1、摘 要近年来，伴随着我国城市现代化水平不断提升，城市交通枢纽逐渐向大型、综合的方向发展。作为轨道交通、地面公共交通以及其他交通方式之间相互衔接的关键点，交通枢纽在城市公共交通系统中承担着越来越重要的作用。然而，目前建成的很多交通枢纽标示系统及交通组织还存在很多不足，究其原因主要还是对行人步行交通问题没有给予足够重视，在设计中缺乏以人为本的理念。 本文首先在总结和学习国内外关于行人交通仿真和标示系统的研究基础上，总结行人交通特性相关的参数数据和现有行人仿真模型，选取了 Anylogic 作为行人仿真的工具；通过对复兴门交通枢纽的行人运动行为调查及视频数据分析，分析标示系统、地铁列车及行人服务设施
2、等对行人运动行为的影响；利用以上所分析得到的数据标定 Anylogic 行人仿真模型，并以复兴门换乘站为例构建仿真模型，建立了四种仿真情景，并验证了该模型的有效性。本文将交通标示系统及行人服务设施对行人的影响考虑到仿真模型中，仿真结果可为行人交通枢纽内标示设计服务提供一种分析方法和评价依据，对设施设计及行人交通组织方面提出了建议。关键词：交通枢纽；标示系统；交通设施；交通组织；行人仿真 ABSTRACTIn recent years, accompanied by rising levels of urban modernization , urban transport hub gradua
3、lly to large, integrated direction. As a key point of continuity between rail transportation , ground public transport and other modes of transportation , transportation hubs assume an increasingly important role in urban public transport system. However, there are many transportation hub built mark
4、ing systems and transportation organizations are still many deficiencies , the main reason is for pedestrian traffic problem does not pay enough attention to the lack of people- oriented concept in the design.In the paper summarizes the research and study abroad on the basis of pedestrian traffic si
5、mulation and labeling system , the summary of the characteristics of pedestrian traffic data and parameters related to the existing pedestrian simulation model selected Anylogic pedestrian simulation as a tool ; through Fuxingmennei transport hub pedestrian movement , behavior and video data analysi
6、s , impact analysis labeling system , subway trains and pedestrian facilities such as pedestrian movement behavior ; analyzed data obtained using the above calibration Anylogic pedestrian simulation model and an example Fuxingmennei transfer station build a simulation model , the establishment of fo
7、ur simulation scenarios , and verify the validity of the model.The paper will affect traffic and pedestrian facilities labeling system to take into account pedestrian simulation model , the simulation results can provide a design service mark analysis and evaluation of the evidence for pedestrian tr
