（交通运输规划与管理专业论文）地铁枢纽站微观客流集散模型及仿真.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着世界经济的持续发展，城市拥挤状况臼益加剧，人们对城市交通系统 的要求不断提高。轨道交通系统，作为城市交通系统中的重要组成部分，在城市 公共交通服务方面正扮演着愈来愈重要的角色。然而目前的轨道交通系统，由于 客流在不同时空范围内具有很强的聚集效应，特别是在客流高峰期内，大量的客 流阻塞和迟滞产生，导致了系统负荷迅速激增，系统服务质量水平急剧下降，旅 客出行费用不断高涨，因此，需要深入研究客流在轨道交通系统内的集散规律， 以达到不断加强系统能力，努力提高系统运营服务水平，加快客流的疏散的目的。 论文正是以此出发点，以客流集散仿真理论和方法为基础，建立了轨道交通客流 集散仿真模型，并构建了相应的仿真软件系统，以实现评估当前轨道交通系统在 不同客流集散条件下的适应性，寻找服务瓶颈，以及为轨道交通系统改建和新建 提供预评估方案的功能。具体研究内容如下： ( 1 ) 结合我国实际情况建立了地铁枢纽站微观客流集散模型，简称集散模型。 将集散模型分为乘客行走行为、设施特征抽象和到达客流三部分进行研究。结合 右侧通行和最短路搜索，建立了基于元胞自动机的乘客行走行为模型，符合我国 行人特点，利用建立细化时间片仿真机制，使行人速度、碰撞检测更贴近现实； 建立基于元胞自动机理论的设施特征抽象方法，构建地铁枢纽站；到达客流采用 泊松分布进行研究。 ( 2 )在集散模型之上建立了地铁枢纽站微观客流集散仿真软件框架，简称软件 框架。在软件框架内应用面向对象理论设计了通用仿真框架、基于m v c 的通用地 铁枢纽站微观客流集散仿真框架、乘客行走行为和设施特征组件，在软件框架中 应用仿真过程和监控界面分离、缓存对短路径改善仿真性能，提高仿真效率，最 后提出了基于软件框架的地铁枢纽站微观客流集散应用系统的责任驱动构建方 法。 ( 3 )利用软件框架和责任驱动构建方法，构建了西直门地铁枢纽站微观客流集 散仿真系统，利用仿真系统进行了从5 ：0 0 2 3 ：0 0 点的全天仿真，通过分析采集 的数据和监控的结果，对地铁枢纽站客流集散的潮汐瓶颈传播现象进行分析和解 释，结合这一现象和全天仿真结果对西直门站服务进行评价，对评价的结果进行 分析，给出合理化建议，进而为更好的运营管理提供支持。 关键词：元胞自动机，m v c ，面向对象，右侧通行，仿真框架，责任驱动，客流 集散，微观仿真、潮汐瓶颈传播 分类号： 北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw o r l de c o n o m i c ，c r o w d so ft h ec i t yb e c o m e m u c hw o r s e ，d e m a n do ft r a n s p o r t a t i o na n dt r a f f i cs y s t e mi n c r e a s e g r e a t l y a sa n i m p o r t a n tm a n l i e ro fc i t yp u b l i ct r a n s p o r ta n dt r a f f i c ，m t rs y s t e mp l a y sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr o l e b u tt h ep e d e s t r i a nf l o wg a t h e rq u i c k l yi nd i f f e r e n ts p a c ea n dt i m e s ， e s p e c i a l l yi nh i g hl e v e lo fp e d e s t r i a nf l o w , m a s sp e d e s t r i a nf l o wp r o d u c et o om a n y b l o c k si ns u b w a ys t a t i o n ，r e s u l ti ns t a t i o nw o f k su n d e ro v e r l o a d ，l e v e lo fs t a t i o ns e r v i c e d e c r e a s e sr a p i d l y , t r a v e lc o s to f p e d e s t r i a n si n c r e a s e sm o r ea n dm o r e s ot h r o u g hd e e p l y r e s e a r c ho ft h ep r i n c i p l eo f p e d e s t r i a nf l o wg a t h e r i n ga n dd i s t r i b u t i o ni ns u b w a ys t a t i o n ， t h e ns t r e n g t h st h ec a p a c i t