CN111165395B - 一种使用斑马鱼模拟人群流动的实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用斑马鱼模拟人群流动的实验方法，包括选取模拟动物：选取模拟人群流动与疏散的实验动物；建立相似准则：分析所选取实验动物和人体形态特征，确定特征长度和相似比例；搭建实验场景模型：根据相似准则，设计搭建实验设施；确定水层高度：解决模拟动物层叠行动的问题。本发明的有益效果是：斑马鱼从感官、反应、行为等多方面特征与人类颇为类似，在应急疏散模拟中能够更好地反应人类的群体行为规律；基于特征尺寸分析建立的相似准则，使得模型的设计更为合理，更具可比性；利用水生动物生存空间的特点，能够有效克服动物模拟人群疏散中的“层叠”现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种实验方法，具体为一种使用斑马鱼模拟人群流动的实验方法，属于公共安全与应急管理技术领域。
背景技术
随着城市化的快速发展，大规模人群流动和疏散成为公共安全和应急管理的重大问题和研究热点。人群疏散理论建模困难，数值模拟可靠性不确定，实验一直是重要的研究手段，包括组织真实人群的演练实验和动物模拟仿真实验。
传统的疏散实验主要以人为实验对象，在公共安全研究领域广为应用，即“疏散演***时的行走速度、远弱于平时的理智程度，朝向着个人自己想象中的、与真实情况往往有很大偏差的“出口方向”，作较混乱的运动。反观“疏散演习”中的情况，由于人群主观上是知晓此次疏散的真实目的的，便导致人群缺乏真实的危机感与恐慌感，从而导致疏散演习中，人群的心理状况和行为特征跟真实灾难疏散时的状况有着巨大落差。对这一点，专业研究学者也有着清醒的认识，从而对疏散演习的可信度存在不同意见。
因此，人们考虑用更多依赖本能的动物模拟应急状态下的人群行为，比较成功的是使用阿根廷蚁。但这种模拟动物存在一个显著问题，蚁类在密度较大的集群行动中经常发生层叠，也就是可以“踩”在别“人”头上行走，这是蚁群常见行为方式，但不符合人群行动特点，且显著影响疏散结果。事实上，现在使用的模拟动物大都绕不开这个问题，是动物模拟实验的技术瓶颈。
而根据大量生物学科的研究人员所发表的成果，在一般情况下，斑马鱼在游动过程中对绝大部分需要规避的障碍物和需要作出反应的外加刺激的识别方式，都是视觉识别。斑马鱼的惊恐反射、逃避反射等这些在疏散模拟实验中必然会利用到的行为，都是来源于斑马鱼的视觉反应行为，与人类反应和行动的机理相似，且斑马鱼在学习与记忆能力方面也与人类有一定相似。在较短的时间内，如果对斑马鱼连续加以同种刺激，我们发现斑马鱼对该刺激所做出的反应烈度逐次递减。这一点与人类疏散过程中的现象基本吻合：若需令同一个人对持续发出的某种刺激作出相等强度的识别和反应，该刺激的强度必须随时间作类指数增长。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种使用斑马鱼模拟人群流动的实验方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种使用斑马鱼模拟人群流动的实验方法，包括以下步骤：
步骤一、选取模拟动物：选取模拟人群流动与疏散的实验动物；
步骤二、建立相似准则：分析所选取实验动物和人体形态特征，确定特征长度和相似比例；
步骤三、搭建实验场景模型：根据相似准则，设计搭建实验设施；
步骤四、确定水层高度：解决模拟动物层叠行动的问题。
作为本发明进一步的方案：所述步骤一中，所选取的模拟实验动物为斑马鱼，且斑马鱼的身体长度尺寸在2厘米到4厘米之间，正常平行游动时竖直于地面的方向身体高度不超过1厘米。
作为本发明进一步的方案：所述步骤一中，所选取用于模拟实验的斑马鱼在非实验时间中只需要保持适宜的水温即可饲养。
作为本发明进一步的方案：所述步骤二中，建立相似准则包括以下步骤：
