基于社會力模型的復(fù)合型通道行人仿真建模及設(shè)施布局研究

楊明航, 張 蕊, 費(fèi) 碩, 侯先磊

(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.北京市地鐵運(yùn)營有限公司運(yùn)營二分公司, 北京 100043)

0 引言

復(fù)合型通道是在一般通道的基礎(chǔ)上,兩側(cè)增加了餐飲、店鋪等服務(wù)設(shè)施,兼具交通與服務(wù)功能,常用于地鐵站與大型商業(yè)設(shè)施的接駁銜接. 服務(wù)設(shè)施布局和通道寬度確定是復(fù)合型通道設(shè)計(jì)的重點(diǎn),行人仿真可對通道行人交通流進(jìn)行定量分析,是復(fù)合型通道設(shè)計(jì)的有效工具.

與單一交通功能通道行人社會力模型[1-5]相比,復(fù)合型通道由于影響因素復(fù)雜,難以抽象和描述,研究成果較少. 復(fù)合型通道內(nèi)行人受服務(wù)設(shè)施的影響,需要做出是否接受服務(wù)的決策,決策階段和服務(wù)階段行人交通行為的變化是影響復(fù)合型通道通行能力的主要因素,也是仿真的重點(diǎn)和難點(diǎn),一般基于感知—決策—執(zhí)行3層結(jié)構(gòu)[6]進(jìn)行仿真. 在出入口選擇[7]、疏散[8]等場景決策時(shí),由于決策時(shí)間較短,認(rèn)為決策發(fā)生在某一時(shí)刻,因此仿真模型缺少決策過程中行人走行情況的描述;而指示標(biāo)志[9]、導(dǎo)診地圖[10]等研究中,行人在通道內(nèi)產(chǎn)生突然停止或無意識徘徊現(xiàn)象,此過程無規(guī)律,較難描述和建模,一般通過增加徘徊時(shí)間使行人在設(shè)施前停留,判斷決策后離開;在大規(guī)模行人無意識疏散和行人猶豫[11]的相關(guān)研究中,行人走行的影響因素主要受行人流密度影響,這一過程行人主動(dòng)性行為少,主要受周圍環(huán)境影響. 而受服務(wù)設(shè)施影響的行人,會有意識地在臨近設(shè)施處減速、靠近,以達(dá)到獲取設(shè)施信息并做出是否接受服務(wù)的決策,過程時(shí)間相對較長,與上述研究決策行為不同,對該過程行人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析和描述是必要的. 費(fèi)碩[12]、王曦[13]認(rèn)為復(fù)合型通道內(nèi)服務(wù)設(shè)施對行人決策后步行行為的影響較復(fù)雜,根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)將該影響集中在通道兩側(cè)服務(wù)設(shè)施臨近區(qū)域,并通過黏滯力描述該影響,但并未考慮決策階段行人步行行為的變化,且影響區(qū)域的確定未考慮行人視野范圍影響,該模型對通道寬度的適用性具有局限性,同時(shí)也未針對服務(wù)設(shè)施類型、吸引人流強(qiáng)度等特點(diǎn)對行人流的影響差異進(jìn)行區(qū)分.

為真實(shí)再現(xiàn)復(fù)合型通道行人決策階段和接受服務(wù)階段走行行為,本文考慮行人感知特點(diǎn)確定行人受服務(wù)設(shè)施影響的走行區(qū)域,引入決策遲豫力、吸引和減速黏滯力刻畫決策和接受服務(wù)2階段行人走行行為,并考慮不同設(shè)施類型對行人交通的影響. 最后通過仿真實(shí)例,對復(fù)合型通道內(nèi)服務(wù)設(shè)施布局進(jìn)行量化分析并提出布局建議.

1 復(fù)合型通道行人步行行為分析

本文對北京地鐵14號線大望路站通往北京SKP的連接通道進(jìn)行實(shí)地調(diào)查,調(diào)查時(shí)間為工作日晚高峰. 通道總長40 m,寬3 m;兩側(cè)店鋪共12家,包括店外排隊(duì)購買和店內(nèi)堂食2類,排隊(duì)服務(wù)設(shè)施平均服務(wù)時(shí)間為85 s;服務(wù)流量范圍在(10～102)人/h之間;接受服務(wù)行人比例為3∶1;交通行人平均速度為1.208 m/s.

1.1 復(fù)合型通道服務(wù)設(shè)施類型分類

為分析不同類型設(shè)施對行人步行行為的影響,按小時(shí)服務(wù)量將設(shè)施分為3類見表1,按服務(wù)設(shè)施的服務(wù)方式將設(shè)施分為2類見表2,共6類設(shè)施.

表1 按服務(wù)量分類設(shè)施

表2 按服務(wù)方式分類設(shè)施

1.2 有意愿接受服務(wù)行人走行特性分析

根據(jù)有意愿接受服務(wù)行人受服務(wù)設(shè)施的影響情況,將這部分行人走行過程分為決策、接受服務(wù)2個(gè)階段.

