CN108876124A - 基于数据驱动的疏散瓶颈处人群拥堵风险分析方法 - Google Patents

基于数据驱动的疏散瓶颈处人群拥堵风险分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及的是一种基于数据驱动的用于评估突发情况下大规模人群疏散时瓶颈处实时动态拥堵风险的非参数估计方法。包括1）数据预处理；2）计算最佳窗宽；3）拥堵概率的估计；4）基于拥堵概率估计的瓶颈处人群疏散风险预测。本发明基于拥堵概率估计的瓶颈处人群疏散风险预测方法完全是数据驱动的，不依赖于任何先验数据假设。基于这个方法，可以描绘疏散瓶颈处拥堵风险随时间的动态变化。进一步的，对于像地铁站或其他人群大量聚集的城市区域，也可以应用本发明提出的方法描绘不同位置疏散瓶颈处的动态拥堵风险，从而构建大规模场景下人群拥堵风险的动态热点地图，这将对人群疏散管控，尤其是突发情况下的人群疏散管控提供重要技术支持。

Description

基于数据驱动的疏散瓶颈处人群拥堵风险分析方法
技术领域
本发明涉及的是一种基于数据驱动的用于评估突发情况下大规模人群疏散时瓶颈处实时动态拥堵风险的非参数估计方法。
背景技术
随着城市的快速发展，公共场所内人群的聚集程度越来越高，极易形成大规模人群，由此带来的人群风险也在不断增加。大规模人群一旦在行走过程中遇到一些瓶颈，并遇到突发情况时，人群极易产生拥挤，更严重的还会引起挤压和践踏。已有技术多是根据实时行人流量或密度统计情况来估算人群拥挤状况，其判断的依据往往是某个孤立的行人运动参数的具体数值。如Kholshevnikov等人（Kholshevnikov, V. V., Shields, T. J.,Boyce, K. E., & Samoshin, D. A. (2008). Recent developments in pedestrianflow theory and research in russia. Fire Safety Journal, 43(2), 108-118.）提到当人群密度为4 人/ m2或更大时可认为是一种“停滞”情况，与人群密度较小时相比，此时步行速度明显下降。卢兆明等人（Lo, S. M., Fang, Z., Lin, P., & Zhi, G. S.(2004). An evacuation model: the sgem package. Fire Safety Journal, 39(3),169-190.）认为，人群速度接近0.1m/s，密度大于4.2人/m2时，表明人群处于拥挤状况。尽管这些数据为人群安全管理提供了重要的指导，但这些数据是静态的，并且无法对人群在运动路径中遇到瓶颈时从流畅通行转变为拥堵通行的过程进行量化。人群运动具有连续性、实时性和不确定性，因此，有必要提出一种基于数据驱动的大规模人群疏散时瓶颈处实时动态拥堵风险的评估方法。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足之处提供一种基于数据驱动的疏散瓶颈处人群拥堵风险分析方法，为了全面评估人群在瓶颈处的拥堵风险，本方法建立了基于人群步行速度、人群密度和人群流量实时数据的疏散拥堵概率计算模型，并通过拥堵概率的变化来反映拥堵风险大小。
本发明应用KDE（核密度估计）来了解这些参数从通道到楼梯的变化。KDE是基于概率密度函数的一类非参数估计。KDE从数据样本本身研究数据分布的特征。基本思想是基于已知的历史数据估计未知人口的概率密度函数，以使估计密度函数和实密度函数之间的均方误差最小化。KDE不是用复杂的数学工具建立的，而是从直方图开发出来的。