城市轨道交通枢纽行人仿真系统开发

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苹果园方向 →B 出口 苹果园方向 →C出口
比率 0. 3 0. 17 0. 31 0. 18 0. 03 0. 01
4. 2 仿真结果分析 不同路径的行人平均步行距离仿真结果如图 5
所示 。图中给出的实际最短距离和实际最长距离 是以复兴门枢纽的实际尺寸为依据 ,在行人沿直线 行走的理想情况下 ,计算的各组路径中实际存在的 最短距离和最长距离 。
表 1 复兴门枢纽 7: 00~7: 15各入口进站人数
进出站口
进站人数 (人 )
A
55
B
61
C
67
D
57
表 2 复兴门枢纽 7: 00~7: 15苹果园方向 列车时刻表及下车人数
时间 (秒 )
平均每个车门下车人数 (人 )
118
0
144
9
239
0
258
8
366
0
384
7
488
0
507
7
619
0
635
图 3 换乘时间 、距离输出结果示例 © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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开发实践
图 4 复兴门枢纽模型示例
无车状态 ,没有乘客上下车 ;在 118~144秒时间内 , 有列车进站 ,平均每个车门下车人数为 9人 ,依此类 推 。表 3为苹果园方向列车下车乘客的所有路径比 例分配 。
目前 国 外 比 较 成 熟 的 行 人 仿 真 软 件 有 Legion[ 1 ] 、Step s[ 2 ] 、NOMAD[ 3 ]等 ,这些软件功能比较 完善 ,各具优点 ,应用也比较广泛 。国内对行人仿 真方面的研究与世界先进水平有一定差距 , 方伟 峰 [ 4 ] 、李伏京 [ 5 ] 、李得伟和韩宝明 [ 6 ] 等诸多学者开 展了很多有益的研究工作 ,但是成果主要局限于科 研或教学所用 ,尚没有基于自主图形平台的城市轨 道交通枢纽行人仿真软件 。
9
757
0
776
12
900
0
表 3 复兴门枢纽 7: 00~7: 15苹果园方向 下车乘客路径比例分配
路径 苹果园方向 →北侧换乘通道 →换乘阜成门方向列车 苹果园方向 →北侧换乘通道 →换乘长椿街方向列车 苹果园方向 →南侧换乘通道 →换乘阜成门方向列车 苹果园方向 →南侧换乘通道 →换乘长椿街方向列车
仿真系统支持直接绘图输入和导入 dwg文件 两种方式来创建轨道交通枢纽模型 。不仅可以创 建大厅 、通道 、楼梯等行人常规运动区域 ,还可以设 置排队候车区域 、单向通行通道等特殊区域 ,而且 能够增加隔离栏 、障碍物等附属设施 ,真实的模拟 整个交通枢纽区域 ,通过平台提供的贴图功能 ,用 户可以修改各种设施的贴图 ,使模型看上去更加真 实 。图 1是利用仿真系统创建的隔离栏示例 ,图 2 是创建并修改材质的柱子 (障碍物 )及楼梯示例 。
为了对仿真系统在实际工程应用中的实用性
和仿真的准确性进行研究和验证 ,应用本仿真原型 系统创建了复兴门枢纽的模型 (如图 4 所示 )并进 行了实例仿真 ,将仿真数据结果与实地调查的数据 进行了对比研究 。
4. 1 仿真方案与输入条件 应用仿真系统对复兴门枢纽进行了两组仿真
研究 。第一组 ,根据工作日早高峰 7: 00~8: 30的平 均数据确定输入条件 ,重点研究复兴门枢纽各条线 路的换乘时间 、换乘距离 ,以及进出站时间 、进出站 距离 。第二组 ,以工作日早高峰 7: 00 ~8: 30 每 15 分钟为一个时间段 ,分别确定输入条件 ,研究 1、2号 线换乘通道内行人流量 、密度随时间的变化关系 。
通过这种方法确定即时速度增加了行人速度 的离散性 ,不仅符合行人运动的实际情况 ,而且可 以在一定程度上减小元胞自动机模型带来的系统 误差 。为了使仿真的行人运动速度更加符合实际 情况 ,还通过实际数据标定 ,增加了速度的损失系 数来进一步减小系统误差 。
3 仿真原型系统