i e so fs t a t i o n , i m p r o v e ss e r v i c el e v e l ，d i s t r i b u t et h e p e d e s t r i a n f l o wq u i c k l y f r o mt h i sv i e wp o i n t ，b a s i n gm e t h o d o l o g i e sa n dt h e o r i e so fp e d e s t r i a n f l o w , t h i sp a p e rb u i l dt h em o d e lo fg a t h e r i n ga n dd i s t r i b u t i o no fp e d e s t r i a nf l o wi n s u b w a ys t a t i o n ，t h e nd e s i g na n di m p l e m e n tt h es i m u l a t i o ns o f t w a r es y s t e mo ft h em o d e l w i t ht h es i m u l a t i o ns o f t w a r es y s t e m ，t h i sr e s e a r c he s t i m a t e s a d a p t a t i o no fs u b w a y s t a t i o ni nd i f f e r e n tg a t h e r i n ga n dd i s t r i b u t i o no f p e d e s t r i a nf l o wc o n d i t i o n s ，t h e nf i n d o u tt h e b o t t l en e c ko fs e r v i c el e v e l ，a tl a s tp r o v i d es o l u t i o ne s t i m a t i o nf o rs u b w a y s t a t i o nb u i l d i n ga n d r e b u i l d i n g d e t a i l so ft h er e s e a r c hb e l o w ： ( 1 ) c o m b i n i n go u rc o u n t r ya c t u a lc o n d i t i o n , t h i sp a p e rm o d e lt h em i c r o s c o p i c g a t h e r i n ga n dd i s t r i b u t i o no fp e d e s t r i a nf l o wi ns u b w a ys t a t i o n , c a l l e dg a t h e r i n ga n d d i s t r i b u t i o nm o d e l s e p a r a t et h em o d e li n t ot h r e ep a r t ，p e d e s t r i a nw a l k i n g ，a b s t r a c t i n g c h a r a c t e r so fs u b w a yf a c i l i t i e s ，a n d r e a c h i n gp e d e s t r i a nf l o w b a s i n gc e l l a ra u t o m a c h i s m o ，t h ep e d e s t r i a nw a l k i n gm o d e lo b e y sp r i n c i p l e so fn e a r e s tr o u t eh u n t i n ga n d w a l k i n ga l o n gr i g h tp a r to fr o a d ，f i tc h a r a c t e r so fp e d e s t r i a no fo b rc o u n t r yv e r yw e l l w i t hm e c h a n i s mo fs p l i t t i n gs i m u l a t i o nc l o c kt i m e ，t h em o d e ld e s c r i b e st h ep e d e s t r i a n v e l o c i t ya n dd e t e c t i n go fk n o c k i n gm o r er e a l ；b u i l d i n gm e t h o d o l o g yo fa b s t r a c t i n g c h a r a c t e r so fs u b w a yf a c i l i t i e st ob u i l ds u b w a yi ns i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ；w