CN103106302A

CN103106302A - 一种基于地理元胞自动机的行人流仿真方法

Info

Publication number: CN103106302A
Application number: CN2013100250271A
Authority: CN
Inventors: 张帅; 陈振杰; 李满春; 湛玉剑; 钟礼山
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2033-01-23
Also published as: CN103106302B

Abstract

本发明涉及一种基于地理元胞自动机的行人流仿真方法，将区域道路组织结构与区域行走适宜性引入行人仿真模型，根据步行适宜性将研究区划分为黑色路段、灰色路段和白色路段，使得仿真模型能够对复杂步行环境做出相应反应，而不仅仅是区域行人和障碍物；模型同时将区域道路交通系统从功能结构角度划分为区域出入口、路段以及交叉路口，使其能够仿真宏观行人流区域化运动，模拟区域行人流演化过程中呈现的会流和分流现象；从而大大扩展了仿真模型的实际适用范围，有效提高了模型仿真效果，特别适宜于仿真分析室外开阔区域行人流运动演化。

Description

一种基于地理元胞自动机的行人流仿真方法

技术领域

本发明涉及一种交通仿真领域中模拟行人交通行为的方法，具体是一种基于元胞自动机的特别适于仿真室外具有复杂道路系统和地表行走适宜性的区域行人流演化运动的方法。

背景技术

我国是一个人口大国，城镇人口密度大，步行在交通方式中占有相当大的比重。行人流的研究对于意外事故应急反应、交通道路规划设计、旅游景区规划设计等许多国计民生的问题具有十分重要的意义。当前对行人流特征的研究主要是从行人微观行为特征和宏观群体特征两方面展开的。行人微观行为特征研究主要是针对行人个体行为及其影响因素进行分析研究，例如分析行人在不同交通环境中的步频、步幅、步行速度、路径选择等行为。行人流宏观行为特征研究主要是针对行人群体行为及其评价进行分析研究，例如分析行人密度、速度和流量基本特征参数之间的关系，分析研究行人群体拥挤机理以及群集行为特性，分析研究大型体育赛事等大型活动场所周围的行人流交通特性及其相应的行人组织等。

根据对行人流微观和宏观行为特征的侧重不同，许多行人流仿真模型相继被提出。这些模型依据行人移动空间的连续与否大体可分为两类：(1)连续性仿真模型，行人的移动空间是连续的，行人依据连续场的作用在空间上移动，如引力模型(Gravity Model)、气体动力学模型(Gas-Kinetic Model)和社会力模型(Social-Force Model)等；(2)离散型仿真模型，行人的移动空间被划分为离散的网格状位置，行人依据一定的移动规则和条件在位置之间移动，如基于元胞自动机的模型(Cellular-automaton Based Model)、格子气体模型(Lattice Gas Model)、领域模型(Two Floors Model)、两步骤更新模型(Two Progress Model)和先前确定概率模型(Pre-fixed Probabilities Model)等。

其中，基于元胞自动机的模拟仿真技术，由于其能够较为全面的考虑行人运动特性，在模拟中能够较为简单有效地体现出行人运动的自组织现象及群体行为，已经被广泛地应用于机动车交通流和行人流的仿真研究中，对于减少行人流交通拥堵，避免发生行人踩踏事故，提升城市行人交通的基础理论及其应用水平均具有重要作用。

申请人检索发现，北京交通大学博士论文“基于元胞自动机的行人流仿真模型研究”(作者“岳昊”)，模型引入移动收益的概念来描述行人对每个移动步伐收益的评价，并通过移动收益来建立行人与可选择位置之间的评价与被评价的关系。行人在移动的过程中选择移动收益最大的位置作为自己下一时间步的目标位置。该模型引入了方向参数、空格参数、前进参数和类别参数这四个动态参数来描述单个行人对自身周边交通条件的判断认知情况，同时，为了描述行人向右移动的右行习惯，引入了右行参数的概念，详细阐述了右行参数的定义和赋值范围。模型通过上述参数来获得移动收益。