8、affic hub , the facility design and pedestrian traffic organization made recommendations .Key words: Transfer station; sianage system; Walking facility; management of pedestrian traffic; pedestrian simulation第 1 章 绪论 .21.1 研究背景 21.2 研究历史和现状 .31.2.1 国外研究情况 41.2.2 国内研究情况 41.3 研究意义 .51.4 技术路线 .6第 2 章 行
9、人仿真相关理论基础 .62.1 行人仿真模型分类 72.1.1 模型层次 .72.1.2 模型空间 .72.1.3 模型方法 .82.2 典型行人运动仿真模型 .92.2.1 元胞自动机模型 .92.2.2 社会力模型 .102.2.3 磁力模型 112.3 行人运动仿真软件 .132.3.1 Legion 软件 132.3.2 STEPS 软件 132.3.3 SimWalk 软件 142.3.4 AnyLogic 软件 15第 3 章 行人空间占有特性 .163.1 行人静态空间需求 173.1.1 身体尺寸 173.1.2 舒适安全距离 .183.2 行人动态空间需求 193.3 携带行
10、李行人的空间需求 19第 4 章 行人步速及其影响因素研究 .214.1 行人步速的概念 214.1.1 期望速度 214.1.2 实际速度 214.1.3 限制速度 214.2 行人期望速度的影响因素 214.2.1 年龄 214.2.2 性别 224.2.3 出行目的 224.2.4 携带行李 224.2.5 地区差异 224.2.6 场地条件 234.2.7 其他因素 234.3 行人实际速度的影响因素 234.3.1 期望速度 234.3.2 周围行人流量、密度 234.3.3 流线组织 264.3.4 结伴出行 264.3.5 对环境的熟悉程度 26第 5 章 行人特征数据调查及分析
11、 .275.1 数据采集方法 .275.1.1 人工观测法 275.1.2 视频采集法 285.1.3 采集方法比较 285.2 行人数据采集 .285.3 交通枢纽客流量分析 295.3.1 工作日乘客进出站规律 .295.3.2 工作日乘客换乘规律 .305.4 交通枢纽内行人组成 .315.4.1 行人年龄结构 315.4.2 行人结伴情况构成 .325.4.3 行人携带行李情况 .325.5 交通枢纽内速度特性 .335.5.1 速度分布规律 335.5.2 速度随时间分布规律 355.5.3 不同年龄性别的速度对比 365.5.3 不同设施下的速度对比 375.5.4 不同年龄各设施
12、下的速度对比 375.6 行人交通流模型 .385.7 服务设施特性 .405.7.1 售票服务时间 415.7.2 安检和检票服务时间 41第 1 章 绪论1.1 研究背景构建以大中型交通枢纽为节点，具有高运行效率、高可达性、高客运能力的城市公共交通系统，是世界城市交通发展的大趋势，国外有很多成功的经验。有关交通枢纽的研究主要集中在两个层面：宏观层面、中微观层面。宏观层面是指交通枢纽的选址及其在整个交通系统中的定位与布局；中微观层面则是指交通枢纽内部的交通组织，包括车辆的组织和行人组织，以及相关设施的设计。目前关于宏观层面交通枢纽的布局与选址问题，国内外存在大量的研究成果，其理论体系较为完善
13、。但是在微观层面上，交通枢纽内的交通组织，尤其是行人交通组织研究以往未得到足够重视，直到近年来才在国外得到快速发展。我国早期对城市交通枢纽的研究主要关注的是宏观问题，对微观层面的组织问题没有十分重视。在设计思路上，缺乏以人为本的服务理念，在进行交通枢纽设计时，没有以行人利益为优先考虑对象，重点强调了设施结构强度、施工难易程度、占地、车辆行驶的方便性等因素，而忽略了行人在换乘枢纽内的主体地位，加上缺乏国外可借鉴的历史经验和理论指导，造成目前已建成的一些交通枢纽在行人换乘效率，行人组织协调性以及行人的舒适性方面不尽如人意，公众反应强烈。作为研究客流组织和行人交通设施的主要手段，行人微观仿真近年来在
14、国内外发展很快，相继开发了多种模型。利用行人仿真工具对交通枢纽进行模拟，不仅可以评价其内部客流组织和行人设施的性能，还可以评价其在紧急状态下的疏散安全性能。其仿真结果可以为设计阶段的交通枢纽的方案比选提供依据，也可用于验证各类型预案的有效性。在国外，仿真工具已经广泛用于各类与人相关的设施的评价中，国内关于建筑物的紧急疏散仿真开展较早，但对于交通枢纽的常态及紧急状态的客流组织则涉及较少，其主要原因是由于目前专门针对交通枢纽构建的行人仿真模型较少，多为国外开发的模型，且针对我国交通枢纽的行人交通流数据调查难度大，没有公认的可使用的数据，目前模型标定所使用数据基本来自国外，不能真实反应国内交通枢纽行
