交通工程专业毕业设计论文行人仿真模型设计

交通工程专业毕业设计论文行人仿真模型设计内容摘要：

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。 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 (Magic 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 法主北京建筑大学本科生毕业设计 （论文 ） 7 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，主要有 Legion、 Steps、 AnyLogic 和 SimWalk。 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 人交北京建筑大学本科生毕业设计 （论文 ） 8 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。 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。 技术路线 北京建筑大学本科生毕业设计 （论文 ） 9 第 2 章 行人仿真相 关理论基础 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。 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 21 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，北京建筑大学本科生毕业设计 （论文 ） 10 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。 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 22 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。 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。 北京建筑大学本科生毕业设计 （论文 ） 11 表 23 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。 典型 行人 运动仿真 模型 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 —。 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)的进入概北京建筑大学本科生毕业设计 （论文 ） 12 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。 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 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 0v 向期望的方向 )(te行进。 由于必要的减速或躲避行为，实际速度 )(tv 与期望速度 )()( 00 tevtv    的差通过一定的“松弛时间”τ来修正，以接近 )(0tv 速度，可通过加速度形式描述： 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 0v 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，表达式为： 北京建筑大学本科生毕业设计 （论文 ） 13 ( ) ( t ) ( t )soc phf r f f        (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 ： ()rF r U r     。