專利名稱：一種基于地理元胞自動機的行人流仿真方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種交通仿真領域中模擬行人交通行為的方法，具體是一種基于元胞自動機的特別適于仿真室外具有復雜道路系統(tǒng)和地表行走適宜性的區(qū)域行人流演化運動的方法。
背景技術：
我國是一個人口大國，城鎮(zhèn)人口密度大，步行在交通方式中占有相當大的比重。行人流的研究對于意外事故應急反應、交通道路規(guī)劃設計、旅游景區(qū)規(guī)劃設計等許多國計民生的問題具有十分重要的意義。當前對行人流特征的研究主要是從行人微觀行為特征和宏觀群體特征兩方面展開的。行人微觀行為特征研究主要是針對行人個體行為及其影響因素進行分析研究，例如分析行人在不同交通環(huán)境中的步頻、步幅、步行速度、路徑選擇等行為。行人流宏觀行為特征研究主要是針對行人群體行為及其評價進行分析研究，例如分析行人密度、速度和流量基本特征參數(shù)之間的關系，分析研究行人群體擁擠機理以及群集行為特性，分析研究大型體育賽事等大型活動場所周圍的行人流交通特性及其相應的行人組
幺口坐左/、寸ο根據(jù)對行人流微觀和宏觀行為特征的側重不同，許多行人流仿真模型相繼被提出。這些模型依據(jù)行人移動空間的連續(xù)與否大體可分為兩類:(I)連續(xù)性仿真模型，行人的移動空間是連續(xù)的，行人依據(jù)連續(xù)場的作用在空間上移動，如引力模型(Gravity Model)、氣體動力學模型(Gas-Kinetic Model)和社會力模型(Social-Force Model)等；(2)離散型仿真模型，行人的移動空間被劃分為離散的網格狀位置，行人依據(jù)一定的移動規(guī)則和條件在位置之間移動，如基于元胞自動機的模型(Cellular-automaton Based Model)、格子氣體模型(Lattice Gas Model)、領域模型(Two Floors Model)、兩步驟更新模型(TwoProgress Model)和先前確定概率模型(Pre-fixed Probabilities Model)等。其中，基于元胞自動機的模擬仿真技術，由于其能夠較為全面的考慮行人運動特性，在模擬中能夠較為簡單有效地體現(xiàn)出行人運動的自組織現(xiàn)象及群體行為，已經被廣泛地應用于機動車交通流和行人流的仿真研究中，對于減少行人流交通擁堵，避免發(fā)生行人踩踏事故，提升城市行人交通的基礎理論及其應用水平均具有重要作用。申請人:檢索發(fā)現(xiàn)，北京交通大學博士論文“基于元胞自動機的行人流仿真模型研究”(作者“岳昊”)，模型引入移動收益的概念來描述行人對每個移動步伐收益的評價，并通過移動收益來建立行人與可選擇位置之間的評價與被評價的關系。行人在移動的過程中選擇移動收益最大的位置作為自己下一時間步的目標位置。該模型引入了方向參數(shù)、空格參數(shù)、前進參數(shù)和類別參數(shù)這四個動態(tài)參數(shù)來描述單個行人對自身周邊交通條件的判斷認知情況，同時，為了描述行人向右移動的右行習慣，引入了右行參數(shù)的概念，詳細闡述了右行參數(shù)的定義和賦值范圍。模型通過上述參數(shù)來獲得移動收益。然而，現(xiàn)有元胞自動機模型在行人流仿真模擬中的應用多局限于對行人流行為特征的仿真研究上，很少綜合考慮步行行為發(fā)生的交通環(huán)境。由于行人流的步行交通環(huán)境是行人流演進的客觀地理環(huán)境，是行人進行路徑選擇時所依據(jù)的基礎信息，對行人的移動決策有著重要影響。因此，有必要將區(qū)域步行交通環(huán)境因素引入仿真模型，構建基于地理元胞自動機的行人流仿真模型，以較為綜合的考察區(qū)域行人流運動演化，更好地對區(qū)域行人流進行仿真模擬。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決技術問題是:克服現(xiàn)有技術缺點，提出一種基于地理元胞自動機的行人流仿真方法，該方法綜合考慮行人行為特征和行人流步行交通環(huán)境，擴展了行人仿真的適用范圍，特別對實際室外開闊區(qū)域行人流進行仿真研究。為了解決上述技術問題，本發(fā)明提出的技術方案是:一種基于地理元胞自動機的行人流仿真方法，包括如下步驟:第一步、對研究區(qū)域做格網化處理，構成元胞空間；第二步、對格網化后的研究區(qū)域進行行走適宜性分析，并根據(jù)行走適宜性分析結果將研究區(qū)域分為白色路段、灰色路段、黑色路段:適宜行走區(qū)域作為白色路段，其對應元胞的行走適應性程度值等于1，不可行走區(qū)作為黑色路段，其對應元胞的行走適應性程度值等于O ;可行走但屬非行走區(qū)作為灰色路段，其對應元胞的行走適應性程度值取值范圍為(0，1)；第三步、對研究區(qū)域的道路組織結構建模，將研究區(qū)域的道路劃分為區(qū)域出入口、路段、交叉路口三類，對交叉路口處元胞設置轉向概率，設置方法如下:針對行人來向，行人向右轉、向左轉、直行的概率分別為P,、Pp Ps，其中，PJPJPs = I ；第四步、初始化步行交通環(huán)境，行人開始在區(qū)域出入口進出研究區(qū)域，并在研究區(qū)域內部演化，直到仿真 過程結束，其中，每個行人遵循如下規(guī)則移動:a.