CN102163259A - 行人微观交通流仿真模型的系统评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于交通工程领域，涉及一种对行人微观交通流仿真模型的评估方法。近年来，对行人交通流的理论研究和仿真越来越得到各方面的重视，但对仿真模型的准确性和适应性评估方面的工作处于空白，没有统一的评估方法来衡量仿真模型的准确性。本发明提供一套科学的、完整的、合理的行人交通流仿真模型评估方法，以评估基于不同理论建立的仿真模型的优劣。对比行人真实运动轨迹与仿真模型轨迹，通过计算行人运动轨迹符合度指标、行人运动速度符合度指标、行人运动时间符合度指标，来综合评估行人微观交通流仿真模型的优劣，从而可以给出进一步完善仿真模型的指导方向。

Description

行人微观交通流仿真模型的系统评估方法

技术领域

本发明属于交通工程领域，涉及一种对行人微观交通流仿真模型的评估方法。

背景技术

为了合理配置大型商场、交通枢纽、体育馆等大规模行人集散区域的各种设施，近年来对行人交通流的理论研究和仿真越来越得到各方面的重视。目前，行人交通流理论的研究成果主要集中在仿真模型的建模和仿真领域，而对仿真模型的准确性和适应性评估方面的工作处于空白，主要表现在缺乏一套完整的行人交通流仿真模型评估方法，没有统一的评估方法来衡量仿真模型的准确性。本发明针对国内外这一空白领域，提供一套科学的、完整的、合理的行人交通流仿真模型评估方法，以评估基于不同理论建立的仿真模型的优劣。

发明内容

本发明目的在于提供一套行人微观交通流仿真模型的评估方法，利用该方法能对现有利用不同技术和算法实现的行人微观交通流仿真模型提供一套准确、客观的评估计算方法。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种行人微观交通流仿真模型的评估方法，采用如下步骤进行：

(1)采用摄像机记录行人在二维平面内从起点O到终点D的运动过程，利用图像识别的方法获取行人在此过程中的位置信息和时间信息，并将其投影到二维平面内，得到行人运动的真实轨迹；真实轨迹中，t(i)时刻及t(i+1)时刻行人在二维平面内分别所处的坐标位置为

及t(i)时刻和t(i+1)时刻之间的时间间隔为Δt，Δt＝t(i+1)-t(i)；

(2)利用行人微观交通流仿真模型模拟出在同样条件下行人从起点O到终点D的运动过程，并将其投影到二维平面内，得到行人的仿真模型轨迹；仿真模型轨迹中，t(i)时刻及t(i+1)时刻行人在二维平面内分别所处的坐标位置为

及

(3)比较所述仿真模型轨迹与所述真实轨迹之间的差别；具体体现在计算行人运动轨迹的符合度指标，按照如下步骤：

步骤1：按照下式计算行人j在t(i)时刻和t(i+1)时刻之间的时间间隔Δt内真实轨迹、仿真模型轨迹与二维平面中的横轴所围面积

步骤2：按下式计算行人j在Δt内真实轨迹、仿真模型轨迹与所述横轴所围面积之差的绝对值：

步骤3：取行人j从起点O到终点D的真实时间及仿真模型时间之间的较小值作为评估时间，评估时间内，时间间隔Δt的数量按下式计算：

按下式计算行人j在整个仿真模拟过程中，以Δt为时间间隔的真实轨迹、仿真模型轨迹与横轴所围面积之差的平均值：

$\mathrm{\Δ}{S}_j=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δS}}_{\mathrm{ij}};$

步骤4：单个行人j在仿真模拟过程中，真实轨迹、仿真模型轨迹与横轴所围面积之差的绝对值的离差为：

LX＝max(δS_ij，i＝1，2，3…，n)-min(δS_ij，i＝1，2，3…，n)；

单个行人的运动轨迹符合度为：

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{locus}}=\frac{\mathrm{\Δ}{S}_j-\mathrm{LX}}{\mathrm{LX}};$

