【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 務(wù)水平，優(yōu)化交通組織流線，能夠?yàn)榻煌?biāo)識(shí)系統(tǒng)和緊急疏散預(yù)案提供有效的技術(shù)支持，并對(duì)人群聚集過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)， 為 行人交通仿真技術(shù)的應(yīng)用研究者們研究行人交通流理論提供了有效的手段。 國(guó)外研究情況 國(guó)外在行人及其疏散動(dòng)力學(xué)方面的系統(tǒng)研究已有近五十年的歷史，并且取得了廣泛的研究成果，特別是近十幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，行人仿真技術(shù)已經(jīng)成為行人及疏散動(dòng)力學(xué)研究的重要手 段，并成為學(xué)術(shù)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。行人動(dòng)力學(xué)模型可以分為宏觀模型和微觀模型。最早的宏觀模型是由 Henderson 提出的，他認(rèn)為行人的運(yùn)動(dòng)行為類似于氣體或液體的流動(dòng)。 Rog L Hughes 采用連續(xù)介質(zhì)理論(continuum theory)研究大型人群的運(yùn)動(dòng)特征。宏觀模型中忽略了個(gè)體之間的差異，這與實(shí)際情況是不相符合的。微觀模型具有代表性的模型有格子氣模型、社會(huì)力模型，元胞自動(dòng)機(jī)模型和磁場(chǎng)力模型等。社會(huì)力的概念最早是由 Lewin 提出的， Helbing 和他的同事一起建立了社會(huì)力模型，并把社會(huì)力作為模型的數(shù)學(xué)表達(dá) 式中的一項(xiàng)。元胞自動(dòng)機(jī) (Cellua Automata)模型是 1987 年由 Toffol 和 Margolus 提出的。元胞自動(dòng)機(jī)是一種以時(shí)間為基礎(chǔ)的方法，系統(tǒng)的狀態(tài)用一種常規(guī)的格子組成單元。每個(gè)單元可以處于幾種狀態(tài)中的一種 (一般有兩種， 0或 1)。在每一時(shí)間步中，每個(gè)單元的狀態(tài)在它以前的狀態(tài)以及它鄰近的單元的狀態(tài)的基礎(chǔ)上升級(jí)。因而，它是一種存在局部相互影響的模擬。磁場(chǎng)力模型 (Magic Force Model)把人員描述為磁場(chǎng)中的物體，運(yùn)用磁場(chǎng)力來(lái)描述行人相互之間的作用力。目前，行人交通動(dòng)力學(xué)模型的微觀模擬方 法主北京建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ） 7 要用于模擬人群在 交通樞紐內(nèi) 的行為。模擬正常人流和疏散人流的微觀仿真軟件，主要有 Legion、 Steps、 AnyLogic 和 SimWalk。 國(guó)內(nèi)研究情況 作為環(huán)境信息媒介 ,標(biāo)識(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)伴隨城市交通的發(fā)展不斷完善。我國(guó)自 1983年以來(lái)陸續(xù)制定了《標(biāo)志用公共信息圖形符號(hào)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) ,《圖形標(biāo)識(shí)使用原則與要求》、《公共信息導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)置原則和要求》 ,《公共信息導(dǎo)向系統(tǒng)要素的設(shè)計(jì)原則與要求》等一系列標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。