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發(fā)展的背景下，行人交通作為一種最基礎(chǔ)的交通方式不容忽視。本文通過查閱文獻(xiàn)，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(jìn)行了梳理。關(guān)鍵詞：行人交通流；交通流模型；交通流特性Abstract: The pedestrian traffic is wide in surface and large in quantity. It is the terminal form of all transport modes and plays a ve

2、ry important role in the urban system. In the background of other forms of transportation are developing rapidly, as a most basic mode of transportation, pedestrian traffic cannot be ignored. Through literature review, this paper arranges recent study statements of pedestrian traffic flow at home an

3、d abroad. This article focuses on combing the study of pedestrian traffic model and pedestrian traffic flow characteristics.Key Words: Pedestrian traffic flow; Traffic flow model; Traffic flow characteristics1. 引言行人交通流是交通系統(tǒng)中很重要的一個部分，在交叉口安全分析、行人交通組織方法、慢行交通建設(shè)等方面都必須要考慮到行人交通流的特征。然而，不少人認(rèn)為交通是研究“人、車、路、環(huán)境”的

4、一門科學(xué)，其中的人指乘客，而對于行人，大多數(shù)之前的分析都認(rèn)為是道路阻抗，這是有誤的。城市交通系統(tǒng)的供需失衡導(dǎo)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(shí)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、要達(dá)到任何出行目的，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忽視的一個部分。目前關(guān)于行人交通流的研究在國內(nèi)還比較少，全面系統(tǒng)地分析和歸納行人交通流起源及其發(fā)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)，試圖理清行人交通流研究的理論與方法的發(fā)展演變過程，揭示這種研究的必要性及其對交通系統(tǒng)的重要性。2.

5、 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(rèn)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(jì)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(jìn)行了交通調(diào)查，并在70年代初首次采用流體力學(xué)模型來研究行人交通，把行人運(yùn)動與氣體或流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動進(jìn)行類比，用氣體動力論和流體動力學(xué)模型來模擬行人交通。1992年，Helbing,對Henderson的模型進(jìn)行了修正，建立新的宏觀模型。但從總體來說，行人交通的

6、宏觀模型，特別是在行人交通流體力學(xué)模型方面，前人在這一方面的工作并不是很多。進(jìn)入上世紀(jì)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(yùn)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(jìn)來對行人交通進(jìn)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，他把行人交通流類比為流體的流動。他假設(shè)一個行人系統(tǒng)中排除行

7、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(yùn)動方向，速度為V=V+v，其中，V是平均速度，v是隨機(jī)脈動速度。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到某種平衡狀態(tài)時，系統(tǒng)中的粒子數(shù)為常量ni，每個例子對應(yīng)有速度向量（Vi，i），對于特定條件下的行人系統(tǒng)，有如下守恒式：質(zhì)量守恒：mV=常數(shù)動量守恒：l12mv2V+12mVVmV=常量能量守恒：E+mv2+12mV2=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(xué)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

8、體動力論模型在Henderson的基礎(chǔ)上，Helbing在1992年對Henderson的模型進(jìn)行了修正，將行人意圖 (theintention)、期望速度 (desireveloeities)和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(xué)模型的解析解很難求得，為了讓模型更具實(shí)用性，他還做了進(jìn)一步的數(shù)值模擬工作。Helbing的氣體動力論模型的詳細(xì)描述可參見相關(guān)文獻(xiàn) 1 HelbingD.，Traffic and related self-driven many-particle systems, Reviews of modern physics,

9、 2001, 73, :1119-1125。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(gòu)成的偏微分方程，其模擬時間與行人具體數(shù)目基本無關(guān)，因此，計(jì)算耗時相對較少，與微觀模型相比更為經(jīng)濟(jì)且處理方便。2.2. 微觀模型研究2.2.1元胞自動機(jī)模型元胞自動機(jī)(CellularAutomaton)，簡稱CA，是時間和空間都離散的動力系統(tǒng)。元胞自動機(jī)采用離散集來描述研究對象，而就行人運(yùn)動等交通流現(xiàn)象在本質(zhì)上是離散的，用來研究交通就避免了像連續(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(jī)模型旨在模擬行人運(yùn)動，既能捕捉微觀行人運(yùn)動，又得到接近現(xiàn)實(shí)的宏觀運(yùn)動。用元胞自動機(jī)模擬一

