CN114880856A - 一种基于行人流瓶颈实验的仿真软件效果评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于行人流瓶颈实验的仿真软件效果评估方法，包括以下步骤：S1，将行人流瓶颈实验分为限制宽度瓶颈和限制流量瓶颈实验；S2，采集行人流瓶颈实验的布局参数、参与实验的人数、实验持续时间、行人基本信息；S3，根据不同的行人流瓶颈类型，利用收集到的行人流数据分析行人流瓶颈作用机理；S4，基于行人流瓶颈布局参数和行人流数据，利用不同的仿真软件建立行人流瓶颈模型；在保证仿真效果的前提下，更改行人流瓶颈的配置；S5，利用不同的仿真软件输出并分析行人流数据。本发明通过确定合理的仿真效果评估指标，对比分析不同的行人流仿真软件针对同一类型瓶颈实验的仿真效果，能为行人流瓶颈仿真的研究工作奠定基础。

Description

一种基于行人流瓶颈实验的仿真软件效果评估方法

技术领域

本发明涉及行人流瓶颈实验，尤其涉及一种基于行人流瓶颈实验的仿真软件效果评估方法。

背景技术

城市人口的不断增长表明了城市经济的繁荣发展，同时也催生了大量的行人交通需求。在城镇化的飞速发展进程中，交通拥堵、环境污染、能源紧缺等问题层出不穷。步行作为最原始、最基本的出行方式具有极强的灵活性，因此也成为衔接不同出行方式以及完成出行首尾“最后一公里”的不可或缺、极为重要的组成部分之一。行人研究涉及到数学、统计物理、系统科学、交通工程、计算机乃至社会学、心理学等多个领域，因此得到了大量国内外学者的关注。随着行人交通需求的日益增长，研究行人流瓶颈的重要性也愈加凸显。

想要具体解决实际生活中的行人交通问题，行人流仿真软件则更为方便快捷。目前常用的行人流软件主要有VISSIM、AnyLogic、SUMO、Pedestrian Dynamics、STEPS、Legion、SimWalk等。其中常见的三种行人仿真软件VISSIM、AnyLogic、SUMO适用的场景也不尽相同，其中VISSIM常被用于行人流与车流的交互作用以及行人疏散等场景的研究，AnyLogic多适用于轨道交通站设施布局等场景的行人仿真，而SUMO主要集中在行人流与车流的交互作用的研究。

然而，当前行人仿真软件的研究多侧重于实例仿真研究和改善模型验证，很少使用不同行人软件针对同一场景的仿真效果进行对比，因此缺乏行人流软件仿真效果的对比指标选取研究，难以确定最可靠的仿真软件。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种通过选取合理的评估指标对仿真效果进行评估的基于行人流瓶颈实验的仿真软件效果评估方法。

技术方案：本发明的仿真软件效果评估方法，包括以下步骤：

S1，将行人流瓶颈实验根据瓶颈类型分为限制宽度瓶颈和限制流量瓶颈实验；

S2，采集行人流瓶颈实验的布局参数、参与实验的人数、实验持续时间、行人基本信息；利用无人机拍摄视频和行人数据采集软件提取行人流数据，并根据不同的行人流瓶颈对行人流数据进行处理，其中对于限制流量瓶颈，选择不同位置统计其行人平均速度和速度标准差；对于限制宽度瓶颈，将环形通道均等划分区域，统计区域边界的行人流量和区域内的行人密度；