i t ht h e d i s t r i b u t i o no fp a s s i o n ，r e s e a r c ht h er e a c hp e d e s t r i a nf l o w ( 2 ) b a s i n gg a t h e r i n ga n dd i s t r i b u t i o nm o d e l ，t h i sp a p e rb u i l ds o f t w a r ef r a m e w o r ko f s i m u l a t i o no ft h em i c r o s c o p i cg a t h e r i n ga n dd i s t r i b u t i o no fp e d e s t r i a nf l o wi ns u b w a y s t a t i o n ，c a l l e ds o f t w a r ef r a m e w o r k w i t hm e t h o d o l o g yo fo b j e c t o r i e n t e d ，b u i l d i n ga c o m m o ns i m u l a t i o nf r a m e w o r k ，ac o m m o ns i m u l a t i o nf r a m e w o r ko ft h em i c r o s c o p i c g a t h e r i n ga n dd i s t r i b u t i o n o fp e d e s t r i a nf l o wi n s u b w a ys t a t i o n ，c o m p o n e n t so f p e d e s t r i a nw a l k i n ga n dc h a r a c t e r i s t i c so fs u b w a yf a c i l i t i e si ns o f h t c a r ef r a m e w o r k i n s o f t w a r ef r a m e w o r k , b u i l d i n gs e p a r a t i o no fs i m u l a t i o na n ds i m u l a t i o nm o n i t o r i n g m e c h a n i s ma n d c a c h i n gn e a r e s tr o u t e sm e c h a n i s mt o i m p r o v et h ec a p a c i t i e so f s i m u l a t i o ns y s t e m a tl a s tg i v eam e t h o d o l o g yn a m e dr e s p o n s i b i l i t yd r i v e nb u i l d i n gt o b u i l das i m u l a t i o no ft h em i c r o s c o p i cg a t h e r i n ga n dd i s t r i b u t i o no fp e d e s t r i a nf l o wi n s u b w a ys t a t i o na p p l i c a t i o ns y s t e mb a s i n gt h es o r w a r ef r a m e w o r k ( 3 ) w i t ht h es o f t w a r ef r a m e w o r ka n dr e s p o n s i b i l i t yd r i v e nm e t h o d o l o g y , t h i sp a p e r b u i l ds i m u l a t i o no ft h em i c r o s c o p i cg a t h e r i n ga n dd i s t r i b u t i o no fp e d e s t r i a nf l o wi n x i z h i m e ns t a t i o n a p p l i c a t i o ns y s t e m w i t ht h ex i z h i m e ns i m u l a t i o ns y s t e m , s i m u l a t i n ga w h o l e d a yf r o m5 ：0 0t o2 3 ：0 0 ，a n a l y z i n gt h eg a t h e r i n gd a t aa n dm o n i t o r i n g r e s u l t s ，g i v ea na n a l y s i sa n de x p l a n a t i o no fb o t t l en e c ks p r e a d i n gw i t ht h es u b w a yt r