然而，现有元胞自动机模型在行人流仿真模拟中的应用多局限于对行人流行为特征的仿真研究上，很少综合考虑步行行为发生的交通环境。由于行人流的步行交通环境是行人流演进的客观地理环境，是行人进行路径选择时所依据的基础信息，对行人的移动决策有着重要影响。因此，有必要将区域步行交通环境因素引入仿真模型，构建基于地理元胞自动机的行人流仿真模型，以较为综合的考察区域行人流运动演化，更好地对区域行人流进行仿真模拟。

发明内容

本发明要解决技术问题是：克服现有技术缺点，提出一种基于地理元胞自动机的行人流仿真方法，该方法综合考虑行人行为特征和行人流步行交通环境，扩展了行人仿真的适用范围，特别对实际室外开阔区域行人流进行仿真研究。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种基于地理元胞自动机的行人流仿真方法，包括如下步骤：

第一步、对研究区域做格网化处理，构成元胞空间；

第二步、对格网化后的研究区域进行行走适宜性分析，并根据行走适宜性分析结果将研究区域分为白色路段、灰色路段、黑色路段：

适宜行走区域作为白色路段，其对应元胞的行走适应性程度值等于1，不可行走区作为黑色路段，其对应元胞的行走适应性程度值等于0；可行走但属非行走区作为灰色路段，其对应元胞的行走适应性程度值取值范围为(0，1)；

第三步、对研究区域的道路组织结构建模，将研究区域的道路划分为区域出入口、路段、交叉路口三类，对交叉路口处元胞设置转向概率，设置方法如下：针对行人来向，行人向右转、向左转、直行的概率分别为P_r、P_l、P_s，其中，P_r+P_l+P_s＝1；

第四步、初始化步行交通环境，行人开始在区域出入口进出研究区域，并在研究区域内部演化，直到仿真过程结束，其中，每个行人遵循如下规则移动：

a.在每个时间步长t内，行人移动一个元胞的长度，行人每次在其移动邻域内九个可选位置中选择自己下一步的目标位置；

b.行人移动邻域内的九个元胞都拥有自己的综合移动收益，综合移动收益最大的元胞作为行人下一步的目标位置，元胞的综合移动收益计算方法如下：

I、移动收益计算：

计算行人移动邻域内九个元胞的移动收益，行人移动邻域内第i个元胞的移动收益为P_i，i＝0，1，...，8；

II、移动收益标准化：

行人移动邻域内第i个元胞的标准化移动收益

其中P_min为移动邻域所有元胞移动收益中的最小值，P_max为移动邻域所有元胞移动收益中的最大值；

III、计算综合移动收益：

行人移动邻域内第i个元胞的综合移动收益

其中L_i第i个元胞的行走适应性程度值；

c.行人在选择下一目标位置时，若移动邻域内存在多个综合移动效益最大值，则从中随机选择一个综合移动效益最大的元胞作为行人下一步目标位置；

d.当行人之间产生位置冲突时，随机选择其中一个行人占据目标位置，没有被选中的其余行人则留在原来的位置保持位置不变；

e.行人在前进中每遇到一个交叉路口时，根据交叉路口处的转向概率做出一次行走方向决策，行人在走出交叉路口时，根据前方路段延伸方向调整自身前进目标方向与之一致。

为了解决上述技术问题，本发明进一步的改进如下：

1、规则e中，在交叉路口处行人的转向方向T通过以下公式获得：

T = T (ξ) = \{\begin{matrix} Right & 0 < ξ \leq P_{r} \\ Straight & P_{r} < ξ \leq P_{r} + P_{s} \\ Left & P_{r} + P_{s} < ξ \leq 1 \end{matrix}

式中，ζ为0-1的随机数，Right代表“右”，Straight代表“直行”，Left代表“左”。

2、行人移动邻域内第i个元胞的移动收益P_i＝α(D_i+E_i)+β(F_i+C_i)+φR_i，D_i为第i个元胞的方向参数，E_i为第i个元胞的空格参数，F_i为第i个元胞的前进参数，C_i为第i个元胞的类别参数，R_i为第i个元胞的右行参数，α、β、

为权重系数。

3、第i个元胞的方向参数D_i∈{0，±0.7，±1}；第i个元胞的空格参数E_i∈{0，±1}，第i个元胞的前进参数F_i∈[-1，1]，第i个元胞的类别参数C_i∈[-1，1]，第i个元胞的右行参数R_i∈(-1，1)，