S3，根据不同的行人流瓶颈类型，利用收集到的行人流数据分析行人流瓶颈作用机理；

S4，基于行人流瓶颈布局参数和行人流数据，利用不同的仿真软件建立行人流瓶颈模型；在保证仿真效果的前提下，更改行人流瓶颈的配置；

S5，在行人流瓶颈仿真结束之后，利用不同的仿真软件输出并分析行人流数据；

S6，针对不同的行人流瓶颈实验，选取不同的评价指标进行对比；通过多项评估指标对比结果，综合评估不同软件的仿真效果。

进一步，所述步骤S2中，实验配置参数中的行人基本信息包括行人高度、行人宽度、行人步行速度。

进一步，所述步骤S2中，行人流数据的采集方法为先利用无人机拍摄行人流实验视频，再利用三维跟踪软件提取行人流数据。

进一步，所述步骤S3中，对限制流量瓶颈，采用行人实时坐标绘制行人轨迹图以及分析行人速度统计量的变化趋势；

对限制宽度瓶颈，采用行人流量和行人密度绘制行人流量时空图和行人密度时空图以及行人平均流量对比图。

进一步，所述步骤S4中，确保更改行人流瓶颈的配置时对仿真结果不会产生定性影响。

进一步，所述步骤S5中，利用仿真软件输出行人流数据时，需对输出的行人实时位置及行人实时速度进行相应的处理得到其他行人流数据。

进一步，所述步骤S6中，选取评价指标如下：限制流量瓶颈实验的对比指标为行人速度统计量，限制宽度瓶颈实验的对比指标为行人流量统计量及密度统计量；其中，行人速度统计量为不同位置的行人平均速度及速度标准差，行人流量统计量为设定时间间隔内统计的行人平均流量、行人流量和密度的标准差；然后，针对不同的效果评估指标绘制对比图。

本发明与现有技术相比，其显著效果如下：

1、根据不同的行人流瓶颈类型，将利用行人数据提取软件得到的行人实时坐标数据及行人速度数据转换为行人速度统计量、行人密度和行人流量统计量，从而可得到行人流瓶颈实验和仿真结果，便于下一步的仿真效果评估；

2、通过行人流仿真软件模拟行人流瓶颈实验状况，并选取合理的评估指标对仿真效果进行评估，从而确定最可靠的仿真软件。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的限制宽度瓶颈实验布局图；

