行人交通流研究綜述

1、行人交通流研究綜述摘要：行人交通面廣量大，是所有交通方式的終端形式，在城市系統(tǒng)中占據(jù)特殊 重要地位。在其他交通形式快速開展的背景下，行人交通作為一種最根底的交通 方式不容無視。本文通過查閱文獻，整理了最近國內(nèi)外對行人交通流的研究現(xiàn)狀， 主要對行人交通的模型以及行人交通流特性的研究進行了梳理。關鍵詞：行人交通流；交通流模型；交通流特性Abstract:Abstract: The pedestrian traffic is wide in surface and large in quantity. It is the terminal formof all transport modes and

2、 plays a very important role in the urban system. In the background of otherforms of transportation are developing rapidly, as a most basic mode of transportation, pedestriantraffic cannot be ignored. Through literature review, this paper arranges recent study statements ofpedestrian traffic flow at

3、 home and abroad. This article focuses on combing the study of pedestriantraffic model and pedestrian traffic flow characteristics.KeyKey Words:Words: Pedestrian traffic flow; Traffic flow model; Traffic flow characteristics1.引言行人交通流是交通系統(tǒng)中很重要的一個局部，在交義口平安分析、行人交通組織方法、慢行交通建設等方面都必須要考慮到行人交通流的特征。然而，不少人認為交

4、通是研究“人、車、路、環(huán)境的一門科學，其中的人指乘客，而對于 行人，大多數(shù)之前的分析都認為是道路阻抗，這是有誤的。城市交通系統(tǒng)的供需失衡導致了一系列的交通問題，解決這一問題不能不從人說起。步行是人類最基 本、最古老和最現(xiàn)實的交通出行方式，無論人們采用任何交通工具、任何出行方式、要到達任何出行目的，出行過程中總離不開步行。交通問題的本質(zhì)是人的需 求，從需求的角度來看，人的步行需求是不可無視的一個局部。目前關于行人交通流的研究在國內(nèi)還比擬少，全面系統(tǒng)地分析和歸納行人交通流起源及其開展的文章更是幾乎沒有。本文從行人交通流研究的歷史出發(fā)，試圖理活行人交通流研究的理論與方法的開展演變過程，揭示這種研究的

5、必要性及其對交通系統(tǒng)的重要性。2.主要理論和方法行人交通流的研究可以追溯到1937年，前蘇聯(lián)的建筑研究院(VAKH)的Predtechenskii和Milinski對行人交通流做了探索，這是公認的行人流研究的最早 嘗試，他們通過觀測和調(diào)查發(fā)現(xiàn)行人的速度u與密度k成反比。行人交通流理論的系統(tǒng)研究始于上世紀的50年代末，其主要階段性成果是Henderson對不同年齡和性別的行人進行了交通調(diào)查，并在70年代初首次采用流 體力學模型來研究行人交通，把行人運動與氣體或流體質(zhì)點運動進行類比，用氣體動力論和流體動力學模型來模擬行人交通。1992年，Helbing,對Henderson的模型進行了修正，建立新

6、的宏觀模型。但 從總體來說，行人交通的宏觀模型，特別是在行人交通流體力學模型方面，前人在這一方面的工作并不是很多。進入上世紀90年代，越來越多的人發(fā)現(xiàn)行人交通研究的迫切性和重要性，在行人交通流的微觀模型方面也取得了較大的成果。Okazaki等建立了磁力模型，隨后1995年Hebling和Molnar提出了支配行人運 動的社會力模型，用來描述行人的自組織行為，Hoogendoom和Daamen等人進來對行人交通進行了更深入的研究，如NOMAD模型、宏觀的Simped等等。2.1 .宏觀模型研究2.1.1Henderson的宏觀模型最早的行人流的宏觀模型是由Henderson建立的，他把行人交通流