KDE的应用目前已在各种工程技术领域可见以下公开的文章（Chen, Q., Wynne, R. J., Goulding,P., & Sandoz, D. (2000). The application of principal component analysis andkernel density estimation to enhance process monitoring. Control EngineeringPractice, 8(5), 531-543； Danese, M., Lazzari, M., & Murgante, B. (2008).Kernel density estimation methods for a geostatistical approach in seismicrisk analysis: the case study of potenza hilltop town (southern italy).Lecture Notes in Computer Science, 5072, 415-429； Anderson, T. K. (2009).Kernel density estimation and k-means clustering to profile road accidenthotspots. Accident analysis and prevention, 41(3), 359-64.）。
KDE的表达式如下：
公式（1）
其中，（X1，X2，...，Xn）是从具有未知密度的一些分布中抽取的独立和相同分布的样本；f（x）是核密度估计器；x是自变量；n是样本数量，n的取值为大于等于1的自然数；h是被称为窗宽的平滑参数；d是维度的数量；K(x)是内核函数。
最常用的内核函数之一是高斯核函数，表示为：
公式（2）。
本发明基于这种KDE技术，在人群拥堵风险分析中耦合数据驱动的理念，提出一种基于核密度估计的人群拥堵风险预测方法。
本发明是采取以下技术方案实现的，基于数据驱动的疏散瓶颈处人群拥堵风险分析方法包括如下步骤：
1）数据预处理；
2）计算最佳窗宽；
3）拥堵概率的估计；
4）基于拥堵概率估计的瓶颈处人群疏散风险预测。
步骤1）的数据预处理中，将原始实时数据归一化，归一化的公式为：
公式（3）
和分别是原始数据的最小值和最大值； 表示原始数据中的第i个样本，i 为不小于1的自然数；表示原始数据中第i个样本被归一化后的结果。
步骤2）所述的窗宽是KDE（核密度估计）中非常重要的参数，窗宽h的大小直接影响估计结果的准确性；目前，最有效的方法是基于最小二乘法差异的思想；当积分均方误差最小时，窗宽是最佳的。一维最佳窗宽计算表达式为：
公式（4）
其中，
公式（5）
h表示最佳窗宽，公式（4）和公式（5）中的n表示样本数量；表示归一化后的原始数据 样本均值；表示原始数据中第i个样本被归一化后的结果， i和n为不小于1的自然数。
步骤3）中拥堵概率的估计方法，具体步骤包括：
3-1）将步行速度的实时数据表示为和；人群密度的实时数据表示为和；流量的实时数据表示为和，其中下标A和B分别表示在相连接的两个区域中， 这两个区域分别是区域A和区域B；
3-2）使用高斯型的核函数计算每个采样点的概率密度值作为纵坐标，采样点为横坐标，获得基于核密度法的过程参数的概率密度函数曲线；
3-3）在所述概率密度函数曲线中，用函数表示区域A中行人流量参数的概率密 度分布；表示区域B中行人流量参数的概率密度分布；为便于推导，这里假设行人从 区域A往区域B运动，且两个区域的连接处存在瓶颈（如通行截面突然变小）；
3-3-1）对于步行速度，大于的左侧积分区域是区域B拥挤的概率表示， 因此，由步行速度推导的拥挤概率可以表示为，
公式（6）
其中，是当和相等时的横坐标值；如果和有更多的 交点，可以应用类似的思路来计算P1的值；
3-3-2）对于人群密度和流量，拥挤概率可以分别由大于的右侧积分 区域以及大于的右侧积分区域推导出；因此，得出：
公式（7）
公式（8）
是当和相等时的横坐标值；是当和相等 时的横坐标值；
3-4）得到从区域A至区域B时行人出现拥堵的综合概率为：
公式（9）
该式全面考虑了行人流的关键参数，且完全是数据驱动的结果。
步骤4）中基于拥堵概率估计的瓶颈处人群疏散风险预测方法，包括如下步骤：
