基于社會力模型的軌道交通客運(yùn)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(yùn)樞紐精細(xì)化的設(shè)施布局設(shè)計和客流組織設(shè)計，研究引入社會力模型對軌道交通客運(yùn)樞紐的行人交通運(yùn)行進(jìn)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(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合軌道交通客運(yùn)樞紐旅客行為特點分析，研究利用AnyLogic等仿真平臺，圍繞環(huán)境建模和行為建模等方面，構(gòu)建適應(yīng)軌道交通客運(yùn)樞紐場景、體現(xiàn)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(yùn)樞紐的規(guī)劃、設(shè)計和管理分析優(yōu)化的研究提供基礎(chǔ)理論支撐。

關(guān)鍵詞：行人交通;軌道交通客運(yùn)樞紐;客流仿真;社會力模型;AnyLogic

中圖分類號：U231.4 文獻(xiàn)標(biāo)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(yùn)樞紐的規(guī)劃、設(shè)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(wù)而轉(zhuǎn)變。為此，行人交通理論也作為關(guān)鍵技術(shù)引入到該領(lǐng)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(guī)則、環(huán)境、位置以及行人自身的心理等多種因素的共同影響，呈現(xiàn)為十分復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的系統(tǒng)隨機(jī)性和復(fù)雜性[2-3]，例如在行人密度由低到高連續(xù)變化的過程中，行人交通系統(tǒng)會出現(xiàn)各種復(fù)雜現(xiàn)象，例如亞穩(wěn)態(tài)、臨界相變、自組織行為等。

這是由于在行人交通系統(tǒng)中各行人之間、行人與樞紐設(shè)施設(shè)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(chǔ)上，又存在相當(dāng)程度的隨機(jī)性[4]。為此，引入行人交通仿真技術(shù)，以行人交通系統(tǒng)中單個行人為基本單位，根據(jù)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(yùn)樞紐站廳、站臺等不同場景中的各種行為，通過統(tǒng)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(chǔ)上，結(jié)合鐵路客運(yùn)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(yùn)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(gòu)建仿真模型，為軌道交通客運(yùn)樞紐的規(guī)劃、設(shè)計和管理分析優(yōu)化的研究提供基礎(chǔ)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(qū)動行為的個體，每一個個體都向目標(biāo)點靠近，在行進(jìn)的過程中會受其他行人和障礙物的影響，動態(tài)地調(diào)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(qū)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(tǒng)稱為社會力。

設(shè)定行人a的質(zhì)量為，受到自身驅(qū)動力的影響，以期望速度沿著期望方向移動，在行進(jìn)過程中調(diào)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(guān)，作用力分別表達(dá)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(zhì)量;

—環(huán)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(jī)變量;

—自身驅(qū)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(jī)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(jī)因素等方面的影響納入考慮，引入了自身驅(qū)動力和社會排斥力等概念，用于描述一定空間內(nèi)行人交通具有優(yōu)勢，尤其是對于軌道交通客運(yùn)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(yùn)樞紐行人交通仿真模型。

2 利用AnyLogic對軌道交通客運(yùn)樞紐行人交通建模

2.1 軌道交通客運(yùn)樞紐行人交通特點

軌道交通客運(yùn)樞紐的行人交通有很強(qiáng)的目的性，絕大多數(shù)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(shè)施設(shè)備，并在樞紐內(nèi)形成相對固定且連續(xù)的行進(jìn)流線。在車站內(nèi)，行人活動一般可以根據(jù)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(huán)節(jié)，不同的環(huán)節(jié)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(shè)施，完成進(jìn)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(jìn)過程中也會體現(xiàn)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(qū)動力下，受其他行人和障礙物影響，動態(tài)調(diào)整速度向目標(biāo)點移動，具體行進(jìn)路線遵循樞紐出行活動鏈，例如進(jìn)站按照“進(jìn)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(jìn)站口”，在行進(jìn)的過程中，盡量避免跟其他行人和障礙物碰撞;個性為行進(jìn)過程中會有不同的偏好，也存在對喜好的事物進(jìn)行關(guān)注等隨機(jī)因素，例如在進(jìn)閘機(jī)時的選擇有個人喜好和隨機(jī)性。