7、類比為流 體的流動。他假設一個行人系統(tǒng)中排除行人重疊的情況，即系統(tǒng)中每一個粒子都表征為一個行人，每個行人具有其特征速度和運動方向，速度為，其中，是平均速度，是隨機脈動速度。當系統(tǒng)到達某種平衡狀態(tài)時，系統(tǒng)中的粒子數(shù)為常量，每個例子對應有速度向量(，)，對于特定條件下的行人系統(tǒng)，有如下守恒式：質(zhì)量守恒：常數(shù)動量守恒：-常量能量守恒：-常量其中，為粒子密度，即單位面積上的粒子數(shù)，l為通道寬度，E為勢能。Henderson指出，如果行人流滿足以上守恒條件，那么就可以作為建立行人 流動力學的必要條件，行人流就可以類似地看成是液體或氣體的流動。2.1.2Helbing的氣體動力論模型在Henderson的

8、根底上，Helbing在1992年對Henderson的模型進行了修正， 將行人意圖(theintention)、期望速度(desireveloeities刑單個行人間的相互作用 加以考慮，建立了一個新的宏觀模型，但Helbing同時指出，這種數(shù)學模型的解 析解很難求得，為了讓模型更具實用性，他還做了進一步的數(shù)值模擬工作。Helbing的氣體動力論模型的詳細描述可參見相關文獻1。行人宏觀模型只需要求解描述行人集體行為的少數(shù)幾個參量構成的偏微分 方程，其模擬時間與行人具體數(shù)目根本無關，因此，計算耗時相對較少，與微觀 模型相比更為經(jīng)濟且處理方便。2.2.微觀模型研究2.2.1元胞自動機模型元胞自動

9、機(CellularAutomaton),簡稱CA，是時間和空間都離散的動力系統(tǒng)。 元胞自動機采用離散集來描述研究對象，而就行人運動等交通流現(xiàn)象在本質(zhì)上是 離散的，用來研究交通就防止了像連續(xù)介質(zhì)模型那樣所采用的“離散一連續(xù)一離散的近似過程。行人元胞自動機模型旨在模擬行人運動，既能捕捉微觀行人運動，乂得到接近現(xiàn)實的宏觀運動。用元胞自動機模擬一個物理過程的優(yōu)點在于 不用建立微分方程而直接通過一些運動規(guī)那么和迭代規(guī)那么(或稱更新規(guī)那么)來模擬 非線性的物理現(xiàn)象。行人元胞自動機交通流模型的根本思想是：采用離散的時間、空間和狀態(tài)變 量，并且給定行人運動的演化規(guī)那么，然后通過大量的樣本平均來揭示交通規(guī)律。

10、 在元胞自動機模型中，行人通道與空間被劃分為等距的格子，每個格點表示一個元胞。在任一時刻t,元胞是空的抑或被一個人所占據(jù)。在t一t+l的時間步長里， 根據(jù)給定的規(guī)那么對系統(tǒng)的狀態(tài)進行更新。2.2.2磁力模型okazaki, Matsushita，和Yamamoto 起建立了磁力模型。圖2.1磁力模型受力分析圖行人由丁磁場作用而產(chǎn)生運動，每個行人為正極，墻壁和其它障礙物亦為正 極，將目的地設為負極。行人防止碰撞向其目的地運動，每個行人在行走時被 目的地，即負極吸引，但同時乂要防止和其他行人和障礙物發(fā)生碰撞。行人受 到磁力作用時會加速，直到到達最大速度。采用庫侖原理計算磁力，受磁極影 響的磁力即為

11、：這里， 為磁力欠量；k為常數(shù)；表小行人的磁力強度，表小磁極的磁力強度;為行人指向磁極的向量；r為 的長度；另外，受其他行人和障礙物影響的加速度為：為行人A的加速度，從方向調(diào)整至AC方向;為行人A對丁B的相對速度2.2.3社會力模型SocialForeeModelHelbing等建立了社會力模型，屆丁多粒子自驅動模型，是一種多主體模型，把 作用在行人上的作用力相疊加得到：這里，表示行人i在t時刻的位置；表小行人i在t時刻的速度，等??；m表示行人質(zhì)量可以近似看成為摩擦系數(shù)；為初始速度；表示運動的方向；表示個體速度的脈動；表示i和j之間的相互作用力；表示邊界的作用力。人們認為，社會力模型是迄今為止

