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1、行人交通模型与微观仿真 学术研究行人交通模型与微观仿真 胡明伟深圳大学土木工程学院交通工程系,深圳 518060摘 要:行人交通是一种重要的交通方式,也是个人出行活动必不可少的行为。从描述行人运动行 为的尺度和精细程度出发,将行人交通仿真模型划分为宏观模型、中观模型和微观模型3 类,并分析其原理和特点。在对现有行人微观仿真软件调研的基础上,提出Legion、STEPS、SimWalk、AnyLogic是适用于正常情况和疏散情况的软件,研究了如何具体运用 上述软件实现模型建立,探讨了建筑空间平面创建、数据输入、参数标定、输出数据的分 析处理等关键步骤和流程。研究表明,充分利用已有软件可实现快速有
2、效的行人交通仿真 建模。 关键词:行人交通仿真;微观仿真;元胞自动机模型;社会力模型0 引言行人交通是出行活动中必不可少的组成部分,也是短距离出行的主要方式。随着社会经济的发展进步,人们不再满足单纯的交通可达,而是进一步强调出行活动起讫点之间全过程的舒适性和安全性。行人交通设施的不足往往成为影响交通系统效率和安全的瓶颈,关于其设计和运营管理的研究还比较缺乏。此外,有关行人交通研究的应用正在延伸到建筑设计、城市规划和设计等许多领域,如大型公共建筑(体育赛场馆、机场、火车站、地铁车站等)步行空间的设计、人群高密度聚集场所的紧急疏散预案制定和评估等。国际行人及疏散动态学大会(Conference o
3、n Pedestrianand Evacuation Dynamics)从2001年起至2008年已经举办4届,表明行人交通的研究日益得到关注。行人交通研究的方法可分为解析方法、实验方法和仿真方法3类。由于行人运动行为复杂,影响因素众多,解析方法和实验方法都有一定的局限性。仿真方法融合了解析方法和实验方法的优势,在采集行人运动行为特性数据的基础上,建立行人运动的模型,通过离散事件或连续事件仿真来直观地刻画行人交通。相比单纯的解析方法和实验方法,仿真更适宜描述大规模、复杂的行人交通,并且能够进行重复性的、现实中难以开展的实验(如发生紧急情况) ,非常适合与行人交通有关的设计以及运营方案的评估和检
4、验。本文回顾行人交通仿真的发展概况,探讨和比较宏观模型、中观模型、微观模型的原理和算法,重点选择了Legion、STEPS、SimWalk和AnyLogic四种适用于正常模式和疏散模式的微观仿真软件,研究了如何利用上述软件进行快速建模,并比较分析了其技术性能。1 行人交通研究概况国内外对行人交通的早期研究主要通过现场观测,收稿日期: 200924210基金项目:国家自然科学基金资助(50878132) ;住房和城乡建设部2008年科学技术项目计划资助(20082K922)作者简介:胡明伟(1972),男,湖南衡阳人,副教授,主要研究方向:交通仿真。E2mail:humw20051261com9
5、1道路交通与安全 第9卷第3期2009年6月计算行人交通设施的通行能力和服务水平,为设计和规划提供依据。Fruin给出了由统计得出的人群平均行进速度与人群密度的关系曲线,并且将道路交通理论中 “ 服务水平 ”的概念引入人群运动的研究中。美国道路通行能力手册2000版(Highway CapacityManual2000, HCM2000)将行人占用空间和行人流量作为服务水平的衡量指标,给出了行进行人和排队等待行人的服务水平标准。在应用层面,我国 城市道路设计规范 1给出了人行道、人行横道、人行天桥、人行地道的可能通行能力和设计通行能力折减系数。 城市道路交通规划设计规范 2规定城市中规划步行交