4-1）针对某个连接两个区域的疏散瓶颈，构建基于步骤3）中拥堵概率的估计方法的疏散拥堵风险预测模型；两个区域分别设为区域I和区域II；
4-2）当人群平均密度ρn高于4人/ m²时，认为此时人群已经达到拥堵状态，风险较高；
4-3）当人群平均密度较低；
4-3-1）则对区域I和区域II同时采集一定时间间隔内的行人流监控数据并执行KDE分 析，即执行所述步骤1）~步骤3），计算得到拥堵概率；
4-3-2）随着人群的持续流动，继续执行基于实时监控数据的KDE分析，计算得到下一时 间间隔内的拥堵概率；
4-3-3）如果大于，就意味着人群正在经历一个随着时间延长越来越拥堵的状 态；无论计算得到的概率数值和具体是多少，瓶颈处都具有相对较高的拥堵风险， 因此，这种情况下建议应该采取一些干预措施以控制人群的流动；
4-3-4）如果计算得到的拥堵概率不大于，就意味着人群目前情况下能够相对 比较流畅地行走，瓶颈处的拥堵风险被较好地控制住，因此，这种情况下建议继续监测人群 流动的实时数据并在下一个时间间隔执行KDE分析，从而动态更新瓶颈处的拥堵风险;
步骤4-3-4）所述的实时数据包括人群流动的速度、密度和流量;
步骤4-2）的判断依据沿用前述Kholshevnikov等人的文献数据，以及Hughes所提出的“当人群密度大于4人/m²时，人群中会产生压力波”[Hughes R L. The flow of largecrowds of pedestrians [J]. Mathematics and Computers in Simulation, 2000, 53:367-370.]。
本发明的优点：本发明基于拥堵概率估计的瓶颈处人群疏散风险预测方法完全是数据驱动的，不依赖于任何先验数据假设。基于这个方法，可以描绘疏散瓶颈处拥堵风险随时间的动态变化。进一步的，对于像地铁站或其他人群大量聚集的城市区域，也可以应用本发明提出的方法描绘不同位置疏散瓶颈处的动态拥堵风险，从而构建大规模场景下人群拥堵风险的动态热点地图，这将对人群疏散管控，尤其是突发情况下的人群疏散管控提供重要的技术支持。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明实施例中不同行人流量参数的PDF曲线示意图；
图2是本发明瓶颈处人群拥堵风险动态预测方法的执行流程图；
图3是本发明实施例中疏散瓶颈示意图；
图4是本发明实施例中新街口地铁站2号线换乘1号线站台通道以及楼梯平面示意图；
图5是本发明实施例中换乘通道和换乘楼梯的速度-时间分布图；
图6是本发明实施例中换乘通道和换乘楼梯的密度-时间分布图；
图7是本发明实施例中换乘通道和换乘楼梯的流量-时间分布图；
图8是本发明实施例中在同一监测时段内的通道和楼梯口人群流动的步行速度KDE曲线；
图9是本发明实施例中在同一监测时段内的通道和楼梯口人群流动的人群密度KDE曲线；
图10是本发明实施例中在同一监测时段内的通道和楼梯口人群流动的人群流量KDE曲线。
具体实施方式
瓶颈是指人群疏散路径上出现的令人群无法维持平稳流动的相关干扰，例如，楼梯与通道相连的区域可视为瓶颈区域。由于人们可以在通道中自由行走，但在通道至楼梯交界处由于通行截面发生改变，从而导致人群可能在这一区域发生拥堵。为了容易理解，本发明具体实施例基于通道和楼梯相连区域进行说明，以此可以类推到其他具有同样的人群流动特性的疏散瓶颈，而不能看作局限于通道和楼梯相连区域。
基于数据驱动的疏散瓶颈处人群拥堵风险分析方法包括如下步骤：
1）数据预处理；
2）计算最佳窗宽h；
3）拥堵概率的估计；
4）基于拥堵概率估计的瓶颈处人群疏散风险预测。
步骤3）中拥堵概率的估计方法，将步行速度的实时数据表示为和；人群密度 的实时数据表示为和；流量的实时数据表示为和，其中下标c和s分别表示在通道和 楼梯中；使用高斯型的核函数计算每个采样点的概率密度值作为纵坐标，采样点为横坐标， 获得基于核密度法的过程参数的概率密度函数曲线（如图1所示，示意图中实线是楼梯中数 据的分布，虚线是通道中数据的分布）。