a i n s c h e d u l e s ，w i t ht h eb o t t l en e c ks p r e a d i n ga n daw h o l ed a ys i m u l a t i o nr e s u l t , t h ep a p e r e s t i m a t e st h es e r v i c eo fx i z h i m e n ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee s t i m a t i o n , g i v es o l u t i o n st o r e d u c et h el i m i t sa n db o t t l en e c k si nt h ex i z h i m e ns t a t i o n m k e y w o r d s ：c e l l a ra u t o m a t a , m v c ，o b j e c t - o r i e n t e d , w a l k i n ga l o n gr i g h t , s i m u l a t i o nf r a m e w o r k , r e s p o n s i b i l i t yd r i v e nd e s i g n , p e d e s t r i a nf l o w , m i c r o s c o p i c s i m u l a t i o n , b o t t l en e c ks p r e a d i n gw i t ht r a i ns c h e d u l e s c i 。a s s n o ： v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名导师签 签字日期刁p 富年伽f 日 签字日期 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 签字日期：z 劝扩年厂月厂日 致谢 本论文的工作是在我的导师周磊山教授的悉心指导下完成的，周教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来周老 师对我的关心和指导。 周教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助，在此向周老师表示衷心的谢意。 周教授、乐老师、孙琦师兄、秦胜师兄对于我的日常科研工作和论文都提出 了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作期间和师兄弟之间相处融洽，得到了很多帮助和关怀，向所有 实验室的兄弟姐妹们表示感谢。 在撰写论文期间，孙琦师兄、夏铭师兄、王友明师兄、刘彦虎师兄、田苗苗 师姐、房霄虹师姐、杨恩惠师姐、周艳芳、胡兴宇等对我论文撰写过程中给予了 热情帮助，特别是乐逸祥师兄给了很多宝贵的意见，在此向他们表达我的感激之 情。 另外也感谢家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 芝。 绪论 1 绪论 1 1问题提出 随着经济的高速发展，全世界城市化进程的迅速加快和提高，随之而来的问 题也快速的扩张，城市土地资源紧缺和人口迅速膨胀，快节奏的生活方式和工作 效率对交通出行方式不断提高要求，传统地面交通网络已不能满足需要。城市轨 道交通以其速度快、节省时间、运输能力大、运营成本低、对环境影响小等优势 成为解决交通阻塞，满足城市交通流转需要的重要手段。发展城市轨道交通也已 成为我国的主要技术政策之一，国务院、建设部曾以文件形式指出，“大城市客运 交通应采取逐步发展轨道交通为主的方针一，建立“多层次、立体化的综合交通体 系 ，1 9 9 4 年国务院通过了中国2 l 世纪议程中国2 1 世纪人口、环境发展白 皮书，指出城市交通的近中期目标：建成和城市交通量基本相适应的城市道路网络 系统，在流量大的交通走廊，规划建设大容量的快速轨道交通和地铁客运交通， 发展多种形式的城市客运交通工具。“十五 期间，北京、上海、广州、天津等 1 0 余座城市将建成4 5 0 k a n 城市轨道交通线路。现在，我国有2 0 个城市在规划、 筹建地铁和轻轨。 然而长期以来的轨道交通研究中存在一定的误区，使得对土建、机电、通信、 控制等硬设施的研究有一定的发展，而对于城市轨道交通运营中软问题重视度不 够。一方面，不断大力规划设计各种交通枢纽、改善和引入新的交通设施，另一 方面，城市交通需求的迅速膨胀；表现的结果往往不令人满意，大量的客流集结 在地铁枢纽站内部无法疏散出去，导致乘客拥堵，大大降低了城市轨道交通的快 捷优势，乘客在车站的疏散时间竞占出行时间的三分之一m e t r o 一书中这样 描述到：“i t sn ou s ee x p a n d i n gt h eu n d e r g r o u n dn e t w o r ka n di n c r e a s i n gt r a i n f r e q u e n c yw i t h o u ti m p r o v i n gp a s s e n g e rc i r c u l a t i o na n df l o wa tt h eb u s ys t a t i o n s ”【l 】 也就说出现这种问题仅仅依靠传统的方式改良硬设施，而不改进枢纽内部组织运 营的软方式是不能彻底解决问题。