步行设施内的行人行为微观仿真模型研究
【摘要】：
随着人类社会文明的进步,长距离多方式的出行以及各种群体活动日益频繁,交通枢纽、体育场馆等大型步行设施在社会生活中的作用不断凸显。出于对行人安全性、高效性和舒适性的关注,旨在对步行设施的建设与运营方案进行评估、优化的微观行人仿真研究,成为当前行人研究领域的热点。本文遵循“步行设施特征分析微观行人仿真框架建立行人路径规划算法设计微观行走仿真模型研究设施交互模型研究仿真程序开发与应用”的研究脉络,专门面向大型步行设施开展了微观行人行为仿真模型研究。
论文梳理了行人行为微观仿真模型的研究现状,详细分析了基于力的模型、元胞自动机系列模型以及离散选择模型的基本原理和核心逻辑,重点指出了前者存在的局限性:基于线性加合的多因素作用合成机制。
论文针对大型多层步行设施具有的空间复杂、行人行为多样的特征,提出了由基本行走区域和运送设施构成的连续空间描述机制,设计出用于模拟行人行为的总体逻辑流程,论证了其在正常行走和紧急疏散两种典型情景下的适用性,最终建立了专用于大型步行设施的微观仿真研究框架。论文通过对行人行走的决策过程和单步动作进行分析,提出了基于“转向+调速”的动作描述机制和基于邻域作用原理的邻域决策模型。在该模型中,行人将内在动机。外部障碍等所有影响因素的整体作为决策依据,用邻域分析算法评估每一个可行方位的效用和可行距离,基于主观效用最大化原则驱动行人进行决策。论文提出了最短路径算法、自然路径算法和基于离散势能场的路径规划算法等三种算法,详细介绍了其执行流程、优点和适用性。论文设计了基本行走区域和运送设施之间的衔接机制,并建立了最常见的楼梯和自动扶梯的设施交互模型。
论文基于模型研究成果使用Visual C++ 2008开发了微观行人仿真软件原型RealWalker。该软件可以支持场景建模、仿真运行、参数配置、结果输出析构成的步行设施仿真分析的完整工作流程。最后,通过仿真算例验证了各个模型的有效性、模型间的协作能力以及模型在正常行走和紧急疏散情景下的适用性。
【关键词】：步行设施 邻域决策模型 路径规划算法 运送设施交互模型
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：U491
【目录】：
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：U491
【目录】：
- 摘要3-4
- Abstract4-11
- 第1章 引言11-20
- 1.1 研究背景与意义11-13
- 1.2 研究对象和内容13-16
- 1.2.1 研究对象界定13-14
- 1.2.2 研究方法选择14-16
- 1.2.3 研究内容16
- 1.3 国内外研究现状概述16-17
- 1.4 研究思路与论文构成17-20
- 1.4.1 研究思路17-18
- 1.4.2 论文构成18-20
- 第2章 相关领域的研究进展20-45
- 2.1 国内研究综述20-23
- 2.2 国外研究综述23-29
- 2.2.1 Helbing23-24
- 2.2.2 Hoogendoorn & Winnie Daamen24-26
- 2.2.3 Victor J. Blue & Jeffrey L. Adler26
- 2.2.4 Kai Nagel26-27
- 2.2.5 Gianluca Antonini & Michel Bierlaire27
- 2.2.6 其他研究27-29
- 2.3 微观行人仿真模型成果29-36
- 2.3.1 社会力模型（Social Force Model）29-33
- 2.3.2 元胞自动机模型（Cellular Automata Model）33-35
- 2.3.3 离散选择模型（Discrete Choice Model）35-36
- 2.4 行人微观仿真模型的要素分析36-39
- 2.4.1 空间的描述方式36-37
- 2.4.2 行人形体的描述方式37
- 2.4.3 行人承受作用的描述方式37
- 2.4.4 信息不完全因素37-38
- 2.4.5 行人的心理恐慌38
- 2.4.6 行人的战术及战略决策因素38
- 2.4.7 行人冲突解决机制38-39
- 2.4.8 行人的物理接触作用39
- 2.4.9 行人与信息源的相互作用39
- 2.5 商业行人仿真软件综述39-44
- 2.5.1 BuildingEXODUS40
- 2.5.2 Legion40-41
- 2.5.3 MYRIAD41
- 2.5.4 PAXPORT/PEDROUTE41-42
- 2.5.5 STEPS42
- 2.5.6 Sim WALK42-43
- 2.5.7 Vissim43-44
- 2.6 小结44-45
- 第3章 步行设施微观行人仿真框架分析45-62
- 3.1 步行设施的特征45-46
- 3.2 步行设施的空间描述机制46-47
- 3.3 行人行为模式分析47-50
- 3.4 设施内行人的总体行为逻辑流程50-51
- 3.5 紧急疏散情景下的适用性51-52
- 3.6 微观行人仿真研究框架52-54
- 3.7 微观行人仿真研究中的若干问题讨论54-61