12、比擬好的微觀行人交通模型之一。模型中的參數(shù)和變量并不是任意的，它們有物理意義。該模型可以重現(xiàn)現(xiàn)實中的自組織 現(xiàn)象，還展現(xiàn)了疏散過程中的人員堵塞現(xiàn)象， 并指出行人流所表現(xiàn)出來的各種集 體效應和自組織臨界性是由丁行人個體之間的非線性作用引起的。3.行人交通流的特征3.1根本特征我國許多城市的中心地區(qū)房屋密集、 人口集中、店鋪林立，市中心區(qū)干道兩 側的人行道上， 行人眾多、 川流不息。 已有的觀測資料說明， 我國城市步行交通 在總出行量中約占40%。而中等城市約占50 %以上。小城市那么多達60 %以 上。目前，我國步行交通存在的主要問題有2:1行人設施不健全，人車干擾較嚴重；2缺乏全面系統(tǒng)的行人規(guī)

13、劃設計；3車流密集，行人過街難；4交通管理力度不夠，步行困難，行人交通違章現(xiàn)象嚴重。在很多方面，行人的運動更為復雜和隨機。主要是因為行人在變速和轉向方面比車輛更智能和靈活， 能根據(jù)周圍環(huán)境選擇合理的速度和方向， 不像車輛運動 受車道限制，而且輕微的推撞也是可以接受的，受周圍環(huán)境的影響那么更加多樣和 復雜。一般來說，普通的行人交通有以下特點3:(1)步行是以行人自身體力為動力的出行方式，一般只能做近距離和低速行走，步行速差?。?2)行人通道不像機動車道那樣擁有固定的形狀，它的長、寬、形式都有很強的變化，擁有眾多的出入口，并支持多方向的運動；(3)步行僅受個人意志支配，可自由選擇步行路線和步行位置

14、，步行所占空間很小，通達性很高，幾乎任何處所均可到達；(4)行人從靜止到全速的反響時間相對機動車來說很短，有能力在一個空位 出現(xiàn)的時候迅速填補空位；(5)行人經(jīng)常肩并肩或手牽手行走，在行人流中形成一個線性單位，類似丁 機動車流中的車隊，它有不同丁普通單車的特點，而且，行人對丁平安和防止碰 撞的要求不像機動車那么嚴格，在擁擠的通道中這甚至是經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象。由丁行人之間的非線性相互作用,大中城市行人交通呈現(xiàn)出十分復雜多樣的 性態(tài)。一般認為，行人的交通流特性表現(xiàn)在行人的速度，對個人空間的要求，步 行時的注意力等方面。3.2交通流特性美國學者J. T. Fruin在其博士論文?行人規(guī)劃與設計?中詳細描

15、述了行人流的速度、流量、密度及行人占有空間等特征要素及其相互關系，提出了人行道服務水平的劃分建議值；表3.1人行道流量、行人占有空間與效勞水平效勞水平行人流量q占有空間p行人交通情況.-1Ped(m*min)(m2*ped-1)A 2.3自由流B30 502.3 0.9仃人步仃速度和分越仃動受到限制，有 行人方向和橫穿時極感、便C50 700.9 0.5步行速度受到限制，需頻繁調(diào)整步幅很 難超越，反向走和橫穿特別困難D 70 1.321 6.526 1.270 22.966 1.219 32.808 1.143 49.808 0.762 82.021 0.762VariableVariable

16、3.2.1速度經(jīng)過國內(nèi)外大量研究統(tǒng)計說明，行人的速度分布符合正態(tài)分布，均值按照調(diào) 查統(tǒng)計的區(qū)域的不同各有不同。歐美的研究者的大都統(tǒng)計得出行人的步行速度平 均為1.34m/S，標準差為0.37m/S，速度值分布在0.97m/s至1.65m/S之間4。隨 著行人密度的增加，原本在自由流條件下對步行速度影響較大的各種因素的影響 作用開始下降。國內(nèi)的研究那么得出國內(nèi)行人的平均步行速度為1.24m/S,速度值分布在1.01m/s至1.32m/s之間5。國人的步行速度、步幅與步頻均小丁國外行 人的平均值。其中，步頻作為重要的步行參數(shù)值，反映了步行者的心理狀態(tài)與周 邊的環(huán)境對行人步行特征的影響。Predte