传统枢纽规划组织问题采用的是静态的线性计 算公式计算得出，而实际上的行人交通拥挤状态下表现出的为复杂非动力学特性 2 - 9 ，这使得传统方式不能准确预测。 随着计算机技术的快速发展，运用计算机仿真地铁枢纽站的客流集散状况， 从而对交通枢纽进行评估成为可能。在规划阶段可以利用计算机仿真对不同的规 划方案进行评价分析，从而选择适当的方案进行建设；在运营阶段，通过计算机 北京交通大学硕士学位论文 仿真轨道交通的运营情况，可以选择适当的运营管理方案进行仿真，计算机可以 快速仿真出不同客流情况下的组织运营方案，使得运营管理部门可以灵活、快速、 有效的修改、选择不同的运营方案，根据节假日、特殊事件、突发事件等高峰期 修订不同的运营方案，例如可以为奥运会期间制定一个奥运运营方案，对于突发 事件，如火灾等问题可以提前进行火灾疏散仿真，根据仿真结果做好疏散方案选 择和引导工作，排除疏散中的隐患。 利用计算机仿真技术解决当前的交通问题，需要关注轨道交通枢纽中存在的 如下几个特征：到达客流的连续和间歇性行为，在通道、站台等不同设施中的乘 客行为，乘客的基本行走模型，列车乘客上车模型。 到达客流模型，客流的到达是轨道交通系统的客流发生，客流的发生主要来 源于2 种情况，通过入口从其它交通设施进入交通枢纽的出行客流和列车到达时 的下车客流。从其它交通设施进入交通枢纽的客流表现为无论在高峰期和低峰期 的客流都比较连续，而列车到达的下车客流在车辆到达时涌出，车辆未到达时客 流较少，表现为间歇性的客流，在客流高峰期出现间隔较小的客流高低峰现象。 在整个交通枢纽中不同的设施中乘客表现出不同行为。一般交通枢纽包括通 道、售票厅、站台、上下扶梯等设施。在站台上表现出等待列车的行为( 进站乘 客) ，在售票厅表现出排队买票的行为，在通道中表现出右侧通行的行为，在上下 扶梯上表现出速度上受到一定的影响。 ， 乘客的基本行走模型，乘客行走基本模型包括几个问题。首先，如何抽象乘 客及枢纽；其次，乘客行走方向的选择；最后，不同的乘客表现出的不同速度。 对于交通枢纽中的不同交通设施中乘客表现出的行为和乘客基本行走模型有 一定的关系，使得研究上有一定难度。 列车乘客上车模型，这是难点问题，列车到站无法准确的预制车上人数变化， 可以上车人数等。列车到站后，能否上车主要受还能容纳人数和停车时间问题影 响，在高峰期，乘客的可上车人数主要受列车容纳人数影响；低峰期主要受停车 时间的影响。 因此，建立一个符合我国国情的地铁枢纽站客流集散仿真具有很强的现实意 义，本文结合我国行人和轨道交通设施的一些特点，利用计算机技术进行轨道交 通乘客集散仿真研究。 1 2国内外研究情况 城市轨道交通是城市地下铁道( 地铁) 、轻型轨道交通( 轻轨) 、单轨( 独轨) 交通、有轨电车、新交通( n e wt r a n s p o r ts y s t e m ，n t s ) 、高速磁悬浮列车和市郊列 2 绪论 车等交通方式的统称【1 3 1 ，其发展已经有1 4 0 余年的历史。英国伦敦是世界上第 一个修建地铁的城市，从1 8 6 3 年1 月1 0 日第一条地铁投入运营并服务于城市内 通勤客流以来，伦敦几乎每年都有新线开通，目前伦敦地铁共有运营线路1 2 条， 总长4 0 8 公里，车站总数3 4 6 个，其中换乘站5 6 个，占车站总数的1 6 。伦敦地 铁日平均运输达2 2 9 万人次，高峰时间城市中心行车间隔1 4 5 2 0 0 分钟，郊区 2 0 0 8 o o 分钟之间。世界上其它典型的城市轨道交通城市还有巴黎( 1 9 0 0 年) 、 纽约( 1 9 0 4 年) 、东京( 1 9 2 7 年) 以及莫斯科( 1 9 3 0 年) 等。我国地铁建设起 步于上世纪6 0 年代，1 9 6 9 年建成北京地铁东西向的第一期工程，随后又完成由 复兴门至建国门的第二期工程，以及复兴门至西单南段，总长4 2 公里。进入7 0 年 代，天津地铁相继建成新华路至天津西站长7 4 公里线路，当时我国建设地铁的 指导方针是“战备为主，兼顾交通。改革开放以后，随着国民经济发展，全国大 城市交通日趋紧张，国内也开始日趋重视城市轨道交通为主的交通方式来解决城 市发展带来的拥挤、低效等交通问题。据不完全统计，到目前为止，我国已经建 成地铁线路的城市有北京、天津、上海、广州共6 条线路，总长度1 2 0 公里，另 有2 3 座城市拟建城市轨道交通线路，总长度达6 0 0 公里。百年的历史发展证明， 城市轨道交通的建设是城市交通发展到一定程度的必然产物，它为解决城市交通 问题提供了一个比较有效的途径。 1 2 1 集散模型的研究 对人群中人员流动的研究已经有大约4 0 多年的历史【舡l l 】。经过多年时间， 研究成果不断积累，吸引了越来越多的研究人员的加入近十年来，己经举办了 多次相关的国际学术会议并出版了会议论文集。