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预防踩踏不那么简单
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预防踩踏不那么简单
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2015年元旦前夜上海的踩踏事故引起了广泛的关注。元旦那天本来有一篇关于踩踏分析的文章需要提交修改稿，但我起来就发现新闻在报道这件事情，于是开始跟踪、检索事件相关信息。大概10点的样子，我开始联系其他的同行、师兄弟妹们，我发现大家都在关注这件事。大家当时可能都有些震撼。我们平时从事理论研究居多，发生了这样的惨剧可能促使我们反思自己的研究工作，于是大家共享了一些信息，正好里面涉及了评审专家对我们的论文提出的几个问题，于是我开始重新思考并进一步修改我们的论文，增加了大规模人群管控的讨论。之后我们又反复修改、定稿，然后投出论文，这时已经到了3号晚上。
我本来打算写点东西，但经过元旦假期的发酵，网上针对这一事件的各种论述也基本上都出来了，我的师姐和师弟也都发表了自己的见解，自己就懒得动手了。这几天各种报道看多了，感觉还是有必要回过头总结一下，毕竟大规模人群流动的管控并不是有些报道宣称的那么简单的，其中有些科学问题需要进一步提炼并深入研究的。
从新闻报道里我们发现上海的这次踩踏事件和2010年德国“爱的大游行”电子音乐节踩踏事件是类似的。简单来说，上海的事故发生是因为上楼梯和下楼梯的人群形成相向流（图1），产生了拥塞，人群密度过高从而导致踩踏。德国的电子音乐节也类似。2010年的电子音乐节游行场地是一个废弃的火车货运站，想入场的人和出场的游客形成相向流（图2），从而产生了拥塞，导致了踩踏。
图1 上海踩踏事件中的相向流
图2 德国爱的大游行人员流动路径
我们获取了德国这次活动开始到发生踩踏时止的所有监控录像。在发生踩踏的前一刻，人群流动的流场变得非常特殊，从图3中可以看出，流场中出现了涡结构。
图3 人群流场的涡结构【1】
这张图表明了一种状态，身不由己。实际上，只要春运挤过火车的人基本上都遇到过这样的情形，在人群里，只能别人挤着你向哪走你就向哪走。涡结构的出现是踩踏的前兆，在这样的人群中，一旦跌倒了，想爬也爬不起来，只能抱头、膝盖抵住胸部祈求幸免遇难。这种特殊的流动状态给我们提供了一种自动预警的可能。我们可以利用视频捕捉大规模人群流动的场景，分析哪些个体的运动是相近的，从而将人群划分为不同的团簇（图4），根据团簇个数以及速度大小的变化判断人群中是否发生了突发的事件（图5）。
图4 人群中团簇的识别【2】
图5 人群流动异常的监测【2】
当然，有些意见说，干嘛搞那么复杂，上海和德国的事件都是相向流引起的踩踏，那么规范人的流动方向，只允许单向流不就行了么。确实，很多场合发生的踩踏都是相向流引发的问题，包括北京密云的元宵节灯盏踩踏。很多时候我们采取的控制方法也就是只允许人员单向流。这一点我感觉杭州做的很好，以往每次过年的灯展，我们会发现不论展地的大小，只要到了晚上人多的时候就有很多保安把守，只允许单向通行。那么单向通行是否意味着安全呢？Helbing等人对麦加朝圣做了分析【3】：当人员密度比较小的时候，人员的正常流动看起来就像流体的层流（图6）。当人员密度增大了，人员的流动状态也发生相应的变化，流动就变成时断时续的间歇流，也称为走走停停波（图7）。
图6 正常的行人流场景【4】
图7 人群的间歇流【3】
这种流动实际上非常常见，没挤过春运火车的人想必一定做过飞机，登机的时候大家都排着队，你想想你是怎么往前走的？就是走走停停。单列行人的走走停停实际上并没啥危险性，但是在人群充满了二维空间之后，这种流动是非常危险的。人在高密度条件下的速度出现突变就容易跌倒，刚才我已经说了，倒了你就别想再站起来了。
密度再往上增加，人群就出现了第三种流动状态，湍流（图8）。
图8 人群的湍流运动【3】
湍流的一个明显特征就是涡结构。可见，即便是单向的人员流动，也可能引发踩踏的事故。那么，为什么会出现这种特殊的运动状态呢？虽然湍流的运动和流体出现湍流现象很类似，但是两者还是不同的。因为人和人之间是存在接触与流体分子之间相互作用的区别还是很明显的。有两个例子，第一，我们在给自行车打气的时候，车胎里各个方向上的压强是相等的；第二，老家在农村的应该都见过储存粮食的粮仓吧，当粮食堆积的高度约大于两部的地面直径之后，粮仓底面的压强不随粮食的增加而增加，这就是粮仓效应。可见流体介质和颗粒物的湍流还是有很大不同的。
图9 粮仓效应【5】
