行人交通仿真研究進展

1、行人交通仿真研究進展 已有 1154 次閱讀 2010-4-27 22:59 |個人分類:行人仿真|系統(tǒng)分類:科研筆記|關鍵詞:城市交通，行人交通，疏散，交通流 前些日子對以前研究的行人交通做了一個規(guī)整，梳理了一下其研究進展行人交通仿真研究進展  1 引言作為一個新興詞匯，“行人交通”正在被包括城市交通研究者、管理者和交通參與者在內(nèi)的人所認識和了解。狹義上的行人交通只包括發(fā)生在道路上的步行行為；廣義上的行人交通則包括發(fā)生在一切公共設施范圍內(nèi)的步行行為，比如機場、地鐵站、體育場館、人行道、人行橫道等。近來，特別是911事件以來，行人研究成為了物理學、計算機科學、經(jīng)濟學、數(shù)學以

2、及交通工程等學科的研究熱點。這些研究的努力都是為了使步行活動更方便、更舒適、更經(jīng)濟、更安全。作為一種對復雜問題和隨機現(xiàn)象具有良好描述能力的有效工具，計算機仿真已經(jīng)成了研究、評價行人交通的重要手段之一。盡管如此，與機動車交通仿真不同，行人系統(tǒng)因為具有諸如多樣性、慢速性、隨機性和自組織性的獨特特征而顯得復雜的多。因此，近年來出現(xiàn)了許多專門的行人交通理論、模型、方法以及相關的軟件產(chǎn)品，而且越來越多的人也對行人交通仿真的研究體系和進展感興趣，所以，對相關的研究情況作一回顧了總結(jié)就顯得很有必要。2 研究概況總體來說，行人研究可以分為三個層次：宏觀、中觀和微觀，它們之間并沒有嚴格的界線。宏觀研究主要關注行

3、人設施當中行人步行空間分配的問題，比如流量-速度-密度的關系；中觀研究主要關心行人流中的群特性；微觀研究則把行人流中的每個行人看成具有速度、年齡、環(huán)境、心理等屬性的獨立實體。行人研究的歷史可以追溯到上世紀五十年代，那時候的人們主要關心流量-速度-密度的關系和行人設施的容量。那時計算機技術還不發(fā)達，大部分的研究僅僅是靠肉眼觀察、拍照、膠片記錄等方式宏觀評價行人流。一個比較早的宏觀行人仿真模型是由Fruin在1971年提出的，他的模型已經(jīng)被HCM所采用作為分析宏觀行人流特性的方法。這些研究因為沒有考慮行人間的相互影響所以不太適合用于預測步行區(qū)域或建筑物內(nèi)的行人流特性，而且這些研究大部分繼承的是機動

4、車交通流的理論?？陀^的說，這些模型對于計算一些常態(tài)下的宏觀參數(shù)是有效的，但是如果要求更細一些或場景更復雜些，它們就無能為力了?，F(xiàn)在經(jīng)常被用到的“行人仿真”一詞實際上主要指“行人微觀仿真”，這項研究的內(nèi)容分兩大塊：仿真模型和仿真軟件。前者是構(gòu)建用于描述行人交通特性的模型，后者是開發(fā)用于測試和可視化行人相關設計方案的仿真工具。上世紀80年代中期以來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，利用計算機仿真和重現(xiàn)行人交通場景成為可能，也就是“計算機仿真”，這種技術在仿真當中把每個行人看成具有自身屬性的獨立實體。隨之，行人微觀仿真模型應運而生。這些模型基于行人行為，面向計算機仿真。早期的微觀行人仿真模型是從計算機游戲

5、和動畫中引入的。從那以后，許多來自物理學、計算機科學、經(jīng)濟學、數(shù)學、和交通工程學界的學者投入到了這方面的研究?？傮w來說，比較受認同和引用的模型有五個：成本效益元胞模型、元胞自動機模型、磁力模型、社會力模型和排隊網(wǎng)絡模型。主要的商品化行人仿真軟件也有五個：Legion, PedGo, SimWalk, AnyLogic, VISSIM。3 典型的微觀行人仿真模型3.1成本效益元胞模型（Benefit cost cellular model）成本效益元胞模型是由Gipps 和 Marksjo于1985年提出的。該模型把二維空間劃分成等大小的均勻網(wǎng)格（元胞），行人被模擬成元胞上的粒子。每個元胞最多能

