基于社会力模型的轨道交通客运枢纽行人交通建模研究

黎志涛 何红

摘 要：为贯彻“以旅客为中心”的理念，支撑轨道交通客运枢纽精细化的设施布局设计和客流组织设计，研究引入社会力模型对轨道交通客运枢紐的行人交通运行进行建模和仿真。在分析社会力模型的主要建模思路和变量参数的基础上，结合轨道交通客运枢纽旅客行为特点分析，研究利用AnyLogic等仿真平台，围绕环境建模和行为建模等方面，构建适应轨道交通客运枢纽场景、体现轨道交通旅客特色的行人交通仿真模型，梳理形成完整的建模方法，为轨道交通客运枢纽的规划、设计和管理分析优化的研究提供基础理论支撑。

关键词：行人交通;轨道交通客运枢纽;客流仿真;社会力模型;AnyLogic

中图分类号：U231.4 文献标识码：A

0 引言

随着“以人为本”的理念越来越深入人心，轨道交通客运枢纽的规划、设计已向着“以旅客为中心”，为旅客提供更快捷、更便利、更舒适的服务而转变。为此，行人交通理论也作为关键技术引入到该领域，为量化的分析评价提供有力的工具[1]。和一般实物粒子的流动相比，行人交通流受到通行规则、环境、位置以及行人自身的心理等多种因素的共同影响，呈现为十分复杂的非线性系统，表现出很强的系统随机性和复杂性[2-3]，例如在行人密度由低到高连续变化的过程中，行人交通系统会出现各种复杂现象，例如亚稳态、临界相变、自组织行为等。

这是由于在行人交通系统中各行人之间、行人与枢纽设施设备具有相互作用，而由于行人在心理和生理上的个别差异，不同的行人行为在存在一定共性的基础上，又存在相当程度的随机性[4]。为此，引入行人交通仿真技术，以行人交通系统中单个行人为基本单位，根据行人的各种心理特点来建立模型，模拟行人在轨道交通客运枢纽站厅、站台等不同场景中的各种行为，通过统计分析量化分析轨道交通枢纽中行人交通特性。

本文在分析社会力模型的基础上，结合铁路客运枢纽的旅客行为特点，重点研究建立基于社会力模型、适合轨道交通客运枢纽换乘的行人交通仿真模型，并研究利用AnyLogic等仿真平台构建仿真模型，为轨道交通客运枢纽的规划、设计和管理分析优化的研究提供基础理论支撑。

1 社会力模型

Helbing等基于牛顿第二定律建立了面向行人交通的社会力模型[5]。为简化起见，该模型将行人所在的空间抽象为二维的平面空间，所有的行人视为具有自驱动行为的个体，每一个个体都向目标点靠近，在行进的过程中会受其他行人和障碍物的影响，动态地调整移动速度的大小和移动方向。按照动力分析，行人主要受三种作用力，即自身驱动力、人与人间的作用力、人与障碍物间的作用力，而这三种作用力亦被统称为社会力。

设定行人a的质量为，受到自身驱动力的影响，以期望速度沿着期望方向移动，在行进过程中调整得到实际速度。同时，行人个体还受到其他行人b和障碍物的影响，影响的作用力与距离相关，作用力分别表达为和。行人a在模型中社会力作用情况如图1所示。

（1）

（2）

—行人质量;

—环境条件下行人喜爱的步行速度;

—行人所受合力;

—不确定性行为的随机变量;

—自身驱动力;

—障碍物对行人的作用力;

—不同行人之间的作用力;

—吸引力。

相比较于格子气模型、元胞自动机模型等其他行人交通仿真模型，社会力模型将行人交通自身物理条件、心理状况和动机因素等方面的影响纳入考虑，引入了自身驱动力和社会排斥力等概念，用于描述一定空间内行人交通具有优势，尤其是对于轨道交通客运枢纽的行人交通分析，能有效反映较为拥挤的车站行人空间中的行人间的相互影响。因此，本文将重点研究利用仿真平台，建立基于社会力模型的轨道交通客运枢纽行人交通仿真模型。

2 利用AnyLogic对轨道交通客运枢纽行人交通建模

2.1 轨道交通客运枢纽行人交通特点

轨道交通客运枢纽的行人交通有很强的目的性，绝大多数行人在都是以车站出入口或轨道交通列车等为目的地，按照一定的时空顺序途径或使用一系列的行人交通设施设备，并在枢纽内形成相对固定且连续的行进流线。在车站内，行人活动一般可以根据具体活动所在的场所，分为出入口、安检、售票、站厅、检票、站台等不同环节，不同的环节之间还会通过通道、电梯、楼梯等平面和垂直行人交通连接设施，完成进站、出站和换乘等活动。

作为微观的个体，在枢纽的行人在行进过程中也会体现共性与个性。不同的行人总体上都符合社会力模型，行人在自身驱动力下，受其他行人和障碍物影响，动态调整速度向目标点移动，具体行进路线遵循枢纽出行活动链，例如进站按照“进站口—电梯/楼梯/通道—安检—站厅—售检票—电梯/楼梯/通道—站台—列车”，出站按照“列车—站台—电梯/楼梯/通道—售检票—站厅—安检—电梯/楼梯/通道—进站口”，在行进的过程中，尽量避免跟其他行人和障碍物碰撞;个性为行进过程中会有不同的偏好，也存在对喜好的事物进行关注等随机因素，例如在进闸机时的选择有个人喜好和随机性。

