考慮共同避讓行為的門診大廳多向行人仿真

張 蕊, 費 碩, 楊明航, 許伊婷

(1.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院, 北京 100044； 2. 北京建筑大學(xué)首都世界城市順暢交通協(xié)同創(chuàng)新中心, 北京 100044；3. 北京建筑大學(xué)北京市城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程技術(shù)研究中心, 北京 100044； 4. 悉地(蘇州)勘察設(shè)計顧問有限公司, 蘇州 215123)

醫(yī)院門診大廳作為患者進院后接觸的首個建筑空間,一般承擔(dān)掛號、收費、取藥、導(dǎo)醫(yī)問詢、患者等候等多項服務(wù)功能,多向步行交通沖突頻繁,合理的空間規(guī)劃、設(shè)計及管理對實現(xiàn)行人有序活動及空間高效利用尤為重要。

現(xiàn)有門診大廳等類似空間規(guī)劃研究中[1-3],以分析行人的空間認(rèn)知和尋路體驗為主,進而提出人性化設(shè)計建議,但由于行人步行多向沖突特征等微觀行為難以掌握,相關(guān)原則和建議難以落實,驗證時缺乏量化分析工具。行人微觀仿真可再現(xiàn)并量化分析門診大廳等類似空間行人交通行為及其影響,為該類空間規(guī)劃、設(shè)計及管理提供可靠的分析工具。

門診大廳行人交通的顯著特征是多向行人流,該特征也存在于軌道交通站臺、對向行人通道、大型活動疏散等場景中,其突出的行為特征是行人間步行沖突與避讓。社會力模型根據(jù)其建模機制可實現(xiàn)行人間的“被動”避讓,但一般行人會根據(jù)自身環(huán)境預(yù)測步行沖突并進行主動避讓,包括改變速度或步行方向。Harada等[4]引入行人自回避力和轉(zhuǎn)向力,描述了通道疏散時行人走行的提前避讓現(xiàn)象。漆天揚[5]在文獻[4]基礎(chǔ)上擴大了行人自回避力感知范圍,增加減速回避行為描述,實現(xiàn)軌道交通站廳行人微觀仿真。Gao等[6]以時間間隔及碰撞時間作為判斷潛在沖突的指標(biāo),并加入?yún)?shù)反映行人競爭程度對其避碰的影響。何民等[7]設(shè)計了融合Agent建模思想的行人動態(tài)避讓算法,真實再現(xiàn)同伴群成員與個體行人間避讓行為特征。齊澤陽[8]結(jié)合行人沖突預(yù)測及右行偏好,更新行人期望目的地,并增加主動避讓力,完善對向行人主動避讓行為。孔德璇[9]考慮仿真中行人所受排斥力與當(dāng)前運動方向相反時,僅有減速而不能避讓的行為局限,加入水平方向的主動避讓力,使其與原排斥力共同作用,實現(xiàn)主動繞行。上述研究實現(xiàn)了行人由被動避讓向主動避讓的轉(zhuǎn)換,更符合行人沖突與避讓特征,但沖突預(yù)測多以感知避讓空間為主要判斷方式,缺乏對避讓行人間步行關(guān)系因素的考量,且對避讓過程中的共同避讓行為難以描述。另一方面,交通樞紐、地鐵站廳等盡管與門診大廳空間類似,但由于其空間面積相對較大,行人尋求最短路徑以及跟隨性強等特點有別于門診大廳內(nèi)行人走行常態(tài),難以在醫(yī)院門診大廳等類似空間應(yīng)用。

基于此，充分調(diào)研醫(yī)院門診大廳多向行人步行沖突與避讓行為并對共同避讓行為進行定義,分析共同避讓行為發(fā)生的主要影響因素及其特征,進而建立醫(yī)院門診大廳多向行人沖突避讓行為社會力模型,據(jù)此作為量化分析工具,對醫(yī)院門診大廳空間布局進行量化分析，以期為相關(guān)設(shè)計提供理論支持。

1 醫(yī)院門診大廳行人運動特性分析

1.1 醫(yī)院門診大廳環(huán)境分析

選取北京市某中醫(yī)院門診大廳為研究對象,走行行人以普通成年人為主,乘輪椅及其他身體障礙者較少。其空間布局為長方形,設(shè)有出入口3個,南北向長約30 m,東西向?qū)捈s20 m,設(shè)有掛號、辦卡、繳費、取藥、導(dǎo)診等多項服務(wù)。

