采用聚類(lèi)方法監測高密集度人群聚集區域

菅肖霞 顧海

摘 要：高密度人群聚集區域存在嚴重安全隱患，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(lèi)方法，定義網(wǎng)格、密度、高密度的臨界值等參量，建立人群密度監測模型，標記高于臨界密度值的區域，并發(fā)布警示信號，引導人群避免聚集，合理疏散，實(shí)現大型活動(dòng)場(chǎng)站的安全疏散管理。

關(guān)鍵詞：人群;聚集;聚類(lèi)方法;密度

一、高密度人群聚集現象

高密度人群聚集現象隨處可見(jiàn)。比如，地鐵、火車(chē)站等室內大型場(chǎng)站，是分散在不同城區出行人員的匯集點(diǎn)，會(huì )頻繁出現聚集現象。加之，目前城際交通系統飛速發(fā)展，人員流動(dòng)不斷增加，尤其節假日期間，不同城區、不同城市間的人員流動(dòng)增長(cháng)迅速，成倍地、頻繁地加重地鐵、火車(chē)站等場(chǎng)站的聚集程度。此外，各大中型城市中大量的開(kāi)放性活動(dòng)廣場(chǎng)內有各種各樣大型活動(dòng)，可能是有組織的活動(dòng)，也可能是群眾自發(fā)的大型活動(dòng)，同樣會(huì )有不同程度的人群聚集現象。

國內外大型活動(dòng)中經(jīng)常會(huì )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，行人相繼倒地，在事發(fā)地周?chē)l(fā)恐慌，行人逃離路線(xiàn)混亂，而遠處人群對事發(fā)地的路況信息不明確，繼續向事發(fā)地行進(jìn)，使整個(gè)人群系統進(jìn)入惡性循環(huán)。從聚集程度講，事故區域的密度較高，又沒(méi)有得到及時(shí)疏散，是誘發(fā)倒地踩踏事故的重要原因之一。因此，需要考慮監測高密度人群，防患于未然。

二、應用聚類(lèi)分析方法監測高密度人群聚集區域

隨著(zhù)人群聚集密度不斷升高，需要管理者在密度達到某個(gè)臨界值前，對人群進(jìn)行合理疏散，否則將造成嚴重的人員傷亡。這里我們將采用基于密度的網(wǎng)格聚類(lèi)方法監測高密度人群聚集區域，為安全疏散管理措施的設計與實(shí)施提供必要的理論基礎。

1.基于密度的網(wǎng)格聚類(lèi)

聚類(lèi)分析方法是一類(lèi)典型的數據挖掘方法，根據在數據中發(fā)現的描述對象及其關(guān)系的信息，將數據對象分組;組（簇）內部對象具有公共特性，不同組的對象特性不同。根據簇類(lèi)型的不同，可將聚類(lèi)方法分為不同類(lèi)型，比如，明顯分離、基于原型、基于密度、基于圖聚類(lèi)等。這里我們將預測人群聚集區域的密度，因此，選擇基于密度聚類(lèi)中的網(wǎng)格聚類(lèi)方法[1]。

首先，定義網(wǎng)格與密度，設定密度臨界值。將監控場(chǎng)景全域所在的水平地面作為二維數據分布區域，場(chǎng)景中行人投影到水平地面上作為數據點(diǎn)，將行人的位置點(diǎn)用二維坐標表示，然后利用等間距的二維正方形單元將場(chǎng)景區域網(wǎng)格化，其中網(wǎng)格邊長(cháng)可以根據測試需要調整。由于是均勻網(wǎng)格，在定義人群密度時(shí)只需關(guān)注人數，不考慮面積。因此，每個(gè)網(wǎng)格單元的密度定義為網(wǎng)格中行人的個(gè)數。

其次，高密度網(wǎng)格單元形成聚集區域。計算每個(gè)網(wǎng)格的密度，與臨界值比較，超過(guò)臨界值的、相鄰近的網(wǎng)格構成聚集區域。其中，鄰近的網(wǎng)格可以定義為以一個(gè)網(wǎng)格單元為中心，其水平與垂直方向上的四個(gè)網(wǎng)格單元構成鄰近網(wǎng)格，也可以是水平與垂直方向、對角線(xiàn)方向上的八個(gè)網(wǎng)格單元構成的鄰近網(wǎng)格，這些鄰近高密度網(wǎng)格單元構成高密度人群聚集區域。注意到，不同的鄰近區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域，并不需要完整的簇，因此，此設計是合理可行的。

2.監測高密度人群聚集區域

利用基于密度的網(wǎng)格聚類(lèi)方法是可以得到高密度聚集區域，但是要得到合理而精準地數據，還是要對網(wǎng)格劃分尺度、密度定義、密度臨界值定義、鄰近區域定義加以校準。比如，網(wǎng)格劃分太細，網(wǎng)格單元尺寸太小，可能每個(gè)網(wǎng)格單元最多包含一個(gè)行人或者單元中沒(méi)有行人，也就是說(shuō)密度取值只有0和1，無(wú)法合理預測高密度人群。網(wǎng)格劃分太粗，網(wǎng)格單元尺寸太大，每個(gè)單元容納的人數就較多，人群在網(wǎng)格單元分布的稀疏程度不同，其內部有些局部區域密度可能超過(guò)臨界值，有些局部區域密度較低，總的單元密度可能沒(méi)有達到臨界值，造成局部高密度區域沒(méi)有被發(fā)現的錯誤監測。因此，網(wǎng)格邊長(cháng)的大小將影響高密度區域獲取的準確度，網(wǎng)格劃分的尺度要經(jīng)過(guò)多次計算模擬，并結合實(shí)場(chǎng)景真實(shí)數據校準。同時(shí)，密度臨界值的定義也要考慮經(jīng)驗數據或者實(shí)際管理情況而定。

在合理的確定參數后，行人可視范圍內的明顯位置標記網(wǎng)格位置識別信息，便于發(fā)現高密度聚集區域后，準確定位。根據實(shí)時(shí)人群分布，計算人群密度，分析高密度聚集區域，發(fā)出警示信號，管理者要及時(shí)控制行人流量，對高密度區域周?chē)男腥肆鬟M(jìn)行疏散，并引導高密度區域內部的人群離開(kāi)此區域。

三、結語(yǔ)

考慮到大型活動(dòng)場(chǎng)站或場(chǎng)所基本都有視頻監控系統，管理者通過(guò)視頻實(shí)時(shí)監控人群動(dòng)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(lèi)方法，及時(shí)發(fā)現高密度聚集區域，實(shí)時(shí)發(fā)出警示信號，可以采取現場(chǎng)管理者引導的方式實(shí)時(shí)限流，或者控制中心廣播指引疏散路徑等方式，阻止人群中出現高密度聚集區域?？傊?，行人對于活動(dòng)場(chǎng)站或場(chǎng)所的擁擠度均有一定地認知，因此，只要采取有效的監測方法，設計合理的疏散線(xiàn)路，管理者提供警示信號與引導，可以避免高密度人群擠壓踩踏事故發(fā)生。

參考文獻：

[1] 陳封能、斯坦巴赫、庫瑪爾著(zhù)， 范明、范宏建等譯. 數據挖掘導論：完整版[M]. 北京：人民郵電出版社，2011.