軌道交通作為城市公共交通或連接連城市公共交通的重要組成部分 ,樞紐標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的作用至關(guān)重要 ,其標(biāo)識(shí)系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)也從早期的隨意化逐步上升到標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化、科學(xué)化的道路 ,以滿足樞紐旅客類型多樣化以及行為多變化趨勢(shì)條件下的旅客出行要求 ,但現(xiàn)有針對(duì)軌道交通樞紐導(dǎo)向標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的研究仍處于初步階段。目前我國(guó)針對(duì)軌道交通樞紐導(dǎo)向標(biāo)識(shí)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)方面的研究較少。 北京交通大學(xué)張喜教授等針對(duì)北京南站內(nèi)部導(dǎo)向標(biāo)識(shí)系統(tǒng)進(jìn)行了初始方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究 ,通過(guò)分析功能區(qū)位、客流流線和旅客信息需求等 ,補(bǔ)充了向?qū)?biāo)識(shí)的設(shè)置原則 ,提出以誘導(dǎo)水平最大目標(biāo) ,采用遺傳算法和模擬退火算法等智能算法對(duì)標(biāo)識(shí)布設(shè)決策點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化選擇 ,但其忽略了旅客 行為對(duì)標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)的影響 。 目前 ,國(guó)內(nèi)對(duì)于尋路行為的研究仍較少 ,較深入的是同濟(jì)大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院徐慕青教授主持關(guān)于“復(fù)雜環(huán)境中的空間認(rèn)知模式 —— 基于空間組織的防災(zāi)設(shè)計(jì)策略研究”的課題研究 ,主要針對(duì)“空間設(shè)計(jì)要素與使用者行為策略之間的互動(dòng)關(guān)系”和“基于空間組織的防災(zāi)疏散設(shè)計(jì)策略研究”兩方面 ,以交通樞紐、地下公共空間以及建筑綜合體為考察對(duì)象展開研究 ,根據(jù)尋路實(shí)驗(yàn) ,利用 CCD 同步攝影、跟蹤錄音、尋路路徑記錄、問(wèn)卷填答等調(diào)研手段 ,研究導(dǎo)向標(biāo)識(shí)對(duì)旅行尋路行為的影響 ,從而對(duì)城市交通樞紐型商業(yè)空間中的標(biāo)識(shí)系統(tǒng)做出導(dǎo)向性評(píng)估 ,確定 現(xiàn)有城市交通樞紐型商業(yè)空間 ,標(biāo)識(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足與改進(jìn)方式。北京工業(yè)大學(xué)有關(guān)研究者通過(guò)對(duì)樞紐內(nèi)部重要節(jié)點(diǎn)行人徘徊時(shí)間統(tǒng)計(jì) ,利用其仿真手段進(jìn)行對(duì)比評(píng)估分析 ,驗(yàn)證了利用經(jīng)驗(yàn)提出的優(yōu)化方案的合理性 ,為標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)提供了有效參考和借鑒。 研究表明，這些成果與西方發(fā)達(dá)國(guó)家的差距還是很大的，不能直接照搬國(guó)外的成果，西方的行人交通動(dòng)力學(xué)研究成果并不完全適于我國(guó)。軌道交通的快速發(fā)展與標(biāo)識(shí)布局設(shè)計(jì)不足之間的凸顯矛盾不僅影響到旅客在軌道交通樞紐內(nèi)的出行效率 ,而且影響樞紐疏散能力及運(yùn)營(yíng)組織效率。因此，應(yīng)在深入學(xué)習(xí)國(guó)外研究的基礎(chǔ)上，對(duì)行 人交北京建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ） 8 通流特進(jìn)行系統(tǒng)研究， 應(yīng)用 交通仿真技術(shù)方法提出最符合的我國(guó) 交通樞紐的 標(biāo)識(shí)系統(tǒng)布置方案 。 研究意義 作為研究客流組織和行人交通設(shè)施的主要手段，行人微觀仿真近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展很快，相繼開發(fā)了多種模型。