6、通系统应以步行人流的流量和流向为基本依据,人行道宽度应按人行带的倍数计算,给出了人行道宽度和最大通行能力。 地铁设计规范 3规定了地铁车站行人流通行区的通过能力,如1m宽楼梯、自动售票机、自动检票机等的最大通过能力,规定了站台层紧急疏散的标准和计算方法。上述研究和应用对行人交通设施的规划和设计起到了有益的指导,但作为植根于流体力学模型宏观层面的研究,采用的评价指标多为流量、密度和速度,难以描述实际观测到的行人复杂交通行为,也难以直观和定量揭示局部和细节的信息。从20世纪90年代开始,计算机技术的迅速发展为从微观层面上描述行人交通提供了强有力的支撑,出现了元胞自动机模型(Cellular Aut
7、omata Model)、社会力模型( Social ForceModel)等微观模型。在微观仿真中,每位行人被当作独立个体进行描述和计算,不仅能从宏观和整体上把握行人交通流,而且能从局部和细节上刻画行人交通的复杂行为,已被成功用于交通枢纽和地铁车站的乘客集散分析、体育比赛或集会活动的人群疏散研究等。2 行人交通模型行人交通仿真的困难主要体现在行人运动随意性大、步行行为复杂、影响因素复杂等诸多方面。由于行人与机动车的运动规律不同,常见的微观交通仿真软件如Corsim、Paramics、Transmodeler都难以模拟行人交通。行人交通仿真模型分为3类:第1类为宏观模型,把行人模拟为连续流动介
8、质;第2类为中观模型,介于微观和宏观之间;第3类为微观模型,将行人视为具有一定行为的个体,属于当前的主流模型。211 宏观模型宏观模型将拥挤的人流近似为气体或流体,将流体力学的理论和方法应用于行人流的建模仿真。这种建模有合理之处,但无法考虑个体行人间的相互作用和差异,对行人运动的模拟比较粗糙,行人交通系统的非线性也限制了该方法的适用范围,如今已不是主流模型。212 中观模型中观模型以格子气模型为代表,融合了宏观模型和微观模型,将平面划分为小格子或三角形,行人位于交点处,其运动方向为前、左、右3个方向,依照这3个方向的确定值来决定下一步运动方向。格子气模型从个体行人的角度建模,大多不考虑行人间的
9、相互作用,较微观模型略显粗糙。213 微观模型微观模型包括元胞自动机模型、社会力模型、磁力模型、移动效益模型、排队论模型等,以前2种模型应用最多,近年还出现了一些组合模型,如组合格子气和社会力模型。下面讨论几种微观模型的建模原理和方法。21311 元胞自动机模型作为离散微观仿真模型,元胞自动机模型将行人行走的地面区域划分为单元格阵列,每个单元格可以被行人、建筑物占据,也可以为空,单元格尺寸按照行人身体的垂直投影面积确定,取值常在014m014m0146m0146m。每个单元格在每时间步最多只允许一个行人占有,行人运动方向可为前、后、左、右4个方向,也有的模型设定了前、后、左、右、左前、右前、左
10、后、右后8个方向。行人个体按照当前所处的单元格,加上相邻8格共9个单元格的状态和目标点,从中选择1个单元格作为下一时间步所处的位置。02行人交通模型与微观仿真 学术研究基本算法是行人依据概率模型计算下一时间步所有单元格(i,j)的进入概率Pij,若(i,j)为建筑物或其他人占据则Pij=0,否则,Pij0。不同行人元胞自动机模型的差别主要体现在概率的算法不同。元胞自动机模型能够模拟复杂的行人流现象,如自组织和混沌现象,但也存在行为规则过于简单、人员速度单一、移动方向受限制、不能十分精确反应人员运动状况等缺点。21312 社会力模型Helbing等4提出的社会力模型是连续型微观仿真模型,认为行人
11、共受到3种作用力的影响:(1)驱动力,主观意识对个体行为的影响可化为个体所受自己施加的 “ 社会力 ”,体现了行人以渴望的速度移动到目的地的动机;(2)人与人之间的作用力,指试图与其他行人保持一定距离所施加的 “ 力 ”; (3)人与边界之间的作用力,边界和障碍对人的影响类似于人与人之间的作用。模型用如下方程组表示。dr dt=( t)(1)d dt=f( t)+( t)(2)f( t)=f0()+fB( r)+ ( )f ( r,r,)+ifi( r, ri, t)(3)其中,式1代表运动学方程,r为行人 的空间位置向量,(t)为行人 的速度;式2代表行人加减速和方向变化的方程,f( t)为