6、被一個行人占據(jù)，且模型根據(jù)周圍元胞的情況對每個行人所在的元胞賦成本值S。該值表示臨近的行人或障礙物的排斥作用，在與行人向目的地移動的效益值共同作用下向目標點運動。成本值S的計算公式可以參看Gipps 和 Marksjo的論文。如果兩個行人所占位置出現(xiàn)重疊，元胞的成本值等于各個行人產(chǎn)生的成本值之和。每個元胞的成本值與其周圍的九個元胞（包括自己）有關，行人將向效益值最大的元胞移動。成本效益元胞模型的優(yōu)勢在于計算簡單，但是由于對元胞和行人賦值的隨意性，使得在實際情形中難以對模型參數(shù)進行標定。3.2 元胞自動機模型（Cellular Automata model）空間、時間和狀態(tài)都離散的元胞自動機（C

7、A）模型在機動車的仿真中應用的比較多。今年來，CA模型也在行人仿真中有新的應用。CA模型也把行人模擬成元胞當中的實體。步行道被劃分成均勻大小的網(wǎng)格，行人用單個圓來表示，一個行人占據(jù)一個元胞網(wǎng)格。元胞的占據(jù)狀態(tài)由一些沒個步長都更新的局部鄰居規(guī)則決定。每個行人的運動包括兩個動作：隊列更換和元胞跳躍。在每一個時間步長內(nèi)，每個元胞只能處于“被占據(jù)”與“不被占據(jù)”兩種狀態(tài)中的一種。在CA模型的仿真中，每個步長時間內(nèi)規(guī)則是通過兩個并行的進程來完成更新的。第一個進程是隊列更換規(guī)則：如果行人左邊或右邊的一個或兩個都空閑，行人就會被分配到當前的和鄰近的隊列中間隙最大的那個隊列中去。如果有多個隊列符合條件，模型則

8、將按照一定的概率分布隨機分配到某一個隊列中去。第二個進程是基于有效間隙和速度估計的速度分配。一個間隙指的是前面空閑元胞的個數(shù)。雖然CA模型同樣比較有利于數(shù)據(jù)更新，但是CA模型嘗試性的規(guī)則更新卻是不可取的，因為這并沒有真實反映行人的行為。元胞模型固有的網(wǎng)格使得仿真出來的行人行為看起來有些粗燥。行人看起來是在各個格子當中跳動。3.3磁力模型（Magnetic force model）Okazaki于1979-93 年間與Matsushita 共同開發(fā)了行人運動仿真的磁力模型。模型運用磁場力學的原理對行人運動進行模擬。模型中，行人個體被定義為陽極，障礙物，如墻、立柱、欄桿等也定義為陽極，行人的目的地

9、被定義為陰極。在磁場吸引力和排斥力的作用下，行人向著目的地運動并避免與其他行人障礙物沖突。在磁力模型中，有兩個力作用于行人，一個是用庫侖公式計算的磁力，其大小取決于一個行人的磁場強度和行人之間的距離；另一個力是作用于行人用以避免與其他行人沖突的力。 模型中，所有來自目的地、障礙物、其他行人的合力共同作用于每個行人，決定了每個行人在任意時刻的速度，這個速度到達某個給定的上限時將維持恒定。模型中磁場強度值是預先定義的，如果磁場的強度大，相應的行人之間或與障礙物之間的排斥力也越大。模型中墻壁等障礙物用一系列連續(xù)的點來表示，當行人不能直接到達目的地時，某些特殊的地點（如墻角）被設定為臨時目的地。磁力模

