , 用来 定事决 点 故并或 潜 在 事 的故点 ,必 须 研 究这 种密高 度下 的
人 就
个 , 而且人这 已时经非常 拥挤 , 什 有 多余么 空的
没间让行 人 自运 动由 . 在参文考献 [ 3图 1图2 1]但和 的情 况下 , 显然 每平方 米上 不止 5, 人 由 于挤压, 行 人将 会变形和 压 缩, 情况限下 , 达至到 8 人以 极 甚 上. 微观模多型 都由 没于 考有 虑这 到 一 , 导 点 很才致在 密度 过大时仿真 的 败失.
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第2
期拥 挤人 群中 的挤 压 分析
1
10
群 .这 种象现在我们 的 日 生常 活中 是非 常常 的 见,
特 别是在中国 , 个这 题问 绝对是 能 不回避的 . 种 这高密 度下的 步行系 应统该 步是行 统 系中 一的 个重
一 到定的 阙值, 后才 导 致 了最 前端 障碍 物的 摧
毁,最 最使前端 的人 然突 下倒, 而诱发事故 . 从很 多 微观 模 包型括 社会 模力 型都 能不解释 这 现 象个 .首 先 明要白, 这类 事故是 由 于行 之人间 的
组要成 分 部 . 社力 会模 型的述描如式 ( ) 1和式 () 示 ( 2所 细详内 见 参考 容文献 [ 11] : 1 , 2)
,
相 互 用力 作积的 引发 聚 , 的果模 如没 型考有虑 体
个 之 的间 力受 ,这种 况状下 , 是然 问题 有的 ; 在 显 其次, 我 们 通对过社 会 力 模 型的分 析和 仿真 现发 ,
虽——
_ 7—
m
u
: ( _( + ∑ ( f (: )
() I≠ )
然该
模考型虑 个体了 间的受力 之, 但 是于将 由个 体建 模 刚性 , 为个个体 受 的 力被他 自 己吸收 了, 每 反 映
为其 速 度位 和置 改变 的, 际上 , 密度过 大时, 实 在
+( )+ f —
( +)( ) f f
(
) 1
该 公 实式际上是 于牛基 顿律 定 的,对人 群 中 针每 个体个进 行力 建 学模. 式左边 是m 边 是 右 等a, 个 体所受 的各 种 型典力 , 一项是 驱动 力, 二 项 第
由第于缺 乏 有 的效 移动空间 , 的受体力更多地 反映 个
为互 之 间相的挤压 ,非有 效 的 位移, 压 致 导的 而
挤果 有后 : 先是首 个体 的变 和压形缩 一, 个就 是 力 另的积 聚传递和 .由 于 个 的受力体 能不有 效放 释,将 从 后
往前 传递, 最后 聚积推到 倒前最 方的障 .碍
是 体个 之 间影响的力, 三项 边是界 其 产对生 影的 第 响力
, 项四 是 心等理社 会 影 响 因 素 第 ,后 最一项 是 它可能其 的影响因 /素
m
∑=
, 7
z
3
建 模高 密 度 群人中
的
力现 , 我们 在对 度过密大这 种 理非 状想 下 况人
的一
d
。
群的 运动进 行 分析 ,图 所示 2 如 任意, 抽取 高密 度
—d
人 群 的两个中体 a,运 动目标 一 维 轴 正为 、其
向 ,t 刻位置 的 %为( 时在I .]
从上
述式中 可得出社 力会模型的核心思想 : 行 人
个体的
受力>: 一加 度速n 速度 一 移位 . .厂一
体受个力 的结果是使 位其 移 发生 变化 了,在仿 真 过 的程一每个 时 步长 的间更新 ,中每个 个 位体 置的更新是
其受 的力 矢量和 所 致导的 . 果 意抽任 如
取 会社力仿 真 中 的一个 体个 析,其 受 力 变化 过
程分 ,以看 出 受, 力的 是以 更 新步 长为 单位 离 的可其
散 点
, 次每 更的新中 , 与据其他 个体 、 及 他其 在 根墙
碍障物的位置 关系重 新算计受 力并进 矢行量 加 叠, 驱使 其速 度 和 位移 产 变 化生 , 其后 所有 力受 消然
, 失下 一次 更的 新中, 根新据 与 其 他 响 因素影 在 重 3
运1 分动析 .