用函数表示通道中行人流量参数的概率密度分布；表示楼梯中行人 流量参数的概率密度分布。对于步行速度，大于的左侧积分区域是楼梯拥 挤的概率表示，因此，由步行速度推导的拥挤概率可以表示为，
公式（6’）
其中，是当和相等时的横坐标值；如果和有更多的交 点，可以应用类似的思路来计算P1的值。
对于人群密度和流量，拥挤概率可以分别由大于的右侧积分区域 以及大于 的右侧积分区域推导出；因此，得出：
公式（7’）
公式（8’）
是当和相等时的横坐标值；是当和相等时 的横坐标值。因此，从通道至楼梯时行人出现拥堵的综合概率为：
公式（9）
该式全面考虑了行人流的关键参数，且完全是数据驱动的结果。
步骤4）针对某个连接两个区域的疏散瓶颈，如图3所示，构建基于上述提出的拥堵 概率综合计算方法的疏散拥堵风险预测模型，如图2所示。当人群平均密度ρn高于4人/m² 时，沿用文献数据，认为此时人群已经达到拥堵状态，风险较高。但是，在多数情况下，拥堵 的信号并非如此明显。当人群平均密度较低，则对区域I和区域II同时采集一定时间间隔内 的行人流监控数据并执行KDE分析（执行步骤1~3），计算得到拥堵概率。随着人群的持续 流动，继续执行基于实时监控数据的KDE分析，计算得到下一时间间隔内的拥堵概率。 如果大于，就意味着人群正在经历一个随着时间延长越来越拥堵的状态。无论计算 得到的概率数值和具体是多少，瓶颈处都具有相对较高的拥堵风险，因此，这种情 况下建议应该采取一些干预措施以控制人群的流动。反之，如果计算得到的拥堵概率 不大于，就意味着人群目前情况下能够相对比较流畅地行走，瓶颈处的拥堵风险被较好 地控制住，因此，这种情况下建议继续监测人群流动的实时数据（速度、密度和流量）并在下 一个时间间隔执行KDE分析，从而动态更新瓶颈处的拥堵风险。
下面以晚高峰（17:30-18:30）对南京市新街口地铁站的换乘通道和换乘楼梯口人群实时流动参数为例，说明本发明的实施方式。选取的位置为2号线换乘1号线的换乘通道及换乘楼梯，如图4所示。实线部分为地下二层2号线的列车运行轨道以及向下换乘楼梯和通道，虚线部分为地下3层1号线列车运行轨道。列车到站间隔为3分钟，因此观测周期内有20趟列车到达。
新街口为地下三层岛式车站，采用岛岛T型换乘，2号线换乘1号线：二号线换乘一号线直接从站台中间的“T字型”楼梯下降至一号线站台即可。对新街口高峰时段行人流的换乘情况和通道内行人流进行了拍摄，通过图像识别技术提取该时间段内行人通行的速度、密度和流量。经过数据处理，得到换乘通道和换乘楼梯的速度-时间分布图（图5）、密度-时间分布图（图6）和流量-时间分布图（图7）。
基于上述分析流程，如图8~图10所示为通道和楼梯中行人流参数实时数据的核密 度估计。根据前面介绍的方法，首先通过步行速度、人群密度和人群流量的KDE曲线分别计 算拥堵的概率，即，，，那么该区域行人流拥堵的综合概率为：
。
结果可以解释如下。较小的P2值意味着从目前人群密度数值的角度考虑，人们从通道走向楼梯时不太可能发生拥堵，这也符合人群密度在楼梯上没有增加的实际情况。但与此同时，步行速度的下降是值得注意的，同时也可以观察到楼梯上的流量也是下降的，这意味着目前的行动状态下，从通道向楼梯移动的人流可能会拥挤。而P1和P3，特别是P1的值越大，越能定量验证了这一解释。大多数时候，人群密度被用作拥堵的表征，则拥挤概率容易被低估，这对于人群风险评估和安全管理是负面的。因此，本发明所提出的人群拥堵综合概率的计算方法，可以有效弥补这一不足。
若继续对人群进行监测，例如获取18:30~19:30这一时间段内的行人流基本参数， 则可以继续计算得到该换乘通道-楼梯的瓶颈区域内相应的行人流拥堵综合概率，与前一 时间段内计算得到的做比较，则可判断该瓶颈区域的拥堵风险变化趋势，从而指 导地铁站高峰时期的行人管控。这里关于时间区间的选择仅是作为示例。在实际应用本发 明所述技术对具体区域进行拥堵风险预测时，可根据实际情况进行时间区间的设置。

