基于社會力模型的軌道交通客運樞紐行人交通建模研究

黎志濤 何紅

摘 要：為貫徹“以旅客為中心”的理念，支撐軌道交通客運樞紐精細化的設施布局設計和客流組織設計，研究引入社會力模型對軌道交通客運樞紐的行人交通運行進行建模和仿真。在分析社會力模型的主要建模思路和變量參數的基礎上，結合軌道交通客運樞紐旅客行為特點分析，研究利用AnyLogic等仿真平臺，圍繞環境建模和行為建模等方面，構建適應軌道交通客運樞紐場景、體現軌道交通旅客特色的行人交通仿真模型，梳理形成完整的建模方法，為軌道交通客運樞紐的規劃、設計和管理分析優化的研究提供基礎理論支撐。

關鍵詞：行人交通;軌道交通客運樞紐;客流仿真;社會力模型;AnyLogic

中圖分類號：U231.4 文獻標識碼：A

0 引言

隨著“以人為本”的理念越來越深入人心，軌道交通客運樞紐的規劃、設計已向著“以旅客為中心”，為旅客提供更快捷、更便利、更舒適的服務而轉變。為此，行人交通理論也作為關鍵技術引入到該領域，為量化的分析評價提供有力的工具[1]。和一般實物粒子的流動相比，行人交通流受到通行規則、環境、位置以及行人自身的心理等多種因素的共同影響，呈現為十分復雜的非線性系統，表現出很強的系統隨機性和復雜性[2-3]，例如在行人密度由低到高連續變化的過程中，行人交通系統會出現各種復雜現象，例如亞穩態、臨界相變、自組織行為等。

這是由于在行人交通系統中各行人之間、行人與樞紐設施設備具有相互作用，而由于行人在心理和生理上的個別差異，不同的行人行為在存在一定共性的基礎上，又存在相當程度的隨機性[4]。為此，引入行人交通仿真技術，以行人交通系統中單個行人為基本單位，根據行人的各種心理特點來建立模型，模擬行人在軌道交通客運樞紐站廳、站臺等不同場景中的各種行為，通過統計分析量化分析軌道交通樞紐中行人交通特性。

本文在分析社會力模型的基礎上，結合鐵路客運樞紐的旅客行為特點，重點研究建立基于社會力模型、適合軌道交通客運樞紐換乘的行人交通仿真模型，并研究利用AnyLogic等仿真平臺構建仿真模型，為軌道交通客運樞紐的規劃、設計和管理分析優化的研究提供基礎理論支撐。

1 社會力模型

Helbing等基于牛頓第二定律建立了面向行人交通的社會力模型[5]。為簡化起見，該模型將行人所在的空間抽象為二維的平面空間，所有的行人視為具有自驅動行為的個體，每一個個體都向目標點靠近，在行進的過程中會受其他行人和障礙物的影響，動態地調整移動速度的大小和移動方向。按照動力分析，行人主要受三種作用力，即自身驅動力、人與人間的作用力、人與障礙物間的作用力，而這三種作用力亦被統稱為社會力。

設定行人a的質量為，受到自身驅動力的影響，以期望速度沿著期望方向移動，在行進過程中調整得到實際速度。同時，行人個體還受到其他行人b和障礙物的影響，影響的作用力與距離相關，作用力分別表達為和。行人a在模型中社會力作用情況如圖1所示。

（1）

（2）

—行人質量;

—環境條件下行人喜愛的步行速度;

—行人所受合力;

—不確定性行為的隨機變量;

—自身驅動力;

—障礙物對行人的作用力;

—不同行人之間的作用力;

—吸引力。

相比較于格子氣模型、元胞自動機模型等其他行人交通仿真模型，社會力模型將行人交通自身物理條件、心理狀況和動機因素等方面的影響納入考慮，引入了自身驅動力和社會排斥力等概念，用于描述一定空間內行人交通具有優勢，尤其是對于軌道交通客運樞紐的行人交通分析，能有效反映較為擁擠的車站行人空間中的行人間的相互影響。因此，本文將重點研究利用仿真平臺，建立基于社會力模型的軌道交通客運樞紐行人交通仿真模型。

2 利用AnyLogic對軌道交通客運樞紐行人交通建模

2.1 軌道交通客運樞紐行人交通特點

軌道交通客運樞紐的行人交通有很強的目的性，絕大多數行人在都是以車站出入口或軌道交通列車等為目的地，按照一定的時空順序途徑或使用一系列的行人交通設施設備，并在樞紐內形成相對固定且連續的行進流線。在車站內，行人活動一般可以根據具體活動所在的場所，分為出入口、安檢、售票、站廳、檢票、站臺等不同環節，不同的環節之間還會通過通道、電梯、樓梯等平面和垂直行人交通連接設施，完成進站、出站和換乘等活動。

作為微觀的個體，在樞紐的行人在行進過程中也會體現共性與個性。不同的行人總體上都符合社會力模型，行人在自身驅動力下，受其他行人和障礙物影響，動態調整速度向目標點移動，具體行進路線遵循樞紐出行活動鏈，例如進站按照“進站口—電梯/樓梯/通道—安檢—站廳—售檢票—電梯/樓梯/通道—站臺—列車”，出站按照“列車—站臺—電梯/樓梯/通道—售檢票—站廳—安檢—電梯/樓梯/通道—進站口”，在行進的過程中，盡量避免跟其他行人和障礙物碰撞;個性為行進過程中會有不同的偏好，也存在對喜好的事物進行關注等隨機因素，例如在進閘機時的選擇有個人喜好和隨機性。