图2 挤拥 状态 下 的个 体 动
F运i2 T h niiu mole n d re to ce o d tng. e idd v av me ut ne h wr d d i o
i
的 置关位 来计算系其 力受. 以 , 所有 个所体 的 受
力最后都反 在应 位其 的变 置 上化了 ,力 被 移 位 消即“
果 象如 所有 其微观 他模 那型样 设假, 认 为即 个
体 是性 的 、 能 压缩 刚的 ,么 (在 不 那t +1)时 刻 ,口最
只多能 于 处叭 川 位 置,即 与 正好a紧 接 触 密
了”化没有 将 力传其给 周 围的任何 其他 个 体,, 任何 两 个两之体 间的影响 因 素只是 其对 位相关 置 系,这
在 密度 大不 情 况下的是 有没问题 的 , 在密 超 度过 但
5平 方米 时 , 人 /显然 是 与实际 不 符的 .
( 2
中的虚线圆 形) 正 如但在参 文 献 [考3图 1 图 ,1]
和 2所图示, 高 密度 时 经 出现常 是的 个之体间 的在
相 互挤压 ,( + 1时 刻, 的 位置 在将( 处 , 在t ) … )
我们 对众据 多拥 挤事故的 析表分明 , 密 人 群集 所 建 的立 力甚压 至压 能钢 弯铁栏 或栅 倒砖 推墙,
如在H l 教 n 授e ig b 的 图 2所到 示. 就说 明 , 密 度这 高
其
中的 ( 叭川 一
川 ) 即
为身 压 体缩量 .
变因此 , 在这种
理 非想 况 下状 ,个 的体 受 力致 导
了两 种不 的位 同移
变化 :
下个体 所受 的 能 被 积聚力 来起 、向 传递前, 聚 并 积
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交 运通 输系 统工 程 与信
息
0 207年 4 月
∑
,( + 一 + + ) 一) +一 )1 ( 11 ) )) (
)3
更 重大为. 3 3的传播 力.
其
(中( … 一) ( ) 口 )是理就想状况下 、 个体 的 刚
正
前 面的 分如 析 ,密高度 时, 在 由于空 间 限的 制
, 并体 能 不随意 移动, 个 即 动运往 往 受不 主观控 制, 体的 有效位 移非 常 有 限 ,如 2图 所示 个 即 :(
口)+ 口一 ) 1 (( )
-
性 位 移 也是社会 力, 型描述模 的 力由引起 的刚性位 移 .但 是 ,参考在献 [3文 图i 图 种2分过拥 挤 ] 和1 这
状下 ,态 于每个由体移个动的自 空由间 非 常都限 ,
甚有 ( ( …至)一却 ( )一)
+ )1
0.
0
这 时缩压变 量 (( 1一 , ) f+
如 这果时 受卢 一到外 力,个 ,将 转 为换挤 压变
( 一1 口( 却) () +… .
)
)的影 响就 为更著显, 是能不忽被略的.
形
,:
一
3 2 压挤 分力 析
从 图 .所 示2 ,如果 a前方 是一 处 碍物障 ,一 如 堵 , a的墙有效 位移 为 0 样 同的 :有 ( 则 ,( …)一
( )
1参在考 献文[ 图31 图 中2所 示的 体 人的 1] 和种这变 形 和 缩压 明人说 是体有一定 弹的 性的 ,性 弹 形变 也是受 所致力 , 时体之 间个用 的往 往作是以 挤压力那为主 , 体个的 运 动受制 挤 于压 而. 如式 ( 1 )描述所 的 ,在社 会力 模型 中没 考有虑挤 压 力 因, 此我们 将 会社力模型 修 为改
.
) 一
0
卢而挤的压形 直 变影接 响着 a的挤压 ,
变形
, 即
(+ F F I一) ((I ( I (I () I)一 )I H+ H )
)如本文正 的 析 ,分 形 要 是生产作 用 的力, 变 因 此 , 的 时也会 产生a一 由于个 口的变 形形而成的
,此
、
l m
——
:
∑ 一∑压 ,— , 压 挤 —
挤
压力 卢的,形变 是 于由外力, 作的用 ,而 即
, ( 口+ 口 ) = (1 一) ( ) 争
1)(8
其中
是社
力会 模 型中 述 的各描种 受 力 ,
(。 一 。 )1 () ( )H 1
厂 。
压
k =,压为挤 压力 , i 。 k 为挤压 系 , 为 数 缩 变压量, 是个 中心 体间之的距 离 d的
函数 .
式
() 了明 力 是可 在 以高密 度 群人 传播 的 中 ,说8 传
播 的途径 是挤变形压 .
d