10、個物理過程的優(yōu)點(diǎn)在于:不用建立微分方程而直接通過一些運(yùn)動規(guī)則和迭代規(guī)則(或稱更新規(guī)則)來模擬非線性的物理現(xiàn)象。行人元胞自動機(jī)交通流模型的基本思想是:采用離散的時間、空間和狀態(tài)變量，并且給定行人運(yùn)動的演化規(guī)則，然后通過大量的樣本平均來揭示交通規(guī)律。在元胞自動機(jī)模型中，行人通道與空間被劃分為等距的格子，每個格點(diǎn)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)則對系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行更新。2.2.2磁力模型okazaki，Matsushita，和Yamamoto一起建立了磁力模型。行人由于磁場作用而產(chǎn)生運(yùn)動，每個行人為正極，墻壁和其它障礙物亦為正極，將目的地

11、設(shè)為負(fù)極。行人避免碰撞向其目的地運(yùn)動，每個行人在行走時被目的地，即負(fù)極吸引，但同時又要避免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(dá)最大速度。采用庫侖原理計(jì)算磁力，受磁極影響的磁力即為:F=kq1q2rr3這里，F(xiàn)為磁力(矢量)；k為常數(shù)；q1表示行人的磁力強(qiáng)度，q2表示磁極的磁力強(qiáng)度；r為行人指向磁極的向量；r為r的長度;另外，受其他行人和障礙物影響的加速度為：a=Vcostana為行人A的加速度，從RV方向調(diào)整至AC方向;RV為行人A對于B的相對速度。2.2.3社會力模型(SocialForeeModel)Helbing等建立了社會力模型，屬于多粒子自驅(qū)動模型，是一種多

12、主體模型，把作用在行人上的作用力相疊加得到：mdvi(t)dt=mv0li-vi(t)+i(t)+j(i)fijxit,xjt+fb(xit)這里，xit表示行人i在t時刻的位置; vi(t)表示行人i在t時刻的速度，等于dvi(t)dt；m表示行人質(zhì)量m可以近似看成為摩擦系數(shù)； v0為初始速度; ei0,1,(1,0)表示運(yùn)動的方向; i(t)表示個體速度的脈動；fij表示i和j之間的相互作用力; fb表示邊界的作用力。人們認(rèn)為，社會力模型是迄今為止比較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(shí)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

13、，并指出行人流所表現(xiàn)出來的各種集體效應(yīng)和自組織臨界性是由于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 基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(cè)的人行道上，行人眾多、川流不息。已有的觀測資料表明，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。小城市則多達(dá)60 % 以上。目前，我國步行交通存在的主要問題有2王芳. 無信號控制人行橫道處行人交通流特性分析及實(shí)證應(yīng)用D.吉林:吉林大學(xué),2007.：1) 行人設(shè)施不健全，人車干擾較嚴(yán)重；2) 缺乏全面系統(tǒng)的行人規(guī)劃設(shè)計(jì)；3) 車流密集，行人過街難；4) 交通管理力度不夠，步

14、行困難，行人交通違章現(xiàn)象嚴(yán)重。在很多方面，行人的運(yùn)動更為復(fù)雜和隨機(jī)。主要是因?yàn)樾腥嗽谧兯俸娃D(zhuǎn)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(yùn)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)境的影響則更加多樣和復(fù)雜。一般來說，普通的行人交通有以下特點(diǎn)3吳慧欣,王峰,蘇錦旗.行人交通微觀動態(tài)元胞自動機(jī)仿真模型探究D.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用:2009年第四期:235-238.：(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，步行速差小；(2)行人通道不像機(jī)動車道那樣擁有固定的形狀，它的長、寬、形式都有很強(qiáng)的變化，擁有眾多的出入口，并支持多方向的運(yùn)動；(3

15、)步行僅受個人意志支配，可自由選擇步行路線和步行位置，步行所占空間很小，通達(dá)性很高，幾乎任何處所均可到達(dá)；(4)行人從靜止到全速的反應(yīng)時間相對機(jī)動車來說很短，有能力在個空位出現(xiàn)的時候迅速填補(bǔ)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，類似于機(jī)動車流中的車隊(duì)，它有不同于普通單車的特點(diǎn)，而且，行人對于安全和避免碰撞的要求不像機(jī)動車那么嚴(yán)格，在擁擠的通道中這甚至是經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象。由于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(fù)雜多樣的性態(tài)。一般認(rèn)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(xué)者J. T. Fru

