基于AnyLogic的我校校園行人流研究

程冉冉，張生暉

(華北科技學院 理學院, 北京 東燕郊 065201)

0 引言

眾所周知，行人密度的大小、周圍環(huán)境復雜程度以及安全性設計等方面的限制極大地阻礙了行人的緊急疏散。由于對高峰時段行人流數(shù)據(jù)的估計不足，導致設計者在道路設計中存在一些不安全因素，以致在緊急情況下，行人無法得到有效的逃離與避險，因此經(jīng)常會產(chǎn)生嚴重的人員傷亡和重大的經(jīng)濟損失事件。

近年來，人們已經(jīng)開始關注校園道路安全問題。隨著社會教育程度的提高，高等教育的普及，源源不斷的大學生來到大學校園學習生活，給校園道路交通帶來了一定的壓力。對此，為我校校園道路設計提供數(shù)據(jù)支持和優(yōu)化，減少道路安全風險及安全隱患，是非常必要的。

目前對于道路等的優(yōu)化問題，常用AnyLogic軟件[1]進行模擬，它是一個專門用來模擬現(xiàn)實環(huán)境 ，設計行人交通燈等行為的復雜系統(tǒng)。現(xiàn)已有眾多學者運用此軟件進行行人流的研究[2-17]。

孫宇[3]對基于AnyLogic的地鐵站優(yōu)化方案進行了研究，考慮了乘地鐵站的實際情況，并從改造工程的角度中提出三種可優(yōu)化方案。文獻[4]用AnyLogic模擬山坡社區(qū)泥石流災害疏散，面對自然災害和救災運動后的內(nèi)容，考慮到安全性和及時性，建立合理的疏散方案。劉棟棟[5]等研究了北京南站的行人特征參數(shù)，分析了關于疏散行人的相關影響因素；梁憲瑩[6]對交通量特性及其道路規(guī)劃設計進行了相關研究，闡述了交通量的含義與表達方式，探討了交通量在時間和空間上的不均勻特性以及對交通的觀測、換算方法和預測方法，總結了交通量的類型以及在道路規(guī)劃和設計階段的作用，并對擬建快速路進行實例分析；田郝青[7]等通過AnyLogic軟件對地鐵車站復雜場景行人流仿真進行了研究。

本文通過調(diào)查學生課后運動行為的集散情況得到所需數(shù)據(jù)，建立學生流模型，運用MATLAB進行可視化擬合。然后用AnyLogic軟件中的行人庫建立學生流微觀仿真模型，分析學生的動態(tài)流向，觀測并獲取學校周圍建筑物體的數(shù)據(jù)，得到熱力圖，進而分析人流擁堵情況，最后對學校道路優(yōu)化及建設給出建議。

1 基本理論

在實際生活中，大部分學生課后選擇先去食堂吃飯，然后回宿舍?？紤]到教學樓、食堂、建筑物設計等因素，我們選擇以1號樓(博觀樓)和2號樓(致遠樓)為研究對象。

1.1 校園行人調(diào)查地點及調(diào)查時間

為了收集到具有代表性的數(shù)據(jù)，我們選擇了1號樓和2號樓。調(diào)查時間：由于下課時間是11：40，我們選擇在11:35至11:50調(diào)查。具體操作如下：從出口向外擴張7米，形成矩形區(qū)域。我們用 N來代表矩形區(qū)域的人數(shù)，S代表矩形面積，v代表學生平均運動速度，σ代表學生密度，單個學生走出設置區(qū)域的時間為t，

(1)

σ=N/S

(2)

通過式(1)與式(2)得到學生的基本數(shù)值，整理后對1號樓和2號樓的調(diào)查中，共獲得處理樣本7493條，其中20條由于下課后學生來回穿插未能收集全，經(jīng)剔除后剩余7473條可用樣本數(shù)據(jù)。

1.2 學生流模型的建立與擬合

我們以交通行人流模型為基礎，把每個學生想象為一輛行走的汽車。學生運動時的模型主要由密度、流量、速度三個參數(shù)因素構成，這三個因素相互影響、相互制約、相互聯(lián)系。相同條件的車輛，流量、密度、速度模型具有一致性。在這些相互關系中，最重要的是速度-密度模型，其中格林希爾治模型和對數(shù)模型應用更加廣泛。