(1)、以三维坐标系为基准定义所选取的模拟实验动物斑马鱼，取每条斑马鱼重心为坐标原点，鱼尾至头方向取作x轴正方向，水平面上垂直于x轴方向取作y轴方向，垂直于xy平面向上取作z轴正方向；
(2)、以同样的方式定义人体。以立正站姿为基准，人体重心坐标原点，左肩至右方向取作x轴正方向，背后至胸前取作y轴正方向，由脚部至头部方向取作z轴正方向；
其中，当选用斑马鱼作为实验对象进行模型搭建时，需要利用特征长度将斑马鱼的尺寸和人的尺寸进行统一，斑马鱼的体型参数特征值：x方向4cm，y方向0.5cm，人体的几何参数特征值：x方向50cm，y方向20cm，并且在二维运动，z轴方向上的特征长度不计。
作为本发明进一步的方案：通过所述特征尺寸分析，定义个体运动的影响域：指在二维平面内，斑马鱼或人体绕其水平面内中心z轴进行旋转，鱼身或人体所掠过的平面空间范围；相当于以个体中心为圆心，在水平面内以最大特征尺度为直径所划出的圆形区域，该最大特征尺度称为个体运动影响半径；
其中，在个体运动影响域及影响半径的定义下，可以计算用斑马鱼模拟人体的几何尺度相似比例为4cm/50cm＝0.08。
作为本发明进一步的方案：所述步骤三中，在搭建实验设施时，以长方体鱼缸模拟常见的大规模人群密集场所，并根据相似准则确定实验模型尺寸。
作为本发明进一步的方案：所述步骤四中，在确定水层高度时，将水面控制在1cm。
本发明的有益效果是：该使用斑马鱼模拟人群流动的实验方法设计合理，斑马鱼从感官、反应、行为等多方面特征与人类颇为类似，在应急疏散模拟中能够更好地反应人类的群体行为规律；基于特征尺寸分析建立的相似准则，使得模型的设计更为合理，更具可比性；利用水生动物生存空间的特点，能够有效克服动物模拟人群疏散中的“层叠”现象。
附图说明
图1为本发明流程结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，一种使用斑马鱼模拟人群流动的实验方法，包括以下步骤：
步骤一、选取模拟动物：选取模拟人群流动与疏散的实验动物；
步骤二、建立相似准则：分析所选取实验动物和人体形态特征，确定特征长度和相似比例；
步骤三、搭建实验场景模型：根据相似准则，设计搭建实验设施；
步骤四、确定水层高度：解决模拟动物层叠行动的问题。
进一步的，在本发明实施例中，所述步骤一中，所选取的模拟实验动物为斑马鱼，且斑马鱼的身体长度尺寸在2厘米到4厘米之间，正常平行游动时竖直于地面的方向身体高度不超过1厘米，身体尺寸合适，适合于开展实验室研究，一次使用大量斑马鱼进行实验时所需要的活动面积不会太大，又可以较容易地观察和锁定每一条参与实验的斑马鱼，便于图像的采集记录及后期的数据分析。
进一步的，在本发明实施例中，所述步骤一中，所选取用于模拟实验的斑马鱼在非实验时间中只需要保持适宜的水温即可饲养，从实验准备的角度来看，使用斑马鱼进行模拟实验的实现难度和实现成本都相对较低，斑马鱼相对其他模拟动物更易于获取、更易于维护，且饲养斑马鱼所需要的条件也并不苛刻，也为开展大量工况模拟实验提供了可行条件。
进一步的，在本发明实施例中，所述步骤二中，建立相似准则包括以下步骤：
(1)、以三维坐标系为基准定义所选取的模拟实验动物斑马鱼，取每条斑马鱼重心为坐标原点，鱼尾至头方向取作x轴正方向，水平面上垂直于x轴方向取作y轴方向，垂直于xy平面向上取作z轴正方向；
(2)、以同样的方式定义人体。以立正站姿为基准，人体重心坐标原点，左肩至右方向取作x轴正方向，背后至胸前取作y轴正方向，由脚部至头部方向取作z轴正方向；
其中，当选用斑马鱼作为实验对象进行模型搭建时，需要利用特征长度将斑马鱼的尺寸和人的尺寸进行统一，斑马鱼的体型参数特征值：x方向4cm，y方向0.5cm，人体的几何参数特征值：x方向50cm，y方向20cm，并且在二维运动，z轴方向上的特征长度不计。
进一步的，在本发明实施例中，通过所述特征尺寸分析，定义个体运动的影响域：指在二维平面内，斑马鱼或人体绕其水平面内中心z轴进行旋转，鱼身或人体所掠过的平面空间范围；相当于以个体中心为圆心，在水平面内以最大特征尺度为直径所划出的圆形区域，该最大特征尺度称为个体运动影响半径；