15、人交通流真实状况。因此，本文的研究目的就是要通过大量的交通枢纽内部行人交通流数据调查获得国内交通流详实、可靠数据，据此利用行人微观仿真工具建立一个能够适用于国内交通枢纽的行人仿真模型，并利用该模型研究交通枢纽内部行人交通组织及目前交通设施的适应性问题。1.2 研究历史和现状行人交通仿真技术是借助计算机技术、网络技术和数学理论等手段，采用虚拟现实方法，对行人交通系统进行实际模仿的一项应用技术，它需要借助计算机仿真技术对现实行人流系统进行系统建模与求解算法分析，通过仿真模型得到各种动态活动及其过程的运动记录，进而研究行人交通流系统的特征，并输出效果。从 20 世纪 90 年代中期开始，基于各种规则
16、和力的理论模型的计算机动态仿真法应运而生。行人仿真技术能够对行人行走状况进行模拟，找出潜在的常发性交通瓶颈和偶发性高峰拥挤点；能动态分析人群由于多股汇集而产生个体没有的现象，并给出相应的评价指标。同时对公共场所中可能发生的人群拥挤踩踏事故进行预测，根据预测结果对人群进行管理控制；评价现有交通设施服务水平，优化交通组织流线，能够为交通标识系统和紧急疏散预案提供有效的技术支持，并对人群聚集过程进行预测，为行人交通仿真技术的应用研究者们研究行人交通流理论提供了有效的手段。1.2.1 国外研究情况国外在行人及其疏散动力学方面的系统研究已有近五十年的历史，并且取得了广泛的研究成果，特别是近十几年来，随着
17、计算机技术的飞速发展，行人仿真技术已经成为行人及疏散动力学研究的重要手段，并成为学术领域中的研究热点。行人动力学模型可以分为宏观模型和微观模型。最早的宏观模型是由 Henderson 提出的，他认为行人的运动行为类似于气体或液体的流动。Rog L Hughes 采用连续介质理论(continuum theory)研究大型人群的运动特征。宏观模型中忽略了个体之间的差异，这与实际情况是不相符合的。微观模型具有代表性的模型有格子气模型、社会力模型，元胞自动机模型和磁场力模型等。社会力的概念最早是由 Lewin 提出的，Helbing 和他的同事一起建立了社会力模型，并把社会力作为模型的数学表达式中的
18、一项。元胞自动机(Cellua Automata)模型是 1987 年由 Toffol 和 Margolus 提出的。元胞自动机是一种以时间为基础的方法，系统的状态用一种常规的格子组成单元。每个单元可以处于几种状态中的一种(一般有两种，0 或 1)。在每一时间步中，每个单元的状态在它以前的状态以及它邻近的单元的状态的基础上升级。因而，它是一种存在局部相互影响的模拟。磁场力模型(Magnetic Force Model)把人员描述为磁场中的物体，运用磁场力来描述行人相互之间的作用力。目前，行人交通动力学模型的微观模拟方法主要用于模拟人群在交通枢纽内的行为。模拟正常人流和疏散人流的微观仿真软件，主
19、要有 Legion、Steps、AnyLogic 和 SimWalk。1.2.2 国内研究情况作为环境信息媒介,标识系统设计伴随城市交通的发展不断完善。我国自 1983年以来陆续制定了标志用公共信息图形符号国家标准,图形标识使用原则与要求 、 公共信息导向系统设置原则和要求,公共信息导向系统要素的设计原则与要求等一系列标准和规范。轨道交通作为城市公共交通或连接连城市公共交通的重要组成部分,枢纽标识系统的作用至关重要,其标识系统的设计也从早期的随意化逐步上升到标准化、系统化、科学化的道路,以满足枢纽旅客类型多样化以及行为多变化趋势条件下的旅客出行要求,但现有针对轨道交通枢纽导向标识设计的标准、规
20、范的研究仍处于初步阶段。目前我国针对轨道交通枢纽导向标识系统综合设计方面的研究较少。北京交通大学张喜教授等针对北京南站内部导向标识系统进行了初始方案设计及优化研究,通过分析功能区位、客流流线和旅客信息需求等,补充了向导标识的设置原则,提出以诱导水平最大目标,采用遗传算法和模拟退火算法等智能算法对标识布设决策点进行优化选择,但其忽略了旅客行为对标识设计的影响。目前,国内对于寻路行为的研究仍较少,较深入的是同济大学建筑城规学院徐慕青教授主持关于“复杂环境中的空间认知模式基于空间组织的防灾设计策略研究”的课题研究,主要针对“空间设计要素与使用者行为策略之间的互动关系”和“基于空间组织的防灾疏散设计策
21、略研究”两方面,以交通枢纽、地下公共空间以及建筑综合体为考察对象展开研究,根据寻路实验,利用 CCD 同步摄影、跟踪录音、寻路路径记录、问卷填答等调研手段,研究导向标识对旅行寻路行为的影响,从而对城市交通枢纽型商业空间中的标识系统做出导向性评估,确定现有城市交通枢纽型商业空间,标识系统设计的不足与改进方式。北京工业大学有关研究者通过对枢纽内部重要节点行人徘徊时间统计,利用其仿真手段进行对比评估分析,验证了利用经验提出的优化方案的合理性,为标识设计提供了有效参考和借鉴。研究表明，这些成果与西方发达国家的差距还是很大的，不能直接照搬国外的成果，西方的行人交通动力学研究成果并不完全适于我国。轨道交通
