基于社会力模型的复合型通道行人仿真建模及设施布局研究

杨明航, 张 蕊, 费 硕, 侯先磊

(1.北京建筑大学土木与交通工程学院, 北京 100044;2.北京建筑大学首都世界城市顺畅交通协同创新中心, 北京 100044;3.北京建筑大学北京市城市交通基础设施建设工程技术研究中心, 北京 100044;4.北京市地铁运营有限公司运营二分公司, 北京 100043)

0 引言

复合型通道是在一般通道的基础上,两侧增加了餐饮、店铺等服务设施,兼具交通与服务功能,常用于地铁站与大型商业设施的接驳衔接. 服务设施布局和通道宽度确定是复合型通道设计的重点,行人仿真可对通道行人交通流进行定量分析,是复合型通道设计的有效工具.

与单一交通功能通道行人社会力模型[1-5]相比,复合型通道由于影响因素复杂,难以抽象和描述,研究成果较少. 复合型通道内行人受服务设施的影响,需要做出是否接受服务的决策,决策阶段和服务阶段行人交通行为的变化是影响复合型通道通行能力的主要因素,也是仿真的重点和难点,一般基于感知—决策—执行3层结构[6]进行仿真. 在出入口选择[7]、疏散[8]等场景决策时,由于决策时间较短,认为决策发生在某一时刻,因此仿真模型缺少决策过程中行人走行情况的描述;而指示标志[9]、导诊地图[10]等研究中,行人在通道内产生突然停止或无意识徘徊现象,此过程无规律,较难描述和建模,一般通过增加徘徊时间使行人在设施前停留,判断决策后离开;在大规模行人无意识疏散和行人犹豫[11]的相关研究中,行人走行的影响因素主要受行人流密度影响,这一过程行人主动性行为少,主要受周围环境影响. 而受服务设施影响的行人,会有意识地在临近设施处减速、靠近,以达到获取设施信息并做出是否接受服务的决策,过程时间相对较长,与上述研究决策行为不同,对该过程行人运动进行分析和描述是必要的. 费硕[12]、王曦[13]认为复合型通道内服务设施对行人决策后步行行为的影响较复杂,根据实测数据将该影响集中在通道两侧服务设施临近区域,并通过黏滞力描述该影响,但并未考虑决策阶段行人步行行为的变化,且影响区域的确定未考虑行人视野范围影响,该模型对通道宽度的适用性具有局限性,同时也未针对服务设施类型、吸引人流强度等特点对行人流的影响差异进行区分.

为真实再现复合型通道行人决策阶段和接受服务阶段走行行为,本文考虑行人感知特点确定行人受服务设施影响的走行区域,引入决策迟豫力、吸引和减速黏滞力刻画决策和接受服务2阶段行人走行行为,并考虑不同设施类型对行人交通的影响. 最后通过仿真实例,对复合型通道内服务设施布局进行量化分析并提出布局建议.

1 复合型通道行人步行行为分析

本文对北京地铁14号线大望路站通往北京SKP的连接通道进行实地调查,调查时间为工作日晚高峰. 通道总长40 m,宽3 m;两侧店铺共12家,包括店外排队购买和店内堂食2类,排队服务设施平均服务时间为85 s;服务流量范围在(10～102)人/h之间;接受服务行人比例为3∶1;交通行人平均速度为1.208 m/s.

1.1 复合型通道服务设施类型分类

为分析不同类型设施对行人步行行为的影响,按小时服务量将设施分为3类见表1,按服务设施的服务方式将设施分为2类见表2,共6类设施.

表1 按服务量分类设施

表2 按服务方式分类设施

1.2 有意愿接受服务行人走行特性分析

根据有意愿接受服务行人受服务设施的影响情况,将这部分行人走行过程分为决策、接受服务2个阶段.

决策阶段行人感知服务设施并决策是否接受该设施的服务. 期间行人步行减速,不同服务设施类型行人决策时长及减速情况见表3.

表3 各类服务设施行人决策阶段减速情况

接受服务阶段行人产生横向偏移进入服务设施,偏移情况见表4;不接受服务行人加速离开服务设施.

表4 各类服务设施横向偏移加速度 m·s-2

1.3 复合型通道服务设施影响范围确定

接受服务设施服务的行人会产生较大的横向偏移,使得行人之间的冲突增加,主要冲突类型如图1所示. 费硕[12]将服务设施影响区域定义为服务设施前方矩形区域,当通道宽度较窄时与实际情况不符. 实测发现,行人受服务设施的影响从服务设施进入行人视野范围开始感知并决策. 考虑行人可视角度及头部可摆动因素,行人可视角度为180°[14],可视距离为6 m[15],该范围即为行人感知范围和服务设施影响范围,如图1所示. 有意愿接受服务行人进入该区域开始决策;结束后进入接受服务阶段.