其中，在个体运动影响域及影响半径的定义下，可以计算用斑马鱼模拟人体的几何尺度相似比例为4cm/50cm＝0.08。
进一步的，在本发明实施例中，所述步骤三中，在搭建实验设施时，以长方体鱼缸模拟常见的大规模人群密集场所，并根据相似准则确定实验模型尺寸。
进一步的，在本发明实施例中，所述步骤四中，在确定水层高度时，将水面控制在1cm，有效控制鱼群行动是严格二维，不会出现层叠，这种方法简便有效，同时还能有效降低水面深度引起的折射效果对观测产生的影响，充分利用水生动物的特殊优势，通过限制水面高度克服层叠现象，能够有效解决现有各种小型陆生动物(老鼠、蚂蚁等)模拟人群时难以克服的“层叠”问题。
工作原理：在使用该使用斑马鱼模拟人群流动的实验方法时，选用斑马鱼作为模拟动物，通过分析所选取实验动物斑马鱼和人体形态特征，确定特征长度和相似比例，斑马鱼从感官、反应、行为等多方面特征与人类颇为类似，在应急疏散模拟中能够更好地反应人类的群体行为规律；基于特征尺寸分析建立的相似准则，使得模型的设计更为合理，更具可比性；利用水生动物生存空间的特点，能够有效克服动物模拟人群疏散中的“层叠”现象。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.一种使用斑马鱼模拟人群流动的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、选取模拟动物：选取模拟人群流动与疏散的实验动物；
步骤二、建立相似准则：分析所选取实验动物和人体形态特征，确定特征长度和相似比例；
步骤三、搭建实验场景模型：根据相似准则，设计搭建实验设施；
步骤四、确定水层高度：解决模拟动物层叠行动的问题；
所述步骤二中，建立相似准则包括以下步骤：
(1)、以三维坐标系为基准定义所选取的模拟实验动物斑马鱼，取每条斑马鱼重心为坐标原点，鱼尾至头方向取作x轴正方向，水平面上垂直于x轴方向取作y轴方向，垂直于xy平面向上取作z轴正方向；
(2)、以同样的方式定义人体，以立正站姿为基准，取人体重心为坐标原点，左肩至右方向取作x轴正方向，背后至胸前取作y轴正方向，由脚部至头部方向取作z轴正方向；其中，当选用斑马鱼作为实验对象进行模型搭建时，需要利用特征长度将斑马鱼的尺寸和人的尺寸进行统一，斑马鱼的体型参数特征值：x方向4cm，y方向0.5cm，人体的几何参数特征值：x方向50cm，y方向20cm，并且在二维平面内运动，z轴方向上的特征长度不计；
所述步骤四中，在确定水层高度时，将水面控制在1cm。
2.根据权利要求1所述的一种使用斑马鱼模拟人群流动的实验方法，其特征在于：所述步骤一中，所选取的模拟实验动物为斑马鱼，且斑马鱼的身体长度尺寸在2厘米到4厘米之间，正常平行游动时竖直于地面的方向身体高度不超过1厘米。
3.根据权利要求1所述的一种使用斑马鱼模拟人群流动的实验方法，其特征在于：所述步骤一中，所选取用于模拟实验的斑马鱼在非实验时间中只需要保持适宜的水温即可饲养。
4.根据权利要求1所述的一种使用斑马鱼模拟人群流动的实验方法，其特征在于：通过所述特征长度分析，定义个体运动的影响域：指在二维平面内，斑马鱼或人体绕其水平面内中心z轴进行旋转，鱼身或人体所掠过的平面空间范围；相当于以个体中心为圆心，在水平面内以最大特征尺度为直径所划出的圆形区域，该最大特征尺度称为个体运动影响半径；其中，在个体运动影响域及影响半径的定义下，可以计算用斑马鱼模拟人体的几何尺寸相似比例为4cm/50cm＝0.08。
5.根据权利要求1所述的一种使用斑马鱼模拟人群流动的实验方法，其特征在于：所述步骤三中，在搭建实验设施时，以长方体鱼缸模拟常见的大规模人群密集场所，并根据相似准则确定实验模型尺寸。
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