1.2.1 格林希爾治(Greenshields)模型

1935年，格林希爾治(Greenshields)通過實測數(shù)據(jù)的分析提出了第一個速度—密度模型。雖然該模型在最初研究時所使用的數(shù)據(jù)存在一些問題，但格林希爾治速度—流量拋物線模型還是具有開創(chuàng)性意義的。他提出的速度—流量拋物線關系基本上反映了這兩個參數(shù)的變化趨勢，多年來一直被廣泛使用。此外，該模型還提出一種重要思想，即只要確立了速度—密度關系模型，速度—流量、流量—密度關系模型也可相應確定。模型如下：

(3)

式中，uf為自由流車速；kj為阻塞密度。

在對應的學生流模型中，格林希爾治模型如式(4)，線性估計模型如圖1。

u=b0+b1p

(4)

圖1 格林希爾治線性模型

曲線估計結果為b0=1.2155，b1=-0.4729；即得到學生步行速度與學生密度p模型如下式：

u=-0.4729p+1.2155

1.2.2 格林伯(Greenberg)對數(shù)模型

(5)

式中，um為對應交通最大量的速度，最佳速度。模型如圖2.

圖2 Greenberg對數(shù)模型

當交通密度較大時，可使用此模型，但當密度較小時，此模型誤差較大。我們校園學生流中，課后學生行走密度相對較小，所以我們得到的擬合效果不佳。

2 AnyLogic行人仿真

AnyLogic是一個專業(yè)虛擬原型環(huán)境，用于設計包括離散、連續(xù)和混合行為的復雜系統(tǒng)。AnyLogic可以幫助我們快速地構建被設計系統(tǒng)的仿真模型(虛擬原型)和系統(tǒng)的外圍環(huán)境，包括物理設備和操作人員。軟件中的行人是按照社會力模型移動，他會分析當前環(huán)境，選擇一條最短路徑，還可以避免與其他物體相撞，并進一步?jīng)Q定運動。

2.1 AnyLogic行人庫模型建立

在利用AnyLogic創(chuàng)建相應的微觀仿真模型之前需要分析學生下課后的流向，以及我們學校的建筑物幾何參數(shù)，分析學生在下課后應該會選擇的道路以及需要繞開的建筑。在獲得建筑物及道路的幾何數(shù)據(jù)后，將AnyLogic模型中的相應目標線長度按比例設置數(shù)值，設置目標線產(chǎn)生智能體的速率，智能體自動選擇道路的方式，概率，初始速度，舒適速度，以及智能體的隨機分布方式等。設置完成之后，將目標線與學生選擇，學生分布流程連接，如圖3所示。

圖3 AnyLogic行人庫

在校園生活中，學生通常過著三點一線的生活，在教室-食堂-宿舍之間來回穿梭。實際上，還伴隨著一些其他的行為如出校門、坐車等。通過分析，校園學生課后的主要行走路線如下圖4所示。

圖4 學生行走主要路線圖

2.2 仿真結果分析

由于下課鈴響后，學生從教學樓出來需要一定的時間，故我們將錄制時間定為下課前5分鐘，即11:35開始，結束時間11:55。這樣可以確保教學樓內(nèi)的大部分學生都已經(jīng)出來，并且路過我們所設定的地點，提高數(shù)據(jù)的準確度。經(jīng)過調(diào)查統(tǒng)計得到的數(shù)據(jù)為學生走出教學樓的累計數(shù)量-時間關系如圖5和圖6所示。

圖5 1號樓學生累計數(shù)量—時間關系

圖6 2號樓學生累計數(shù)量—時間關系

圖中曲線的前部分比較平緩，數(shù)值偏小，表示在下課后開始的幾分鐘里，大部分學生還未到達教學樓門口。隨著時間的推移，數(shù)據(jù)開始上升，這個時間內(nèi)學生大量走出教學樓。這些數(shù)據(jù)表明，下課后5～10分鐘迎來峰值，以該時間段為仿真模擬中的時間節(jié)點，在這個時間段里，我們可以分析行人的分布情況和區(qū)域顯示的熱力圖以便直觀感受到下課后人潮峰值時道路的擁擠程度。

從教學樓走出，經(jīng)過學校道路，走到食堂、宿舍等區(qū)域的最終熱力圖的呈現(xiàn)結果如圖7所示：

圖7 行人路線熱力圖

根據(jù)此圖我們選擇一個擁擠程度最突出的區(qū)域作為我們的研究對象。熱力圖中，大面積的呈深紅色區(qū)域的代表著該出行人密度已經(jīng)接近了或者超過了1.5 ρ/m2(比較舒適的密度為0.75 ρ/m2)。圖中區(qū)域行人多已處于擁擠狀態(tài)，且沿著道路的寬度方向逐漸密集分布。