利用行人仿真工具對(duì)交通樞紐進(jìn)行模擬，不僅可以評(píng)價(jià)其內(nèi)部客流組織和行人設(shè)施的性能，還可以評(píng)價(jià)其在緊急狀態(tài)下的疏散安全性能。其仿真結(jié)果可以為設(shè)計(jì)階段的交通樞紐的方案比選提供依據(jù)，也可用于驗(yàn)證各類型預(yù)案的有效性。在國(guó)外，仿真工具已經(jīng)廣泛用于各類與人相關(guān)的設(shè)施的評(píng)價(jià)中，國(guó)內(nèi)關(guān)于建筑物的緊急疏散仿真開展較早，但對(duì)于交 通樞紐的常態(tài)及緊急狀態(tài)的客流組織則涉及較少，其主要原因是由于目前專門針對(duì)交通樞紐構(gòu)建的行人仿真模型較少，多為國(guó)外開發(fā)的模型，且針對(duì)我國(guó)交通樞紐的行人交通流數(shù)據(jù)調(diào)查難度大，沒有公認(rèn)的可使用的數(shù)據(jù)，目前模型標(biāo)定所使用數(shù)據(jù)基本來(lái)自國(guó)外，不能真實(shí)反應(yīng)國(guó)內(nèi)交通樞紐行人交通流真實(shí)狀況。因此，本研究目的就是要通過(guò)大量的交通樞紐內(nèi)部行人交通流數(shù)據(jù)調(diào)查獲得國(guó)內(nèi)交通流詳實(shí)、可靠數(shù)據(jù)，據(jù)此利用行人微觀仿真工具建立一個(gè)能夠適用于國(guó)內(nèi)交通樞紐的行人仿真模型，并利用該模型研究交通樞紐內(nèi)部行人交通組織及目前交通設(shè)施的適應(yīng)性問(wèn)題。 技術(shù)路線 北京建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ） 9 第 2 章 行人仿真相 關(guān)理論基礎(chǔ) 行人 仿真 模型 分類 自 20世紀(jì) 90年代以來(lái)，行人交通仿真動(dòng)力學(xué)模型的理論取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。研究者根據(jù)觀察發(fā)現(xiàn)了行人運(yùn)動(dòng)中的規(guī)律性特征，提出了行人及人群運(yùn)動(dòng)的理論模型及遵循的原則。在對(duì)人群現(xiàn)象觀察并進(jìn)行理論解釋的基礎(chǔ)上，研究者采用不同的方法對(duì)行人及人群的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行描述，并建立了大量的人群運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。 模型層次 行人交通仿真的困難主要體現(xiàn)在行人運(yùn)動(dòng)隨意性大、步行行為復(fù)雜、影響因素復(fù)雜等 諸多方面。行人交通仿真模型分為 2類 :第 1類為宏觀模型 ,把行人模擬為連續(xù)流動(dòng)介質(zhì) 。第 2 類為微觀模型 ,將行人視為具有一定行為的個(gè)體 ,屬于當(dāng)前的主流模型。 表 21 模型層次分類 類別 描述現(xiàn)象 結(jié)果描述 宏觀模型 應(yīng)用流體力學(xué)關(guān)系描述行人擁擠現(xiàn)象 輸出只是輸入的重復(fù)，自組織現(xiàn)象不明顯 微觀模型 行人個(gè)體之間相互作用描述行人擁擠現(xiàn)象 行人個(gè)體之間相互作用現(xiàn)象明顯，可以分析到許多自組織現(xiàn)象 在宏觀模型中，行人的個(gè)體行為不能被單獨(dú)描述。通常是對(duì)人群的一種狀態(tài)的描述，如流量、密度、平均速度等。它將行人交通 流近似為氣體或者流體，將流體力學(xué)的理論和方法結(jié)合人的行為規(guī)則應(yīng)用于行人交通流的建模仿真中。宏觀模型數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單明了，計(jì)算簡(jiǎn)便，但其難以描述實(shí)際觀察到的行人復(fù)雜的交通行為，缺少人與人之間的相互作用的描述，難以給出局部和細(xì)節(jié)的信息。 在微觀模型中，行人經(jīng)常被模擬為他們之間相互作用的簡(jiǎn)單“粒子”。