步骤5：假设行人整体样本共m个，则行人整体的轨迹符合度计算公式为：

(4)根据上一步计算得到的差别的大小评估仿真模型的准确性，差别越小，证明仿真模型越准确。

进一步计算行人运动速度的符合度指标，按照如下步骤：

步骤1：计算t(i)时刻至t(i+1)时刻的时间间隔Δt内，行人真实轨迹、仿真模型轨迹中的行人j在二维平面内所处位置的距离改变

步骤2：计算t(i)时刻至t(i+1)时刻的时间间隔Δt内行人真实轨迹、仿真模型轨迹中行人的平均速率

步骤3：取行人j从起点O到终点D的真实时间及仿真模型时间之间的较小值作为评估时间，评估时间内，时间间隔Δt的数量按下式计算：

从起点O到终点D整个运动过程中，行人j的平均速度按照下式计算：

步骤4：单个行人j的运动速度符合度为：

步骤5：假设行人整体样本共m个，则行人整体的运动速度符合度计算公式为：

进一步计算行人运动时间的符合度指标，按照如下步骤：

步骤1：测量单个行人j在完成从起点O到终点D的真实运动时间

步骤2：利用仿真模型预测单个行人j在相同条件下从起点O到终点D的仿真模型时间

步骤3：单个行人j的运动时间符合度按下式计算：

步骤4：假设行人整体样本共m个，则行人整体的运动时间符合度计算公式为：

本发明从运动轨迹符合度、运动速度符合度及运动时间符合度几个方面综合评估行人微观交通流仿真模型的准确性和适用性，可为完善行人微观交通流仿真模型做出指导。

附图说明

图1行人运动轨迹示意图

图2行人运动轨迹符合度示意图

图3行人运动速度符合度示意图

具体实施方式

按照行人交通流理论，微观行人交通流理论中主要有行人的位置信息、即时速度、平均速度，运动时间等。由在不同时间点行人的位置信息能够得到行人的运动轨迹，即行人位移坐标在二维平面上的连线。行人运动轨迹分为真实的运动轨迹，即“真实轨迹”，以及利用行人微观交通流仿真模型预测出的运动轨迹，即“仿真模型轨迹”。“真实轨迹”是采用摄像机记录行人在二维平面内的运动，并利用图像识别的方法来获取的行人的位置信息和时间信息，即利用测量的方法直接得到。“仿真模型轨迹”是利用行人微观交通流仿真模型预测出的相同条件下行人的位置信息和时间信息。行人运动轨迹的示意图如图1所示，图中，曲线1为行人从起点出发走到终点时，在二维平面内运动的真实轨迹；曲线2为采用仿真模型模拟出的，相同条件下，行人从起点出发走到终点时，在二维平面内的仿真模型轨迹。

建立仿真模型模拟行人实际的运动行为时，采用与真实轨迹相同的起点和终点，并综合考虑各种真实条件，模拟在相同条件下、相同起终点行人的运动时间、运动轨迹、运动速度等。本发明综合利用数理统计理论、误差统计理论、行人交通量理论的相关知识，对行人仿真模型中行人特性的空间和时间预测与真实测量值进行对比分析，客观评价行人交通流仿真模型的科学性、准确性。经过理论研究和实验证明，选择三个指标对行人交通流仿真模型进行评估和计算，即行人运动轨迹符合度指标、行人运动速度符合度指标以及行人运动时间符合度指标。以下具体说明：

1行人运动轨迹符合度指标

行人运动轨迹符合度评估是通过对利用仿真模型预测出的行人运动轨迹，即仿真模型轨迹，与行人真实轨迹符合程度的比较来对仿真模型的准确性进行评估，反应微观交通流仿真模型生成的行人运动轨迹与真实轨迹的逼近程度。由于单个行人在各种行人交通设施上运动具有随机性的特点，会造成仿真模型轨迹与真实轨迹之间存在一定的、在一定合理范围之内的偏离，而大量行人的运动轨迹应当符合一定的统计规律；一旦整体的轨迹偏离中位值幅度过大，就表明仿真模型并不能真实反映行人的微观行为特性。