2.2 AnyLogic及行人交通仿真库

AnyLogic是一个专业虚拟仿真的平台软件，不同于一般建模工具仅支持单一的建模方法，它整合了系统动力学、离散事件和智能体建模等多种建模方式，并支持同一模型中使用不同的建模方法，可以用于实现包括离散、连续和混合行为的复杂系统，应用于包括生产制造、供应链、交通运输、仓储运作、码头和港口等多种领域的仿真与分析。

其中，行人个体可以通过智能体建模，行人被定义为分散的个体，具有相类似的行为，但在参数、变量等具体值有所不同。为优化对行人交通流的仿真，AnyLogic专门建立了行人库，可以用于创建完整的步行建筑或街道的模型。行人模型建模包括环境和行为两个主要部分，行人库提供了环境建模工具，可以在绘制行人空间，以及在其中添加障碍物（例如墙壁、立柱）和服务设施（例如服务台）。行人有相对共同的行为模式，各自在连续空间中按照社会力模型移动，通过分析当前环境选择最短的路径，避免与其他物体相撞，并决定进一步的运动，并根据预先分配了个人属性、偏好和状态做出个性化的决定。

行人庫也提供了统计分析工具，可以收集统计不同区域行人交通量、密度、停留时间等参数，并输出密度图等分析成果。

2.3 AnyLogic轨道交通枢纽行人建模

根据轨道交通客运枢纽方案，利用行人库，从环境和行为两个主要方面进行建模。首先利用行人库中的设施设备对环境建模，并对各类环境元素进行功能配置;第二阶段是行为建模，主要是通过设计逻辑流程图，描述地铁车站内行人的微观行为。

2.3.1 环境建模

对应社会力模型中的空间和障碍物，主要包括轨道交通客运枢纽的主要建筑体，例如出入口、墙壁、通道、电梯、楼梯、护栏等，以及各类服务设施如安检机、售票机、验票闸机等，以及作为行人生成点、目的点的“目标线”，用于统计分析的“服务线”“服务区域”等。在具体建模工作中，“目标线”和服务设施设备需要设置相应的参数，例如服务时间、服务数量、队列策略等（如图2）。

2.3.2 行为建模

行人交通模型是基于社会力模型，行人根据预先分配了个人属性、偏好和状态，比如是否保持行人距离、行人距离的最小值、是否携带行李等，结合空间和躲避障碍物向目的地行进，除非行人的密度太高（例如在瓶颈情况下），否则移动的行人都将努力与其他行人之间的距离。步行的出行链建模主要是通过设计逻辑流程图，定义从生成到目的地的所有流程步骤，用连接器将各个与环境中的对应的模块相连接，并设定如行人到达速率、行走速度等设置参数。行人交通流的形成是各个行人个体共同作用的结果，另一方面也展现出随机性，在流程逻辑图中引入多种可能性，例如通过闸机前，部分乘客先到购票机购置车票，部分乘客采用储值卡、扫码付款等形式直接通过闸机（如图3）。

2.3.3 主要参数设置

本次客流仿真评价的相关设施通行能力计算参考《地铁设计规范（GB50157—2013）》，电梯输送速度设置为0.5 m/s，1 m宽楼梯设置为3 200人次/h，人工实名验证、人脸识别实名验证和进出站闸机时间设置为2 s，安检时间设置为5 s，行人舒适速度和行人直径分别设置为从0.5 m/s至1.2 m/s和从0.4 m至0.5 m正态分布。

3 结语

本文在分析社会力模型的主要建模思路和变量参数的基础上，对轨道交通客运枢纽的旅客行为特点进行分析，研究利用AnyLogic仿真平台及其行人库，重点从环境和行为两个方面，构建适应轨道交通客运枢纽场景、反映轨道交通旅客特点的行人交通仿真模型，形成一套完整、系统的轨道交通客运枢纽建模方法。研究表明，利用AnyLogic仿真平台及其行人库，能够有效构建轨道交通客运枢纽建筑体以及包括安检设备、售检票设备、电梯、楼梯在内的服务设施，并有效实现基于社会力模型的行人交通仿真，模拟枢纽的运行。从而，为轨道交通客运枢纽的设施布局和客运组织方案的量化分析，提供了有效的理论和应用基础。

参考文献：

[1]孙元广，杨乃莲，史聪灵，等.基于行人仿真技术的轨道交通多线换乘车站设计研究——以广州天河公园站为例[J].中国安全生产科学技术，2014（10）：107-111.

[2]赖艺欢，张星臣，陈军华，等.基于多层次行人行为模型的地铁大客流仿真[J].大连交通大学学报，2019（3）：1-6.

[3]张蕊，杨静，杨晨威，等.考虑结伴行为的地铁通道行人仿真建模研究[J].交通运输系统工程与信息，2019（5）：163-168.

[4]李文新，彭其渊，李登辉，等.城市综合客运枢纽旅客换乘仿真研究[J].计算机仿真，2019（6）：160-165.

[5]D.Helbing.Social Force Model for Pedestrian Dynamics.Phys.Rev.E 1995.