決策階段行人感知服務(wù)設(shè)施并決策是否接受該設(shè)施的服務(wù). 期間行人步行減速,不同服務(wù)設(shè)施類型行人決策時(shí)長及減速情況見表3.

表3 各類服務(wù)設(shè)施行人決策階段減速情況

接受服務(wù)階段行人產(chǎn)生橫向偏移進(jìn)入服務(wù)設(shè)施,偏移情況見表4;不接受服務(wù)行人加速離開服務(wù)設(shè)施.

表4 各類服務(wù)設(shè)施橫向偏移加速度 m·s-2

1.3 復(fù)合型通道服務(wù)設(shè)施影響范圍確定

接受服務(wù)設(shè)施服務(wù)的行人會產(chǎn)生較大的橫向偏移,使得行人之間的沖突增加,主要沖突類型如圖1所示. 費(fèi)碩[12]將服務(wù)設(shè)施影響區(qū)域定義為服務(wù)設(shè)施前方矩形區(qū)域,當(dāng)通道寬度較窄時(shí)與實(shí)際情況不符. 實(shí)測發(fā)現(xiàn),行人受服務(wù)設(shè)施的影響從服務(wù)設(shè)施進(jìn)入行人視野范圍開始感知并決策. 考慮行人可視角度及頭部可擺動(dòng)因素,行人可視角度為180°[14],可視距離為6 m[15],該范圍即為行人感知范圍和服務(wù)設(shè)施影響范圍,如圖1所示. 有意愿接受服務(wù)行人進(jìn)入該區(qū)域開始決策;結(jié)束后進(jìn)入接受服務(wù)階段.

圖1 行人沖突及影響范圍示意圖

2 有意愿接受服務(wù)行人運(yùn)動(dòng)建模

圖2 黏滯力作用流程

決策階段、接受服務(wù)階段受力如式(1)、(2):

(1)

(2)

2.1 行人決策階段行為建模

(3)

2.2 行人接受服務(wù)階段行為建模

行人接受服務(wù)階段可產(chǎn)生偏移行為,通過設(shè)施的粘滯力表述,黏滯力由吸引黏滯力和減速黏滯力共同組成[12],考慮不同設(shè)施的吸引能力不同,借鑒行人間作用力的建模思想[16]構(gòu)建吸引黏滯力如使行人走行與真實(shí)軌跡更接近,力學(xué)示意圖見圖3.

圖3 接受服務(wù)階段行人力學(xué)示意圖

(4)

表5 各類服務(wù)設(shè)施吸引力作用強(qiáng)度Ais和作用范圍Bis

參考相關(guān)研究[12]確定減速粘滯力見式(5):

(5)

3 模型驗(yàn)證

3.1 復(fù)合型通道仿真環(huán)境

本文根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)的場景搭建真實(shí)的仿真環(huán)境,通過Python語言對調(diào)查通道部分?jǐn)嗝娼?長20 m,寬3 m,包括1家B低設(shè)施、2家中設(shè)施(其中 1家為A類服務(wù)方式)、1家B高設(shè)施,仿真步長設(shè)置為0.005 s. 具體布置方式如圖4所示. 黃色系圓形表示目的地在左側(cè)行人,藍(lán)色系圓形表示目的地在右側(cè)行人見圖5、圖6.

圖4 仿真環(huán)境示意圖

圖5 行人行為仿真

圖6 行人行為仿真

3.2 模型驗(yàn)證

決策階段,7號行人受到中服務(wù)強(qiáng)度設(shè)施B的影響產(chǎn)生減速,隨即被5號行人超越. 見圖5.

接受服務(wù)階段,2號行人行走至A高影響范圍時(shí),受到服務(wù)設(shè)施吸引粘滯力作用進(jìn)行排隊(duì);1號行人在接受服務(wù)85 s后離開服務(wù)設(shè)施;3號、4號行人受到服務(wù)設(shè)施吸引力作用,進(jìn)入B中,見圖6.

各類服務(wù)設(shè)施影響區(qū)域速度驗(yàn)證,將影響區(qū)域內(nèi)交通行人仿真平均速度與實(shí)測速度進(jìn)行對比,對比結(jié)果見表6. 由于現(xiàn)實(shí)行人走行時(shí)避讓更加靈活,仿真值略小于實(shí)測值.

表6 影響區(qū)域速度驗(yàn)證誤差表

相關(guān)研究[12]認(rèn)為,通道內(nèi)行人速度密度關(guān)系應(yīng)符合Greenshields模型關(guān)系,本文通過視頻處理的方式獲得實(shí)測行人速度—密度樣本100人,通過仿真平臺獲取仿真樣本150人,對比情況見圖7. 對實(shí)測結(jié)果的擬合優(yōu)度進(jìn)行檢驗(yàn),實(shí)測值R2為0.78,仿真值R2為0.91,認(rèn)為二者均符合格林希爾治模型,且仿真值擬合結(jié)果更好.

