车站设施结合部的客流合流走行行为仿真方法与流程

本发明涉及城市轨道交通技术领域，尤其涉及一种车站设施结合部的客流合流走行行为仿真方法。

背景技术：

根据北京地铁运营数据统计，繁忙车站日进站客流量超过25万人次，站内拥堵成为运营常态。设施结合部内具有复杂的行人流线，容易发生交通拥堵，造成地铁站内的安全隐患。提高客流的通行效率和服务水平，需要深究和细化客流在设施结合部的走行机理。合流行为是设施结合部一种重要的走行行为，常发生于多方向运动的人群通过转弯和融合运动形成单一流的区域。合流区域为瓶颈设施，高密度下可能威胁乘客的人身安全。对于地铁运营管理人员，如何减少客流在瓶颈区域的拥挤概率，提高客流的通行效率，杜绝因为过度拥挤引发踩踏是一个亟待解决的问题。

目前，现有技术中的不同场景状态下客流走行机理的研究，主要针对单一设施和场景整体网络的走行与疏散的行为特征，进行瓶颈识别、客流控制优化、均衡疏散、基础设施服务水平评价等方面的研究。对于行人流模型、y字型通道内合流走行行为和轨道交通站内人员走行机理都已经取得了一定的成果，总结如下：

(1)在地铁车站站内合流人群走行行为分析方面，现有研究多采用场地实验方式，设置不同的合流场景，改变通道几何特征或客流走行参数，对合流过程中的轨迹、速度、密度等走行特征进行记录、分析，通过对照实验探究不同特征客流情况下，不同设施几何条件对合流人群的影响。部分研究提出了新的行人流数据检测和分析方法，得到不同通行场景中合流人群速度-密度基础图和特有走行行为。

(2)对地铁车站内人员走行机理的研究，微观上主要集中在单一设施上行人的相互作用、出口属性、障碍物布局和布设形式等方面对客流走行参数的影响。研究方法主要有理论计算和软件模拟两种。宏观方面更多关注行人选择不同的路径、瓶颈识别与评价、和地铁车站客流集散控制优化方法。

现有技术中的不同场景状态下对于合流人群走行行为的研究存在如下的缺点：

(1)目前将行人流模型应用于合流行为的研究非常匮乏，在特定环境下行人个体交互作用动力学特征尚不明晰。

(2)研究合流人群走行行为时，多采用场地实验方式，统计分析客流走行特征，由于场地实验具有较大的局限性，与实际在地铁站内走行时区别较大。

(3)对客流走行机理的研究多借助场地实验，探讨客流状态对通行效率的影响，或针对地铁车站中单一设施几何属性的改变对于服务水平的影响，对设施结合部的关注较少，关于设施几何属性、合流方式和通道结构的耦合作用对客流走行机理影响的研究较为缺乏。

(4)目前研究考虑通道宽度、合流角度等几何特性对客流走行机理的影响时，设置场景较少，得到的结论多为定性结论。走行机理研究主要集中在速度-密度基础图、通过时间的探讨，对单位时间通过量、群体速度分布及其它影响因素分析较少。尚未明确设施几何属性与走行参数之间是否存在定量关系。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种车站设施结合部的客流合流走行行为仿真方法，以克服现有技术的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种车站设施结合部的客流合流走行行为仿真方法，包括：

获取车站设施结合部的布局结构、几何尺寸和客流流线特征，将车站设施结合部划分为通道直行区域、楼梯区域、合流区域和出口直行区域；

使用经典社会力模型仿真客流在通道直行区域和出口直行区域的走行行为，走行过程中行人由自驱力、行人之间的作用力、行人与障碍物之间的作用力三部分的合力驱使；

引入三维社会力仿真客流在楼梯区域的走行行为；

引入吸引力使用转弯社会力模型仿真行人在合流区域的走行行为。

优选地，所述的使用经典社会力模型仿真客流在通道直行区域和出口直行区域的走行行为，走行过程中行人由自驱力、行人之间的作用力、行人与障碍物之间的作用力三部分的合力驱使，包括：