4、所述第一步中，格网化的网格单元大小为0.5×0.5m。

本发明的有益效果是：本发明将区域道路组织结构与区域行走适宜性引入行人仿真模型，根据步行适宜性将研究区划分为黑色路段、灰色路段和白色路段，使得仿真模型能够对复杂步行环境做出相应反应，而不仅仅是区域行人和障碍物；模型同时将区域道路交通系统从功能结构角度划分为区域出入口、路段以及交叉路口，使其能够仿真宏观行人流区域化运动，模拟区域行人流演化过程中呈现的会流和分流现象；从而大大扩展了仿真模型的实际适用范围，有效提高了模型仿真效果，特别适宜于仿真分析室外开阔区域行人流运动演化。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明实施例方法流程图。

图2为研究区域道路组织结构建模示意图。

图3-a为行人沿直线正常前进示意图。

图3-b为行人完全陷入灰色路段的包围示意图。

图3-c为行人继续沿正前方前进示意图。

图3-d为行人在右行参数的作用下选择右前方元胞作为目标位置示意图。

图4为仿真行人流在交叉路口的分流示意图。

图5为仿真行人流在交叉路口的汇流示意图。

具体实施方式

本实施例的一种基于地理元胞自动机的行人流仿真方法(流程图见图1)，包括如下步骤：

第一步、对研究区域做格网化处理，构成元胞空间。

每个网格单元代表一个元胞，在一个时间步长内，行人通过遗弃原有元胞而占据附近某个元胞的方式表现出移动前进。根据有关统计调查显示，95％的人肩宽不会超过57.9cm，肩厚不会超过33cm，因此对研究范围内的步行区域进行格网化处理时，网格单元大小取0.5×0.5m。

适宜行走区域作为白色路段，其对应元胞的行走适应性程度值等于1，不可行走区作为黑色路段，其对应元胞的行走适应性程度值等于0；可行走但属非行走区作为灰色路段，其对应元胞的行走适应性程度值取值范围为(0，1)。

行走适宜性表示地面适合行人步行的程度，对于道路、广场等本来设计就是供人行走的区域，其行走适宜性最高，为白色路段，赋值为1；对于立体建筑、水塘、大型障碍物所在的区域，行人是无法跨越的，行走适宜性最低，为黑色路段，赋值为0；对于一些绿化带、低矮栅栏等，虽然能够行走和跨越，但是由于受诸多条件约束并不是很适合行人行走，称此类区域为灰色路段，其值则根据具体行走适应性程度赋值。

第三步、对研究区域的道路组织结构建模，将研究区域的道路划分为区域出入口、路段、交叉路口三类，对交叉路口处元胞设置转向概率，设置方法如下：针对行人来向，行人向右转、向左转、直行的概率分别为P_r、P_l、P_s，其中，P_r+P_l+P_s＝1。

如图2所示，图中5代表区域出入口，E代表交叉路口，道路中央的线条为道路段，区域出入口指行人进入或离开区域步行交通公路网的道路口，包括整个研究区域的出入口和区域内建筑物的出入口；路段指笔直道路，在同一路段内的单个行人通常不发生转向行为；交叉路口至道路交通系统的结点，行人到达交叉路口时通常需要选择前进方向。

I、移动收益计算：

计算行人移动邻域内九个元胞的移动收益，行人移动邻域内第i个元胞的移动收益为P_i＝α(D_i+E_i)+β(F_i+C_i)+φR_i，D_i为第i个元胞的方向参数，表达下一步可选择位置距行人目标位置的接近程度，D_i∈{0，±0.7，±1}；E_i为第i个元胞的空格参数，反映该下一步可选择位置是否被行人占据，E_i∈{0，±1}；F_i为第i个元胞的前进参数，描述在下一步可选择位置的前方视野内可被行人占据的元胞所占的比例，F_i∈[-1，1]；C_i为第i个元胞的类别参数，描述在下一步可选择位置的前方视野内与行人前进方向相同的行人所占的比例，C_i∈[-1，1]；R_i为第i个元胞的右行参数，反映行人在移动过程中，行人靠右移动的行为习惯对行人移动的影响程度，R_i∈(-1，1)；α、β、