在每個時間步長t內，行人移動一個元胞的長度，行人每次在其移動鄰域內九個可選位置中選擇自己下一步的目標位置；b.行人移動鄰域內的九個元胞都擁有自己的綜合移動收益，綜合移動收益最大的元胞作為行人下一步的目標位置，元胞的綜合移動收益計算方法如下:1、移動收益計算:計算行人移動鄰域內九個元胞的移動收益，行人移動鄰域內第i個元胞的移動收益為 Pi, i = 0，1，...，8 ;I1、移動收益標準化:行人移動鄰域內第i個元胞的標準化移動收益
權利要求
1.一種基于地理元胞自動機的行人流仿真方法，包括如下步驟: 第一步、對研究區(qū)域做格網化處理，構成元胞空間； 第二步、對格網化后的研究區(qū)域進行行走適宜性分析，并根據(jù)行走適宜性分析結果將研究區(qū)域分為白色路段、灰色路段、黑色路段: 適宜行走區(qū)域作為白色路段，其對應元胞的行走適應性程度值等于1，不可行走區(qū)作為黑色路段，其對應元胞的行走適應性程度值等于O ;可行走但屬非行走區(qū)作為灰色路段，其對應元胞的行走適應性程度值取值范圍為(0,1)； 第三步、對研究區(qū)域的道路組織結構建模，將研究區(qū)域的道路劃分為區(qū)域出入口、路段、交叉路口三類，對交叉路口處元胞設置轉向概率，設置方法如下:針對行人來向，行人向右轉、向左轉、直行的概率分別為Pp Pp Ps，其中，VPdPs = I ； 第四步、初始化步行交通環(huán)境，行人開始在區(qū)域出入口進出研究區(qū)域，并在研究區(qū)域內部演化，直到仿真過程結束，其中，每個行人遵循如下規(guī)則移動: a.在每個時間步長t內，行人移動一個元胞的長度，行人每次在其移動鄰域內九個可選位置中選擇自己下一步的目 標位置； b.行人移動鄰域內的九個元胞都擁有自己的綜合移動收益，綜合移動收益最大的元胞作為行人下一步的目標位置，元胞的綜合移動收益計算方法如下: 1、移動收益計算: 計算行人移動鄰域內九個元胞的移動收益，行人移動鄰域內第i個元胞的移動收益為Pi, i = O, I,...,8 ； I1、移動收益標準化: 行人移動鄰域內第i個元胞的標準化移動收益
2.根據(jù)權利要求1所述一種基于地理元胞自動機的行人流仿真方法，其特征在于:規(guī)則e中，在交叉路口處行人的轉向方向T通過以下公式獲得:
3.根據(jù)權利要求2所述一種基于地理元胞自動機的行人流仿真方法，其特征在于:行人移動鄰域內第i個元胞的移動收益Pi= a (D^Ei)+ β (FfCiHcj5I^Di為第i個元胞的方向參數(shù),Ei為第i個元胞的空格參數(shù),Fi為第i個元胞的前進參數(shù),Ci為第i個元胞的類別參數(shù)，Ri為第i個元胞的右行參數(shù)，α、β、爐為權重系數(shù)。
4.根據(jù)權利要求3所述一種基于地理元胞自動機的行人流仿真方法，其特征在于:第i個元胞的方向參數(shù)Di e {O, ±0.7, ±1};第i個元胞的空格參數(shù)Ei e {O, ±1},第i個元胞的前進參數(shù)FiG [-1,1],第i個元胞的類別參數(shù)Ci e [-1,1],第i個元胞的右行參數(shù)Ri e (-1,1) ,ατ、β.、φ (: (-1，I)。
5.根據(jù)權利要求4所述一種基于地理元胞自動機的行人流仿真方法，其特征在于:所述第一步中，格網化 的網格單元大小為0.5X0.5m。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于地理元胞自動機的行人流仿真方法，將區(qū)域道路組織結構與區(qū)域行走適宜性引入行人仿真模型，根據(jù)步行適宜性將研究區(qū)劃分為黑色路段、灰色路段和白色路段，使得仿真模型能夠對復雜步行環(huán)境做出相應反應，而不僅僅是區(qū)域行人和障礙物；模型同時將區(qū)域道路交通系統(tǒng)從功能結構角度劃分為區(qū)域出入口、路段以及交叉路口，使其能夠仿真宏觀行人流區(qū)域化運動，模擬區(qū)域行人流演化過程中呈現(xiàn)的會流和分流現(xiàn)象；從而大大擴展了仿真模型的實際適用范圍，有效提高了模型仿真效果，特別適宜于仿真分析室外開闊區(qū)域行人流運動演化。
文檔編號G06F17/50GK103106302SQ20131002502
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月23日 優(yōu)先權日2013年1月23日
發(fā)明者張帥, 陳振杰, 李滿春, 湛玉劍, 鐘禮山 申請人:南京大學