其中较为著名的有1 9 9 3 年于伦敦 举办的拥挤安全工程国际会议( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e0 1 1e n g i n e e r i n gf o rc r o w d s a f e t y ) 。2 0 0 1 年4 月于德国杜伊斯堡召开了第一届“行人及疏散动态学大会 ( c o n f e r e n c eo np e d e s t r i a na n de v a c u a t i o nd y n a m i c s ，简称p e d ) ，并出版了会议论 文集。第二届p e d 大会于2 0 0 3 年8 月于伦敦召开，第三届p e d 大会于2 0 0 5 年9 月召开。这表明对人群、行人及疏散动态的研究正式成为了一门独立的学科【1 2 】。 对行人交通流的研究建模手段大致上分三种：宏观建模仿真，即把行人视为 连续流动介质，因为现代行人运动研究是从交通流的研究中分化出来，因而也就 自然的继承了流体研究中已经完善和成熟的方法：微观建模仿真，从每个行人的行 为入手，建立符合行人行为的模型，这类方法是目前最成熟也是最热门的方法， 其中最为著名的是h e l b i n g 的“社会力 模型【1 3 】和v i c t o r b l u e 的元胞自动机模型【1 4 】； 再一种是介观建模仿真，它介于微观和宏观之间，最著名的是格子气模型，日本 北京交通大学硕士学位论文 学者m a s a k u n im u r a m a t s u 和t a k a s h i n a g a t a n i 1 5 - 1 7 在此领域研究较多。 ( 1 ) 基于宏观整体的行人交通流建模方法 宏观整体的行人交通流建模方法把行人视为连续流动介质，继承了流体研究 中已经完善和成熟的方法。但是宏观整体的方法忽略个体的作用和个体间的差异， 虽然可以利用现成的流体力学的研究成果，容易着手，但由于疏散系统是有明确 相互作用的多个相似个体的群体行为，系统组成元件( 个体) 性质的简单叠加并不是 系统的性质，也就是系统具有非线性，因此限制了该方法研究结果的适用范围。 其中h e n d e r s o n 首先发现人员行为和气体流体之间的相似性，将流体力学的方法 应用于行人流的建模仿真之中。由于其过于粗糙，仿真结果与实际差别较大，现 在这种方法已经很少有人研列1 2 1 。 ( 2 ) 基于介观的行人交通流建模方法 介观行人交通流建模方法主要是格子气体模型。格子气体模型是一种介于微 观和宏观行人流建模方法之间的一种建模方法，近几年研究较少，主要是日本的 学者在这个模型上研究较多。到目前为止，已经成功建立了很多格子气体模型， 如：带有出口的大厅、双向通道、多向通道、人流交汇场景等。格子气体模型最 常用的是有偏随机模型，其建模方法是：将平面划分为一个个小格子，人员占据 交点处，并且每个行人的运动方向是前、左、右三个方向，根据这三个方向的确 定值大小来决定下一步运动方向。下图( a ) 一( 厂) 是一个目标点在右方的行人运动 示意图。图中人员向右( j ，方向) 运动，c c 。，c 一，为向x ，y ，- y 方向的运动 概率， o ( 圆圈) 表示行人，x 表示此格点行人不可进入。每个行人的运动情况共 有8 种，每一种情况中各方向运动概率分别为： ( a ) p ，= d + ( 1 一d ) 3 ；p ，。一，= d + ( 1 一d ) 3 ；p f 。，= ( 1 一d ) 3 ； ( b ) p ，= d + ( 1 一d ) 2 ，p ，。一，= ( 1 一d ) 2 ，p l 。，= 0 ； ( c ) p ，= d + ( 1 一d ) 2 ，p f 。，= ( 1 一d ) 2 ，p t 。一，= 0 ； ( d ) 只，j ，= 1 2 ，p ，_ y = 1 2 ，p t ，= 0 ； ( e ) p “= 1 ，p t ，y = 0 ，p t 。一，= 0 ； ( f ) p = 1 ，p “= 0 ，p 卜，= 0 ； ( g ) p r - j ，= 1 ，p f 。y = 0 ，只，= 0 ； ( h ) p 卜，= p u = p “= 0 。 ( 1 1 ) 在这里，d 表示人员运动的倾向，在不同的情况下有不同的取值，但一般情 况下取d = o 5 。人员在三个运动方向次走一个格点【1 5 1 7 1 。 4 绪论 图1 - 1 格子气模型 f i g u r e1 - 1g r i dm o d e l 一般来说，现在对于格子气体模型研究己经从单个行人的角度开始建模，比 起宏观人流模型有所进步，但是较复杂：由于在建模中没有考虑彼此之间的相互作 用，比起微观人流模型又显得精确度不够，较为粗糙。 ( 3 ) 微观行人运动建模方法 微观行人交通流源于大量乘客的个体交通行为，这些行为主要有路径选择行 为、碰撞规避行为、追踪和逃逸行为、到达和离去行为、徘徊行为等f 1 8 】，研究表 明尽管个体交通行为可以用简单的方法来描述，但是由这些简单的行为组成的群 体行为具有混沌、非线性动力学特性【2 ，9 1 9 - 2 2 。