22、的快速发展与标识布局设计不足之间的凸显矛盾不仅影响到旅客在轨道交通枢纽内的出行效率,而且影响枢纽疏散能力及运营组织效率。因此，应在深入学习国外研究的基础上，对行人交通流特进行系统研究，应用交通仿真技术方法提出最符合的我国交通枢纽的标识系统布置方案。1.3 研究意义作为研究客流组织和行人交通设施的主要手段，行人微观仿真近年来在国内外发展很快，相继开发了多种模型。利用行人仿真工具对交通枢纽进行模拟，不仅可以评价其内部客流组织和行人设施的性能，还可以评价其在紧急状态下的疏散安全性能。其仿真结果可以为设计阶段的交通枢纽的方案比选提供依据，也可用于验证各类型预案的有效性。在国外，仿真工具已经广泛用于各类
23、与人相关的设施的评价中，国内关于建筑物的紧急疏散仿真开展较早，但对于交通枢纽的常态及紧急状态的客流组织则涉及较少，其主要原因是由于目前专门针对交通枢纽构建的行人仿真模型较少，多为国外开发的模型，且针对我国交通枢纽的行人交通流数据调查难度大，没有公认的可使用的数据，目前模型标定所使用数据基本来自国外，不能真实反应国内交通枢纽行人交通流真实状况。因此，本研究目的就是要通过大量的交通枢纽内部行人交通流数据调查获得国内交通流详实、可靠数据，据此利用行人微观仿真工具建立一个能够适用于国内交通枢纽的行人仿真模型，并利用该模型研究交通枢纽内部行人交通组织及目前交通设施的适应性问题。1.4 技术路线第 2 章
24、 行人仿真相关理论基础2.1 行人仿真模型分类自 20 世纪 90 年代以来，行人交通仿真动力学模型的理论取得了长足进展。研究者根据观察发现了行人运动中的规律性特征，提出了行人及人群运动的理论模型及遵循的原则。在对人群现象观察并进行理论解释的基础上，研究者采用不同的方法对行人及人群的运动状态进行描述，并建立了大量的人群运动的数学模型。2.1.1 模型层次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。行人交通仿真模型分为 2 类:第 1 类为宏观模型,把行人模拟为连续流动介质;第 2 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。表 2-1
25、 模型层次分类类别 描述现象 结果描述宏观模型应用流体力学关系描述行人拥挤现象输出只是输入的重复，自组织现象不明显微观模型行人个体之间相互作用描述行人拥挤现象行人个体之间相互作用现象明显，可以分析到许多自组织现象在宏观模型中，行人的个体行为不能被单独描述。通常是对人群的一种状态的描述，如流量、密度、平均速度等。它将行人交通流近似为气体或者流体，将流体力学的理论和方法结合人的行为规则应用于行人交通流的建模仿真中。宏观模型数学模型简单明了，计算简便，但其难以描述实际观察到的行人复杂的交通行为，缺少人与人之间的相互作用的描述，难以给出局部和细节的信息。在微观模型中，行人经常被模拟为他们之间相互作用的
26、简单“粒子” 。关注的是行人在短期内做出的决定，如考虑障碍物、行人密度和行人跟随等选择精确的路线，描述行人的实际的行走行为，如他们的瞬间决定改变方向而避免发生碰撞等。微观模型的仿真通常是基于各种不同的物理力学模型，实际上，拥挤人群运动与流体和颗粒材料的流动有一定程度的相似性。2.1.2 模型空间模型空间是描述行人运动状态的场所，不同的仿真模型空间将会对行人的行为产生不同的结果。现有的仿真模型中，通常采用以下三种仿真模型空间：表 2-2 模型空间分类模型空间 空间描述 仿真示例分块空间静态结果，无法模拟个体间的相互作用网格空间所有实体“步调一致” ，密度描述以达到上限（通常 6人/ ）2m连续矢
27、量空间 无人为的约束限制三种模型空间从粗糙型向逐步细腻型转变，分块的模型空间无法模拟出行人个体间的相互作用。网格空间中描述的所有行人的“步调”都会随着更新时间步长同时进行，并且由于网格已经被固定划分成形，难以适应密度的时空变化。连续矢量空间有着以上两种所没有的优势，模型中的行人可以进行无边界的选择，与现实中的实际场景最为相符。2.1.3 模型方法行人仿真模型方法从简单逐渐趋于复杂，按照行人行为的决定方式，个体行为模拟方法主要可概括为三大类：概率函数模拟方法、基于规则模拟方法和多智能体模拟方法。表 2-3 模型方法分类模型方法 个体描述（从简单到复杂） 应用概率函数概率模型，无法实现真实的个体相