10、型中引入了排斥力的定義，充分考慮了避免行人和其他行人或障礙物沖突的情形。但是，與成本效益元胞模型類似，由于磁場強度值設定的任意性，該模型的參數(shù)標定較為困難。3.4 社會力模型（Social force model）由Helbing等人提出的社會力模型是一種多粒子自驅(qū)動模型，也就是在模型中行人是由自驅(qū)動的粒子代替的。社會力的概念并不是指物理上實際存在的力，而是以一種虛擬的方式代表行人的社會心理以及行人之間、行人和環(huán)境之間的相互作用。一個質(zhì)量為的行人 總是希望以一定的期望速度朝期望的方向運動， 因此，行人在行走過程中都會期望能在較短的時間內(nèi)調(diào)整他當前的實際速度 到期望速度。行人

11、與墻壁、其他行人的相互作用包括排斥和摩擦。距離越近，之間的相互作用力就越大。社會力模型中，常常用和分別代表行人之間、行人和墻壁之間的相互作用力。模型的行人運動主方程為：社會力模型認為，行人之間往往會保持一定的距離，這一特性在模型當中是通過心理力來模擬的。但是如果兩個人之間的距離小于他們的半徑之和（一個行人用一定半徑的圓代替）的話，就代表他們有身體上的接觸。行人和墻壁之間的處理方式是類似的，唯一的不同是在力的強度上有一點區(qū)別。應該說，社會力模型是到目前為止最好的行人微觀仿真模型。模型中的變量不是任意的，因為那些變量都有可以測得的物理意義。模型仿真的結(jié)果顯示行人交通流具有自組織的特性。盡管如此，社

12、會力模型仍然有兩個問題值得商榷。一個是模型并不能完全保證行人之間不出現(xiàn)碰撞（交疊），其表現(xiàn)就是從仿真過程來看會出現(xiàn)有些行人跑到別人的“身體”里面去了，而這是不現(xiàn)實的，所以社會力模型還需要一個像磁力模型中的那種避碰力來防止這種現(xiàn)象的發(fā)生。另一個問題是社會力模型的研究人員似乎更多的是從物理作用的角度來解釋行人的物理行為而不是從交通流的角度來解釋。3.5 排隊網(wǎng)絡模型（Queuing network model）Lovas、Thompson、和Watts等幾位學者將微觀行人仿真用于了疏散設計，他們用排隊網(wǎng)絡模型作為模擬建筑物火災疏散的工具。排隊網(wǎng)絡模型采用的方法是基于離散事件的蒙特卡洛仿真，在該模型

13、中，房間用節(jié)點來表示，房間之間的門用連接線表示。每一行人離開一個節(jié)點，并在連接線中排隊，然后進入另一個節(jié)點。行人由一個節(jié)點向另一個節(jié)點移動，尋找建筑物的出口。行人都有特定的目標，并且盡可能快速且安全的由當前位置向出口移動。每個節(jié)點會記錄下行人的路徑和時間。當行人到達某一個節(jié)點時，會根據(jù)權重隨機選擇的原理在所有可能的路徑中作出選擇，權重系數(shù)為建筑物中人群密度的函數(shù)。在起始節(jié)點，行人在開始運動之前有一段反應時間，當行人到達目的地節(jié)點時結(jié)束運動過程，仿真過程結(jié)束。在排隊網(wǎng)絡模型中，行人的疏散時間是一個重要的評價指標。然而，排隊網(wǎng)絡模型并未清楚的描述出行人個體的行為，行人之間的沖突也被充分的考慮。此外

14、，排隊網(wǎng)絡模型中所采用的先進先出（FIFO，F(xiàn)irst In First Out）原則在人群擁擠疏散情況下并不完全真實。3.6 模型對比以上五個模型的相同點和不同點如表1所示，這個比較主要是從向目的地運動、排斥作用、模型的變量賦值、程序編寫主導環(huán)節(jié)、描述現(xiàn)象、疏散時間評價、參數(shù)標定七個方面展開的?？梢钥闯?，五個模型都有使行人往目的地運動的項目，但是各模型具體的實現(xiàn)方式不太一樣。另外，五個模型也都有考慮防止行人碰撞的排斥項目，但是各模型具體的實現(xiàn)方式也不太一樣。五個模型都試圖用來解釋一定的現(xiàn)象，其中一個比較明顯的現(xiàn)象就是五個模型都有考慮排隊的能力。另外，五個模型中只有元胞自動機模型研究了行人的行