(1)单个行人运动轨迹符合度计算

首先把单个行人真实轨迹与仿真模型轨迹投影在二维平面内，如图2所示，图中，曲线1为行人在二维平面内的真实轨迹，曲线2为行人在二维平面内的仿真模型轨迹。A点、B点的坐标值分别为

分别表示在t(i)时刻和t(i+1)时刻真实轨迹投影在横轴及纵轴上的坐标；C点、D点的坐标值分别为

分别表示在t(i)时刻和t(i+1)时刻仿真模型轨迹投影在横轴及纵轴上的坐标。

本发明通过计算真实轨迹与仿真轨迹之间所包围的面积，来对单个行人仿真模型轨迹的准确性进行评估。如果仿真模型能够完全模拟真实轨迹，则两曲线之间包围的面积应该为零；当然，仿真模型轨迹与真实轨迹之间通常存在一定的差别，因此，以两曲线之间包围的面积来评估单个行人运动轨迹的符合程度。

由于仿真模型建立时，其模拟行人的运动起点与终点与行人真实运动时的起点与终点分别相同，而由于多方面的影响，走完这一段路程的时间仿真模型可能与真实的时间不同。为了尽可能准确地评估单个行人运动轨迹的符合度，取真实时间及仿真模型时间之间的较小值作为评估的时间，评估该时间段内的行人运动轨迹符合程度。如图2所示，单个行人在t(i)时刻和t(i+1)时刻之间间隔Δt内真实轨迹与仿真模型轨迹之间阴影面积的绝对值表示仿真模型预测值与真实值之间的差距。为了简化计算，假设t(i)时刻和t(i+1)时刻之间，仿真模型轨迹、真实轨迹均为直线。行人j在t(i)时刻至t(i+1)时刻时间间隔Δt内轨迹与横轴所围面积的具体计算公式如下：

Δt＝t(i+1)-t(i)

$\mathrm{\Δ}{S}_j=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}{s}_{\mathrm{ij}}$

其中，Δt为t(i)时刻和t(i+1)时刻之间的时间间隔，可以根据实际需要确定Δt的取值，比如，以1秒为时间间隔，即

分别为行人j在t(i)时刻和t(i+1)时刻之间的Δt内真实轨迹、仿真模型轨迹与横轴所围面积；n为评估时间内，时间间隔Δt的数量；分别为行人实际运动的开始时间和结束时间；

分别为仿真模型模拟的行人运动的开始时间和结束时间；δS_ij为行人j在t(i)时刻和t(i+1)时刻之间的Δt内真实轨迹、仿真模型轨迹与横轴所围面积之差的绝对值，也即真实轨迹、仿真模型轨迹之间包围的面积的绝对值；ΔS_j为行人j在整个仿真模拟过程中，以Δt为时间间隔的真实轨迹、仿真模型轨迹与横轴所围面积之差的平均值，也即以Δt为时间间隔的真实轨迹、仿真轨迹之间包围的面积绝对值的平均值。

单个行人j在仿真模拟过程中，真实轨迹、仿真模型轨迹与横轴所围面积之差的绝对值的离差为：

LX＝max(δS_ij，i＝1，2，3…，n)-min(δS_ij，i＝1，2，3…，n)，

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{locus}}=\frac{\mathrm{\Δ}{S}_j-\mathrm{LX}}{\mathrm{LX}}$