2.2 AnyLogic及行人交通仿真庫

AnyLogic是一個專業虛擬仿真的平臺軟件，不同于一般建模工具僅支持單一的建模方法，它整合了系統動力學、離散事件和智能體建模等多種建模方式，并支持同一模型中使用不同的建模方法，可以用于實現包括離散、連續和混合行為的復雜系統，應用于包括生產制造、供應鏈、交通運輸、倉儲運作、碼頭和港口等多種領域的仿真與分析。

其中，行人個體可以通過智能體建模，行人被定義為分散的個體，具有相類似的行為，但在參數、變量等具體值有所不同。為優化對行人交通流的仿真，AnyLogic專門建立了行人庫，可以用于創建完整的步行建筑或街道的模型。行人模型建模包括環境和行為兩個主要部分，行人庫提供了環境建模工具，可以在繪制行人空間，以及在其中添加障礙物（例如墻壁、立柱）和服務設施（例如服務臺）。行人有相對共同的行為模式，各自在連續空間中按照社會力模型移動，通過分析當前環境選擇最短的路徑，避免與其他物體相撞，并決定進一步的運動，并根據預先分配了個人屬性、偏好和狀態做出個性化的決定。

行人庫也提供了統計分析工具，可以收集統計不同區域行人交通量、密度、停留時間等參數，并輸出密度圖等分析成果。

2.3 AnyLogic軌道交通樞紐行人建模

根據軌道交通客運樞紐方案，利用行人庫，從環境和行為兩個主要方面進行建模。首先利用行人庫中的設施設備對環境建模，并對各類環境元素進行功能配置;第二階段是行為建模，主要是通過設計邏輯流程圖，描述地鐵車站內行人的微觀行為。

2.3.1 環境建模

對應社會力模型中的空間和障礙物，主要包括軌道交通客運樞紐的主要建筑體，例如出入口、墻壁、通道、電梯、樓梯、護欄等，以及各類服務設施如安檢機、售票機、驗票閘機等，以及作為行人生成點、目的點的“目標線”，用于統計分析的“服務線”“服務區域”等。在具體建模工作中，“目標線”和服務設施設備需要設置相應的參數，例如服務時間、服務數量、隊列策略等（如圖2）。

2.3.2 行為建模

行人交通模型是基于社會力模型，行人根據預先分配了個人屬性、偏好和狀態，比如是否保持行人距離、行人距離的最小值、是否攜帶行李等，結合空間和躲避障礙物向目的地行進，除非行人的密度太高（例如在瓶頸情況下），否則移動的行人都將努力與其他行人之間的距離。步行的出行鏈建模主要是通過設計邏輯流程圖，定義從生成到目的地的所有流程步驟，用連接器將各個與環境中的對應的模塊相連接，并設定如行人到達速率、行走速度等設置參數。行人交通流的形成是各個行人個體共同作用的結果，另一方面也展現出隨機性，在流程邏輯圖中引入多種可能性，例如通過閘機前，部分乘客先到購票機購置車票，部分乘客采用儲值卡、掃碼付款等形式直接通過閘機（如圖3）。

2.3.3 主要參數設置

本次客流仿真評價的相關設施通行能力計算參考《地鐵設計規范（GB50157—2013）》，電梯輸送速度設置為0.5 m/s，1 m寬樓梯設置為3 200人次/h，人工實名驗證、人臉識別實名驗證和進出站閘機時間設置為2 s，安檢時間設置為5 s，行人舒適速度和行人直徑分別設置為從0.5 m/s至1.2 m/s和從0.4 m至0.5 m正態分布。

3 結語

本文在分析社會力模型的主要建模思路和變量參數的基礎上，對軌道交通客運樞紐的旅客行為特點進行分析，研究利用AnyLogic仿真平臺及其行人庫，重點從環境和行為兩個方面，構建適應軌道交通客運樞紐場景、反映軌道交通旅客特點的行人交通仿真模型，形成一套完整、系統的軌道交通客運樞紐建模方法。研究表明，利用AnyLogic仿真平臺及其行人庫，能夠有效構建軌道交通客運樞紐建筑體以及包括安檢設備、售檢票設備、電梯、樓梯在內的服務設施，并有效實現基于社會力模型的行人交通仿真，模擬樞紐的運行。從而，為軌道交通客運樞紐的設施布局和客運組織方案的量化分析，提供了有效的理論和應用基礎。

參考文獻：

[1]孫元廣，楊乃蓮，史聰靈，等.基于行人仿真技術的軌道交通多線換乘車站設計研究——以廣州天河公園站為例[J].中國安全生產科學技術，2014（10）：107-111.

[2]賴藝歡，張星臣，陳軍華，等.基于多層次行人行為模型的地鐵大客流仿真[J].大連交通大學學報，2019（3）：1-6.

[3]張蕊，楊靜，楊晨威，等.考慮結伴行為的地鐵通道行人仿真建模研究[J].交通運輸系統工程與信息，2019（5）：163-168.

[4]李文新，彭其淵，李登輝，等.城市綜合客運樞紐旅客換乘仿真研究[J].計算機仿真，2019（6）：160-165.

[5]D.Helbing.Social Force Model for Pedestrian Dynamics.Phys.Rev.E 1995.