關(guān)注的是行人在短期內(nèi)做出的決定，如考慮障礙物、行人密度和行人跟隨等選擇精確的路線，北京建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ） 10 描述行人的實(shí)際的行走行為，如他們的瞬間決定改變方向而避免發(fā)生碰撞等。微觀模型的仿真通常是基于各種不同的物理力學(xué)模型，實(shí)際上，擁擠人群運(yùn)動(dòng)與 流體和顆粒材料的流動(dòng)有一定程度的相似性。 模型空間 模型空間是描述行人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的場(chǎng)所，不同的仿真模型空間將會(huì)對(duì)行人的行為產(chǎn)生不同的結(jié)果。現(xiàn)有的仿真模型中，通常采用以下三種仿真模型空間： 表 22 模型空間分類 模型空間 空間描述 仿真示例 分塊空間 靜態(tài)結(jié)果，無(wú)法模擬個(gè)體間的相互作用 網(wǎng)格空間 所有實(shí)體“步調(diào)一致”，密度描述以達(dá)到上限（通常 6 人/ 2m ） 連續(xù)矢量空間 無(wú)人為的約束限制 三 種模型空間從粗糙型向逐步細(xì)膩型轉(zhuǎn)變，分塊的模型空間無(wú)法模擬出行人個(gè)體間的相互作用。網(wǎng)格空間中描述的所有行人的“步調(diào)”都會(huì)隨著更新時(shí)間步長(zhǎng)同時(shí)進(jìn)行，并且由于網(wǎng)格已經(jīng)被固定劃分成形，難以適應(yīng)密度的時(shí)空變化。連續(xù)矢量空間有著以上兩種所沒有的優(yōu)勢(shì)，模型中的行人可以進(jìn)行無(wú)邊界的選擇，與現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際場(chǎng)景最為相符。 模型方法 行人仿真模型方法從簡(jiǎn)單逐漸趨于復(fù)雜，按照行人行為的決定方式，個(gè)體行為模擬方法主要可概括為三大類：概率函數(shù)模擬方法、基于規(guī)則模擬方法和多智能體模擬方法。 北京建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ） 11 表 23 模型方法分類 模型方法 個(gè)體描述（從簡(jiǎn)單到復(fù)雜） 應(yīng)用 概率函數(shù) 概率模型，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真實(shí)的個(gè)體相互作用 基于規(guī)則 每次都需要“校準(zhǔn)”，在相互交叉作用時(shí)會(huì)出現(xiàn)“意外”堵塞 智能體 智能體需要測(cè)量當(dāng)前狀態(tài)；分析預(yù)測(cè)所有可選狀態(tài)，并做實(shí)際操作 (1)概率函數(shù)方法：用一個(gè)方程或一組方程來(lái)描述整個(gè)人群的特征，每個(gè)人的行為都由方程式?jīng)Q定。例如，粗網(wǎng)格模型采用的是把行人看成整體而很少考慮個(gè)體行為。概率模型無(wú)法重現(xiàn)個(gè)體相互作用的現(xiàn)象。 (2) 基于規(guī)則方法：模型中的行人按照預(yù)先規(guī)定的一套準(zhǔn)則來(lái)做決定，這些準(zhǔn)則可以在一些特定情 況下起作用。每次運(yùn)行都需要“校準(zhǔn)”，模型中的行人實(shí)體同步更新，在相互作用會(huì)出現(xiàn)“意外”的人為堵塞。 (3)人工智能體方法：模型中行人被設(shè)計(jì)成能對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行智能分析的智能體，智能體可以根據(jù)周圍的環(huán)境獨(dú)立做決定。模型中行人實(shí)體需要測(cè)量當(dāng)前狀態(tài)，并做出實(shí)際的決定。 典型 行人 運(yùn)動(dòng)仿真 模型 元胞自動(dòng)機(jī)模型 作為離散微觀仿真模型 ,元胞自動(dòng)機(jī)模型將行人行走的地面區(qū)域劃分為單元格陣列 ,每個(gè)單元格可以被行人、建筑物占據(jù) ,也可以為空 ,單元格尺寸按照行人身體的垂直投影面積確定 ,取值常在 — 。每個(gè)單元格在每時(shí)間步最多只允許一個(gè)行人占有 ,行人運(yùn)動(dòng)方向可為前、后、左、右 4個(gè)方向 ,也有的模型設(shè)定了前、后、左、右、左前、右前、左后、右后 8個(gè)方向。