由于1號樓(博觀樓)正門直對學校南門，中午很少有學生去南門那邊，所以博觀樓后門會比較形成較大規(guī)模的擁堵。這寫學生分別去往北區(qū)食堂、宿舍，小黃車和中區(qū)食堂等區(qū)域，所以下課后這個位置會出現(xiàn)人群十分密集現(xiàn)象，博觀樓學生流熱力圖8如下所示：

圖8 1號樓學生流熱力圖

2號樓(致遠樓)情況也是一樣， 2號樓有正門，后門及側門，側門寬度較小，所以側門出來的人數(shù)也就相對比正門和后門的少，選擇從前門走的人占2號樓累計出來人數(shù)的大多數(shù)。2號樓的上課人數(shù)眾多，教學樓有三條道路使學生分散，但是隨著學生行人的擴散，周圍幾條道路很快被學生占用擠滿，在沒有得到充分疏散的同時，1號樓以及3號樓(明德樓)的學生又補充上來使得道路更加擁堵起來，于是便形成了較大規(guī)模的道路擁擠。其中還有部分汽車和自行車從中駛過，占用了一部分道路空間，路面緊張的情況進一步加劇。另一方面去北區(qū)需要經(jīng)過馬路紅綠燈，紅燈的時候，擁擠會更加明顯，這使得道路情況更加擁擠不堪。因此對想去中區(qū)吃午飯而從后門出入的學生來說，這些都是不明智的道路選擇。2號樓下課時的樓門區(qū)域熱力圖9如下所示。

圖9 2號樓學生流熱力圖

道路上的擁擠時間大約是在5～10分鐘內(nèi)，學生大量從教學樓出來是在下課后3分鐘，由此可以推算出學生從教學樓走到道路擁堵區(qū)域的時間大約為3分鐘左右。在這段時間內(nèi)，學生離開教學區(qū)域前往食堂、宿舍等地所要經(jīng)過的道路會逐漸變得擁擠起來，學生空間流動給道路狀況帶來不斷的沖擊。兩股人流互相交叉，道路交匯的地方就成為了擁擠區(qū)域，而且隨著人流的增加學生的移動速度也隨之變得緩慢，有的地方甚至需要停下腳步等待前面的人先走。

校園道路部分區(qū)域在下課后，學生流密度大，道路處于擁擠狀態(tài)，這些與學校道路寬度不無關系，如果想要加寬某條校園道路，這所要支出的經(jīng)濟花費和道路施工情況不但會給校方造成壓力，且在施工時道路擁擠情況會更加明顯且擁堵時間更長。但是可以從學校安排與管理方式上改善現(xiàn)狀，首先，可以盡可能的分散學生上課地點，從而實現(xiàn)分流學生，以減輕下課時學校道路的壓力，但在現(xiàn)實中，大部分課程需要先進行理論課接著再進行其他實驗環(huán)節(jié)課程，理論課程是必不可少的一份，所以通過這種方式來減輕校園道路壓力的方法達不到預期效果；其次可以在下課時管理私家車出行的方式來減輕道路壓力，每當下課時，部分私家車也會隨著學生流一起進入道路，而且私家車占地較大，每當私家車經(jīng)過時學生不得不為其讓路，這使得學生在道路的滯留時間更長，更加劇了現(xiàn)實中的擁堵。針對這些問題，我們還可以拉長兩座教學樓下課時間的差值，相應的也可以減輕學校校園道路的壓力。

教學樓各個出口寬度及目標線的上限數(shù)據(jù)值如表1所示。

表1 被觀測教學樓幾何參數(shù)

3 結論

(1) 通過熱力圖分析，找到擁堵的主要區(qū)域，有針對性的分散學生上課地點，從而實現(xiàn)分流學生，以減輕下課時學校道路的壓力；

(2) 可以在下課時管理私家車出行的方式來減輕道路壓力，每當下課時，部分私家車也會隨著學生流一起進入道路，而且私家車占地較大，加劇擁堵；

(3) 我們還可以拉長兩座教學樓下課時間的差值，如可以讓一個年級大部分學生在一個教學樓里上課，這樣可以實現(xiàn)教學樓下課時間的不同。這樣也可以減輕學校校園道路的壓力。