最早建立乘客个体行为模型的是 g i p p s 等人，他们假定行人的移动服从最短路定律，并建立了简单的路径选择模 型【2 3 1 。随着人工智能和计算机技术的不断进步，许多其它行业的研究者也介入到 研究大量行人产生的复杂行为中，其中较典型的有元胞自动机模型【5 2 4 - 2 7 ，这种 模型借助道路交通的仿真方法运用“换道 的思路对行人移动的过程进行了描述。 然而，许多事实证明这种假设存在着一定的局限性，行人交通远比道路交通流复 杂【6 】。著名的物理学家h e l b i n g 在n a t u r e 、t r a n s p o r t a t i o ns c i e n c e 上发表文章说明 了行人交通流的复杂特性【9 ，1 9 - 2 2 ，并提出了有名的“社会力模型( s o c i a lf o r c e m o d e l ) 。还有一些研究者则通过类比的方法对大量行人的疏散问题提出了引力模 型【捌、气体动力学模型【2 9 】及排队网络模型 3 0 1 等。国内的大部分学者对以上模 型尤其是基于元胞自动机的疏散模型和基于社会力的仿真模型进行了一定程度的 改善，使之能够用于研究紧急情况下小范围空间的人员逃生问题【1 2 3 1 。3 3 1 。这些模 型虽然在一定程度上反映了出行者在步行时的行为特征，但是各个模型相差很大， 在模型验证中反映出一些不足，体系尚不完整，深度也不够，更无法直接应用于 城市轨道交通系统的乘客微观行为研究。 5 北京交通大学硕士学位论文 元胞自动机 确定仿真元胞的规格大小，然后确定模拟空间和邻域。假定恒定条件下的线 形函数设定。确定位移方向和位移速度是元胞自动机的重要内容，移动方向的确 定是邻域选择的过程。邻域选择的过程包括多个内容，比如考虑到从众性和独立 选择性以及保持趋势三个特点，并假定这两种选择的特性对于一个乘客来说是恒 定的，那么可用线形组合的方式组合出该部分的移动函数；对于独立选择性使用 避光、就近选择、指示牌信息来反映对个人路径选择的影响，同理也使用线形组 合得到独立选择时的独立选择移动函数；对于从众性选择考虑的因素主要为行走 人的数量、指示信息等来表征。保持趋势为乘客不改变方向而前行的特点。 在移动方向确定内容里还应该考虑对于同一个方格选择的竞争，这个问题比 之前复杂些。解决的有几种方法，其一考虑到个体的差异性，然后对差异性的个 体进行分类，例如年轻男人，年轻女人，中年妇女，老年男人等等，然后根据这 些分类分别进行竞争力赋值，通过这些赋值的方式来指定占有竞争区域的乘客。 还有种思路是通过动态博弈论的思想来解决这个问题的。 速度，很多国内外的研究表明速度是一个基本的运动参量。速度跟密度之间 存在很大关系。在空旷不受设施影响的情况下，速度受到了一定密度影响，密度 越大速度越小。当密度一定时，不同设施对速度的影响彰现出来，因此对速度的 研究一般结合密度、设施等因素来研究。 移动效益模型 ( 1 ) 模型介绍 1 9 8 5 年，g i p p s 和m a r k s j o 提出将行人移动的范围划分为等距的网格模型。 在该模型中，每一个网格被称为单元，每个单元同时只可能被一个行人占用， 这样单元在同一时刻只有“占用 ( s ，= 1 ) 和“未占用 ( s ，= 0 ) 两种状态。行 人口从起点到终点的移动过程等同于单元的选择过程( 如图所示) 。 l2 3 8 4 765 i 一 0 5 m 图l - 2 移动效益模型 f i g u r e1 - 2m o v e m e n tb e n e f i tm o d e l 由于行人口在遇到障碍物( 如：固定建筑物或者别的行人) 时，行走路径会 发生改变，这类似于占用某个单元的行人或者障碍物对口产生了排斥力 6 绪论 ( r e p u l s i v e f o r c e ) 足，在疋的作用下，只要该单元一直被占用，其他行人就会设法 避免接近此单元。根据这个原则，在移动效益模型里，每一个单元被赋予一个“权， 代表该单元所具有的排斥力，称为这个单元的“占用支出 。权值越高，行人移动 到这个单元所需要的支出就越大。另外，由于行人在出发前，其目标是确定的， 他的每一步移动会产生间接收益，即：在现有的条件下更接近于目的地，这时， 把这个收益称之为行人的“移动收益一。行人在网格上的整个移动过程伴随着占用 支出和移动收益的变化，二者互相平衡，形成移动效益，模型的核心就是行人在 行走时根据移动效益来选择路径，保证行人每一步移动的效益局部最优。单元占 用支出计算：某个单元的占用支出直接与该单元的状态有关系，并且当该单元被 行人口占用后，其周围单元的占用支出与它们距该单元的中心距离近似成反比关 系。将口周围的网格编号。初始时，q 取一个较大的权值( 1 0 0 0 ) ，以保证单元 不被一个以上行人占用。 c - 赤 m 2 ， ， 其中：c ；表示其他行人移动到单元f 所需要的占用支出；a ；表示单元i 距口 的中心距离。显然，a ( 2 4 6 ，8 ) = o 5 ，a ( 1 3 5 7 ) = o 5 ；d 为常数，取d = 0 4 ，略小 于人的平均直径0 5 m ；万为波动缓和常数，取万= 0 0 1 5 ，其目的是防止两个相 邻单元的占用支出发生突变。