在上述仿真算法研究的基础上开发了城市轨 道交通枢纽行人仿真原型系统 。该系统可以独立 完成从枢纽建模 、参数设置到行人仿真 、数据统计 输出的整个仿真过程 。 3. 1 枢纽建模
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城市轨道交通枢纽行人仿真系统开发
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地的行人步行速度参数 ,默认参数根据北京地区交 通枢纽内的调查结果提供 。
意度越高 , 越倾向于选择该网格 ; H 为静态场值 , 代
表网格与目的地距离 ; G为网格附近区域人员密度 ; X 为运动方向夹角 ; ε和 κ为系数 。同时在仿真算
法中考虑了行人自主避让的因素 ,通过制定简单的
规则来解决行人碰撞问题 [ 16 ] ,使仿真结果更加真实
准确 。
行人的步行速度是影响仿真结果准确性的最
仿真系统除了可以对行人运动进行动画模拟 , 还可以对交通枢纽内行人的换乘时间 、换乘距离 、 平均速度 、指定区域的流量 、密度等重要参数进行 统计和输出 。这些统计数据可以为轨道交通枢纽 容量 、安全性 、舒适度等性能的评价和改进提供重 要的参考依据 。图 3为换乘时间和换乘距离的输出 示例 。
4 复兴门交通枢纽仿真实例
本文简要介绍了在自主图形平台上研发的城 市轨道交通枢纽行人仿真原型系统的算法及主要 功能 ;应用该仿真系统对复兴门交通枢纽进行了实 例仿真 ,验证了原型系统的实用性和准确性 ,并对
主要误差进行了分析 。
2 行人仿真算法
目前已经有多种可实际应用的行人微观仿真
模型 ,例如移动效益模型 [ 7 ] 、引力模型 [ 8、9 ] 、排队网 络模 型 [ 10 ] 、社 会 力 模 型 [ 11、12 ] 和 元 胞 自 动 机 模
Baidu Nhomakorabea
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开发实践
主要因素之一 。传统的基于元胞自动机的仿真模 型一般采取平均速度 ,或速度 、密度 、流量关系公式 确定行人运动的即时速度 。这些算法比较简单 ,有 一定的合理性 ,但是忽略了行人个体间的差异 ,同 类行人的步行速度都是相同的 。由于元胞自动机 自身的特点 ,行人每次只能前进整数个网格 ,上述 方法会导致仿真的行人速度与实际速度存在较大 的系统误差 ,影响仿真结果的准确性 。
型 [ 13、14 ]等 。其中 ,仿真效果较好 、应用最广泛的是
社会力模型 (例如 Legion和 NOMAD 软件 )和元胞
自动机模型 (例如 Step s软件 ) ,基于这两种模型研
发的行人仿真软件各具优势 [ 15 ] 。本仿真原型系统
根据交通枢纽中行人众多 、运算量大等实际情况 ,
采取了基于元胞自动机模型的仿真算法 ,重点在路
图 1 隔离栏示例
图 2 楼梯及柱子 (障碍物 )示例
3. 2 参数设置 仿真系统提供了方便快捷的交互式参数输入
功能 ,通过设置时间表 、路径比例 、步行速度等参数 实现仿真初始条件的输入 。
交通枢纽内的行人仿真 ,需要输入枢纽内各种 交通方式 (如地铁 、公交等 )的运营时间表 、上下车 人数 、交通枢纽的进出站人数等实际参数 。仿真系 统将行人进出枢纽的各种地点 (如枢纽出入口 ,地 铁 、公交上下车的车门 )抽象为各种门口 ,通过设置 时间表来完成这些参数的输入 。
【基金项目 】 国家“十一五 ”高技术研究发展计划 (863计划 )资助课题 (2007AA11Z126) 【作者简介 】 赵伟 (1984 - ) ,男 ,硕士 ,助理工程师 。主要研究方向 : CAD及交通仿真 。 E2mail: zhaowei105@126. com
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在城市轨道交通枢纽中 ,从同一地点出发的行 人可能存在进 (出 )站 、换乘等多种不同的路径 ,其 比例不尽相同 ,仿真系统提供了设置路径比例的功 能 ,可以根据实际情况对不同路径的比例进行设置 。