28、互作用基于规则每次都需要“校准” ，在相互交叉作用时会出现“意外”堵塞智能体智能体需要测量当前状态；分析预测所有可选状态，并做实际操作(1)概率函数方法：用一个方程或一组方程来描述整个人群的特征，每个人的行为都由方程式决定。例如，粗网格模型采用的是把行人看成整体而很少考虑个体行为。概率模型无法重现个体相互作用的现象。(2) 基于规则方法：模型中的行人按照预先规定的一套准则来做决定，这些准则可以在一些特定情况下起作用。每次运行都需要“校准” ，模型中的行人实体同步更新，在相互作用会出现“意外”的人为堵塞。(3)人工智能体方法：模型中行人被设计成能对周围环境进行智能分析的智能体，智能体可以根据周围
29、的环境独立做决定。模型中行人实体需要测量当前状态，并做出实际的决定。2.2 典型行人运动仿真模型2.2.1 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 0.4m0.4m0.46m0.46m。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
30、步所处的位置。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。2.2.2 社会力模型社会力模型将行人抽象为粒子,描述行人在连续二维空间上运动的动力系统方程,社会力模型是 Helbing 等人在 Lewin 关于行人行为受社会力影响的研究基础上,借鉴Bolzmann 运动方程的形式建立起来的。在
31、 Helbing 研究的社会力模型中,行人会受到目标吸引产生的自驱动力,同时由于行人有与其他行人、障碍物保持安全距离的社会特征,他会受到其他行人、障碍物的斥力影响。行人 i 的自驱动力,行人 i 和行人j 之间的接触和非接触作用力,行人 i 和障碍物 w 的接触和非接触作用力。这三组方程构成行人所受社会力的系统动力学方程。 (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驱动力是模型中最显著的力，决定着行人是否以期望速度向目的地运动。如果没有干扰，行人将以速度 向期望的方向0v行进。由于必要的减速或躲避行为，实际速度 与期望速度
32、)(te )(tv的差通过一定的“松弛时间” 来修正，以接近 速度，可通过)(0tv )(0tv加速度形式描述： 00 0a 1(,v)m(v)aaaaFee(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” 。行人运动方向受他人的影响，特别是行人之间保持的距离取决于行人密度和期望速度 0v对于每一行人的个人空间， “地域效力”(territorial effect)发挥了至关重要的作用。行人接近一个陌生的行人时，通常会感觉越来越不舒适。这导致其他行人 对该行人产生斥力效应，这种效应可用一个随距离递减的指数函数来表述，包括心理作用力（即社会力）和物理力（接触力）两部分，表达式
33、为： ()(t)(t)socphfrff(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行人要与建筑物、墙壁、街道、障碍等的边界保持一定距离，这种距离也用力的形式来表式示。当行人活动时，越接近边界会觉得越不舒适，因为行人会把注意力更多地放在避免受伤害方面。边界 B 引起的斥力效应为： ()rFrUA（ ） =-其值为负且随 单调递减.)(BU（4）吸引力，行人有时会被其他人(朋友、街头艺术表演者等)或物体(如视窗、显示屏等)吸引，在地点 的吸引效应 可用与斥力效应相似的单调递增势函数iratif表示为：),(trWi(,)W(,)atai aii aifrtrt AA式中
34、： = 为行人与吸引点的位置矢量差。吸引力 与行人之间相互作iri tif用力的不同之处：前者的作用范围大于后者，且前者随时间兴趣的减少而减少，直到 0。吸引力有助于形成行人群体(与分子间作用力相似)。虽然实际情况中存在吸引力，但吸引力在模型中不是必须的，大多数模拟中即使忽略吸引力，仍能模拟出较为真实的行人现象。社会力模型模型用如下方程组表示。 0(t),v)(,)(,)(,t)a BBiiiFeFerFerFer式中： 为行人 的质量; 为当前环境下的喜爱速度; 为行人所受到的mt合力，其表达式右侧第一项为驱动力，第二项为行人与其他行人作用力的合力，第三项为行人与边界或障碍物作用力的合力，第
35、四项为吸引力的合力； 为随机变量，在模型中代表不确定的行人行为。社会力模型从人群中个体受力方面入手，运用数学解析公式表达了行人的运动过程，实践证明其能够模拟很多行人的运动状态和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,但其只是过分简单地把行人的运动分为几个力的作用结果，用来描述现实生活中的行人复杂系统显然还是不够的,对于避免碰撞的描述还不是很成熟。2.2.3 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