行人在通道直行区域和出口直行区域的走行过程中行人pedi由自驱力、行人之间的作用力、行人与障碍物之间的作用力三部分的合力驱使，使用转弯社会力模型描述客流在地铁车站内行人之间、行人与设施之间相互作用的状态：

其中：

mi—行人pedi的质量；

—行人pedi在t时刻的瞬时速度；

—行人pedi受到的社会力合力大小；

ξi—随机变量，为表征行人走行行为随机变化设定的波动项；

自驱动力；

与其他行人pedj的作用力的合力；

与障碍物w之间的作用力合力。

当pedi经过转弯中心之前，即βt≤β/2时，pedi受自驱力、阻力、行人与障碍物之间作用力和吸引力作用，pedi经过转弯中心之后，即βt≥β/2，不再受阻力和吸引力的影响，在转弯社会力模型增加阻力和吸引力：

其中：

在转弯时受到的阻力；

在转弯时受到的吸引力；

为一个分段函数：

将pedi在合流区域内转弯时的期望速度分解为和两速度相互垂直，当行人开始转弯时，βt＝0°，sinβt＝0，随着βt增加，从0增加到由开始逐渐减小到0，pedi在转弯时的期望速度公式为：

pedi的驱动力为：

转弯过程中pedi受到的阻力与客流密度、开始转弯时的实际速度和在一定时间内的转弯角度有关，阻力公式为：

其中：

a——pedi速度的影响因子；

δ——pedi转角的影响因子；

——单位矢量，与期望速度相反。

行人pedi在开始转弯且未经过转弯中心时，看作pedi做匀速圆周运动，受到指向转弯中心的吸引力力作用：

其中：

kattr——模型参数；

vt——pedi在t时刻的速度；

—单位矢量，指向转弯中心且垂直于pedi的步行方向。

优选地，所述的引入三维社会力仿真客流在楼梯区域的走行行为，包括：

定义楼梯与水平地面的夹角θ为楼梯的坡度，当行人pedi上楼梯时，重力平行于楼梯方向的分量在上升的过程中转化为pedi的阻力，pedi受自驱力、行人之间作用力、行人与障碍物之间的作用力、由重力转化而来的行人阻力作用：

其中：

为上楼梯时重力转化为前进的阻力，也是平行于楼梯方向的分量：

其中：

g——重力加速度；

θ——楼梯坡度；

在上行楼梯区域运动的方向；

当行人pedi下楼梯时，重力平行于楼梯方向的分量在下楼的过程中将会转化为驱动力的一部分，该分力受重力影响持续存在，记为

其中，

的表达式为：

其中：

在下行楼梯区域运动的方向；

下行速度控制力使行人进行减速。

其中：

cpsy为下行速度控制系数；

综上，仿真客流在楼梯区域的走行行为的三维社会力模型为：

其中：

γ——分段函数，当行人上楼时，γ＝0，当行人下楼时，γ＝1；

——行人在楼梯上运动的方向，包含上楼方向和下楼方向

f(θ)——分段函数,表示当行人在平面运动时重力分力与下行速度控制力都为0；当行人在楼梯上运动时，发生垂直位移，此时受重力分力和下行速度控制力影响：

得到行人在转弯处的期望速度和瞬时速度。

优选地，所述的引入吸引力使用转弯社会力模型仿真行人在合流区域的走行行为，包括：

行人在立体式y字型通道内的行走分为三个过程，在入口下行楼梯区域内下行、在合流区域内转向和在出口直行区域内直行，行人在合流区域做匀速圆周运动，单个行人pedi在y字型通道中行走的受力如下：