图3(a)为本发明的限制宽度瓶颈中的密度时空图，瓶颈宽度为1.5米；

图3(b)为本发明的限制宽度瓶颈中的密度时空图，瓶颈宽度为1米；

图3(c)为本发明的限制宽度瓶颈中的密度时空图，瓶颈宽度为0.5米；

图4(a)为本发明的限制宽度瓶颈实验中的流量时空图，瓶颈宽度为1.5米；

图4(b)为本发明的限制宽度瓶颈实验中的流量时空图，瓶颈宽度为1米

图4(c)为本发明的限制宽度瓶颈实验中的流量时空图，瓶颈宽度为0.5米图5为本发明的限制宽度瓶颈实验中的平均流量对比图，预设密度为3人/平方米；

图6(a)为本发明的使用VISSIM进行限制宽度瓶颈仿真时的密度时空图，瓶颈宽度为1.5米；

图6(b)为本发明的使用VISSIM进行限制宽度瓶颈仿真时的密度时空图，瓶颈宽度为1米；

图6(c)为本发明的使用VISSIM进行限制宽度瓶颈仿真时的密度时空图，瓶颈宽度为0.5米；

图7(a)为本发明的使用VISSIM进行限制宽度瓶颈仿真时的流量时空图，瓶颈宽度为1.5米；

图7(b)为本发明的使用VISSIM进行限制宽度瓶颈仿真时的流量时空图，瓶颈宽度为1米；

图7(c)为本发明的使用VISSIM进行限制宽度瓶颈仿真时的流量时空图，瓶颈宽度为0.5米；

图8(a)为本发明的使用AnyLogic进行限制宽度瓶颈仿真时的密度时空图，瓶颈宽度为1.5米；

图8(b)为本发明的使用AnyLogic进行限制宽度瓶颈仿真时的密度时空图，瓶颈宽度为1米；

图8(c)为本发明的使用AnyLogic进行限制宽度瓶颈仿真时的密度时空图，瓶颈宽度为0.5米；

图9(a)为本发明的使用AnyLogic进行限制宽度瓶颈仿真时的流量时空图，瓶颈宽度为1.5米；

图9(b)为本发明的使用AnyLogic进行限制宽度瓶颈仿真时的流量时空图，瓶颈宽度为1米；

图9(c)为本发明的使用AnyLogic进行限制宽度瓶颈仿真时的流量时空图，瓶颈宽度为0.5米；

图10(a)为本发明的限制宽度瓶颈的行人平均流量对比图，瓶颈宽度为1.5米；

图10(b)为本发明的限制宽度瓶颈的行人平均流量对比图，瓶颈宽度为1米

图10(c)为本发明的限制宽度瓶颈的行人平均流量对比图，瓶颈宽度为0.5米

图11(a)为本发明的限制宽度瓶颈的行人流量标准差对比图，瓶颈宽度为1.5米；

图11(b)为本发明的限制宽度瓶颈的行人流量标准差对比图，瓶颈宽度为1米；

图11(c)为本发明的限制宽度瓶颈的行人流量标准差对比图，瓶颈宽度为0.5米；

图12(a)为本发明的限制宽度瓶颈的行人密度标准差对比图，瓶颈宽度为1.5米；

图12(b)为本发明的限制宽度瓶颈的行人密度标准差对比图，瓶颈宽度为1米；

图12(c)为本发明的限制宽度瓶颈的行人密度标准差对比图，瓶颈宽度为0.5米；

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

如图1所示，本发明的仿真软件效果评估方法，包括以下步骤：

步骤S1，确定行人流瓶颈实验类型

本发明的行人流实验为限制宽度瓶颈实验，如图2所示。

步骤S2，采集行人流瓶颈实验配置参数和行人流数据

采集行人流瓶颈实验的布局参数、参与实验的人数、实验持续时间、行人基本信息；

首先，采集行人流瓶颈实验配置参数，包括环道宽度为1.5米、内半径为4米、外半径为5.5米、参与实验的人数为137人(全局密度为3人/平方米)、瓶颈宽度为0.5米、1米和1.5米(无瓶颈)；统计行人基本信息，包括行人高度为1.6米-1.75米、宽度0.45米-0.55米、行人步行速度0.8米/秒-1.4米/秒。

其次，利用无人机拍摄行人流瓶颈实验过程，实验结束后通过PeTrack软件提取实验视频中的行人流数据，包括行人实时坐标、行人实时速度、行人流量、行人密度等等；因该软件无法直接输出行人密度及流量数据，故需对采集到的行人实时坐标进行相应的处理。对于限制宽度瓶颈实验，将实验环道用4条对称直线X1，X2……X8分割成均匀的8个区域，如图2所示。其中，X8为瓶颈所处位置，由此开始均等划分才能得到有效行人流量和密度数据。然后，以环道中心为原点、X8所在直线为X轴来建立坐标系，从而确定每个区域的坐标值范围，在此基础上统计每个时间间隔内位于不同区域的行人数量，从而换算成不同区域的行人密度；最后，通过计算不同截面的坐标值范围，即可统计每个时间间隔内通行的行人数量，再除以截面宽度可换算出不同时刻通过该截面的行人流量。

步骤S3，分析行人流瓶颈实验结果

根据行人流瓶颈类型分析行人流瓶颈作用机理，针对限制流量瓶颈，为了直观地展示行人速度与限制流量瓶颈的关系，可利用行人实时坐标绘制行人轨迹图以及分析行人速度统计量的变化趋势；针对限制宽度瓶颈，为了分析瓶颈对行人流量和行人密度的影响，可利用行人流量和行人密度绘制行人流量时空图和行人密度时空图以及行人平均流量对比图。

