基于颗粒流离散元方法的行人动力学 模型及仿真研究

离散元方法是分析和求解复杂离散颗粒系统问题的一种高效力学数值模拟方 法,对于提高目前行人动力学模型中的求解效率,细致刻画行人运动中的力学关系具有 优势.本文利用颗粒接触理论中的软球模型描述行人的接触及挤压行为,以现有社会力模 型中的主观运动力作为外部输入,构建了基于颗粒流理论的行人运动模型,并在离散元 EDEM仿真平台上实现.通过对不同密度条件下行人运动行为及平均速度的仿真及统计, 对比实测数据,验证了模型的有效性;通过对比不同仿真平台的计算速度,验证了算法的 高效性.研究结果表明：模拟得到的行人流在不同密度下的行为符合现场观测,模拟所得 行人平均速度数据与实测数据基本吻合,所建模型具有较高计算效率.因此,基于颗粒流 理论的离散元方法能够实现对行人运动的模拟,且具有进一步的研究价值.     

单向通道行人-自行车混合流建模及自组织现象研究

行人和自行车混合行驶是一种常见的非机动车交通组织方式,然而目前对于其混合流动力学的研究十分有限。本文基于社会力模型,提出一种面向行人-自行车混合流的混合流社会力模型(MFSF)解析行人-自行车混合流的运动机理,修正了以往研究中的自行车模型,通过实际道路上行人和自行车混合流的观测数据校准模型,构建仿真平台,最后使用仿真平台重现单向道路中行人和骑行者的自组织现象。根据仿真结果与实测数据流量-密度基本图的对比分析,验证了 MFSF模型的真实性和有效性,并可以看出,MFSF模型可以再现行人和自行车混合流的自组织现象。当行人与骑车者的比例相同时,行人和骑车者的密度越低,骑车者的车道宽度变化就越小;当行人与自行车比例变化时,骑行者的比例越大,骑行者占用的道路越宽,且骑行者的车道宽度越不稳定;如果行人输入显著减少,则自行车者车道宽度显著增加。     

基于有限元理论的行人流社会力仿真模型改进研究

社会力微观行人仿真模型能够体现行人真实运动情况,但其在模拟拥挤状态下的行人运动时存在失真及运算效率低的问题。为此引入有限元分析方法,从模型和算法两方面对社会力模型进行改进,提出基于有限元理论的方法与求解步骤。最后应用该方法对通道内双向行人交通流进行仿真模拟,验证其可行性。     

考虑结伴行为的地铁通道行人仿真建模研究

结伴是行人运动中的普遍行为，且对行人的整体运动具有显著影响，因此仿真行人运动时，有必要考虑结伴行为. 本文以地铁内一般通道为空间背景，首先利用视频观测数据，深入分析了通道内的结伴行为特征. 然后，区分普通个体行人、结伴行人及结伴群体中的不同角色(领导者、跟随者)，基于社会力模型原理，结合颗粒流理论，建立了包含驱动力、接触力、排斥力3 个子模型的行人运动模型，并构建了考虑结伴行为的行人仿真平台. 最后，以某一地铁通道作为实例，通过观测数据及对结伴行为的刻画验证了该仿真模型的真实性及有效性，并分析了不同结伴比例对行人流平均速度的影响，得出行人速度随着结伴比例增大而减小的结论. 该模型可为进一步完善地铁枢纽的行人运动仿真模型提供理论支持，为通道内行人组织提供帮助.     

考虑结伴行为的地铁通道行人仿真建模研究

结伴是行人运动中的普遍行为，且对行人的整体运动具有显著影响，因此仿真行人运动时，有必要考虑结伴行为. 本文以地铁内一般通道为空间背景，首先利用视频观测数据，深入分析了通道内的结伴行为特征. 然后，区分普通个体行人、结伴行人及结伴群体中的不同角色(领导者、跟随者)，基于社会力模型原理，结合颗粒流理论，建立了包含驱动力、接触力、排斥力3 个子模型的行人运动模型，并构建了考虑结伴行为的行人仿真平台. 最后，以某一地铁通道作为实例，通过观测数据及对结伴行为的刻画验证了该仿真模型的真实性及有效性，并分析了不同结伴比例对行人流平均速度的影响，得出行人速度随着结伴比例增大而减小的结论. 该模型可为进一步完善地铁枢纽的行人运动仿真模型提供理论支持，为通道内行人组织提供帮助.     