在转向过程中，行人在转向起始位置的速度和转过的角度将影响pedi受到的阻力，起始速度和转过的角度越大，阻力也越大，阻力公式为：

由于pedi在转向过程做匀速圆周运动，pedi将受到指向转向中心的向心力作用，公式为：

其中：

kcen——模型参数。

由行人pedi的受力公式，得出速度与加速度之间的关系，瞬时速度由行人位移微分得出：

其中，

为行人pedi的位移。

期望速度为行人期望的速率，表示其在t时刻为满足自身状态最佳而具有的速率，在模型中结合部的平直区域、合流区域设定为相应的定值。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例针对客流地铁车站通道结合部合流并转弯转向，走行过程中相互影响产生扰动，改进经典社会力模型，从通道结构、合流方式、几何属性仿真量化不同场景下走行参数、通过时间与通道的布局结构、几何属性之间的关系，构建走行状态与设施区域通过率为瓶颈识别的指标，为合流区域客流运动优化及设施结合部设计提出改进建议。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种车站设施结合部的客流合流走行行为仿真方法的处理流程图；

图2为本发明实施例提供的一种行人pedi在合流区域走行过程中经过转弯中心之前的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种行人pedi在合流区域走行过程中经过转弯中心之后的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种单个行人pedi在通道中行走的受力示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例针对客流在设施结合部合流区域内的转弯行为，在行人走行行为经典社会力模型考虑的自驱力、行人之间作用力和行人与障碍物之间作用力的基础上，增加阻力和吸引力对客流在设施结合部合流区域的转弯行为仿真。

本发明实施例提供的一种车站设施结合部的客流合流走行行为仿真方法的处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤：

步骤s1：获取车站设施结合部的布局结构、几何尺寸和客流流线特征，将车站设施结合部划分为通道直行区域、楼梯区域、合流区域和出口直行区域等，设定客流在上述各个区域范围内的期望走行速度和质量参数，客流pedi转弯转向过程转过的角度β：

其中：ω为转向过程中的匀角速度。δt为单位走行时间。

当pedi经过转弯中心之前，即βt≤β/2时，pedi受自驱力、阻力、行人与障碍物之间作用力和吸引力作用。pedi经过转弯中心之后，即βt≥β/2，不再受阻力和吸引力的影响。

步骤s2：使用经典社会力模型仿真行人在通道直行区域和出口直行区域的走行行为，走行过程中行人pedi由自驱力、行人之间的作用力、行人与障碍物之间的作用力三部分的合力驱使，描述客流在地铁车站内行人之间、行人与设施之间相互作用的复杂状态：

其中：

mi—行人pedi的质量；

—行人pedi在t时刻的瞬时速度；

—行人pedi受到的社会力合力大小；

ξi—随机变量，为表征行人走行行为随机变化设定的波动项；

自驱动力；

与其他行人pedj的作用力的合力；

与障碍物w之间的作用力合力。

当pedi经过转弯中心之前，即βt≤β/2时，pedi受自驱力、阻力、行人与障碍物之间作用力和吸引力作用。pedi经过转弯中心之后，即βt≥β/2，不再受阻力和吸引力的影响。在转弯社会力模型增加阻力和吸引力：

其中：

在转弯时受到的阻力；

在转弯时受到的吸引力。

为一个分段函数：

将pedi在合流区域内转弯时的期望速度分解为和两速度相互垂直。当行人开始转弯时，βt＝0°，sinβt＝0。随着βt增加，从0增加到由开始逐渐减小到0。因此pedi在转弯时的期望速度公式为：

pedi的驱动力为：

转弯过程中pedi受到的阻力与客流密度、开始转弯时的实际速度和在一定时间内的转弯角度有关。阻力公式为：

其中：

a——pedi速度的影响因子；

δ——pedi转角的影响因子；

——单位矢量，与期望速度相反。

行人pedi在开始转弯且未经过转弯中心时，可看作pedi做匀速圆周运动，受到指向转弯中心的吸引力力作用：

其中：

kattr——模型参数；

vt——pedi在t时刻的速度；

——单位矢量，指向转弯中心且垂直于pedi的步行方向。

可以得到瞬时速度与期望速度。

步骤s3：引入三维社会力仿真客流在楼梯区域的走行行为。

根据地球重力场的基本原理，人处于楼梯设施结合部空间时，重力对人走行时产生下行分量，引入三维社会力来仿真客流在楼梯区域的走行行为。楼梯上行客流不仅要完成水平方向上的移动，还要克服重力向上提升，用自驱力、行人之间作用力、行人与障碍物之间的作用力、由重力转化而来的行人阻力等建立走行行为仿真的改进社会力模型。

