隨著與人群相關(guān)的事件規(guī)模和頻率的逐漸增加[1]，[2]，理解緊急情況下的人類行為已成為公共安全和城市管理中的關(guān)鍵問題[3]。個(gè)體的決策和移動(dòng)在人群疏散中起著核心作用[4]，[5]，共同決定了疏散的效率和安全性結(jié)果。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的迅速發(fā)展，計(jì)算建模在模擬復(fù)雜的人群動(dòng)態(tài)和評(píng)估各種情景下的疏散策略方面引起了極大的興趣[6]，[7]。這些從數(shù)值模擬中得出的見解不僅有助于分析和預(yù)測(cè)人類行為，還有助于設(shè)計(jì)可能挽救更多生命的安全措施[8]，[9]。

人群中最典型的一種行為是群體行為[10]，即人們依靠他人的決策作為額外信息來源來改進(jìn)自己的決策，并模仿鄰居的行為[11]。這種現(xiàn)象通常發(fā)生在決策環(huán)境中存在一定程度的不確定性時(shí)[12]，例如在緊急疏散時(shí)選擇方向（或出口）。在這種情況下，如果伴隨著時(shí)間壓力或視線受限，逃逸恐慌會(huì)加劇，從而進(jìn)一步放大跟隨他人的傾向[13]。目前關(guān)于緊急疏散中群體行為的進(jìn)展可以根據(jù)研究方法分為兩個(gè)方面。在控制實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)確認(rèn)內(nèi)部個(gè)體因素（例如性格特征[14]和出口熟悉度[15]）和外部環(huán)境因素（例如煙霧水平[16]、方向標(biāo)志[17]和人群密度[18]）會(huì)影響群體行為和疏散決策。一項(xiàng)虛擬實(shí)驗(yàn)表明，如果一個(gè)人看到更多人離開，他更有可能離開[19]，而另一項(xiàng)人群實(shí)驗(yàn)得出了相反的結(jié)論，即人類并不傾向于模仿大多數(shù)人的方向選擇[20]。雖然實(shí)驗(yàn)研究可以定性地揭示群體行為的規(guī)律或模式，但計(jì)算建模已成為對(duì)其潛在機(jī)制進(jìn)行更深入定量理解的另一種關(guān)鍵手段。最近，研究人員提出了基于隨機(jī)效用的離散選擇模型[21]，[22]、基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的效用閾值模型[23]以及決策的參數(shù)模型[11]，以探索群體行為對(duì)出口選擇和人群疏散的影響。最著名和最常用的是社會(huì)力量模型[24]，這項(xiàng)開創(chuàng)性工作利用恐慌參數(shù)來再現(xiàn)群體行為，其中個(gè)體可以選擇個(gè)人方向或跟隨鄰居的平均方向，或者嘗試兩者的混合。然而，一個(gè)關(guān)鍵問題仍然存在：決定個(gè)體與哪些鄰居互動(dòng)的規(guī)則是什么？在Helbing等人的工作[24]以及許多后續(xù)擴(kuò)展[25]，[26]，[27]中，互動(dòng)鄰域默認(rèn)是通過度量假設(shè)來定義的，而沒有明確考慮其他鄰域定義的后果。據(jù)我們所知，之前沒有研究在統(tǒng)一的集體人類運(yùn)動(dòng)模型中系統(tǒng)地比較不同的互動(dòng)假設(shè)，也沒有研究它們對(duì)疏散過程中人群行為的影響。