出现这种情况的原因在于，颗粒和颗粒的接触形成了力传播的链条，垂向的重力被分解到水平方向上。在密集的人群中，力链的存在引起的力的传递和累积应该是出现窒息死亡的根本原因（图10）。
图10 单出口房间疏散人群中的作用力【6】
力链的形成方式和人群的构成是有关的，所以实际的力链可能比我们计算的要复杂的多。我们简单考虑这个过程中力的释放，假设每个人都希望摆脱和其他人的接触，从而对别人施加一个力，那么作用在一个人身上的力过大之后这个人就会移动（图11）。
图11 一个简化的踩踏模型【1】
我们看一下一群人中释放的力的大小的分布可以发现，如图12所示，如果所有人都静止不动，不去推别人，那么就算再拥挤也根本不会发生踩踏。当每个人都以很小的力推别人的时候，就有可能产生比较大型的力的释放——踩踏。推力越大，发生大型踩踏的概率也就越高。
图12 推力v作用下踩踏规模的分布【1】
此外，力沿力链的传递也受到环境的影响，比如在坡面上，力的方向性较为均一，累积起来就会比较大，这就是为什么坡面上踩踏更容易发生的原因。我国前几年接连出现的中小学楼梯间的踩踏，德国2010年的踩踏，这次上海的踩踏，这些事故都反映出了在拥挤人群中，坡面行人流控制的重要性。
既然单向行人流中也能发生踩踏的事件，那么大家可能会想，干脆控制场地里的人员密度不就很省事了么？这确实又是工程中常用的一个方法。比如，麦加朝圣的人太多了，举行投石驱魔的贾玛拉桥也受不了那么多人，所以当地政府想了一招，把单层的桥面拉成5层，每一层上都可以通行。单看新桥（图13）其中一个桥面，人员的密度一下降低了80%.
图13 新建的贾玛拉桥【4】
但是需要注意的是，在类似上海踩踏的活动中，简单的考虑控制密度是一个危险的举动。2010年德国的踩踏发生的直接诱因我个人认为就是活动主办方发现场内的人员太多，要求警察封闭场地入口以控制场内人员密度。这里，需要特别注意的是，封闭了入口并不等于没有了交通的需求，后续依然有很多人正在源源不断的向游行场地行进，只不过他们发现进不去了就都聚集在一起，人员的密度越来越大，这些交通需求在网络上的通行时间越来越长（图14）。当警察开始放行后，相向流动的人群马上就进入了拥塞的状态。所以上海这次虽然没有在外滩举办跨年的灯光秀，但是人们习惯系的交通需求并没有改变。巨大的交通需求遇到了没有关闭的地铁，缺乏管控的集聚，事件就在众多巧合之后发生了。
图14 网络走行时间与剩余通行量的关系【7】
那么，科学是否在踩踏事件里就没有用武之地呢？我认为，恰恰相反。上海和北京上下班高峰拥挤的地铁站里没有出现踩踏并能代表这些环境下的人是安全的，商场促销活动时人挤人的场面没有出现踩踏也不能证明这些拥挤人群不需要科学的管控。在过去的近15年里，行人交通和疏散动力学有了长足的发展，一些研究的结果也在被用于与建筑和设施的设计中。还拿春运挤火车为例，以前我们拖着大包小包检票的时候经常出现特殊的现象，死锁（如图15），现在，新的高铁站一般都在检票的地方设置几个柱子，过检票口变得顺利多了。
图15 出口的死锁【8】
当然，这次事件之后，我们也看到一些新兴的技术正被尝试用于提供预警（图16）、本领域的研究人员开始关注事件背后的科学问题、相关的学者开始对大众科普面对踩踏怎样提高安全性，这是一个好的趋势。希望我们可以从简单建立流量控制制度，仅靠人力保安全就可以预防踩踏的认识误区走出来，不心存侥幸，仔细思考一下大规模人群的安全性问题，为提高人群管控的科学性做一点努力。
图16 外滩跨年人群分布热力图【9】
参考文献
【1】J. Ma, W.G. Song, S.M. Lo and Z.M. Fang, New Insights intoTurbulent Pedestrian Movement Pattern in Crowd-Quakes, Journal of StatisticalMechanics: Theory and Experiment, 2013, P02028.
【2】Ma Jian and Song Weiguo, Automaticclustering method of abnormal crowd flow pattern detection, ProcediaEngineering, 2013, 62:509-518. (Excellentpaper award)
【3】D. Helbing, A. Johansson, and H. Z.Al-Abideen, The dynamics of crowd disasters: An empirical study. PhysicalReview E, 2007, 75:046109.