行人個(gè)體按照當(dāng)前所處的單元格 ,加上相鄰 8格共 9個(gè)單元格的狀態(tài)和目標(biāo)點(diǎn) ,從中選擇 1個(gè)單元格作為下一時(shí)間步所處的位置?；舅惴ㄊ切腥艘罁?jù)概率模型計(jì)算下一時(shí)間步所有單元格 (i, j)的進(jìn)入概北京建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ） 12 率 Pij,若 (i, j)為建筑物或其他人占據(jù)則 Pij=0,否則 ,Pij0。不同行人元胞自動(dòng)機(jī)模型的差別主要體現(xiàn)在概率的算法不同。 元胞自動(dòng)機(jī)模型能夠模擬復(fù)雜 的行人流現(xiàn)象 ,如自組織和混沌現(xiàn)象 ,但也存在行為規(guī)則過(guò)于簡(jiǎn)單、人員速度單一、移動(dòng)方向受限制、不能十分精確反應(yīng)人員運(yùn)動(dòng)狀況等缺點(diǎn)。 社會(huì)力模型 社會(huì)力模型將行人抽象為粒子 ,描述行人在連續(xù)二維空間上運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)方程 ,社會(huì)力模型是 Helbing 等人在 Lewin 關(guān)于行人行為受社會(huì)力影響的研究基礎(chǔ)上 ,借鑒Bolzmann 運(yùn)動(dòng)方程的形式建立起來(lái)的。在 Helbing 研究的社會(huì)力模型中 ,行人會(huì)受到目標(biāo)吸引產(chǎn)生的自驅(qū)動(dòng)力 ,同時(shí)由于行人有與其他行人、障礙物保持安全距離的社會(huì)特征 ,他會(huì)受到其他行人、障礙物的斥力影響。 行人 i 的自驅(qū)動(dòng)力 ,行人 i 和行人 j之間的接觸和非接觸作用力 ,行人 i 和障礙物 w 的接觸和非接觸作用力。這三組方程構(gòu)成行人所受社會(huì)力的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程。 (1)驅(qū)動(dòng)力 ,主觀意識(shí)對(duì)個(gè)體行為的影響可化為個(gè)體所受自己施加的 “ 社會(huì)力 ” ,體現(xiàn)了行人以渴望的速度移動(dòng)到目的地的動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力是模型中最顯著的力，決定著行人是否以期望速度向目的地運(yùn)動(dòng)。如果沒有干擾，行人將以速度 0?v 向期望的方向 )(te??行進(jìn)。由于必要的減速或躲避行為，實(shí)際速度 )(tv?? 與期望速度 )()( 00 tevtv ??? ?? ? 的差通過(guò)一定的“松弛時(shí)間”τ來(lái)修正，以接近 )(0tv? 速度，可通過(guò)加速度形式描述： 0 00a 1( , v ) m ( v )a a a a a a aaF v e e v??? (2)人與人之間的作用力 ,指 試圖與其他行人保持一定距離所施加的 “ 力 ”。 行人運(yùn)動(dòng)方向受他人的影響，特別是行人之 間保持的距離取決于行人密度和期望速度 0?v 對(duì)于每一行人的個(gè)人空間，“地域效力” (territorial effect)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。行人接近一個(gè)陌生的行人 時(shí) ，通常會(huì)感覺越來(lái)越不舒適 。這導(dǎo)致其他行人 ? 對(duì)該行人產(chǎn)生斥力效應(yīng)，這種效應(yīng)可用一個(gè)隨距離遞減的指數(shù)函數(shù)來(lái)表述 ，包括心理作用力（即社會(huì)力）和物理力（接觸力）兩部分，表達(dá)式為： 北京建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ） 13 ( ) ( t ) ( t )soc phf r f f? ? ? ? ? ? ? ??? (3)人與邊界之間的作用力 ,邊界和障礙對(duì)人的影響類似于人與人之間的作用行人要與建筑物、墻壁、街道、障礙等的邊界保持一定距離，這種距離也用力的形式來(lái)表式示。當(dāng)行人活動(dòng)時(shí)，越接近邊界會(huì)覺得越不舒適，因?yàn)樾腥藭?huì)把注意力更多地放在避免受傷害方面。邊界 B引起的斥力效應(yīng)為 ： ()rF r U r ??? ? ? ? ?