移动收益计算：假定在没有任何障碍的情况下，行 人将沿着o d 连线所形成的直线路径，o d 行走。在遇到障碍物时，为避免与障碍 物发生相撞，行人移动将暂时偏离这条直线采用路径，与，册形成一定的夹角 仉。在可选择的情况下，不同的路线与，d n 的夹角是不同的，假定夹角越小则收 益越大。即：行人以偏离，d d 最小夹角的行为选择自己的路线。这时的收益可以用 公式表示： 只吼) = k c o s 吼i c o s 吒i( 1 3 ) 其中：k 为常数；仉为偏离角度；综合收入和支出，可以确定：假设行人 口从网格a 移动到网格b ，采用路径为，则这次移动的总效益可以用公式表 示为： b t = p ( 仃，) 一c 6 在具有多条路径可以选择的情况下， 行人的移动过程可以用公式表示为： ( 1 4 ) 行人将选择使得召，最大的路径。这时， m a x ( b ，) ( 1 5 ) 其中：表示完成一次出行所需要的单元移动总次数，表示第f 次移动所采 用的路径。 ( 2 ) 模型的优缺点分析 7 北京交通大学硕士学位论文 该模型提出运用移动效益的概念解决人的路径选择行为，具有简单、直观的 优点。模型试图用网格的形式描述行人的移动环境，并用网格内一定的数值代表 移动效用，为以后的大多数离散建模提供了思路。然而，模型也有自身比较薄弱 的地方，比如：参数的选择比较主观，较难保证其科学性；对行人的性质描述过 于单一，不能有效体现不同行人速度、体型、年龄、性别的不同造成的微观行为 的差异性；不能够有效区分网格是被行人占用还是被建筑物占用，具有应用上的 局限性；每一步路径选择伴随着行人的移动，无法表现出大规模拥挤情况下的行 人行进和停止交替出现的现象；在两个网格效益相同情况下的路径选择问题，没 有更具体的研究；模型的核心是移动的局部效益最优，而非整个出行效益最优。 引力模型 ( 1 ) 模型介绍 引力模型是将每个行人以及他的移动空间中的物体假定为具有磁性的粒子， 行人、障碍物( 墙壁、立柱、栏杆等) 被赋予正极，而行人的目的地被赋予负极。 根据“异性相吸，同性相斥 的原则，行人由于受到目的地的吸引力向前移动， 同时具有向前的加速度，而在移动过程中由于所处环境中其他行人或障碍物的同 性排斥作用，为了避免他们之间发生碰撞，行人必然在行走过程中改变方向。 无论是引力还是斥力，模型中都以如下公式计算： 1 7 nn ， f = 掣厂( 1 国 ， 其中：f 表示行人所受引力，吼表示行人的磁场强度，g ：表示磁极的磁场强度， ，表示行人与磁极之间的距离，表示行人到磁极之间的位移向量。为了避免行 人之间发生碰撞，模型还引入另外一个加速度变量a ，如图所示： 图1 - 3 引力模型 f i g u r e1 - 3p u l lm o d e l 其中： 匕分别表示行人彳与行人b 的速度； 绪论 l 。表示行人彳相对于行人口的速度； a 表示匕矗与圪的夹角； 夕表示以。与a c 的夹角。 ( 2 ) 环境数据：包括障碍物、行走空间的位置，用节点的x y 坐标及节点之 间的连线表示，在一些复杂的场景下，行人行走路径由一系列相互联结的节点组 成。 ( 3 ) 行人数据：包括行人起讫点、最大速度、行走开始时间以及路径选择方 式。模型的输出则是行人在给定环境下的可视化移动过程。 ( 4 ) 模型的优缺点分析 该模型优借助万有引力定律对行人疏散的过程进行描述，模型比较简单，且 容易理解，而且通过改变磁场大小可以直接控制流量和密度，具有可控性；其缺 点包括：移动是基于固定路径的，不利于模型扩展；模型中的参数给定比较随意， 很难验证其正确性和合理性；参数只能提供可视化图形，无法给出更多的结论。 气体动力学模型 ( 1 ) 模型介绍 气体动力学模型是由h o o g e n d o o m 等人将交通工程理论中关于车辆的相关模 型引入行人研究得到的。模型基于中观层次，基本思路是将速度概率分布相近的 行人作为群体研究，以气体动力学理论为基础，建立行人移动动态方程。模型提 出“相空间密度”( p h a s e s p a c ed e n s i t y ) 的概念，所谓相空间密度是对应于传统 交通流理论研究中的密度而言的。与车辆行驶行为不同的是：在行人交通流中， 位置变量是二维的，定义行人密度玳砂为t 时刻在石i r 2 位置单位面积上所占 有的行人数量，则由于行人个体需求速度m 的差异，在工一定的情况下，玳砂 并不是时刻相等的。为了将不同速度的行人统一建模，引入联合概率密度函数斤口， 陋砂，并定义厂研矽，6 0 l t , 砂为相空间密度。用连续过程( 如：对流、加速) 和 非连续过程( 减速、变向) 下相空间密度p 仁五m 叫的变化来描述行人流模型， 并得到在行人移动过程中，下列等式始终保持不变： a ，p + a ，l ( p v l ) + a ，2 ( p v 2 ) + a ，l ( p 瞳1 ) + a ，2 ( p a 2 ) = ( a ，p ) 二删+ ( a ，p ) 二删 ( 1 7 ) 。丫一百一 一l f l i n 其中：第j 项表示x 方向和y 方向的流的变化；第二项表示行人的加速行为； 第三项表示非连续过程中发生的各种事件