【4】http://www.trafficforum.org/crowdturbulence
【5】Vanel, L., et al., Stresses inSilos: Comparison Between Theoretical Models and New Experiments. PhysicalReview Letters, 2000. 84(7): p. 1439-1442.
【6】Lin Peng, Ma Jian, SM Lo, to bepublished.
【7】Ma Jian, Xu Sumei, Fan Wenbo, SongWeiguo, to be published.
【8】美剧，生活大爆炸，捉蛐蛐那一集
【9】中国青年报，大数据还原外滩跨年夜,零点人流量峰值惊人. http://view.inews.qq.com/a/20150103A0005900
截至9号看过的新闻、科普、论述
【1】国家旅游局副局长谈外滩事故
http://news.sina.cn/gn/2015-01-06/detail-iavxeafr9671003.d.html?cre=sinaw&mod=g&loc=9&r=u&rfunc=4&from=timeline&isappinstalled=1
（个人认为如果所有专职的官员能这样写出自己的思考，何愁管理水平不提高？）
【2】血的教训呼唤着理性思维和科学管理
http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=330732&do=blog&id=856533
【3】“后退哥”吴登民：后退的声音是一笔财富
http://tc.uc.cn/?v=1&src=l4uLj8XQ0IiIiNGcjZaMlozOzsbRkI2Y0MCenIuWkJHSiZaaiJGaiIzSlouakpab0sbJyM3K&restype=1&ucshare=1&ucshareplatform=7&country=cn&os=adr&pf=jdaEnfXr%2BcSL152d7OPsuw%3D%3D&from=timeline&isappinstalled=1
【4】发生踩踏时这些知识能救命！
http://tc.uc.cn/?v=1&src=l4uLj8XQ0JLRhp6RmIuMmtGckJLQnJCRi5qRi9DLz8rIzszRl4uSkw%3D%3D&restype=1&ucshare=1&ucshareplatform=7&country=cn&os=adr&pf=jdaEnfXr%2BcSL152d7OPsuw%3D%3D&from=timeline&isappinstalled=1
【5】如何在踩踏事故中幸存：随人流同步前行
http://tc.uc.cn/?v=1&src=l4uLj8XQ0Jyb0ZOano2Rnoucl5aRntGckJLQzc%2FOys%2FOz83HyM7I0peQiNKLkNKMio2Jloma0paR0p7SjIueko%2Bam5rSjIaRnJeNkJGWhZqb0oiWi5fSi5ea0pmTkIjSnZqZkI2a0ouXmtKTlpGa0ZeLkpM%3D&restype=1&ucshare=1&ucshareplatform=7&country=cn&os=adr&pf=jdaEnfXr%2BcSL152d7OPsuw%3D%3D&from=timeline&isappinstalled=1
【6】十问上海外滩踩踏事故
http://sinanews.sina.cn/sharenews.shtml?id=awzunex8606133-comos-news-cms&fromsinago=1&wm=3200_0006&from=timeline&isappinstalled=0
【7】踩踏事故一览：最惨死亡1426人
http://web.toutiao.com/a3774850738/?tt_from=weixin_moments&iid=2505539094&app=news_article&from=timeline&isappinstalled=0
【8】历史 | 1993年香港兰桂坊跨年惨剧之后，香港政府是怎么做的
http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3NDY5ODkxOQ==&mid=202437394&idx=1&sn=e2383cd645864f1e70eacefb379e3650&scene=2&from=timeline&isappinstalled=0#rd
【9】说说人群安全研究的艰巨性
http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=302992&do=blog&id=856073
【10】广东爆炸和上海踩踏到底是哪一处环节出错？
http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5OTMxMTUzMw==&mid=215798025&idx=3&sn=5583f9cced67e13473b29376944282da&scene=2&from=timeline&isappinstalled=0#rd
【11】上海外滩踩踏——对潜在风险识别不足致应急无力
http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5OTMxMTUzMw==&mid=215798025&idx=2&sn=438391b9e531a4fbae24b5ffb7910160&scene=2&from=timeline&isappinstalled=0#rd
【12】踩踏现象和逃生方法的流体力学分析
http://blog.sciencenet.cn/blog-1246847-855765.html?from=timeline&isappinstalled=0
【13】透过上海外滩踩踏事件谈人流密集场所人流管控的重要性
http://user.qzone.qq.com/31822206/blog/1420090916
【14】http://user.qzone.qq.com/19257623
【15】上海踩踏不是意外突发事件
http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NTIyMzE1Ng==&mid=202786652&idx=1&sn=997a7bc60d5c059950e3e79d284fc066&scene=2&from=timeline&isappinstalled=0#rd
【16】科技能够帮助我们避免踩踏吗?
【17】国家旅游局：游客达80%最大承载量景区应停售门票
（以旅游局开始，以刚看到旅游局的新闻结尾吧，请问可行性如何？）
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