根據(jù)多向行人沖突密集程度可將該門診大廳分為聚集區(qū)域和服務(wù)區(qū)域,聚集區(qū)域行人常態(tài)密度為0.5～1.3 p/m2(p表示person),行人從3個出入口進入門診大廳后,需穿越主要步行通道,往返于咨詢臺、掛號繳費機及綜合服務(wù)窗口,導(dǎo)致多向行人沖突頻繁發(fā)生。行人偏向通過改變走行方向、調(diào)整速度以避免潛在的沖突。服務(wù)區(qū)域主要位于各自助機、服務(wù)窗口附近,行人走行特征與聚集區(qū)域顯著不同,本文僅針對醫(yī)院門診大廳行人聚集區(qū)域進行行人運動特性分析。

1.2 共同避讓行為

調(diào)查發(fā)現(xiàn),聚集區(qū)域內(nèi)行人根據(jù)不同的潛在沖突情況,主要采取減速等待、轉(zhuǎn)向繞行等避讓方式。在聚集區(qū)域常態(tài)密度下,行人步速受限、步伐調(diào)整頻繁,服務(wù)水平降低,調(diào)查顯示約92%的行人采取了轉(zhuǎn)向繞行避讓,且隨著行人密度增加,可供轉(zhuǎn)向繞行的空間不足,行人減速等待的比例也在升高。

觀察發(fā)現(xiàn),聚集區(qū)域內(nèi)行人密度為0.6～1.2 p/m2時,行人在采取轉(zhuǎn)向繞行避讓時,存在自發(fā)的共同避讓行為,平均0.8 次/人。該行為可具體描述為:在兩步行方向夾角較大的行人間發(fā)生沖突時,其中一方(以下稱主動避讓行人)在主動避讓的同時,會在視野范圍內(nèi)尋找并靠近與自身步行方向相同或夾角較小的第三者(以下稱共同避讓行人),與其共同避讓原沖突對象(以下稱沖突對象)。如圖1(a)所示,行人①判斷即將與自身步行方向夾角較大的行人②發(fā)生沖突,于是接近圖1(b)中與自身步行方向夾角較小的行人③,共同避讓行人②。

圖1 行人共同避讓行為過程

1.3 共同避讓行為影響因素

1.3.1 視野范圍

行人視野范圍包含視野角度及視野半徑。現(xiàn)實生活中,考慮行人多在意走行在自身前方的行人,而側(cè)向及后方行人產(chǎn)生影響較小,為優(yōu)化行人受力效果,減少非必要計算,需重新判定門診大廳聚集區(qū)域行人視野范圍。從已有研究來看,對行人視野角度的取值主要為當(dāng)前運動方向上120°～180°[10-13]范圍內(nèi)。由于門診大廳空間面積相對較小,行人走行平均速度較低,因此將行人共同避讓時感知的視野角度確定為120°。

另一方面,聚集區(qū)域內(nèi)行人視線受阻,重點關(guān)注近距離內(nèi)其他行人產(chǎn)生的影響。調(diào)查發(fā)現(xiàn),聚集區(qū)域行人搜索范圍隨行人密度的增大而減小,本研究調(diào)查密度下,搜索范圍為視野角度內(nèi)2.0 m范圍,如圖2所示。

圖2 門診大廳聚集區(qū)域行人視野范圍

1.3.2 共同避讓行人步行方向夾角

調(diào)查發(fā)現(xiàn),主動避讓行人與共同避讓行人的步行方向夾角較小時,采取共同避讓行為概率較高。醫(yī)院門診大廳行人步行方向夾角為0°～180°,以5°為區(qū)間,觀察得到二者步行方向夾角與接受共同避讓概率的關(guān)系,如表1所示。

表1 步行方向夾角與行人共同避讓關(guān)系

結(jié)果表明,步行方向夾角為0°～15°時,必定發(fā)生共同避讓行為；15°～45°時,采取共同避讓的概率與步行方向夾角成反比；45°～180°時基本不產(chǎn)生共

同避讓。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù),利用二次曲線擬合步行方向夾角為15°～45°時行人選擇共同避讓概率(P)與二者步行方向夾角(θ)的關(guān)系為

P=(897.256cosθ2-1 093.024cosθ+

309.136)%

(1)

1.3.3 共同避讓行人間距

行人產(chǎn)生共同避讓意愿時,主動避讓行人完成視野范圍內(nèi)目標(biāo)搜索后,更傾向靠近與自身距離最近的共同避讓行人。如圖3所示,行人①在避讓行人②時,靠近與自身步行方向夾角較小且距離更近的行人③,而非行人④。