图1 行人冲突及影响范围示意图

2 有意愿接受服务行人运动建模

图2 黏滞力作用流程

决策阶段、接受服务阶段受力如式(1)、(2):

(1)

(2)

2.1 行人决策阶段行为建模

(3)

2.2 行人接受服务阶段行为建模

行人接受服务阶段可产生偏移行为,通过设施的粘滞力表述,黏滞力由吸引黏滞力和减速黏滞力共同组成[12],考虑不同设施的吸引能力不同,借鉴行人间作用力的建模思想[16]构建吸引黏滞力如使行人走行与真实轨迹更接近,力学示意图见图3.

图3 接受服务阶段行人力学示意图

(4)

表5 各类服务设施吸引力作用强度Ais和作用范围Bis

参考相关研究[12]确定减速粘滞力见式(5):

(5)

3 模型验证

3.1 复合型通道仿真环境

本文根据调查数据的场景搭建真实的仿真环境,通过Python语言对调查通道部分断面建模,长20 m,宽3 m,包括1家B低设施、2家中设施(其中 1家为A类服务方式)、1家B高设施,仿真步长设置为0.005 s. 具体布置方式如图4所示. 黄色系圆形表示目的地在左侧行人,蓝色系圆形表示目的地在右侧行人见图5、图6.

图4 仿真环境示意图

图5 行人行为仿真

图6 行人行为仿真

3.2 模型验证

决策阶段,7号行人受到中服务强度设施B的影响产生减速,随即被5号行人超越. 见图5.

接受服务阶段,2号行人行走至A高影响范围时,受到服务设施吸引粘滞力作用进行排队;1号行人在接受服务85 s后离开服务设施;3号、4号行人受到服务设施吸引力作用,进入B中,见图6.

各类服务设施影响区域速度验证,将影响区域内交通行人仿真平均速度与实测速度进行对比,对比结果见表6. 由于现实行人走行时避让更加灵活,仿真值略小于实测值.

表6 影响区域速度验证误差表

相关研究[12]认为,通道内行人速度密度关系应符合Greenshields模型关系,本文通过视频处理的方式获得实测行人速度—密度样本100人,通过仿真平台获取仿真样本150人,对比情况见图7. 对实测结果的拟合优度进行检验,实测值R2为0.78,仿真值R2为0.91,认为二者均符合格林希尔治模型,且仿真值拟合结果更好.

图7 速度验证散点图

图8 实验场景

对通道内行人的自由流速度和阻塞密度进行研究,实测值与仿真值对比情况见表7.

表7 速度密度验证表

综上,认为本文模型对通道内行人走行真实情况反映情况较好,可应用于通道服务设施布设研究.

4 复合型通道设施布置研究

现复合型通道设计多基于上层规范和经验,缺乏具体设置规范. 为研究服务设施布局对通道内行人走行速度的影响,进行实验设计,实验场景如图 8所示,通道宽度为3 m,服务设施宽度6 m,共6处服务设施. 实验包括2个部分:a.研究流量对行人速度影响,共5种方案;b.研究服务方式对行人速度影响,共5种方案,方案设计见表8.

表8 实验设计表

从表9可见,将高强度服务设施并排连续布置,通道内交通行人速度大幅降低,间隔放置将对速度有所提升,对侧放置提升最明显. 分析原因,流量较大的服务设施产生更多行人横穿和行人拥堵现象,对通道行人整体走行速度不利. 因此,该类服务设施应采取对侧间隔放置的方案,避免走行过程中多次减速,增加行人出行连续性.

表9 不同方案布局下通行行人平均速度统计 m·s-1

为研究高强度设施同侧布置间隔对行人的影响进行9组实验,同侧设置2处高B类服务设施. 将两服务设施的间隔距离以2 m为单位不断增加,得到行人速度变化情况见图9.

图9 不同行人比例、设施间隔行人速度图

如图9所示,两高强度服务设施相邻时,交通行人速度受到的影响最大,并与两设施间隔呈正相关. 调整行人接受服务的比例,除6∶1以外,增加接受服务行人比例,5∶1、4∶1和3∶1三组实验,与自由流速度对比,实验结果如图12所示.

在行人流量1 800 pcu/h,通道内仅单侧布置高B类服务设施的情况下,对通道宽度对交通行人速度的影响进行研究,设置2、3、4、5 m四组实验,实验结果如图10所示.

图10 通道宽度对通行行人速度影响

在1 800人/h的通道内,若存在服务设施,通道宽度应大于5 m为宜,此时对交通行人速度影响最小. 从趋势来看,影响大小与通道宽度呈负相关.

5 结束语

本文对复合型通道内不同服务设施影响下行人的走行特性进行分析,按流量和服务方式将服务设施分类. 针对服务设施对行人影响的不同阶段,在传统社会力模型的基础上引入决策迟豫力和粘滞力,对影响进行刻画和建模,经验证该模型可真实刻画服务设施影响下各阶段行人走行行为. 通过微观仿真对复合型通道内服务设施布设进行了研究,分析了不同布局情况对行人走行速度的影响. 本文认为,高强度设施、店外服务设施的布置应满足以下原则:a.高强度设施、店外服务设施设施应对侧放置;b.服务强度较高的设施同侧布置时间距应尽量增大,受到限制时其间隔10 m为宜;c.在1 800人/h的通道内,若存在服务设施,通道宽度应超过5 m为宜.