定义楼梯与水平地面的夹角θ为楼梯的坡度。当行人pedi上楼梯时，重力平行于楼梯方向的分量在上升的过程中转化为pedi的阻力。此时pedi受自驱力、行人之间作用力、行人与障碍物之间的作用力、由重力转化而来的行人阻力作用：

其中：

为上楼梯时重力转化为前进的阻力，也是平行于楼梯方向的分量：

其中：

g——重力加速度；

θ——楼梯坡度；

在上行楼梯区域运动的方向。

当行人pedi下楼梯时，重力平行于楼梯方向的分量在下楼的过程中将会转化为驱动力的一部分，该分力受重力影响持续存在，记为楼梯下行客流需要留意楼梯踏步位置防止踩空，引入下行速度控制力完善客流在下行楼梯的走行行为。

其中，

的表达式为：

其中：

在下行楼梯区域运动的方向。

下行速度控制力使行人进行减速。

其中：

cpsy为下行速度控制系数。

综上，三维社会力模型：

其中：

γ——分段函数，当行人上楼时，γ＝0，当行人下楼时，γ＝1；

——行人在楼梯上运动的方向，包含上楼方向和下楼方向

f(θ)——分段函数,表示当行人在平面运动时重力分力与下行速度控制力都为0；当行人在楼梯上运动时，发生垂直位移，此时受重力分力和下行速度控制力影响：

得到行人在转弯处的期望速度和瞬时速度。

步骤s4：引入楼梯转向模型仿真行人在楼梯合流区域的走行行为。

行人在该类型立体式y字型通道内行走时，可分为三个过程，在入口下行楼梯区域内下行，在合流区域内转向，在出口直行区域内直行。行人在合流区域做匀速圆周运动，单个行人pedi在通道中行走的受力如图4所示。

走行过程中行人的受力如下，

在转向过程中，行人在转向起始位置的速度和转过的角度将影响pedi受到的阻力，起始速度和转过的角度越大，阻力也越大，阻力公式为：

由于pedi在转向过程做匀速圆周运动，pedi将受到指向转向中心的向心力作用，公式为：

其中：

kcen——模型参数。

同样，由行人的受力求解得到在此处的期望速度和瞬时速度。

由行人pedi的受力公式，可以得出速度与加速度之间的关系，瞬时速度可以由行人位移微分得出：

其中，

为行人pedi的位移。

期望速度为行人期望的速率，表示其在t时刻为满足自身状态最佳而具有的速率，在模型中结合部的平直区域、合流区域设定为相应的定值。

综上所述，本发明从客流在设施结合部走行过程特征分析着手，依据客流在设施结合部转弯区域、设施出口和入口存在高差区域与平直通道区域运动差异性，增加其在运动过程中受到的特殊里，改进走行行为经典社会力模型可以有效地仿真客流个体和群体在设施结合部的走行过程，相比较经典社会力模型，改进社会力模型输出的平均速度、平均密度、单位时间通过量与实验数据相比误差更小。可以得到分支通道宽度、合流角度、通过时间三者的函数式，当客流密度在1.25～1.65p/m2区间时，计算的客流在设施结合部通过时间预测误差为0.125％～12.871％。可以得到合流角度，主通道宽度，通过时间三者的定量关系，可适用于客流密度在1.15～1.85p/m2范围内时的情况，预测误差在0.199％～11.817％之间。

本发明实施例针对客流地铁车站通道结合部合流并转弯转向，走行过程中相互影响产生扰动，改进经典社会力模型，从通道结构、合流方式、几何属性仿真量化不同场景下走行参数、通过时间与通道的布局结构、几何属性之间的关系，构建走行状态与设施区域通过率为瓶颈识别的指标，为合流区域客流运动优化及设施结合部设计提出改进建议。当客流剧增时，可改变通道内行人流线、控制客流在楼梯的走行方向来降低拥堵概率。控制合流区域的密度控制指标不能超过临界密度，可根据通道宽度、合流角度来预测客流通过时间，作为瓶颈疏解的参考。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。