圖3 行人共同避讓行為選擇

調(diào)查發(fā)現(xiàn),盡管主動避讓行人與共同避讓行人間無親人、情侶等親密關(guān)系,但二者有潛在的合作意向,其最小間距在可接受社會距離的基礎(chǔ)上可進一步減小,最小可達0.3 m,個別情況下該距離為零。共同避讓行為發(fā)生時主動避讓行人與沖突對象的間距關(guān)系主要與性別有關(guān),如表2所示,主動避讓行人為男性時,該間距平均值為1.95 m,女性時該值為2.11 m。

表2 主動避讓行人與沖突對象間距

2 多向行人仿真建模

2.1 模型改進思路

社會力模型為連續(xù)型模型,由自驅(qū)動力、行人間作用力及行人與邊界或障礙物的作用力組成,在上述合力作用下,行人的速度變化、跟隨等基本行為能較好體現(xiàn)。根據(jù)社會力模型機制,行人間作用力隨行人間距的減小而增大,但共同避讓行為發(fā)生時,主動避讓行人選擇主動靠近共同避讓行人,與行人間作用力機制矛盾。本文引入沖突判斷機制,在多向行人發(fā)生共同避讓行為時通過共同避讓行人間吸引力來描述共同避讓行為。

2.2 基于共同避讓行為的社會力模型改進

當(dāng)聚集區(qū)域行人密度為0.5～0.6 p/m2時,可供行人選擇的轉(zhuǎn)向避讓空間較為充足,此時共同避讓行為發(fā)生概率較低；行人密度為1.2～1.3 p/m2時,轉(zhuǎn)向避讓空間受限,多向行人沖突以減速避讓為主。結(jié)合第1.2節(jié)中調(diào)查結(jié)果,確定0.6～1.2 p/m2為產(chǎn)生共同避讓行人間吸引力的行人密度條件。

(2)

2.2.1 沖突判斷機制

社會力模型中,行人的避讓行為完全由心理排斥力實現(xiàn),忽略了行人的自主性。現(xiàn)引用Asano等[15]提出的沖突判斷機制,根據(jù)行人到達潛在沖突點的時間,判斷是否會發(fā)生沖突。

(3)

(4)

式中：TCi、TCj為行人i與行人j到達潛在沖突點所需時間；Pc為行人i與行人j潛在沖突點位置,由二者當(dāng)前步行方向延長線交點決定；Pi、Pj為當(dāng)前行人i和行人j位置坐標(biāo)；vi、vj分別為行人i和行人j的速度。

(5)

式(5)中:TCij為兩行人移動至潛在沖突位置所用時間差。則當(dāng)TCij越小,行人i與行人j間產(chǎn)生沖突概率越大,主動避讓行人在視野范圍內(nèi)搜索到共同避讓行人后,引入共同避讓吸引力(fiG)。

2.2.2 共同避讓吸引力

與自驅(qū)動力類似,共同避讓時行人間吸引力(fiG)是在發(fā)生共同避讓時行人的主動行為,考慮共同避讓行為發(fā)生時主動避讓行人的視野范圍、與共同避讓行人的步行方向夾角及間距等因素,確定共同避讓行為發(fā)生條件。一是滿足主動避讓行人的視野角度與搜索范圍,以參數(shù)aij,1、aij,2分別對搜索范圍和視野角度進行判斷。

(6)

(7)

二是主動避讓行人與共同避讓行人步行方向夾角應(yīng)滿足共同避讓行為發(fā)生條件。由第1.3.2節(jié)中調(diào)查結(jié)果,結(jié)合式(1)定義二者步行方向夾角權(quán)重參數(shù)aij,3。

(8)

三是主動避讓行人與共同避讓行人間距過近后,共同避讓吸引力應(yīng)不再增強,參考行人間作用力,以參數(shù)aij,4描述二者間距對受力的影響。

(9)

式(9)中：ri、rj分別為行人i與j的半徑,取為0.2～0.3 m[14]；C1為常數(shù)；s為保障行人步行安全的個人距離,根據(jù)調(diào)查取0.15 m。

綜上所述,產(chǎn)生共同避讓意愿時行人間吸引力(fiG)可以表述為

(10)

