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原文传递多组分行人流的实验与模拟研究

论文题名：	多组分行人流的实验与模拟研究
关键词：	交通管理;多组分行人流;运动特征;行人动力学
摘要：	在全球老龄化的背景下，设计建造能够满足不同年龄结构需求的交通设施可以为构建和谐社会提供保障。在可以预见的未来一段时间，老年人将会与年轻人共享公共空间，并且交通设施中的老年行人比例会明显提升。提前对于这种趋势进行预估，对步行交通设施设计做出改进，以满足混合了不同运动特征的行人交通需求，是行人动力学研究的重要课题之一。　　本文主要关注多组分行人运动过程，对其流量特征、行为描述、运动特征和模拟仿真等几个方面进行了详细的研究。我们希望本研究的成果能为公共交通设施的优化提供技术支持，并将之研究应用于具体的城市交通管理之中。　　首先我们组织了单通道的行人运动实验，来研究个体行人跟随他人时的运动特征。通过分析实验结果，我们得到了一维运动中代表行人间相对位置的参数前向距离与迈步步长、迈步周期及走走停停行为之间的联系。我们发现当跟随行人与前方行人的中心距离大于1.1米时，跟随行人的迈步步长与迈步周期是相对稳定的，在我们的实验中，参与者的稳定迈步步长与迈步周期分别为0.59m和0.54s。前后两个行人中心距较小时，后方行人相应的迈步步长和持续时间与前向距离呈线性相关。我们根据步行过程中发生走走停停现象时前后两个行人的相对位置，定义了停止距离与再启动距离（在我们的实验中，这两个参数分别为0.344m和0.487m）。然后我们讨论了跟随过程中所自发出现的同步运动与异步运动对于行人运动速度的影响。同过定量的比较两种运动模式时后方行人的运动速度等参数，我们并没有发现同步或异步运动对行人速度有影响的切实证据。　　然后，我们进行行人转向运动实验，用以明确当行人的运动速度方向变化时具体的运动特征。通过跟踪视频中的行人运动轨迹，我们获得了转弯过程中的行人微观运动特征，如瞬时速度矢量、瞬时加速度矢量和瞬时角速度等参数。在我们的实验中，行人平均的自由移动的速度为1.54m/s。同时我们发现当期望速度方向发生改变时，行人可以在1到3秒之内调整好速度方向，并且改变速度方向的过程中角速度会保持相对稳定。由此可以推断，行人转弯过程的曲率半径相对稳定，且当初始角差较大时，行人倾向于以更大的角速度转弯。这启发我们以近似匀速圆周运动的方法简化行人转弯过程。接着，我们通过实验的结果测试了社会力模型中自我驱动力假设。通过对自驱力计算公式的推导，得到一个能够获得任意时刻行人弛豫时间参数的计算公式。拟合结果表明，自驱动力的初始假设对一维加速过程是有效的，但在方向变化过程中，弛豫时间并非稳定数值。这个结果说明对于更复杂的场景，一个更准确的期望速度捕述或者采用随运动状态变化的弛豫时间参数是必要的。　　基于以上实验研究，我们提出了一种多组分行人运动模型。该模型基于生物学中的最小能耗原理，即生物体会评估各种动作所产生的能量消耗，并总是倾向于采用能量消耗小的行为模式。在原有的能量消耗公式中，加入一个新的参数et，用以表示个体保持运动方向的偏好。并采用实验数据对模型参数进行了标定。然后通过模拟结果与实验和经验公式的对比，验证了新模型的有效性，说明该模型能较好地反映多组分行人流的宏观特征。接下来，我们通过这个模型研究如个体的灵活性、设施的宽度和人群的速度分布等多种因素对从行人流流量的影响。我们的结果表明:在特定情况下，主动的超越行为会导致交通设施的空间利用率提高，从而流量增加设施的通行效率;当行人流中各种不同组分之间存在明显的差异时，拓宽走廊宽度能够在一定程度上提升单位宽度的通行流量;在单方向走廊中，当人群速度分布较大时，慢速行人的出现可能会导致速度障碍，降低整体流量，拓宽走廊宽度可以在一定程度上消除这种消极影响;当不同类别行人在整体的交通流中的比例发生改变的时候，例如说交通设施中的老年行人数量增加，单纯通过按照平均速度的增加比例来计算设施的流量将会不准确的。　　最后，我们对本研究做出总结并列出主要结论，提出了进一步的研究方向。
作者：	刘驰
专业：	安全科学与工程
导师：	宋卫国;卢兆明
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国科学技术大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文