行人步行速度是影响行人仿真结果的重要因 素 ,世界上不同地区的行人步行速度调查结果存在 明显的差异 。因此 ,软件中提供了行人步行速度的 设置功能 。可以针对不同地区的仿真需要 ,设置当
通过对北京地区轨道交通枢纽的实际调查 ,发 现行人的步行速度符合一定的正态分布 。本仿真 算法依据行人的年龄 、性别 、出行目的 、所处区域 、 周围环境密度等不同因素对行人进行分类 ;根据实 际调查结果对各种情况下行人所服从的正态分布 进行了标定 。然后 ,由正态分布的随机数来确定行 人的即时速度 ,具体方法为 :第一步 ,对每一类行人 通过标准正态分布的随机数来实现行人速度的离 散 ,即确定行人运动的相对快慢 ;第二步 ,在每一时 刻根据行人所处的位置和周边行人密度等因素 ,确 定行人符合的正态分布 ; 第三步 ,通过正态分布间 的变换来确定每个行人的即时速度 。
径选择 [ 16 ]和步行速度两个关键方面进行了研究 。
在路径选择方面 , 综合考 虑了 行人 的行走 距
离 、拥挤程度和运动方向等因素的影响 ,提出了行
人路径选择的效应值公式 [ 16 ] :
P =εH + ( 1 - ε) G +κX
(1)
式中 , P为效应值 , P 值越小 , 表明行人对此网格满
仿真系统输入的初始数据 包括 三个 方面 : 第 一 ,枢纽站各入口的进站人数 ;第二 ,各条线路的列 车时刻表以及每次列车的下车人数 ; 第三 ,从同一 出发点出发的各条路径的比例 。所有输入数据都 是通过在复兴门枢纽调查获得的真实数据 。
下面以 7: 00~7: 15的输入数据为例 ,进行简单 说明 。表 1为各出入口的进站人数 。表 2为苹果园 方向的列车时刻表及下车人数 ,数据表示以 7: 00为 时间零点开始记时 ,在 0~118秒时间内 , 站台处于
另外 ,仿真系统还可以根据实际需要 ,指定特 定区域统计流量 、密度等参数 。实现对某一局部区 域 (例如瓶颈区域 )的重点研究 。 3. 3 行人仿真
仿真系统的动画仿真功能可以实现对行人运 动的实时模拟 ,直观的观察轨道交通枢纽内部的行 人运动行为 。同时 ,仿真系统还提供了动画录制功 能 ,可以根据需要对行人仿真的动画进行录制 。 3. 4 数据统计输出
从图 5可以看出 ,仿真得到的行人平均步行距 离都在实际最短距离和最长距离之间 ,说明仿真结 果基本正确。相比较而言 ,结果更加接近实际最长距 离 。这是由于行人实际行走时 ,行为模式非常复杂 , 不可能完全按照理想的直线行走 ,会比理想情况多 走一些路程 。因此 ,仿真得到的结果是基本符合实 际情况的 。
第 2卷 第 2期 2010年 6月
Vol. 2 No. 2 Jun. 2010
城市轨道交通枢纽行人仿真系统开发
赵 伟 蔡 鹏
(中国建筑科学研究院软件所 , 北京 100013)
【摘 要 】本文介绍了自主研发的城市轨道交通枢纽仿真原型系统的算法和主要功能 。利用仿真系统对复兴门枢 纽进行了仿真 ,通过对比仿真结果与实际调查数据 ,对仿真系统的实用性和准确性进行了验证 。同时 ,分析研究了 仿真过程中的主要误差来源 。 【关键词 】行人仿真 ;城市轨道交通枢纽 ;软件系统 【中图分类号 】TP391. 9 U29 【文献标志码 】A 【文章编号 】1674 - 7461 (2010) 02 - 0051 - 07
1 引言
轨道交通具有运量大 、速度快 、舒适 、准时 、节 能 、高效等诸多优点 ,在城市公共交通中占有越来 越重要的地位 ,为解决交通拥堵 、环境恶化等问题 发挥了重要作用 。我国“十一五 ”规划明确提出了 “加快城市轨道交通建设 ”的要求 。与此同时 ,如何 对城市轨道交通枢纽进行合理布局 、改善乘车环 境 、提高集散效率 ,从而更好的发挥城市轨道交通 的功能和作用 ,已经成为人们面临的重要问题 。应 用计算机仿真技术可以真实有效的模拟交通枢纽 中行人的运动行为 ,为交通枢纽的设计 、优化和改 进提供有益的参考和帮助 。
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