- 3.7.1 行人决策—行动周期54-55
- 3.7.2 行人之间的冲突解决机制55-56
- 3.7.3 行人形体的描述机制56-58
- 3.7.4 行人动作描述机制58
- 3.7.5 主观效用最大化原则58-59
- 3.7.6 行人决策模型的鲁棒性要求59-61
- 3.8 小结61-62
- 第4章 行人路径规划算法研究62-93
- 4.1 行人路径规划概述62-63
- 4.2 必要性分析63-64
- 4.3 最短路径规划算法64-70
- 4.3.1 最短路径算法基本思路64-65
- 4.3.2 可见性判断算法65-68
- 4.3.3 考虑行人的形体尺寸68-69
- 4.3.4 算法评述69-70
- 4.4 自然路径规划算法70-80
- 4.4.1 附加假设70-71
- 4.4.2 决策行为分类71-72
- 4.4.3 临界顶点的概念与求法72-73
- 4.4.4 最近中间目标点的确定方法73-75
- 4.4.5 算法执行流程75-77
- 4.4.6 最短路算法与自然路径算法的比较77-80
- 4.4.7 算法评述80
- 4.5 基于离散势能场的路径规划算法80-91
- 4.5.1 仿真场景的离散化描述机制81-82
- 4.5.2 离散势能场生成算法82-86
- 4.5.3 离散路径提取与合理化86-88
- 4.5.4 如何考虑行人的形体88-90
- 4.5.5 算法应用示例90-91
- 4.5.6 算法评述91
- 4.6 小结91-93
- 第5章 微观行走仿真模型研究93-121
- 5.1 基于“转向+调速”的动作描述机制93-99
- 5.1.1 基本理念93-94
- 5.1.2 动作描述机制94-96
- 5.1.3 位置更新规则96
- 5.1.4 单步行走的执行流程96-97
- 5.1.5 动作描述机制的扩展97-99
- 5.2 基于邻域作用原理的邻域决策模型99-114
- 5.2.1 邻域作用原理99-100
- 5.2.2 邻域空间状态描述方法100-101
- 5.2.3 方位主观效用函数101-104
- 5.2.4 邻域分析算法104-113
- 5.2.5 决策参数汇总113-114
- 5.2.6 行走决策中的随机性因素114
- 5.3 邻域决策模型有效性测试114-120
- 5.3.1 基本有效性检验115-116
- 5.3.2 非线性决策特征116
- 5.3.3 不同参数组合的行为表现116-118
- 5.3.4 a/b 对行人行为的影响118-119
- 5.3.5 测试总结119-120
- 5.4 小结120-121
- 第6章 运送设施交互模型研究121-136
- 6.1 运送设施建模思路121-124
- 6.1.1 独立区域建模121-122
- 6.1.2 模型构成122
- 6.1.3 基本衔接机制122-124
- 6.2 楼梯124-130
- 6.2.1 基本描述124-125
- 6.2.2 几何描述机制125
- 6.2.3 行人行为模型125-128
- 6.2.4 与平面区域的衔接机制128-130
- 6.3 自动扶梯建模130-135
- 6.3.1 基本描述130-131
- 6.3.2 几何描述机制131-132
- 6.3.3 行人行为模型132-134
- 6.3.4 与平面区域的衔接机制134-135
- 6.4 小结135-136
- 第7章 行人微观仿真软件的开发与应用136-169
- 7.1 软件执行流程136-138
- 7.2 软件的功能说明138-144
- 7.2.1 RealWalker 的功能概述138
- 7.2.2 场景建模功能138-140
- 7.2.3 行人群组的定义140
- 7.2.4 活动计划制定140
- 7.2.5 行人发生源配置140-141
- 7.2.6 设施建模141-142
- 7.2.7 模型参数配置142
- 7.2.8 仿真运行控制142-144
- 7.2.9 仿真结果输出144
- 7.3 数据结构设计144-151
- 7.3.1 行人群组相关类设计144-146
- 7.3.2 设施场景相关类设计146-149
- 7.3.3 路径规划相关类设计149-150
- 7.3.4 仿真模型相关类设计150-151
- 7.4 仿真软件的应用151-164
- 7.4.1 双向走廊仿真151-154
- 7.4.2 出口成拱现象154-156
- 7.4.3 快即是慢现象156-158
- 7.4.4 单层设施仿真158-161
- 7.4.5 双层设施仿真161-164
- 7.5 仿真分析的工作流程164-167
- 7.6 小结167-169
- 第8章 结论与展望169-175
- 8.1 研究结论169-171
- 8.2 论文的主要贡献171-172
- 8.3 研究展望172-175
- 参考文献175-181
- 致谢181-182
- 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果182-183
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