如图3(a)、3(b)、3(c)，在本发明中，当全局密度为3人/平方米时，不论是否有瓶颈，图像上都没有典型的密度波出现。如图4(a)、4(b)、4(c)，在本发明中，在全局密度为3人/平方米时，系统流量较高，行人并未进入时走时停的状态。如图5，在本发明中，当密度一定时，行人平均流量会随瓶颈宽度的减小而下降，这是因为瓶颈会限制该处行人通过的数量，瓶颈宽度越小，能够通行的行人也越少。

步骤S4，利用不同仿真软件建立行人流瓶颈仿真模型

不同的仿真软件为常用的行人仿真软件，如基于社会力模型的VISSIM、AnyLogic、Pedestrian Dynamics、JuPedSim和NOMAD，基于元胞自动机模型的Legion和STEPS以及内置行人微观运动模型为条纹模型的SUMO。

基于行人流瓶颈布局参数和行人流数据，利用不同的仿真软件建立行人流瓶颈模型。因软件版本限制，可在保证仿真效果的前提下，合理更改行人流瓶颈的配置。

本发明中选取常用的行人流仿真软件VISSIM和AnyLogic进行仿真效果对比。首先建立与实验相同的限制宽度行人流瓶颈仿真模型，行人参数与实验保持一致。同时位于路网中的行人总数不超过30人，对环道长度进行了等比例压缩，最终将仿真环境设定为外半径1.8米，内半径0.3米，并保持通道宽度为1.5米不变。

步骤S5，分析仿真软件的行人流仿真结果

VISSIM仿真软件可直接通过面域测量，按一定的时间间隔输出不同时刻的行人密度。而对于行人流量，VISSIM中无直接统计行人流量的功能，因此先利用面域测量得到每个面域在一定时间间隔里的行人走入数(由于行人为逆时针行走，所以走入数即为通过相应截面的行人数量)，再除以每个截面的长度1.5米即可得到行人流量。

如图6(a)、6(b)、6(c)，在本发明中，当瓶颈存在时，会在区域1与区域6之间出现少量密度波，且瓶颈宽度越小越明显，这一点与实验类似。但与实验不同的是，仿真中区域7和区域8的密度明显低于其他区域。这是由于VISSIM的行人流模型存在一定缺陷，行人会在环道最外侧形成单列队列，且可能长时间静止而不移动，从而导致这两个区域的密度明显偏小。

如图7(a)、7(b)、7(c)，在本发明中，在某些时空范围内行人流量会接近于0，并且当瓶颈宽度越小的时候，停下的行人越多，这一情况与实验结果并不完全一致。换言之，VISSIM仿真中的行人平均流量和速度更低一些。

AnyLogic提供了PedFlowStatistics模块用于统计行人流量和行人密度。直接调用相应的函数即可输出行人流数据。

如图8(a)、8(b)、8(c)，在本发明中，仿真结果出现了典型的密度波，甚至在密度较低、完全没有瓶颈作用时也可以看到波的传播态势，这和实验结果不太一致。因为AnyLogic本身的设定，行人在有空隙时会快速积极地向前移动，从而和拥堵时的停顿形成较大反差。

如图9(a)、9(b)、9(c)，在本发明中，在AnyLogic的仿真结果中，流量的波动非常小，以至于在大多数图像中只能看到单纯的一种颜色，与实际情况中也不一致。

步骤6，选择仿真效果评估指标以评估不同仿真软件的仿真效果

针对不同的行人流瓶颈实验，应选取不同的评价指标进行对比。通过多项评估指标对比结果，综合评估不同软件的仿真效果。限制宽度瓶颈实验的对比指标为行人流量统计量及密度统计量。其中，行人速度统计量为不同位置的行人平均速度及速度标准差，行人流量统计量为以15秒为间隔统计的行人平均流量、行人流量和密度的标准差。然后，针对不同的效果评估指标绘制对比图。最后，综合评估仿真效果最好的仿真软件。

针对限制宽度瓶颈，本发明以15秒为间隔统计了仿真和实验中不同截面的行人平均流量。由于无法将不同的流量或密度时空图直接对比，将行人流量和密度的标准差随时间变化的过程进行了对比。