15、人交通流的宏觀行為，其研究表明行人的平均速度隨行人流密度的增加而減小。此外，元胞自動機模型和社會力模型能夠描述行人運動的自組織現(xiàn)象，磁力模型通過目的地磁極的吸引作用可以描述行人移動的路徑搜索現(xiàn)象；排隊網(wǎng)絡模型在描述行人疏散行為方面較為成熟。表1 典型微觀行人仿真模型比較 成本效益元胞模型元胞自動機模型磁力模型社會力模型排隊網(wǎng)絡模型向目的地運動收益值定義方向異極相吸期望速度權重隨機選擇排斥作用成本值運動規(guī)則同極排斥相互作用力優(yōu)先規(guī)則(FIFO)變量賦值任意賦值或任意賦值物理意義物理意義程序編寫主導環(huán)節(jié)收益成本值計算If-then 規(guī)則(嘗試性)嘗試性動力學系統(tǒng)(連續(xù))排隊模型描述現(xiàn)象排

16、隊排隊、自組織排隊、路徑搜索排隊、自組織排隊、疏散疏散時間評價不可能可能參數(shù)標定觀測分析基礎數(shù)據(jù)觀測觀測觀測4 行人交通仿真軟件的發(fā)展情況自從人們開始嘗試用計算機來幫助進行行人交通的分析以來，科學家們投入了大量的工作來開發(fā)行人仿真軟件。通過近20年的艱苦努力，目前已經(jīng)發(fā)布了幾款可以專門用于行人分析的軟件：Legion, SimWalk, PedGo, AnyLogic, and VISSIM。它們相關的信息如表2所示。表2 典型行人交通仿真軟件軟件名稱出品公司國家最新版本，年采用的模型參考價格LegionCrowdDynaics Limited英國Legion 2006不詳>150,00

17、0SimWalkSavannah Simulations AG瑞士SimWalk 3.1, 2008不詳2,900PedGoTraffGo HT德國PedGo 2.1, 2005模型>2,500/年AnyLogicXJ Technologies Company Ltd俄羅斯AnyLogic 6, 2007Agent模型11,990/授權號VISSIMPTV德國VISSIM 5.1, 2008社會力模型>15,000Legion 是行人仿真軟件的領導者，該軟件可以幫助那些復雜空間的擁有者和運營者把他們的場所弄的更安全、更有效、更有利。Legion軟件開啟了一種提升全世界行人設施水平的

18、全新方法，已經(jīng)成功應用在了悉尼和北京奧運會行人場所的設計和評價。盡管如此，Legion不菲的價格讓很多人望而卻步。SimWalk 是一個可以幫助城市和交通規(guī)劃者、工程師、安全監(jiān)管人員以及建筑師仿真和評價行人步行環(huán)境的有利分析工具，該軟件的長項在于探究火車站行人的交通行為、機場的行人流以及體育場館的疏散時間等。SimWalk的客戶已經(jīng)遍及整個歐洲和少數(shù)其他國家。PedGo 是一個主要用來模擬行人疏散的軟件，這個軟件有可能是現(xiàn)在市面上模擬疏散運行效率最高的（在500MHz 的PIII計算機上，可以實時模擬1萬人的疏散）。AnyLogic是第一個也是唯一一個集系統(tǒng)動力學、流程導向（Process-centric）、以及Agent方法為一體的動力學仿真工具。VISSIM 是多種交通方式微觀仿真環(huán)境的領導者，該軟件具有獨特的將城市和公路交通環(huán)境細致化描述的能力，其中包括行人、自行車和各種機動車。VISSIM在2008年的最新版中，采用了社會力模型作為行人運動的基礎模型。5 總結(jié)與展望通過前面的分析，可以看出近年來行人仿真的研究不管在理論上還是應用上都取得了長足的進步，但這并不意味著已經(jīng)要到蓋棺定論的時候了。實際上，此項研究還有很長的路要走，其中主要存在三方面的問