17、chenskii和Millinskii對水平通道不同狀態(tài)的人員的流動速度關系進行 了大量觀測分析，得到正常狀態(tài)下水平通道中人員的運動速度：6東北大學陳培紅等人通過校園內(nèi)的觀測得到平直道路上行人運動的速度-密度方程為：7北京交通大學李伏京紅在其碩士論文中對地鐵中的客流進行過觀測，得到平直通道上的行人運動速度一密度方程：8行人的步行速度同行人的自身因素、道路交通條件、環(huán)境條件有關。影響速度的行人自身因素包括：體力、出行目的、情緒和意志等；影響速度的行人道路 交通條件包括：通道坡度、通道寬度、隔離條件與方式等因素。回憶以前的行人 的步行速度研究，國內(nèi)外的研究人員幾乎都把行人的步行速度與行人的年齡和性

18、 別聯(lián)系起來，討論年齡和性別對行人步行速度的影響。可見，年齡與性別不管是在國內(nèi)外都是影響行人步行速度的最主要因素。一般計算平均速度的方法有兩種，分別為時間平均速度和空間平均速度。時間平均速度是指在一定時間段內(nèi)行人經(jīng)過人行道的平均速度，是點速度或瞬時速度的算術平均值其中，N為觀測到的行人數(shù)量；為第i個行人的速度?？臻g平均速度是人行道長度L對每個行人經(jīng)過該道路時間的比值。3.2.2密度行人密度的定義為單位面積內(nèi)的行人數(shù)，單位是人 /平方米。行人密度的倒數(shù)定 義為空間模數(shù)M,代表每個行人所占有的單位面積，單位為平方米 /人。行人在低密度的自由流條件下一般都能夠自己選擇步行速度，當在擁擠條件下時，步行

19、速度和流量都會下降。-Fntiji. Weidniam】-VirkleiOldwSaikarTaiidriboOD圖3.1國外研究者對行人基木特性關系的研究4行人的根本交通特性主要來自兩個方面：行人自身的特性與外部環(huán)境的特性。除了以上對行人交通流流量、密度和速度的研究外，國內(nèi)外很多人也進行了與行 人自身相關的特性：如年齡、性別、文化、與別人的習慣距離、出行目的等等的 研究。與行人的宏觀交通流特征相比擬，行人的微觀特征研究還很不完善， 至今也 沒有形成體系的理論成果。Helbing和MoInar(1997)提出了 “效率測度(efficiency measure)和不舒適測度作 為評估手段來優(yōu)化

20、設計行人設施?！靶蕼y度E中，考慮行人期望運動方向速 度分量的平均值和期望步行速度的關系，即有不舒適測度U那么反映瞬間速度變化的頻率和程度(比方因為避碰而急停、急走的情況-r-=二pwxz其中:為t時刻行人i的速度；N為行人數(shù)；為行人原有速度，為t時刻指向行人i的向量；, 是從至時刻的時間平均量。4.結束語行人交通流研究內(nèi)涵十分豐富，應用前景十分廣闊。在這個領域仍然還有許 多問題值得進行更深入的分析研究，例如：1開發(fā)先進的觀測、分析技術獲取行人交通流根底數(shù)據(jù)。大量、可靠的第一手根底數(shù)據(jù)是研究行人交通流特性的必要條件。 依靠人工手 段的精度雖高，但消耗大量人力。為推動行人交通流研究向更深層 次、更廣領域開展，必須研究諸如視頻數(shù)據(jù)采集、GPS采集等先進手段，提高數(shù)據(jù)獲取的效率與精度。2構件行人交通根底數(shù)據(jù)庫。由丁行人交通具有典型場所一區(qū)域特征，采集不同出行目的、不同不行設施、不同人群組成、不同外界環(huán)境 等多種情景組合下的行人交通特征數(shù)據(jù)，構件根底數(shù)據(jù)平臺，對深 入分析行人交通特征具有重要意義。3深入研究行人交通通行能力影響因素與影響機理?？蓮脑O施條件、 交通條件和信息條件三個方面展開。特別是分析人流組成性別組 成、年齡組成、攜帶行李組成、流量的雙向分布雙向流量構成比 例，如90%: 10%、50%: 50%等、交義人流對通行能力的影響：分析行人獲得充分、實時信息