2.2 AnyLogic及行人交通仿真庫

AnyLogic是一個專業(yè)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(tǒng)動力學(xué)、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(xiàn)包括離散、連續(xù)和混合行為的復(fù)雜系統(tǒng)，應(yīng)用于包括生產(chǎn)制造、供應(yīng)鏈、交通運(yùn)輸、倉儲運(yùn)作、碼頭和港口等多種領(lǐng)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(shù)、變量等具體值有所不同。為優(yōu)化對行人交通流的仿真，AnyLogic專門建立了行人庫，可以用于創(chuàng)建完整的步行建筑或街道的模型。行人模型建模包括環(huán)境和行為兩個主要部分，行人庫提供了環(huán)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(wù)設(shè)施（例如服務(wù)臺）。行人有相對共同的行為模式，各自在連續(xù)空間中按照社會力模型移動，通過分析當(dāng)前環(huán)境選擇最短的路徑，避免與其他物體相撞，并決定進(jìn)一步的運(yùn)動，并根據(jù)預(yù)先分配了個人屬性、偏好和狀態(tài)做出個性化的決定。

行人庫也提供了統(tǒng)計分析工具，可以收集統(tǒng)計不同區(qū)域行人交通量、密度、停留時間等參數(shù)，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(jù)軌道交通客運(yùn)樞紐方案，利用行人庫，從環(huán)境和行為兩個主要方面進(jìn)行建模。首先利用行人庫中的設(shè)施設(shè)備對環(huán)境建模，并對各類環(huán)境元素進(jìn)行功能配置;第二階段是行為建模，主要是通過設(shè)計邏輯流程圖，描述地鐵車站內(nèi)行人的微觀行為。

2.3.1 環(huán)境建模

對應(yīng)社會力模型中的空間和障礙物，主要包括軌道交通客運(yùn)樞紐的主要建筑體，例如出入口、墻壁、通道、電梯、樓梯、護(hù)欄等，以及各類服務(wù)設(shè)施如安檢機(jī)、售票機(jī)、驗票閘機(jī)等，以及作為行人生成點、目的點的“目標(biāo)線”，用于統(tǒng)計分析的“服務(wù)線”“服務(wù)區(qū)域”等。在具體建模工作中，“目標(biāo)線”和服務(wù)設(shè)施設(shè)備需要設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，例如服務(wù)時間、服務(wù)數(shù)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(jù)預(yù)先分配了個人屬性、偏好和狀態(tài)，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(jié)合空間和躲避障礙物向目的地行進(jìn)，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(shè)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(huán)境中的對應(yīng)的模塊相連接，并設(shè)定如行人到達(dá)速率、行走速度等設(shè)置參數(shù)。行人交通流的形成是各個行人個體共同作用的結(jié)果，另一方面也展現(xiàn)出隨機(jī)性，在流程邏輯圖中引入多種可能性，例如通過閘機(jī)前，部分乘客先到購票機(jī)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(jī)（如圖3）。

2.3.3 主要參數(shù)設(shè)置

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

3 結(jié)語

本文在分析社會力模型的主要建模思路和變量參數(shù)的基礎(chǔ)上，對軌道交通客運(yùn)樞紐的旅客行為特點進(jìn)行分析，研究利用AnyLogic仿真平臺及其行人庫，重點從環(huán)境和行為兩個方面，構(gòu)建適應(yīng)軌道交通客運(yùn)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(tǒng)的軌道交通客運(yùn)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(gòu)建軌道交通客運(yùn)樞紐建筑體以及包括安檢設(shè)備、售檢票設(shè)備、電梯、樓梯在內(nèi)的服務(wù)設(shè)施，并有效實現(xiàn)基于社會力模型的行人交通仿真，模擬樞紐的運(yùn)行。從而，為軌道交通客運(yùn)樞紐的設(shè)施布局和客運(yùn)組織方案的量化分析，提供了有效的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。

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