36、或斥力。 123kqFr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; 为连接行人和磁极的向量。r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。 costanAaV其中,V 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。表 2-4 典型行人运动仿真模型对比元胞自动机模型 社会力模型 磁力模型向目的地运动 定义方向 期
37、望速度 异极吸引避让作用 运行规则 相互作用力 同极排斥模型变量赋值 0 或 1 物理意义 任意赋值模型参数标定 分析基础数据 观测 观察描述现象 排队、自组织 排队、自组织 排队、路径搜索上述的 3 种模型都是通过运用行人交通动力学理论来研究行人规律性特征。所有的模型都在一定程度上描述了行人运动现象，体现出行人运动规律。每个模型都有自己的优缺点：元胞自动机模型应用了统计学概率方法，在时间、空间和状态变量都是离散的，这使其计算机仿真运动方面较容易实现，且能够体现出行人的运动特征，但其只对最邻近人的相互作用，未能真实地反映行人系统复杂的情况。社会力模型优点在于描述行人运动较强的真实性，能够体现人
38、群运动的自组织现象，但该模型计算量大，计算时间长。磁力模型简洁明了，让人很好理解且计算机很好实现，它没有利用人群密度和速度的经验关系，减少这方面误差，但其标定和准确性验证困难。2.3 行人运动仿真软件行人交通仿真商业软件是快速建模的有效工具,如Legion、Steps、AnyLogic、SimWalk、Nomad、SimPed、Pedroute /Paxport、Simulex、Micro-PedSim、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 SimWal
39、k(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。2.3.1 Legion 软件Legion 的早期版本由 G.K.Still 开发,采用了元胞自动机模型,后来由英国的Legion 公司研发。Legion 由 Model Builder、Simulator 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,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 部分的加权平均,即不便性(Incon
40、venience)、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,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
41、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。2.3.2 STEPS 软件STEPS 由英国的 MottMacDonald 公司研发,也是采用基于实体的方法和元胞自动机模型。每个运动实体被假定有如下基本属性:自由步行速度、对环境的熟悉、耐性、类似家庭成员间的联合、疏散情况下的预先运动时间,人群(或个人)按照假定统计分布被赋予上述属性。驱使人群运动的机制是每个个体以自由步行速度运动到下一个目标的愿望,花费最短时间且不与其他行人和障碍
42、物碰撞。STEPS 提供 2 种运行模式:正常模式和疏散模式。在正常模式下,实体为了到达目标沿不同路线行进,出口和检查点将被赋予标识,当实体被加入模型时得到初始标识,向着有相同标识的出口或检查点移动,直到通过一个系统出口离开模拟环境。在疏散模式下,实体在其所在的平面寻找可用的出口并向离各自最近的出口运动,其个体行为规则和属性将修改,不使用检查点和标识。STEPS 还能与 ANSYS CFX 流体动力学分析软件连接,导入烟气仿真数据,研究疏散模式下烟气等有毒物质对行人疏散速度的影响。STEPS 支持在 AutoCAD(DXF 格式)底图的基础上创建空间模型,提供 CSV 格式的输出数据文件,包含
43、人流量、人群密度、所使用的出口、空间利用率等。此外,提供交互式三维可视化图形输出,可以直观地浏览三维模型和从不同视角观察人的运动,还可导 3DStudioMax 模型以增强效果。其交互式二维可视化图形输出使用带颜色的等值线图来描述面和面的局部信息,评价指标包括人群密度、Fruin 服务水平和利用水平。还可输出 AVI 格式的动画和JPG、TIFF、PNG、BMP 格式的图片。2.3.3 SimWalk 软件SimWalk 由瑞士 Savannah SimulationsAG 公司研发,主要包括绘图模块 Simdraw和仿真与分析模块 SimWalk。它采用基于主体(Agent-based)的技