圖7 速度驗(yàn)證散點(diǎn)圖

圖8 實(shí)驗(yàn)場景

對通道內(nèi)行人的自由流速度和阻塞密度進(jìn)行研究,實(shí)測值與仿真值對比情況見表7.

表7 速度密度驗(yàn)證表

綜上,認(rèn)為本文模型對通道內(nèi)行人走行真實(shí)情況反映情況較好,可應(yīng)用于通道服務(wù)設(shè)施布設(shè)研究.

4 復(fù)合型通道設(shè)施布置研究

現(xiàn)復(fù)合型通道設(shè)計(jì)多基于上層規(guī)范和經(jīng)驗(yàn),缺乏具體設(shè)置規(guī)范. 為研究服務(wù)設(shè)施布局對通道內(nèi)行人走行速度的影響,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)場景如圖 8所示,通道寬度為3 m,服務(wù)設(shè)施寬度6 m,共6處服務(wù)設(shè)施. 實(shí)驗(yàn)包括2個(gè)部分:a.研究流量對行人速度影響,共5種方案;b.研究服務(wù)方式對行人速度影響,共5種方案,方案設(shè)計(jì)見表8.

表8 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

從表9可見,將高強(qiáng)度服務(wù)設(shè)施并排連續(xù)布置,通道內(nèi)交通行人速度大幅降低,間隔放置將對速度有所提升,對側(cè)放置提升最明顯. 分析原因,流量較大的服務(wù)設(shè)施產(chǎn)生更多行人橫穿和行人擁堵現(xiàn)象,對通道行人整體走行速度不利. 因此,該類服務(wù)設(shè)施應(yīng)采取對側(cè)間隔放置的方案,避免走行過程中多次減速,增加行人出行連續(xù)性.

表9 不同方案布局下通行行人平均速度統(tǒng)計(jì) m·s-1

為研究高強(qiáng)度設(shè)施同側(cè)布置間隔對行人的影響進(jìn)行9組實(shí)驗(yàn),同側(cè)設(shè)置2處高B類服務(wù)設(shè)施. 將兩服務(wù)設(shè)施的間隔距離以2 m為單位不斷增加,得到行人速度變化情況見圖9.

圖9 不同行人比例、設(shè)施間隔行人速度圖

如圖9所示,兩高強(qiáng)度服務(wù)設(shè)施相鄰時(shí),交通行人速度受到的影響最大,并與兩設(shè)施間隔呈正相關(guān). 調(diào)整行人接受服務(wù)的比例,除6∶1以外,增加接受服務(wù)行人比例,5∶1、4∶1和3∶1三組實(shí)驗(yàn),與自由流速度對比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示.

在行人流量1 800 pcu/h,通道內(nèi)僅單側(cè)布置高B類服務(wù)設(shè)施的情況下,對通道寬度對交通行人速度的影響進(jìn)行研究,設(shè)置2、3、4、5 m四組實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示.

圖10 通道寬度對通行行人速度影響

在1 800人/h的通道內(nèi),若存在服務(wù)設(shè)施,通道寬度應(yīng)大于5 m為宜,此時(shí)對交通行人速度影響最小. 從趨勢來看,影響大小與通道寬度呈負(fù)相關(guān).

5 結(jié)束語

本文對復(fù)合型通道內(nèi)不同服務(wù)設(shè)施影響下行人的走行特性進(jìn)行分析,按流量和服務(wù)方式將服務(wù)設(shè)施分類. 針對服務(wù)設(shè)施對行人影響的不同階段,在傳統(tǒng)社會力模型的基礎(chǔ)上引入決策遲豫力和粘滯力,對影響進(jìn)行刻畫和建模,經(jīng)驗(yàn)證該模型可真實(shí)刻畫服務(wù)設(shè)施影響下各階段行人走行行為. 通過微觀仿真對復(fù)合型通道內(nèi)服務(wù)設(shè)施布設(shè)進(jìn)行了研究,分析了不同布局情況對行人走行速度的影響. 本文認(rèn)為,高強(qiáng)度設(shè)施、店外服務(wù)設(shè)施的布置應(yīng)滿足以下原則:a.高強(qiáng)度設(shè)施、店外服務(wù)設(shè)施設(shè)施應(yīng)對側(cè)放置;b.服務(wù)強(qiáng)度較高的設(shè)施同側(cè)布置時(shí)間距應(yīng)盡量增大,受到限制時(shí)其間隔10 m為宜;c.在1 800人/h的通道內(nèi),若存在服務(wù)設(shè)施,通道寬度應(yīng)超過5 m為宜.