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.     

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自行车微观行为动力学建模的关键是如何描述自行车横向和纵向的运动关系.本文将自行车交通系统视作具有自主性的多粒子系统,提出了由心理生理力模型和轨迹选择模型构成的、描述自行车微观行为动力学特性的多主体模型.心理生理力模型为连续力模型,自行车/骑行者个体被视作是受心理力和生理力作用的、服从牛顿力学的基本粒子.在轨迹选择模型中,通过在行为模型层面引入个体运动的轨迹选择行为,预定义个体面对不同交通状况时的行为库,描述组成自行车群体中的个体独立思考和对周围环境变化做出反应的能力.通过设计计算机模拟实验并收集数据,对模型进行有效性验证.模拟结果表明：模拟得到的自行车交通流的密度—速度关系与实测数据具有良好的一致性,认为本文提出的自行车微观行为动力学模型具有交通上的合理性.     

基于实测数据的终端区空中交通流特性分析

研究机场终端区空中交通流时空特性,为揭示交通流内在相互影响及拥堵机理,优化终端区管控策略提供科学依据.本文根据实测的空管雷达信息,首先确定目标航段上空中交通流参数的时序分布;然后从交通流参数关系基本图出发,结合终端区空中交通运行方式与管制规则的分析,将空中交通流状态划分为自由流、弱管制干预流和强管制干预流三个阶段;最后,在状态划分的基础上,采用线性回归分析建立空中交通流的速度-密度模型、流率-密度模型和流率-速度模型,并以F和T检验对回归模型及回归系数的显著性进行检验.研究结果表明,本文建立的交通流模型能够较好地反映空中交通流特性,且对终端区空中交通时空态势的评估具有应用价值.     

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.     

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.      

最小安全间距约束下拥挤交通流速度-密度关系模型

根据交通拥挤状态下交通流速度与密度一致性变化的特点,分析了拥挤交通流的平均车间时距为定值的原因,并结合最小安全间距约束提出了交通拥挤状态下的速度-密度关系模型。研究了驾驶人的平均反应时间和交通拥挤状态下的最小车间时距的关系,对速度-密度关系模型的反应时间进行参数标定。分析了不同车辆长度、阻塞停车间距和反应时间下的速度-密度关系,利用提出的速度-密度关系模型、Greenshields模型、Greenberg模型、Underwood模型、Northwest模型、Edie模型对美国US-101、I-80两条高速公路的交通数据进行拟合,得到了拟合结果和绝对误差。分析结果表明:提出的速度-密度关系模型能够从理论上解释交通拥挤状态下速度与密度的变化关系和速度-密度数据的离散现象;和其他模型相比,提出的速度-密度关系模型在拟合2条高速公路交通数据时的绝对误差最小,分别为4.91、7.50veh·km-1。基于最小安全间距约束的速度-密度模型刻画了拥挤交通流的本质特征,且对现实数据能够取得更好的拟合效果。     

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.     

无信控路段人行横道处行人过街建模与仿真

为精细化描述无信控路段人行横道处行人过街决策及微观运动行为,本文在行人过街行为分析的基础上,基于战术层-操作层构建行人过街双层模型。其中,在战术层面,针对行人分步决策特性,利用二元Logistic回归模型构建路侧和路中行人过街决策模型;在操作层面,针对传统社会力模型在描述行人过街时表现出的局限性,引入行人主动避让力和人行横道对行人的作用力,构建行人过街微观运动模型。最后,通过AnyLogic仿真平台实现行人过街双层模型仿真,并根据实际数据和仿真结果分析模型有效性。结果表明：相较于路侧决策模型,行人性别、停车视距内的车辆数和行人距潜在冲突点的距离这3个因素对行人路中决策结果影响更显著,引入行人主动避让力和人行横道对行人作用力的改进社会力模型,能更好地反映无信控路段行人过街时的行为特征。无信控路段人行横道处行人过街行为仿真模型的有效建立,能为后续行人过街安全改善方案提供决策支持。     

混合交通流的动力学模型

引入超车换道流量，建立了混合交通流的连续性方程；通过对交通流参数的微分变换,建立了混合交通流的运动微分方程．连续性方程和运动微分方程构成了混合交通流的动力学模型．将模型应用于无超车换道交通流，求出了流量和密度之间的关系．结果表明在低密度段模型与实测数据吻合．     