關(guān)于集體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型的現(xiàn)有研究通常將互動(dòng)鄰域分為三類：度量鄰域、拓?fù)溧徲蚝鸵曈X鄰域[28]。度量鄰域假設(shè)固定半徑范圍內(nèi)的所有個(gè)體都是潛在的鄰居，且互動(dòng)強(qiáng)度通常隨度量距離的增加而減弱。這一假設(shè)在動(dòng)物群體和人類人群的集體運(yùn)動(dòng)研究中得到了廣泛驗(yàn)證[29]，[30]，[31]。相比之下，拓?fù)溧徲虿皇歉鶕?jù)絕對(duì)物理距離來定義鄰居，而是根據(jù)相對(duì)距離的排名順序（即固定數(shù)量的最近鄰居），鄰居的影響隨排序等級(jí)的降低而減少。這一概念在鳥類群體[32]，[33]的控制實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)。然而，這兩種假設(shè)都忽略了感官信息，因?yàn)樗鼈円蕾囉谔囟ǖ囊?guī)則，這限制了它們準(zhǔn)確捕捉個(gè)體可用社會(huì)線索的能力[35]。最近提出了視覺鄰域，強(qiáng)調(diào)互動(dòng)受到視野范圍和視覺遮擋的限制。這一定義與現(xiàn)實(shí)中的認(rèn)知過程非常吻合，即鄰居主要取決于個(gè)體所看到的內(nèi)容，而不僅僅是距離或排名[36]。視覺鄰域已被證明在解釋魚群和人類人群的集體運(yùn)動(dòng)方面優(yōu)于度量鄰域和拓?fù)溧徲騕37]，[38]。盡管取得了這些進(jìn)展，但對(duì)這些互動(dòng)鄰域的比較主要是在正常條件下的動(dòng)物群體和控制人類實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行的，而在恐慌疏散情景下的明確和系統(tǒng)比較仍然有限。緊急疏散涉及更高的不確定性、時(shí)間壓力和空間限制，在這些條件下，在非恐慌情況下驗(yàn)證的互動(dòng)規(guī)則可能會(huì)產(chǎn)生不同的集體反應(yīng)。特別是，不同的互動(dòng)鄰域如何在不同的恐慌程度、密度水平和鄰域規(guī)模下塑造有效的耦合結(jié)構(gòu)、集體逃生模式和疏散性能，尚未得到充分探索。因此，解決這一研究問題對(duì)于闡明互動(dòng)假設(shè)在恐慌逃生中的作用以及提高我們對(duì)緊急情況下人群行為的理解至關(guān)重要。

在這項(xiàng)工作中，我們采用了基于社會(huì)力量的疏散恐慌模型，并通過結(jié)合不同的互動(dòng)鄰域定義來系統(tǒng)地?cái)U(kuò)展它，以研究緊急疏散過程中的人群行為。具體來說，考慮了三種典型的互動(dòng)網(wǎng)絡(luò)：由固定距離范圍確定的度量網(wǎng)絡(luò)、由最近鄰居數(shù)量定義的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，以及由視野中占據(jù)的角度面積特征的視覺網(wǎng)絡(luò)。基于這一框架，系統(tǒng)地進(jìn)行了一系列數(shù)值模擬：首先，我們從定性和定量上分析了恐慌疏散中的人群行為，發(fā)現(xiàn)鄰域假設(shè)可能對(duì)個(gè)體決策和集體結(jié)果有不同的影響程度。然后，我們采用了平均鄰居比例、出口使用的絕對(duì)差異以及90%的人的離開時(shí)間來研究互動(dòng)鄰域?qū)�恐慌疏散的影響。最后，我們考察了在不同疏散條件（恐慌程度、密度水平和鄰域規(guī)模）下的離開時(shí)間，并總結(jié)了高效疏散的決策理性的最佳狀態(tài)。這些結(jié)果旨在提供恐慌疏散中互動(dòng)鄰域的方法論比較，并闡明不同鄰域定義如何影響疏散預(yù)測(cè)的數(shù)值敏感性。

本文的其余部分組織如下。第2節(jié)描述了具有不同鄰域定義的數(shù)學(xué)模型。第3節(jié)進(jìn)行數(shù)值模擬，以分析互動(dòng)鄰域如何影響恐慌疏散中的人群行為。最后，第4節(jié)提出了相關(guān)結(jié)論和討論。