基于社會力行為模型的交通樞紐行人微觀仿真技術研究

摘要 交通樞紐工程是城市中的重要公共設施，其設計建造應融入人性化理念，關注人的感知體驗，考慮多種因素對人的影響，以提高公共交通服務的便捷性、安全性和整體效能。文章基于社會力行為建模和元胞自動機理論，通過構建行人行進模型、人車交互模型，實現了對城市交通樞紐行人、車輛交互行為的微觀仿真，為交通樞紐規劃和運營管理科學決策提供了技術支持。

關鍵詞 社會力行為；交通樞紐；微觀仿真

中圖分類號 U491 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0039-03

0 引言

當前，發達國家正持續引領仿真技術革新，通過構建愈發貼近真實世界、安全優先的仿真體系，賦能城市規劃、交通優化、公共安全管理等領域，推動其向更高精度、更深層次發展。Daamen W[1]為代表的科研團隊運用面向對象理論構筑行人流量的交通仿真模型，實現對行人運動規律的高度仿真；Berrou J. L等[2]應用微觀交通仿真軟件，通過社會力模型對行人進行受力分析，構建了行人基本行為趨向性的模型。國內現有技術大多依賴國外仿真軟件，存在技術封鎖和技術管制風險，李佳輝[3]等應用Anylogic仿真軟件，對車輛與行人之間耦合關系進行研究，實現了車輛載客駛離與后車駛入空車位仿真；黃健等[4]基于社會力模型，探究了北京西站地下通道的客流聚集效應。

1 交通樞紐行人微觀仿真建模

1.1 社會力與元胞復合的行人行進模型

該項目結合社會力模型和元胞自動機模型的二者優勢，提出新模型，關鍵步驟包括參數設定、網格構建、行人信息保存、對沖行人集合獲取、虛擬墻構建及社會力計算改進等，有望為行人模擬帶來新突破。

方案中的房間被分成二維的方形單元，每個單元大小為0.4 m×0.4 m，每個單元格有三種狀態：一、可空；二、可被行人占用；三、可被障礙物占用。一個單元格最多被一個行人占據。在每一個時間步中，每個行人都必須決定要去哪里。每個行人只能移動一個單元格，并且始終選擇值最小的空相鄰單元格（馮·諾依曼鄰域）作為目標。一個時間步長的長度為0.3 s，這意味著行走速度約為1.33 m/s。規則如下：

第一，當潛在目標數量大于1時，以等概率選擇其中一人作為撤離者的目標。

第二，當多人選擇同一單元作為目標時，允許其中一人以等概率進入目標單元。

在模型中，單個行人的運動規則更具確定性。步驟如下：

（1）參數設定

該模型需用到六個模型參數，分別是Angle（網格角度），角度值為45°；AOffset（對沖網格偏移），偏移值為1；SLength（周圍行人的搜索范圍），200 cm；VDistance（行人距離小于VDistance時構建的虛擬墻），距離60 cm；CA（行人當前角度），動態變化；N（需構建的網格數），N=360°/Angle。

（2）網格構建

根據設定的Angle計算個數，公式為N=360°/Angle。結合建筑規模，分別建立了8個尺寸為20 cm×20 cm的行人位置信息保存網格，網格序號（0～7）分別對應7個行人角度區間，行人角度0°～359°，每區間等差44°。

（3）行人位置信息保存

根據公式：Idx=CA/Angle（除數≠0，當Angle =0°時對應序號為0），每個序號所對應的網格中都保存了不同角度的行人當前的角度信息。

（4）獲取對沖行人集合

1）獲取對沖網格集合

根據行人當前角度CA，計算水平正對面的網格序號Idx，公式為Idx=（CA+180°）/Angle，再根據AOffset獲取對沖網格集。

2）獲取對沖行人集合

遍歷對沖網格所有行人，把距離小于SLength的行人放入對沖行人集合。若某行人{ped1，60°}周圍2 m范圍內有6個行人分別為：{ped2，80°：}、{ped3，30°}、{ped4，172°}、{ped5，262°}、{ped6，258°}、{ped7，210°}。根據規則得到符合的對沖行人為{ped5，262°}、{ped6，258°}、{ped7，210°}，并可建立對沖關系圖。

