基于元胞自动机模型的行人排队行为模拟

第9卷第3期2009年6月

交通运输系统工程与信息

Journa l of T ransporta ti on Syste m s Eng i neering and Infor m ation T echno logy

V o l 9N o 3

June 2009

文章编号:1009 6744(2009)03 0140 06

系统工程理论与方法

基于元胞自动机模型的行人排队行为模拟

廖明军1,2,孙 剑*2,王凯英1

(1.北华大学交通建筑工程学院,吉林132013;2.同济大学交通运输工程学院,上海201804)

摘要: 排队行为模型是常态下行人交通仿真系统模型的基础.本文利用排队论、有限

状态自动机原理以及元胞自动机模型对排队系统进行建模.排队行为模型以邻居方向

与目标方向间的修正夹角作为主要因子构造了元胞自动机模型的转移概念率函数.利

用C#对行人排队行为模型进行实现,并构造了两个不同数量的售票服务台的仿真场

景.从仿真动画来看,该模型逼真地模拟行人的排队活动;从不同场景的队长与时间关

系曲线可以看出,增加一个售票服务台明显可以减少队列长度,排队系统性能得到改

善.由此说明该模型具有模拟行人排队行为的能力.

关键词: 行人仿真;排队行为;元胞自动机模型;修正夹角

中图分类号: U491文献标志码: A

Si m ulation of Queui ng Behavi or Based on

Cellular Auto m ataM odel

LI A O M i n g jun1,2,SUN Jian2,WANG K ai ying1

(1.T ra ffic and Construction Eng i neeri ng Co ll ege of Be i hua U nivers it y,Jili n132013,Ch i na;

2.Schoo l o f T ransportation Eng i nee ri ng,T ong jiU n i versity,Shangha i201804,Ch i na)

A bstrac t: Q ueu i ng behav ior m ode l i s the basis o f pedestrian tra ffic si m u lati on syste m i n no r m al situati on.

T he pape r mode l s queue syste m usi ng queu i ng theo ry,finite sta te m achi ne princi p le,and ce ll u lar au t om ata

m ode.l The queuing behav ior mode l takesm od ifi ed i nc l uded ang le bet ween goa l directi on and ne i ghbor d i rec

ti on as t he m a i n factors o f transiti on probab ili ty function.Then the queu i ng behav i or m ode l i s i m ple m ented

w it h object or i ented prog ra m l anguag e C#.Two si m u l a ti on scenar i os are establi shed w it h different amoun t of

ti cket sa l es w i ndow.The an i m a ti on of si m ulati on s how s t hat the queui ng m ode l effecti ve l y si m ulates queue

ac ti v iti es.F ro m the re lati onship be t w een queue leng t h and ti m e,i t can be found tha t t he l eng th of queue can

be decrease by addi ng ticket sa l es po i nt,and t he pe rf o r m ance o f queue syste m can a lso be i m proved,w hich

de m onstrates that the m odel can be used to si m u l a te the pedestr i an queu i ng behav i o r.

K ey word s: pedestrian s i m u l a tion;queu i ng behav i o r;ce ll u l a r auto m a t on mode;l m odifi ed i ncluded ang le

CLC nu m ber: U491Docum en t code: A

收稿日期:2008 10 09 修回日期:2009 02 11 录用日期:2009 03 31

基金项目:同济大学青年优秀人才培养行动计划(2007K J027);上海市自然科学基金(07ZR14120);吉林教育厅 十一五规划重点项目(2007-122).

作者简介:廖明军(1974-),男,湖南邵东人,博士生.

*通讯作者:sun jian@126.co m

1 引 言

随着诸如奥运会和世博会等这样的大型活动的日益增多以及人群高度集中的交通枢纽的大量兴建,行人交通的研究已经变得越来越重要.行人设施的科学规划以及人群活动的组织离不开对行人交通行为的研究.行人交通行为一般分为两种情形:常态和疏散状态.在常态下,行人交通行为中一个普遍存在的现象就是有秩序的排队.服务设施的数量,排队空间的大小是否合理等这些问题都与排队有关.面对这些问题时,通常的做法是利用排队理论的方法大约估计行人的排队参数,该方法可以在一定程度上满足要求,但不直观而且不灵活.而微观仿真已是一个被证明用作分析复杂交通系统的一个有力工具.基于此,本文从微观仿真角度利用元胞自动机(Ce ll u l a r A uto m ata ,简称CA )模型模拟行人的排队行为,为常态下行人系统仿真模型开发奠定基础.

CA 模型最初作为人工生命的研究工具和方法.1986年,C re m er et a l [1]

首次将元胞自动机(CA )理论应用到交通领域,为交通流这一复杂系统的研究开辟了新的途径.德国学者Nage l et al

[2]

和美国学者B i h a m et al [3]

分别在W o lfra m 规则的基础上分别将C A 模型应用于高速公路一维交通流和城市交通网络二维交通流.目前,借鉴机动车元胞自动机模型的一些思想,CA 模型也已经应用于行人交通流的微观仿真.V.J B l u e

[4-7]

用CA 模

型对单向、双向通道以及十字交叉口和开放空间的行人运动进行了建模,制定一系列行为规则.我国从事公共安全、消防科学、建筑设计以及交通方面的学者也对行人CA 模型进行了大量研究,但他们主要利用元胞自动机模型来研究行人的疏散问题

[8-11]

.从以往的研究可知,目前对行人行为模型

的研究主要集中在道路上的行人交通流分析和人群疏散领域方面.对于行人有秩序的行人排队活动的相关行为研究较少.特此,本文将基于CA 模型,提出考虑目标方向的排队行为模型.并以售票设施为例构建排队仿真系统,分析该模型的适应性.

2 行人排队系统建模

2.1 排队系统概念

排队系统包括3个组成部分:输入过程、排队

规则和服务机构.输入过程是指顾客到达服务系统的规律.它可以用一定时间内顾客到达数或前后两个顾客相继到达的间隔时间来描述,一般分为确定型和随机型.排队规则可分为等待制、损失制和混合制.当顾客到达时,所有服务机构都被占用,则顾客排队等候,即为等待制.服务机构是指一个或多个服务台,多个服务台可以是平行排列的,也可以是串连排列的,其服务时间一般分为确定型和随机型两种.

本模型假定:排队系统的行人到达服从泊松分布;行人的排队规则为等待制,先到先服务;服务时间服从正态分布.2.2 微观排队系统建模

排队系统微观建模主要分为两个方面:排队系统设施建模和行人排队行为.

微观排队系统设施主要有服务窗口、队列以及队列的形状.服务窗口一般由几个元胞单元格组成,定义中间的一个为提供服务的元胞.队列是微观排队系统的主要对象.一般的面向对象编程语言(C #)都把队列封装为最基本的数据结构.基本队列类封装有队长属性以及判断队列是否为空、入队和离队的基本方法.用户针对特定排队系统也可以在继承基类的基础上对自定义队列进行扩展.另外,队列具有一定的形状.队形一般成直线,但空间不够或者排队阻碍其他流向的行人行走时,为充分利用空间,队形变为曲线(见图1).因此,在程序中,用一个链表管理曲线的参数,以便确定队列的形状.程序中,队列的形状由用户自定义(见图2).

图1 不同环境下的不同形状的队列(上海火车站地铁)F i g .1 D ifferent shapes of queue i n d ifferent env iron m ent

排队行为与行人排队过程中的决策和运动行为

有关.行人排队行为主要有:行人加入队列、等待服务,接受服务、离开队列以及队列中行人移动(见图3).为描述行人的排队行为,需要设置系列的状态变

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