如图10(a)、10(b)、10(c)和图11(a)、11(b)、11(c)，不论瓶颈宽度如何，实验的平均流量和流量标准差都明显大于AnyLogic和VISSIM的仿真结果，换言之VISSIM和AnyLogic使用的行人流模型均具有一定的缺陷，不能充分展现现实中行人时走时停的运动特征。

如图12(a)、12(b)、12(c)，有瓶颈时，VISSIM和AnyLogic的仿真结果和实验结果较为接近。

综上所述，VISSIM、AnyLogic和SUMO在进行行人流瓶颈仿真时，各自存在着不同的优点和缺点。虽然没有一个软件能够完美地再现各项实验结果，但是相对来说，在限制宽度瓶颈的仿真中，能够采用内半径4米，外半径5.5米配置的Anylogic综合表现稍好一些。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于行人流瓶颈实验的仿真软件效果评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将行人流瓶颈实验根据瓶颈类型分为限制宽度瓶颈和限制流量瓶颈实验；

S2，采集行人流瓶颈实验的布局参数、参与实验的人数、实验持续时间、行人基本信息；利用无人机拍摄视频和行人数据采集软件提取行人流数据，并根据不同的行人流瓶颈对行人流数据进行处理，其中对于限制流量瓶颈，选择不同位置统计其行人平均速度和速度标准差；对于限制宽度瓶颈，将环形通道均等划分区域，统计区域边界的行人流量和区域内的行人密度；

S3，根据不同的行人流瓶颈类型，利用收集到的行人流数据分析行人流瓶颈作用机理；

S4，基于行人流瓶颈布局参数和行人流数据，利用不同的仿真软件建立行人流瓶颈模型；在保证仿真效果的前提下，更改行人流瓶颈的配置；

S5，在行人流瓶颈仿真结束之后，利用不同的仿真软件输出并分析行人流数据；

S6，针对不同的行人流瓶颈实验，选取不同的评价指标进行对比；通过多项评估指标对比结果，综合评估不同软件的仿真效果。

2.根据权利要求1所述的基于行人流瓶颈实验的仿真软件效果评估方法，其特征在于，所述步骤S2中，实验配置参数中的行人基本信息包括行人高度、行人宽度、行人步行速度。

3.根据权利要求1所述的基于行人流瓶颈实验的仿真软件效果评估方法，其特征在于，所述步骤S2中，行人流数据的采集方法为先利用无人机拍摄行人流实验视频，再利用三维跟踪软件提取行人流数据。

4.根据权利要求1所述的基于行人流瓶颈实验的仿真软件效果评估方法，其特征在于，所述步骤S3中，对限制流量瓶颈，采用行人实时坐标绘制行人轨迹图以及分析行人速度统计量的变化趋势；

对限制宽度瓶颈，采用行人流量和行人密度绘制行人流量时空图和行人密度时空图以及行人平均流量对比图。

5.根据权利要求1所述的基于行人流瓶颈实验的仿真软件效果评估方法，其特征在于，所述步骤S4中，确保更改行人流瓶颈的配置时对仿真结果不会产生定性影响。

6.根据权利要求1所述的基于行人流瓶颈实验的仿真软件效果评估方法，其特征在于，所述步骤S5中，利用仿真软件输出行人流数据时，需对输出的行人实时位置及行人实时速度进行相应的处理得到其他行人流数据。

7.根据权利要求1所述的基于行人流瓶颈实验的仿真软件效果评估方法，其特征在于，所述步骤S6中，选取评价指标如下：限制流量瓶颈实验的对比指标为行人速度统计量，限制宽度瓶颈实验的对比指标为行人流量统计量及密度统计量；其中，行人速度统计量为不同位置的行人平均速度及速度标准差，行人流量统计量为设定时间间隔内统计的行人平均流量、行人流量和密度的标准差；然后，针对不同的效果评估指标绘制对比图。

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