船舶倾斜对不同行人流疏散效率影响的数值分析

为研究船舶倾斜对船上人员疏散过程的影响,在基础社会力模型中引入行人倾斜力和自调整力,构建一种考虑船舶倾斜状态的改进社会力模型,通过比对前人实验结果验证模型的有效性。增加行人视角范围,确定周围行人作用的有效范围;结合MATLAB仿真单向、对向、交叉和多向行人流场景,分析不同倾斜状态对行人疏散速度的影响,并拟合疏散时间随倾斜角度变化规律。仿真结果表明：船舶倾斜角小于15°的情况下,行人速度会有小幅下降,但对整体疏散过程影响不大;当倾斜角超过15°时,行人行走速度会迅速下降,整体疏散时间也会急剧增加,并与倾斜角度呈六次关系变化。基于此,船舶倾斜状态下的最佳疏散时机为倾斜角小于15°。     

考虑行人摔倒和受伤的斜坡相向流社会力模型

行人在斜坡上运动时,其受力情况、运动速度及心理状态均与在平地运动时不同,难以应用现有社会力模型进行有效仿真.为此,考虑斜坡上行人的运动特征,提出一个改进的社会力模型,此模型基于过往实证数据对行人在斜坡上的期望速度进行了校准,并提出了推搡行为下行人摔倒的概率计算方法,同时,结合行人体重、运动加速度、承受压力及等待时间等实时状态实现了对行人摔倒、受伤及不耐烦心理的模拟.斜坡相向行人流场景仿真结果表明：坡度、行人初始密度的升高会延长人群运动时间,使人均意外发生率上升最高至38.0%;不耐烦心理有助于车道效应的形成,但会降低人群运动效率;行人流基本图中,高坡度下流量-密度关系趋势不如平地明显,各坡度行人平均速度比较接近.     

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行人流特性分析及仿真模型参数标定目的在于为行人流仿真工作提供理论依据和基础数据。对国内综合交通客运枢纽——北京西直门地铁站行人流数据进行视频采集,采用统计分析软件SPSS对行人流参数数据进行筛选及拟合分析,建立了不同设施的行人流参数关系曲线及函数模型,研究结果表明,水平通道处行人流量与密度呈二次函数关系、流量与空间在某一临界点两侧分别呈二次函数及对数函数关系、速度与密度呈线性关系,楼梯处与之相似但特征点数值存在差异。在此基础上对社会力模型参数进行标定,给出了行人椭圆的长半轴的范围,并引入时间紧迫程度这一影响因子,确定期望速度为速度—密度函数与该影响因子的乘积。     

基于需求空间的双向行人流元胞自动机模型研究

在NS模型的基础上提出考虑需求空间的双向行人交通流仿真模型。新模型采用需求空间来描述行人之间一定区域内的相互影响,提前避免冲突的发生。为更好地描述同向行人之间的吸引力,模型还考虑视野邻域以收集行人视野范围内的交通信息从而得到加权社会参数值。通过Matlab对改进的模型进行仿真,将仿真实验所得的流密图与Weidmann基本图和社会力模型比较,结果表明:新模型有效地提前避免冲突,行人流整体速度有所提高;行人密度在0~5p/m2区间变化时能够再现Weidmann基本图。     

一种新的连续空间微观行人仿真模型

对适用于连续空间的基于力的行人仿真模型进行综述,并以社会力模型为例,指出了其本质局限性.在此基础上提出了全新的适用于连续空间的微观行人仿真模型:邻域决策模型.该模型使用"方向选择与速率调整"相结合的方法对行人的微观动作进行描述,并采用邻域作用原理驱动行人的决策过程.最后,通过一系列复杂场景内的单人行走仿真试验,分析了在不同参数配置下模型所模拟出的丰富的行人特性.说明该模型能够合理地模拟行人的非线性决策特征,与基于力的模型相比,更加符合行人的自然行走过程,证实了这种新的仿真模型的可行性.     

大型主题活动客流组织仿真评价及优化研究

为定量化评价大型主题活动期间行人交通系统规划、设计与管理的合理性,从实际工程应用出发,构建以Legion行人交通仿真软件为基础的客流组织评价及优化方法。该方法以设施服务水平为主要评价指标,包含基础数据调查与分析、模型构建与参数标定、仿真结果输出与分析、整体及局部优化等关键步骤。将其应用于第九届中国(北京)国际园林博览会客流组织方案的评价与优化,通过采取优化措施使园区高密度区域的客流比例从13%降至5%。该方法对于定量评价行人设施规划、设计及不同客流组织方案的实施效果具有良好的适用性。     

人体热辐射控制交通信号灯设计

针对有交通信号灯控制的道路交叉口进行行人流量调查,研究通过人体热辐射能够自动控制并以热红外传感器为技术核心的LED交通信号灯的转换时间,使得当交叉路口人流达到指定数量时交通信号灯能够自动转换时间,自动放行交叉口人流而暂时阻止车辆通行。     

交通灯控制下基于元胞自动机的行人过街模型研究

本文提出了一种交通灯控制下的基于元胞自动机的行人过街穿越模型,该模型由行人元胞子模型、机动车元胞子模型及相互作用子模型三部分组成,用于分析在带有人行横道的一维道路上,由行人与机动车构成的混和文通流的特性。该模型着重考虑了行人的行为特性,在考虑诸多实际影响因素的情况下,研究了行人的产生概率,行人不遵守交通规则的概率、行人群效应等对于车流量、行人流量和等待时间的影响,并据此提出混和交通流情况下城市交通管理方案,以保证行人安全,提高通行效率,减少城市拥堵。     

机场陆侧出发层车道边通行能力分析

通过研究机场陆侧交通系统,提出机场陆侧车道边的概念.分别以虹桥机场、浦东机场为例,对出发层车道边客流特征及其规模影响因素进行了分析,并结合其交通流特性,提出了采用容量限制的多服务台的排队（M/M/n/C/∞）理论,构建了出发层车道边需求规模控制模型,以计算实例了论证该模型的有效性,为机场陆侧客运交通规划与设计提供了依据.     