Claims (6)

1.一种基于数据驱动的疏散瓶颈处人群拥堵风险分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）数据预处理；
2）计算最佳窗宽；
3）拥堵概率的估计；
4）基于拥堵概率估计的瓶颈处人群疏散风险预测。
2.根据权利要求1所述的基于数据驱动的疏散瓶颈处人群拥堵风险分析方法，其特征在于，步骤1）的数据预处理中，将原始实时数据归一化，归一化的公式为：
公式（3）
和分别是原始数据的最小值和最大值； 表示原始数据中的第i个样本，i 为不小于1的自然数；表示原始数据中第i个样本被归一化后的结果。
3.根据权利要求1所述的基于数据驱动的疏散瓶颈处人群拥堵风险分析方法，其特征在于，步骤2）所述的最佳窗宽的最佳窗宽计算表达式为：
公式（4）
其中，
公式（5）
h表示最佳窗宽，公式（4）和公式（5）中的n表示样本数量；表示归一化后的原始数据 样本均值；表示原始数据中第i个样本被归一化后的结果， i和n为不小于1的自然数。
4.根据权利要求1所述的基于数据驱动的疏散瓶颈处人群拥堵风险分析方法，其特征在于，步骤3）中拥堵概率的估计方法，具体步骤包括：
3-1）将步行速度的实时数据表示为和；人群密度的实时数据表示为和 ；流量的实时数据表示为和，其中下标A和B分别表示在相连接的两个区域中，这两个 区域分别是区域A和区域B；
3-2）使用高斯型的核函数计算每个采样点的概率密度值作为纵坐标，采样点为横坐标，获得基于核密度法的过程参数的概率密度函数曲线；
3-3）在所述概率密度函数曲线中，用函数表示区域A中行人流量参数的概率密度 分布；表示区域B中行人流量参数的概率密度分布；为便于推导，这里假设行人从区域 A往区域B运动，且两个区域的连接处存在瓶颈；
3-3-1）对于步行速度，大于的左侧积分区域是区域B拥挤的概率表示，因 此，由步行速度推导的拥挤概率可以表示为，
公式（6）
其中，是当和相等时的横坐标值；如果和有更多的交点， 可以应用类似的思路来计算P1的值；
3-3-2）对于人群密度和流量，拥挤概率可以分别由大于的右侧积分 区域以及大于的右侧积分区域推导出；因此，得出：
公式（7）
公式（8）
是当和相等时的横坐标值；是当和相等 时的横坐标值；
3-4）得到从区域A至区域B时行人出现拥堵的综合概率为：
公式（9）。
5.根据权利要求1所述的基于数据驱动的疏散瓶颈处人群拥堵风险分析方法，其特征在于，步骤4）中基于拥堵概率估计的瓶颈处人群疏散风险预测方法，包括如下步骤：
4-1）针对某个连接两个区域的疏散瓶颈，构建基于步骤3）中拥堵概率的估计方法的疏散拥堵风险预测模型；两个区域分别设为区域I和区域II；
4-2）当人群平均密度ρn高于4人/ m²时，认为此时人群已经达到拥堵状态，风险较高；
4-3）当人群平均密度较低；
4-3-1）则对区域I和区域II同时采集一定时间间隔内的行人流监控数据并执行KDE分 析，即执行所述步骤1）~步骤3），计算得到拥堵概率；
4-3-2）随着人群的持续流动，继续执行基于实时监控数据的KDE分析，计算得到下一时 间间隔内的拥堵概率；
4-3-3）如果大于，就意味着人群正在经历一个随着时间延长越来越拥堵的状 态；无论计算得到的概率数值和具体是多少，瓶颈处都具有相对较高的拥堵风险， 因此，这种情况下建议应该采取一些干预措施以控制人群的流动；
4-3-4）如果计算得到的拥堵概率不大于，就意味着人群目前情况下能够相对比 较流畅地行走，瓶颈处的拥堵风险被较好地控制住，因此，这种情况下建议继续监测人群流 动的实时数据并在下一个时间间隔执行KDE分析，从而动态更新瓶颈处的拥堵风险。
6.根据权利要求5所述的基于数据驱动的疏散瓶颈处人群拥堵风险分析方法，其特征在于，步骤4-3-4）所述的实时数据包括人群流动的速度、密度和流量。
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