单个行人的轨迹符合度δ_locus越接近于零，则表明仿真模型模拟的行人运动越准确。

(2)行人整体运动轨迹符合度计算

设行人整体样本共m个，则行人整体的轨迹符合度计算公式为：

同样，行人整体运动轨迹符合度越接近于零，则表明仿真模型模拟的行人运动越准确。

2行人运动速度符合度指标

微观行人交通流仿真模型中另一个重要参数是速度，行人的运动在很大程度上是由行人运动速度决定的，微观行人交通流仿真模型还需要通过对运动速度符合度进行评估。

同样，将行人运动的真实轨迹与仿真模型轨迹投影到二维的平面内，如图3所示。图3中，曲线1为行人在二维平面内的真实轨迹，曲线2为行人在二维平面内的仿真模型轨迹。A点、B点的坐标值分别为

分别表示在t(i)时刻和t(i+1)时刻真实轨迹投影在横轴及纵轴上的坐标；C点、D点的坐标值分别为

分别表示在t(i)时刻和t(i+1)时刻仿真模型轨迹投影在横轴及纵轴上的坐标。

利用行人真实轨迹的位移坐标计算得到行人j在t(i)时刻运动的速度

利用仿真模型中位移坐标计算行人在t(i)时刻运动速度

以单个行人j为例：

其中，

分别表示t(i)时刻和t(i+1)时刻行人真实轨迹、仿真模型轨迹中的行人在二维平面内所处位置的横坐标值；

分别表示t(i)时刻和t(i+1)时刻行人真实轨迹、仿真模型轨迹中的行人在二维平面内所处位置的纵坐标值；

分别表示t(i)时刻至t(i+1)时刻的时间间隔内，行人真实轨迹、仿真模型轨迹中的行人在二维平面内所处位置的距离改变；

分别表示t(i)时刻至t(i+1)时刻的时间间隔内，行人真实轨迹、仿真模型轨迹中的行人的平均速率，由于通常情况下Δt取值足够小，将该平均速率作为t(i)时刻时行人的运动速率。

通过以上的计算，可以得到特定的时间间隔内行人真实的运动速度及仿真模型中模拟出的行人运动速度；假设从起点到终点整个运动过程中，有n个时间间隔Δt，n的计算方法与单个行人运动轨迹符合度计算中n的计算方法相同，则行人平均速度应按照下式计算：

这样，在整个运动过程中，采用下式评估仿真模型是否能够很好地模拟单个行人的运动速度：

δ_{j相对误差}越接近于零，则表明仿真模型越准确。

行人整体平均运动速度符合度指标是评估行人微观仿真模型针对特定人群在特定环境下进行仿真时，仿真模型的时间平均速度与真实测量值之间的偏差，表征仿真模型中速度预测方法的整体情况，是对仿真模型中行人运动宏观指标的评价。

行人整体平均运动速度符合度指标具体按照以下方法计算：

首先，仿真模型中行人整体的平均运动速度

为：

式中，为以上计算得出的，利用仿真模型计算出的行人j完成从起点到终点这一过程中的平均速度；m为行人整体数量。

同理，行人整体的实际平均运动速度

为：

式中，

为以上计算得出的，行人j实际完成从起点到终点这一过程中的平均速度；m为行人整体数量。

利用下面公式计算出行人整体运动速度符合度指标：

同样地，

越接近于零，则表明仿真模型中速度预测方法越合理、准确。

3行人运动时间符合度指标

对行人运动时间进行预测是仿真模型一个非常重要的功能，利用行人微观运动仿真模型可以预测行人j在给定仿真环境中完成起、终点间运动轨迹所需的时间，行人运动时间符合度指标就是对行人真实运动时间和利用仿真模型预测出的行人运动时间进行比较，比较仿真模型与真实值之间的符合程度。单个行人j的运动时间符合度按照以下计算：

式中，

为单个行人j实测的从起点出发、到达终点的运动时间，

为单个行人j在在仿真模型中完成相同起、终点间运动所需的时间。

假设行人的样本为m个，对于仿真模型中所有行人的运动时间符合度，按照以下计算：

同样地，δT_相对误差越接近于零，则表明仿真模型中时间预测方法越合理、准确。

采用以上三种评价标准同时对行人微观交通流仿真模型进行评估，可以综合得出仿真模型的准确性与合理性，从而可以给出进一步完善仿真模型的指导方向。

Claims (3)