为权重系数，

i＝0，1，...，8；

II、移动收益标准化：

行人移动邻域内的各元胞的移动收益，通常含有正负值，且收益值差距并不是很明显。为了方便对移动收益做进一步处理以凸显各元胞间的收益差距，可对原始移动收益进行一步标准化处理，使其值分布在0-100之间，可对总移动收益做标准化处理；

行人移动邻域内第i个元胞的标准化移动收益

其中P_min为移动邻域所有元胞移动收益中的最小值，P_max为移动邻域所有元胞移动收益中的最大值。

III、计算综合移动收益：

行人移动邻域内第i个元胞的综合移动收益其中L_i第i个元胞的行走适应性程度值；

e.行人在前进中每遇到一个交叉路口时，根据交叉路口处的转向概率做出一次行走方向决策，行人在走出交叉路口时，根据前方路段延伸方向调整自身前进目标方向与之一致，规则e中，在交叉路口处行人的转向方向T通过以下公式获得：

T = T (ξ) = \{\begin{matrix} Right & 0 < ξ \leq P_{r} \\ Straight & P_{r} < ξ \leq P_{r} + P_{s} \\ Left & P_{r} + P_{s} < ξ \leq 1 \end{matrix}

如图3-a至图3-d所示，表示仿真行人跨越灰色障碍物示意图。如图3-a所示，t＝t₀时刻行人沿直线正常前进；如图3-b所示，t＝t₀+1时刻行人完全陷入灰色路段的包围之中，此时后退显然不是最好的选择；通过计算综合移动收益，发现在9个位置中前方元胞的综合移动收益最大，因此在t＝t₀+2时刻行人继续沿正前方前进(如图3-c所示)，进入前方灰色路段的元胞；如图3-d所示，t＝t₀+2 时刻行人斜前方存在白色路段，进入白色路段的综合移动收益要大于继续直行，因此行人在右行参数的作用下选择右前方元胞。

图4、图5所示为仿真模型在交叉路口处模拟行人流的分流、汇流现象的运行结果。行人流在由一个交出路口出入口进入交出路口时，由于行人方向决策的作用，行人流产生分流现象(见图4)。行人此时按照一定的概率向路口处其他方向转向而散开。行人流在由某交叉路口出入口走出交出路口时，由于前方路段方向的唯一性，行人流产生汇流现象。行人此时主动调整自身前进方向，使之与前方路段方向一致(见图5)。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种基于地理元胞自动机的行人流仿真方法，包括如下步骤：

第一步、对研究区域做格网化处理，构成元胞空间；

I、移动收益计算：

II、移动收益标准化：

行人移动邻域内第i个元胞的标准化移动收益

III、计算综合移动收益：

行人移动邻域内第i个元胞的综合移动收益

其中L_i第i个元胞的行走适应性程度值；

2.根据权利要求1所述一种基于地理元胞自动机的行人流仿真方法，其特征在于：规则e中，在交叉路口处行人的转向方向T通过以下公式获得：

T = T (ξ) = \{\begin{matrix} Right & 0 < ξ \leq P_{r} \\ Straight & P_{r} < ξ \leq P_{r} + P_{s} \\ Left & P_{r} + P_{s} < ξ \leq 1 \end{matrix}

3.根据权利要求2所述一种基于地理元胞自动机的行人流仿真方法，其特征在于：行人移动邻域内第i个元胞的移动收益P_i＝α(D_i+E_i)+β(F_i+C_i)+φR_i，D_i为第i个元胞的方向参数，E_i为第i个元胞的空格参数，F_i为第i个元胞的前进参数，C_i为第i个元胞的类别参数，R_i为第i个元胞的右行参数，α、β、

为权重系数。

4.根据权利要求3所述一种基于地理元胞自动机的行人流仿真方法，其特征在于：第i个元胞的方向参数D_i∈{0，±0.7，±1}；第i个元胞的空格参数E_i∈{0，±1}，第i个元胞的前进参数F_i∈[-1，1]，第i个元胞的类别参数C_i∈[-1，1]，第i个元胞的右行参数R_i∈(-1，1)，

5.根据权利要求4所述一种基于地理元胞自动机的行人流仿真方法，其特征在于：所述第一步中，格网化的网格单元大小为0.5×0.5m。