考虑同伴群动态交流分组的行人仿真模型研究

朋友、家人等社会群体结伴出行的同伴群在行人流中常占有较高比例.由于交流需求,同伴群趋于肩并肩行走以横向成排或接近浅V型的形态前进.在现有研究中,基于社会力的同伴群行人微观仿真模型对这一现象的描述最符合实际.本文观测发现,随着人流密度的增加或同伴群成员数量增多,同伴群通常动态呈现前后分组、横向成排空间形态,这是每个同伴群成员为寻求一个合适的行走位置,对满足交流需求和降低前进阻力权衡决策后呈现的自组织现象.本文提出动态交流分组模型对同伴群成员个体决策机理进行刻画,在此基础上,通过仿真实验分析同伴群对行人流动力学特性产生的影响.仿真研究结果表明,模型较好重现了同伴群随密度和人数增加的动态分组现象;同伴群的存在会降低行人流速度,但其影响强度随人流密度的增加而减弱;同伴群动态交流分组模型的引入会提升仿真行人流的通行效率,使之更加接近真实行人流的运动特性.     

考虑行人同步率的随机行走人群模型

为了研究行走人群协同性对结构人致振动的影响,基于考虑行人同步率的随机行走人群模型,对人群行走下人行天桥的竖向振动问题就行了分析. 首先通过行走人群随机性分析,提出了考虑行人同步率的随机行走人群集中模型和离散模型;其次在两类模型下考虑人-结构竖向耦合作用,建立了随机行走人群作用下结构竖向振动响应分析方法;最后对比分析了人行天桥在不同随机行走人群模型下的竖向加速度响应和动力特性参数的变化规律. 研究结果表明:两类模型行人行走下,人行天桥的1 s均方根加速度响应随人群密度的提高先增大后减小;人群密度超过0.2人/m2后,随机行走人群离散模型下的人行天桥1 s均方根加速度大于集中模型,且增大集中模型同步区行人间距有利于减小结构振动响应;随着人群密度的增大,人行天桥瞬时频率不断减小,瞬时阻尼比则先增大后减小,集中模型和离散模型下人行天桥瞬时阻尼比分别最大提高到6倍和7倍;考虑行人同步率的随机行走人群模型能准确反映人行天桥实际所受到的人群行走荷载作用,可为人行天桥人致振动响应分析与评估提供参考.      

一种考虑吸引型异常事件的行人元胞自动机模型

鉴于目前行人元胞自动机仿真研究中对于吸引型异常事件情况下模型的缺失,本文提出了一种特殊的考虑吸引型异常事件的行人元胞自动机模型.当异常事件发生后,模型将行人分为漠视、驻足、围观和围观离开四种类型.漠视类型指对异常事件毫无兴趣,不受异常事件影响的行人,其动力特性与行人在正常情况下的动力特性一致;驻足类型指对异常事件较有兴趣,驻足观看的行人,其动力特性由能使行人在原地停留的驻足效用值决定;围观类型指对异常事件极有兴趣,向异常事件中心靠近围观的行人,其动力特性由围观效用决定;围观离开类型指对异常事件失去兴趣,从围观人群离开的行人,其动力特性由围观离开效用决定.仿真效果显示,该模型基本可反映行人聚集围观的表征和内部特性.     

长沙地铁万家丽广场站厅仿真及客流优化研究

城市轨道交通作为居民主要出行方式，为建设更舒适的出行环境，提高乘客在站厅的进出效率，减少乘客拥堵现象。本文以长沙地铁万家丽为原型，研究已经开通运营的换乘车站，在建筑面积固定的情况下，如何根据既有设备布局高效组织激增的进出站和换乘客流。基于万家丽近期和远期客流数据，同时重现排布验票闸机、楼梯的进出方向和位置，利用仿真软件充分验证方法的可行性和有效性。结果显示，新的排布方式可满足实际性需求，使客流组织方案与站内空间布局更加协调，一定程度上消除了乘客拥堵现象。基于仿真结果和理论计算结果对比发现，行人走行时间增加量随进站客流量的增加呈现先增后减再增的趋势，该趋势可为未来车站行人走行时间预估提供一定的理论基础。     

考虑从众效应和信息传递的行人疏散建模

行人疏散问题已引起学者们的广泛关注.通过对行人疏散动态行为特性进行研 究,制定相关应急疏散策略对人群进行有效地控制和疏导,是减少拥挤踩踏事故发生的 主要手段.本文从微观角度,运用启发式力学模型描述行人的运动行为,并且考虑视野条 件、建筑物规模及信息获取等因素对疏散行为的路径搜索和选择过程的影响,建立考虑 从众效应和信息传递过程的行人疏散仿真模型.仿真结果表明,从众行为能够从一定程度 上提高行人的疏散效率,在密集的人群中,盲目从众会导致局部拥堵现象发生.     