城市道路路段行人过街信号设置研究

现行规范对路段行人过街信号的设置条件缺少定量分析与理论依据,为保障路段行人过街安全,研究行人过街等待时间、行人安全度及行车延误对行人过街信号设置的影响。基于哈尔滨市某双向6车道主干路无信号人行横道的调查数据,分别构建行人过街等待时间与机动车流率、交通冲突时间与行驶速度、行车延误与过街行人流率的关系模型。以45 s作为过街行人忍受时间阈值,计算得到设置路段行人过街信号的机动车流率条件为1200辆·h-1;以1.3 s作为交通冲突时间阈值,得到对应的机动车行驶速度条件为55 km·h-1;以不同服务水平对应的行程车速为依据,给出设置路段行人过街信号的过街行人流率条件。     

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行人动力学建模的关键是对行人运动方向和速度的选择进行描述.本文构建了基于多层有限状态自动机的行人Agent适应性决策模型;在此基础上,针对行人运动过程中快速决策的特征,通过构建基于认知启发式规则的行人运动行为规则集合,建立了描述行人微观运动行为的动力学模型.通过设计仿真实验并收集数据,对模型的有效性进行了验证.研究结果表明：模拟得到的行人交通流密度-速度关系与实测数据具有较好的一致性,流率-密度关系符合理论计算结果,基本图较好地符合实际观测的行人宏观交通流关系,认为本文提出的行人动力学模型具有交通上的合理性.     

Research on Methods of Assessing Pedestrian Level of Service for Sidewalk

Sidewalk is an important part of urban walking traffic system, the service quality affects the route townsmen choose when they go out. Differently from the traditional research, which takes traffic flow operation as the assessing standard for the level of service for vehicles, taking pedestrian comfort and safety into consideration, this paper has studied the methods of assessing pedestrian level of service by analyzing the relationship between the pedestrians' subjective perceptions and the quality of the road physical facilities as well as the traffic flow operation. On the basis of a mass of data and using statistical software SPSS, this paper established the primary factors which influenced the pedestrian level of service for sidewalk and then developed the step-wise regression model along with the pedestrian level of service categories on the basis of the main factors.     

行人交通流三参数基本关系式适用性研究

为研究交通流量、密度和速度基本关系式对行人交通流的适用性,采用类比和误差分析方法,建立了行人交通流基本关系式评价方法与步骤.采集了水平通道、楼梯等步行设施行人流量、密度和速度数据,并利用基本关系式进行密度换算,分析了密度实际观测值与基本关系式换算值之间的差异.研究结果表明:对于有固定边界步行设施上的行人交通流,在极低密度和极高密度时,用基本关系式换算参数的误差可高达20%~25%;使用基本关系式还会得到极高密度时行人交通仍能获得较高流量与速度的错误结论,并导致部分高密度交通流数据缺失;行人交通流三参数基本关系式并不严格成立,对于行人通行能力的理论研究,不应采用基本关系式进行参数换算.      

基于NOMAD模型的交通枢纽行人仿真研究

在分析交通枢纽内行人交通特性的基础上,探讨了基于社会力原理的NOMAD模型的分层结构、输入条件以及模型构建思路,指出其非常适于进行交通枢纽内行人行为微观仿真以及行人设施评价. 根据交通调查数据对NOMAD行人仿真模型的参数进行了标定,利用标定后的NOMAD模型对复兴门换乘枢纽建立仿真模型,分析了该枢纽的性能特点,获得了与换乘系统相关的量化参数,通过仿真数据与观测数据的对比分析可知,利用NOMAD模型能很好地模拟所研究的换乘枢纽内行人换乘行为特性,模型模拟结果与实际观测数据之间的相对误差均在10%以内,验证了NOMAD模型应用于交通枢纽行人仿真的有效性.     

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人行道是城市步行交通系统的重要组成部分，其服务水平直接决定出行者对步行出行方式的选择态度。与传统的机动车服务水平以交通流运行状况作为评价指标不同，本文从行人步行的舒适性和安全性角度出发，通过分析行人主观感受与道路物理设施和交通流运行状况等客观因素之间的关系，研究人行道行人服务水平的评价方法。在大量调查数据基础上，利用SPSS软件运用数理统计方法检验确定了人行道行人服务水平主要影响因素，并以主要影响因素为自变量建立了人行道行人服务水平评价模型，提出了人行道行人服务水平等级划分依据。