1.一种行人微观交通流仿真模型的评估方法，采用如下步骤进行：

(1)采用摄像机记录行人在二维平面内从起点O到终点D的运动过程，利用图像识别的方法获取行人在此过程中的位置信息和时间信息，并将其投影到二维平面内，得到行人运动的真实轨迹；真实轨迹中，t(i)时刻及t(i+1)时刻行人在二维平面内分别所处的坐标位置为

及

t(i)时刻和t(i+1)时刻之间的时间间隔为Δt，Δt＝t(i+1)-t(i)；

(2)利用行人微观交通流仿真模型模拟出在同样条件下行人从起点O到终点D的运动过程，并将其投影到二维平面内，得到行人的仿真模型轨迹；仿真模型轨迹中，t(i)时刻及t(i+1)时刻行人在二维平面内分别所处的坐标位置为

及

(3)比较所述仿真模型轨迹与所述真实轨迹之间的差别；具体体现在计算行人运动轨迹的符合度指标，按照如下步骤：

步骤1：按照下式计算行人j在t(i)时刻和t(i+1)时刻之间的时间间隔Δt内真实轨迹、仿真模型轨迹与二维平面中的横轴所围面积

步骤2：按下式计算行人j在Δt内真实轨迹、仿真模型轨迹与所述横轴所围面积之差的绝对值：

步骤3：取行人j从起点O到终点D的真实时间及仿真模型时间之间的较小值作为评估时间，评估时间内，时间间隔Δt的数量按下式计算：

按下式计算行人j在整个仿真模拟过程中，以Δt为时间间隔的真实轨迹、仿真模型轨迹与横轴所围面积之差的平均值：

$\mathrm{\Δ}{S}_j=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δS}}_{\mathrm{ij}};$

步骤4：单个行人j在仿真模拟过程中，真实轨迹、仿真模型轨迹与横轴所围面积之差的绝对值的离差为：

LX＝max(δS_ij，i＝1，2，3…，n)-min(δS_ij，i＝1，2，3…，n)；

单个行人的运动轨迹符合度为：

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{locus}}=\frac{\mathrm{\Δ}{S}_j-\mathrm{LX}}{\mathrm{LX}};$

步骤5：假设行人整体样本共m个，则行人整体的轨迹符合度计算公式为：

(4)根据上一步计算得到的差别的大小评估仿真模型的准确性，差别越小，证明仿真模型越准确。

2.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述步骤(3)中，进一步计算行人运动速度的符合度指标，按照如下步骤：

步骤1：计算t(i)时刻至t(i+1)时刻的时间间隔Δt内，行人真实轨迹、仿真模型轨迹中的行人j在二维平面内所处位置的距离改变

步骤2：计算t(i)时刻至t(i+1)时刻的时间间隔Δt内行人真实轨迹、仿真模型轨迹中行人的平均速率

步骤3：取行人j从起点O到终点D的真实时间及仿真模型时间之间的较小值作为评估时间，评估时间内，时间间隔Δt的数量按下式计算：

从起点O到终点D整个运动过程中，行人j的平均速度按照下式计算：

步骤4：单个行人j的运动速度符合度为：

步骤5：假设行人整体样本共m个，则行人整体的运动速度符合度计算公式为：

3.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述步骤(3)中，进一步计算行人运动时间的符合度指标，按照如下步骤：

步骤1：测量单个行人j在完成从起点O到终点D的真实运动时间

步骤2：利用仿真模型预测单个行人j在相同条件下从起点O到终点D的仿真模型时间

步骤3：单个行人j的运动时间符合度按下式计算：

步骤4：假设行人整体样本共m个，则行人整体的运动时间符合度计算公式为：

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