改进的城市人行道双向行人流元胞自动机模型

为了更好地描述城市人行道双向行人流的交通运行特性,为步行交通服务,在考虑行人前进、换道、位置交换、侧向前进、后退等这些常见行为的基础上。利用Moore邻域的方法,结合行人运动过程中呈现的智能、灵活、复杂等特点给出行人运动规则,建立改进的城市人行道双向行人流元胞自动机模型。通过计算机模拟考察位置交换、侧向前进行为对模型的影响,并对模拟给出的双向行人流速度、流量等参数进行讨论。结果表明,位置交换、侧向前进的引入使模型对行人行为的考虑更加全面：提出的模型在模拟高密度的双向行人流方面有很好的适应性．能够给出合理的双向行人流交通运行参数。     

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吸取社会力模型中行人运动受到社会力支配的思想,综合考虑行人之间的相互影响,建立了面向大型铁路客运枢纽环境的乘客行为仿真模型.针对人群集散时行人之间的差异性,依据目标驱动力及行人与行人或障碍物之间的心理排斥力、挤压力、摩擦力,动态改变行人的运动方向和速度.引入行人防止穿透决策规则,消除行人重叠现象.采取目标点局部极小化原则,设置辅助目标点,解决行人与环境之间动态避碰和绕行问题.以北京南站高架层为仿真对象,针对不同客流到达率对行人集散的影响进行计算机仿真并加以分析,从而对模型进行校核检验,表明该模型具有合理性和有效性.     

基于有序Logistic 回归的城市人行道 服务水平研究

科学的人行道服务水平评价方法可以为营造良好的步行出行环境提供有力的 理论支撑.针对人行道服务水平等级为定序变量的特点,本文提出了基于有序Logistic 回 归模型的人行道服务水平评价方法.首先,选择北京市交通枢纽地区34 条典型人行道进 行行人满意度调查,获取典型、全面的数据样本;然后,采用模糊C 均值聚类方法得到行 人满意度与人行道服务水平等级的对应关系;最后,应用逐步回归方法提取人行道服务 水平显著性影响因素并分析其影响机理,进而建立人行道服务水平等级的有序Logistic 回归模型.通过实际验证,模型精度较现有的线性回归模型有所提高.     

城市道路过街行人风险感知及决策损失研究

为了给城市道路过街行人安全通行提供决策依据,通过进行过街行人决策风险 试验,对过街行人的感知风险及决策行为进行了分析.给出了过街行人感知风险随机动车 速度变化的规律及过街行人决策行为的损失函数,基于概率论构建了过街行人碰撞风险 概率模型,并标定了在不同车速等级下过街行人的行车延误和碰撞风险损失.研究结果表 明,当行车速度较低时,过街行人采取穿越策略最优;当行车速度处于中等时,过街行人 采取等待或穿越策略损失相差不大,但以穿越较优;当行车速度较高时,由于风险过高, 行人不宜选择穿越,即使过街延误时间增长,对于自身的最优策略应该是等待.     

步行设施内疏散行人拥挤踩踏仿真研究

建立基于元胞自动机与相互作用力的拥挤行人流仿真模型，研究步行设施内疏散行人流拥挤踩踏现象. 通过单个行人占据多个元胞空间，定义行人刚体部分与弹性部分，实现行人弹性化处理；以行人间拥挤力、摩擦力等相互作用力，描述疏散行人间的相互影响. 模拟再现行人疏散过程中的移动阻滞、相互挤压，以及连续踩踏等现象. 仿真结果表明：通过提高行人吸收系数和抗踩踏系数，能有效控制行人挤伤次数和踩踏行人数量；疏散出口附近区域是拥挤力累积顶区，极易发生踩踏现象，且踩踏现象具有滞后性.