44、术,每个主体代表一位具有特定目的地、步行速度和避免拥挤的行人,核心算法是基于社会力模型的势场算法(PotentialFieldAlgorithm)。在势场中,行人将会朝具有最低势的区域运动,行走方向和速度取决于 3 种力。第 1 种力描述势场使行人向目的地运动;第 2 种力描述行人间的相互作用,使得行人避免碰撞并与他人保持适当距离;第 3 种力使得行人不与障碍物碰撞并与之保持适当距离。计算出势场后,主体就能算出当前所处位置和目的地之间的优化行走路线,行走路线主要由目的地、路径上与其他行人和障碍物的作用、其他行人和物体的位置决定。在仿真过程中,所有主体将进行循环迭代计算,根据上述的 3 种力计算
45、出下一时间步的速度和方向,并进行 4 种检验。(1)边界检验:检验主体位置处于势场边界内; (2)可见性检验:检验没有障碍物和墙阻挡行进; (3)物体压力检验:检验没有墙和障碍物在检测半径内; (4)行人压力检验:检验无其他行人位于检测半径内。模型建立中,先运用 Simdraw 建立包含步行空间的建筑布局平面,软件支持AutoCAD 的底图上创建。然后,建立行走路线和步行行为并设置仿真全局参数,需创建行人行走的起始点(区)、退出点(区)、等待点(区)、延误区、楼梯、电梯、自动扶梯、计数器和人群属性并定义相应参数,通过“Configuration”菜单设置影响全局的仿真运行参数,如时间步长、势单
46、元尺寸、密度单元尺寸、物体范围、相互作用范围、压力因子和服务水平等。SimWalk 提供 4 种显示模式,即主体显示(行人显示为圆点)、迹线显示(显示行人的迹线和速度),密度显示(显示服务水平)、负荷度显示(显示区域为行人的累积利用情况)。此外,提供多种文本和图形统计输出,包括截图和动画、事件统计、个体统计(起终点、持续时间、距离、速度等)、人群统计、出口统计等。2.3.4 AnyLogic 软件AnyLogic 是俄罗斯 XJTechnologies 公司研发的复杂系统仿真软件,由基础仿真平台和企业库等组成,行人仿真主要依靠其行人库实现,核心算法为社会力模型。用户从模板库中将所需对象拖拉到工
47、作空间中,再定义这些对象的属性和相互间的关系,使建模过程变得直观快捷。行人库的对象分为全局参数设置对象 PedConfiguration、环境对象、行人对象和人群对象。AnyLogic 中的行人仿真建模包括环境建立、创建行为流程图、运行仿真和结果分析几个步骤。环境包括墙、不同的区域、服务、队列等,要创建环境对象,需使用动画编辑器绘制布局图或导入图片作为布局图,再加入对应的库对象并设置属性。常用的环境对象有:表示不同楼层的 PedFloor、定义收集统计数据区域的 PedAreaStats、改变步行速度区域的 PedAreaChangeSpeed、限制进入区域的 PedAreaRestricte
48、d、表示等待区域的 PedAreaWaiting、表示服务形式PedShapeService。行人行为使用流程图的方式定义,从行人库中拖动对象到工作空间中并设置属性,然后将多个对象连接在一起。常用的行人对象有:生成行人的 PedSource、将行人移出系统的 PedSink、行人进入的 PedEnter、行人退出的 PedExit、行人转向的PedGoTo、行人变换楼层的 PedChangeFloor、行人等待的 PedWait、定义服务点位置及队列的 PedServiceQ。常用的人群对象有:人群产生的 PedGroupSource、人群集中的 PedGroupAssemble、人群解散 P
49、edGroupDissolve。AnyLogic 可输出动画和行人数目、平均密度、停留时间等统计数据。运用AnyLogic 行人库中的各种对象,结合企业库对象,可解决复杂的行人仿真建模。相比专门的行人仿真软件, AnyLogic 具有开放式的体系结构,支持基于主体的建模和二次开发,能与其他软件及用 Java 语言或其他语言编写的自定义模块协同工作,为行人交通仿真建模提供更大的灵活性。表 2-5 软件技术性能对比软件名 建模方法 输 入 输 出 二次开发Legion 元胞自动机模型建筑空间布局,实体物理半径、步行速度、行人的横向摆动位移、行人空间要素等输出图形、数据、图表,输出人流密度、步行时间、疏散时间、步行速度、排队长度、空间利用率等不能STEPS 元胞自动机模型建筑空间布局,行人的三维尺寸、耐性、步行速度、对周围环境的熟悉程度等数据文件有人流量、人群密度、所使用的出口、空间利用率等。不能SimWalk 基于社会力模型的势场模型建筑空间布局,仿真全局参数,创建起始点(区)、退出点(区)、等待点(区)等对象并定义参数四种显示模式,截图和动画、事件统计、个体