3 模型驗證及應(yīng)用

3.1 仿真環(huán)境構(gòu)建

基于門診大廳多向行人微觀仿真模型,利用Pycharm進行平臺構(gòu)建及編譯。現(xiàn)參照北京中醫(yī)醫(yī)院門診大廳搭建仿真環(huán)境,重點模擬聚集區(qū)域內(nèi)多向行人走行的沖突及共同避讓行為。將門診大廳劃分為行人聚集區(qū)域和服務(wù)區(qū)域,根據(jù)3個主要出入口、服務(wù)臺位置及最大排隊長度確定聚集區(qū)域,如圖4所示,聚集區(qū)域內(nèi)行人走行所受合力對應(yīng)式(2)。其他區(qū)域為服務(wù)區(qū)域,根據(jù)Parisi等[16]自停模型進行仿真,用以描述行人在隊列中的排隊及行走行為。

3.2 仿真模型驗證

3.2.1 聚集區(qū)域共同避讓行為驗證

選取仿真中t～t+0.50 s,獲取聚集區(qū)域行人位置及期望步行方向,聚集區(qū)域內(nèi)與共同避讓行為相關(guān)的行人在圖5中標(biāo)出。

圖5 多向行人沖突避讓過程

結(jié)果顯示,T=ts時有4組潛在的共同避讓行為。共同避讓行為開始0.25 s后,各主動避讓行人搜索發(fā)現(xiàn)視野范圍內(nèi)的共同避讓行人,期望前進方向均偏向共同避讓行人,且二者間距逐漸減小。共同避讓行為開始0.50 s后,主動避讓行人與共同避讓行人間距可縮小至0.3～0.5 m,且受行人間作用力未出現(xiàn)位置重疊,真實再現(xiàn)了多向行人沖突時的共同避讓行為。

3.2.2 速度-密度關(guān)系驗證

將仿真獲得的行人速度-密度關(guān)系與實測數(shù)據(jù)進行對比,如圖6所示。表3選取聚集區(qū)域密度為0.6、0.8、1.0、1.2 p/m2進行行人速度誤差分析,結(jié)果均小于10%,表明仿真模型結(jié)果能代表觀測值。

表3 仿真誤差分析

圖6 仿真與實測數(shù)據(jù)對比

3.3 門診大廳行人布局研究

調(diào)整門診大廳行人聚集區(qū)域空間布局,有利于縮小多向行人沖突范圍,提升門診大廳行人服務(wù)水平。以北京中醫(yī)醫(yī)院門診大廳為例,保持門診大廳服務(wù)區(qū)域布局及行人聚集區(qū)域面積不變,改變聚集區(qū)域長寬比例,選取1∶0.1～1∶1的空間形式,探究行人密度為0.5、0.7、0.9 p/m2,行人流量為2 000、3 000、4 000 p/h時行人平均速度變化,得到不同行人密度、流量下長寬比與行人平均速度的關(guān)系,如圖7所示。

由圖7可知,不同行人流量及密度下行人平均速度均受門診大廳長寬比影響。當(dāng)長寬比處于1∶0.1～1∶0.2,行人流量與密度均較低時,行人平均速度較高,此時門診大廳內(nèi)行人步行沖突較少,步行服務(wù)水平較高；長寬比處于1∶0.2～1∶1時,不同流量及密度下行人平均速度均隨長寬比的減小同步下降,表明門診大廳內(nèi)行人步行沖突增多,步行服務(wù)水平有所降低；長寬比小于1∶0.6后,行人平均速度下降趨勢加快,且隨行人流量與密度的增加愈發(fā)明顯。綜上,除門診大廳服務(wù)區(qū)域外,聚集區(qū)域長寬比在1∶0.1～1∶0.6為宜。

4 結(jié)論

本文探究了醫(yī)院門診大廳沖突聚集區(qū)域多向行人運動特性,建立了考慮共同避讓行為的多向行人仿真模型,并應(yīng)用于門診大廳布局研究。

(1)通過實地調(diào)研,定義門診大廳多向行人沖突時的共同避讓行為,共同避讓行為發(fā)生主要與行人視野范圍、共同避讓時兩靠近行人步行方向夾角及二者間距有關(guān)。

(2)基于社會力模型,結(jié)合共同避讓行為影響因素,引入共同避讓時行人間吸引力,結(jié)合沖突判斷機制,建立多向行人沖突時共同避讓模型。

(3)根據(jù)多向行人仿真模型,通過調(diào)整醫(yī)院門診大廳聚集區(qū)域空間布局,分析行人平均速度變化,得到門診大廳長寬比以1∶0.1～1∶0.6為宜。

為降低建模難度,研究缺少對門診大廳內(nèi)行人的結(jié)伴行為,以及輪椅、病床等行人形態(tài)差異的考慮,在實際應(yīng)用中應(yīng)加以考慮和完善。