基于颗粒流离散元方法的行人动力学模型及仿真研究

基于颗粒流离散元方法的行人动力学模型及仿真研究

杨静;张蕊;刘荣强;冯焕东

【摘要】Discrete element method is an efficient mechanical tool to analyze and solve complex discrete particle system. It has advantages on improving the solving efficiency of pedestrian dynamic model and depicting mechanical relation among pedestrians. Soft ball contact models are used to model the touching and squeezing behavior of pedestrians, and social force models are used to model subjective motive force as an external input. Based on these, pedestrian movement models are constructed based on the theory of particle flow and implemented on the discrete element simulation platform EDEM. The validity of these models is verified by comparisons between simulation data and field date under different pedestrian densities. The high efficiency of this algorithm is proved by calculation time comparison between different simulation platforms. The study results show that: the simulated pedestrian flow behavior under different densities are in line with field observations, as so as the average speeds of pedestrians, and the simulation model has high calculation efficiency. Therefore, the pedestrian simulation models based on particle flow theory and discrete element method can be realizable and need deeper research.%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。

【期刊名称】《交通运输系统工程与信息》

【年(卷),期】2016(016)005

【总页数】8页(P51-57,84)

【关键词】城市交通;行人动力学仿真;离散元方法;行人运动;颗粒流理论

【作者】杨静;张蕊;刘荣强;冯焕东

【作者单位】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; 北京建筑大学土木与交通工程学院，北京100044;北京建筑大学土木与

交通工程学院，北京100044; 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;北京市政工程设计研究总院，北京100082;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; 北京建筑大学土木与交通

工程学院，北京100044

【正文语种】中文

【中图分类】U268.6

随着2001年第一届行人及其疏散动力学（Pedestrian and Evacuation Dynamics）国际会议的召开，行人动力学作为一种利用物理方法解决行人运动问

题的方法，受到了广泛关注.其中，行人动力学领域最具代表性的社会力模型［1-2］较好地解决了个体微观动机刻画及个体行为与群体现象的关系描述，且能够在模型描述和实测检验方面取得良好效果［3-6］.但是，随着模拟场景复杂程度和行人规模的提高，力学模型的计算效率成为限制其应用的掣肘.当行人数量逐渐增加，力

学模型每个时间步长内，行人之间相互作用的计算量呈指数函数的规模递增，模型中其他影响因素的计算也相对庞杂.Guo［7］，Saboia［8］等将社会力模型与格子气模型结合，能够融合两个模型的优点，在一定程度上降低了计算量且提高精度.王子甲等［9］引入分子动力学的链接列表元胞算法，相对节省了模型的运算时间，对该类模型计算效率进行了有效尝试.这些积极尝试说明连续力学模型在计算效率

的研究方面仍需多方探索和研究.

离散元方法是分析和求解复杂离散颗粒系统问题的一种非连续介质力学数值模拟分析方法，是运动规律与动力学参数研究的一种强有力的数值计算方法，其优势在于：（1）可同时对上万个颗粒的运动和相互作用问题进行动态模拟，并可对颗粒群中任意颗粒进行实时追踪和受力分析；

（2）数值计算方法按时间步长显式计算，不需要存储计算过程中的矩阵，所以模拟大量的颗粒运动仅需要适中的计算机内存.

离散元方法在解决行人仿真中的优势目前已经有学者关注［10-12］，但在行人仿真研究领域系统性的研究尚处于尝试性探索阶段.

在行人运动系统中，行人作为离散的个体，具有随意性、交互作用复杂等特点，而颗粒物质同样具备这样的特点.颗粒群体是由众多离散的颗粒相互之间形成内在联

系的复杂群体，个体尺度分布不一，在受到外力或内部应力发生变化时会发生流动，表现出流体的性质，从而形成颗粒流.行人在设施内行走的过程正如同颗粒群体流

动的过程，当设施内的行人不断增多时，行人群体作为一个整体，内外部应力不断的发生变化，这些应力改变行人的行走轨迹及人群的整体结构.