3）構建虛擬墻壁

當行人距離小于VDistance時，結合行人間距構建虛擬墻壁，計算時忽略行人之間的相互作用力，并對墻壁和行人間的作用力進行多次核算。

4）行人所受社會力計算

行人i受到的合力來自行人的自身驅動力、行人之間和與障礙物之間的相互作用力，可用公式表示為：

midvi dt =fi=fpref i +Σ j≠i fij+Σ ω fiω （1）

式（1）中，mi——質量（kg）；vi——實際速度（m/s）。

a）行人自身驅動力的公式如下：

fpref i =miv0 i（t）e0 i（t）?vi（t） τi

b）行人與行人間的相互作用力的公式如下：

fij=fpsy ij （t）+fphy ij （t）

={Aiexp（rij?dij Bi ）+kg（rij?dij）}nij+κg（rij?dij）Δvijtij （2）

式中，Ai、Bi、k、κ均為常量參數；rij=ri+rj是行人i和j的半徑之和；dij=||ri?rj||是行人i和j質心之間的距離；nij=（?n2 ij，n1 ij）=（ri?dj dij ）是行人i到j的單位向量；tij=（?n2 ij，n1 ij）ri+rj為切向向量；g（x）為分段函數：

g（x）= x，x>0

0，x≤0 （3）

c）人與障礙物間的作用力

fiω=fpsy iω （t）+fphy iω （t）

={Aiexp（ri?diω Bi ）+kg（ri?diω）}niω+κg（ri?diω）（vi·tiω）tiω（4）

式（4）中，diω——行人i的質心到障礙物表面的距離（m）；niω=（n1 iω，n2 iω）是障礙物到行人i的單位向量；tiω=（?n2 iω，n1 iω）是切向向量。

2.2 人車交互建模

樞紐周邊道路人車混流復雜，仿真需兼顧行人與車輛行進。人車混流模塊應在車輛仿真基礎上增加行人運動仿真，以模擬“車讓人”情景。

2.2.1 行人與私家車交互

私家車停靠在相應的停靠站位置，行人應從城市道路前往樞紐入口附近，而后離開則通過人行道進入樞紐內部。

2.2.2 行人與公交車交互

公交車需按規定停靠，停靠時間因具體情況而異，并受交互人數影響。公交車停靠時間的計算基于上車或下車人數較多的一方，或總上下車人數與默認時長中的較長者，確保安全高效。

2.2.3 行人與軌道車輛交互

行人在地鐵車輛開門且車廂不超載時進入，隨后隨車離開樞紐。乘坐軌道交通若遇排隊等候，行人需在站臺屏蔽門附近排隊，車輛到達后從車門兩側上下車。

3 算法測試

3.1 數據描述

基于五和地鐵站樞紐可計算空間數據底座，利用樞紐關鍵通道及出入口的真實人流檢測數據（見表1的A-B），對樞紐行人仿真模型進行測試驗證，F1-Door9～Door12為內部檢測關卡，E1～E8與F3-Door61～Door106為行人進出口。表1-A顯示了進出流量，每個時段時長為900 s。表1-B給出了各個時段所有進出口的總進出量。

3.2 實驗結果

根據五和地鐵站結構進行建模分析，依據配置結果加載行人進行模擬仿真。統計10個時段、4個檢測關卡、流入與流出流量各36組，共72個檢測點的模擬流量與實測流量，其MAPE偏差為17.827 4%，即校核精度為82.172 6%。如圖1所示：

檢測口F1-Door-9 檢測口F1-Door-10

檢測口F1-Door-11 檢測口F1-Door-12

以西麗樞紐一層進行測試，創建場景模型導入程序，模擬行人在場景中的行進過程。在場景中行人均勻進入至6 000人以上，設置仿真步長為0.25 s。考慮場景加載等預熱部分，選取仿真達到6 000人以上的第153～217仿真秒（時長64 s）的運行結果，在此期間運算耗時總計為62 s，可達到實時的計算要求。

4 結語

該研究通過對行人的自驅力、行人間的相互作用力，以及墻對行人的排斥力進行建模，構建了社會力模型模擬行人行為，考慮了人車交互問題，以實現行人個體在樞紐空間內的全出行鏈仿真。通過測試驗證，該技術顯示出較高的仿真精度和實時計算能力，可為城市軌道交通運管部門優化交通樞紐、科學調控客流量等工作提供重要依據。

參考文獻

[1]Daamen W ，Infrastructure and Logistics. Netherlands Research School for Transport.Modelling Passenger Flows in Public Transport Facilities[J].free flow speeds， 2004.90-407-2521-7.

[2] Berrou J L ， Beecham J ， Quaglia P ，et al.Calibration and Validation of the Legion Simulation Model Using Empirical Data[J]. 2007.10.1007/978-3-540-47064-9_15.

[3]李佳輝， 矯成武. 綜合客運樞紐人車耦合仿真關鍵技術研究[J].公路交通科技（應用技術版），2020（10）：388-390.

[4]黃健， 曾毅， 金曉宇， 等. 基于社會力模型的北京西站地下通道人群聚集仿真分析[J].國防交通工程與技術， 2018， （6）：37-42.

收稿日期：2024-04-03

作者簡介：王卓（1993—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：數字孿生。

基金項目：城市交通基礎設施數字孿生系統構建共性技術“城市交通基礎設施數字孿生體與交通運行態勢交互融合技術”（2022YFB2602104）