12、社会力,( t)为反映随机行为偏差的扰动项;式3代表社会力方程,f0()为加速力,fB( r)为人与边界之间的作用力,f( r,r,v)为行人 与其他行人 间的作用力,fi( r,ri,t)为吸引效果。社会力模型能够成功再现行人交通中的很多现象,如自组织现象,且模型中的变量所代表的物理意义是可以计算的,但其计算量很大,对于避免碰撞的描述还不是很成熟。21313 磁力模型磁力模型中行人和障碍物被赋予正极,而行人的目的地被赋予负极。按照 “ 同性相斥、异性吸引 ”,行人在引力作用下往目的地运动,并因斥力避让其他的行人和障碍物。此模型由作用力模型和加速度模型组成,作用力模型描述行人和磁极间的引力或斥
13、力。F =kq1q2r3r(4)其中,F 表示行人所受的磁力向量;k为常数;q1表示行人的磁强度;q2表示的磁极的磁强度;r为行人和磁极间的距离;r为连接行人和磁极的向量。加速度模型描述行人走行路线冲突时,通过加速度向量改变其运动方向,以避免与他人碰撞。a=VAcostan(5)其中,VA为行人A当前速度,为行人A原运动方向与行人A、B间连线的夹角,为行人A改变后的运动方向与行人A、B间连线的夹角。磁力模型比较简单且容易理解,不足之处在于模型中参数的设定缺乏相应的标准且难以验证。3 行人交通微观仿真行人交通仿真商业软件是快速建模的有效工具,如Legion、Steps、AnyLogic、SimW
14、alk、Nomad、SimPed、Pedroute/Paxport、Simulex、Micro2PedSim、Exodus、EvacSim、Evacnet等,但大多数仅限于模拟人群疏散。本文选择能模拟正常人流和疏散人流的微观仿真软件,主要有Legion、Steps、AnyLogic和Sim2Walk(德国PTV公司推出的Vissim行人仿真模块也具备类似功能) ,研究如何利用这些软件实现行人交通微观仿真。311 Legion软件Legion5的早期版本由G1K1Still开发,采用了元胞自动机模型,后来由英国的Legion公司研发。Le2gion由Model Builder、Simulator
15、和Analyser三个模块组成,能够一步一步地仿真行人步行运动,并考虑了行人相互间的作用和与周围环境中障碍物之间的作用。每位行人被模拟成一个二维实体(Entity) ,通过寻找具有最小化可感知的目标费用函数的下一步,使每个实体朝目的地移动,该费用为3部分的加权平12道路交通与安全 第9卷第3期2009年6月均,即不便性( Inconvenience)、挫折(Frustration)和不舒适性(Discomfort)。实体试图最小化可感知的组合费用,能自行学习并调整不便性、挫折和不舒适性的权重,以适应周围环境(允许空间、几何形状、密度、他人的速度)。实体能够区分同方向移动的行人和交叉流动的行人,
16、能与相邻的实体通信。实体的参数随着行人的类别(通勤者、旅游者等)、地域(欧洲、中国等)和地点(室内、室外、人行道、扶梯等)不同,需要依据当地情况进行设置和标定,包括实体的物理半径、喜好的自由速度、行人的横向摆动位移、行人空间要素、服务水平标准等。Legion输出人流密度、步行时间、疏散时间、步行速度、排队长度等数据,也可输出行人活动区域内的人流密度分布和最大密度的持续时间分布、空间利用率等直观图形,支持图形、数据、图表的输出。如将仿真中的行人位置数据保存为XML文件,可被车辆微观仿真软件Aimsun读取,实现行人和车辆的混合仿真。312 STEPS软件STEPS( Simulation of Transient Evacuation and Pe2destrian movementS)6由英国的