16、in在其博士論文行人規(guī)劃與設(shè)計(jì)中詳細(xì)描述了行人流的速度、流量、密度及行人占有空間等特征要素及其相互關(guān)系，提出了人行道服務(wù)水平的劃分建議值；表3.1人行道流量、行人占有空間與服務(wù)水平服務(wù)水平行人流量qPed(m*min)-1占有空間p(m2*ped-1)行人交通情況A302.3自由流B30502.30.9行人步行速度和穿越行動受到限制，有行人方向和橫穿時極感不便C50700.90.5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D700.5偶爾向前移動，無法避免與行人相擠；不可能反向走和橫穿美國聯(lián)邦美國聯(lián)邦公路總署標(biāo)準(zhǔn)手冊HCM中也將人行道的服務(wù)水平進(jìn)行了劃分，給出了不同服務(wù)水平

17、下的占有空間、平均速度和流量之間的相互關(guān)系，表3.2人行道服務(wù)水平服務(wù)水平行人占有空間(m2*ped-1)預(yù)計(jì)的流量和速度（15分鐘平均值）平均速度流量V/C rateA12.0771.3216.5260.08B3.7161.27022.9660.28C2.2301.21932.8080.40D1.3941.14349.8080.60E0.5570.76282.0211.00F0.5770.762VariableVariable3.2.1 速度經(jīng)過國內(nèi)外大量研究統(tǒng)計(jì)表明，行人的速度分布符合正態(tài)分布，均值按照調(diào)查統(tǒng)計(jì)的區(qū)域的不同各有不同。歐美的研究者的大都統(tǒng)計(jì)得出行人的步行速度平均為1.34m/

18、S，標(biāo)準(zhǔn)差為0.37m/S，速度值分布在0.97m/s至1.65m/S之間4 Daamen W.，Modelling Passenger flows in Public transport faeilities，20044。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)的研究則得出國內(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陳然，城市行人交通流的實(shí)測、建模和模擬初探，上海大學(xué)碩士畢業(yè)論文，2005年。國人的步行速度、步幅與步頻均小于國外行人的平均值。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

19、邊的環(huán)境對行人步行特征的影響。Predtechenskii和Millinskii對水平通道不同狀態(tài)的人員的流動速度關(guān)系進(jìn)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(yùn)動速度：6 Pretechenskii V.M. and A.I. Milinski，Planning for foot traffic flow in building，Translated form Russian， (Stroiizdat Publishers，Moseow，1969). Published for NBS， DoC and NSF Woshington，D.C.，New Delhi: Amerind P

20、ublishing Co.Pvt.Ltd，1978Vpp&Mp=0.00034-0.0091383+0.09242-0.4078+0.95東北大學(xué)陳培紅等人通過校園內(nèi)的觀測得到平直道路上行人運(yùn)動的速度-密度方程為：7張培紅.建筑物火災(zāi)時人員疏散行為的研究D.沈陽:東北大學(xué)，2002.25-27Vpd=-0.00574-0.074483+0.27452-0.0142+1.567北京交通大學(xué)李伏京紅在其碩士論文中對地鐵中的客流進(jìn)行過觀測，得到平直通道上的行人運(yùn)動速度一密度方程：8李伏京，地鐵環(huán)境中基于個體行為特性的行人運(yùn)動仿真研究，北京交通大學(xué)碩士畢業(yè)論文，2006年Vpd=-0.00064+0.

21、00933+0.00072-0.4246+1.7744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(guān)。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?；仡櫼郧暗男腥说牟叫兴俣妊芯?，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別聯(lián)系起來，討論年齡和性別對行人步行速度的影響?？梢姡挲g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(jì)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(diǎn)速度或瞬時速度的算術(shù)平均值vt=i

22、=1Nvi(t)N其中，N為觀測到的行人數(shù)量； vi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(dāng)在擁擠條件下時，步行速度和流量都會下降。圖3.1國外研究者對行人基木特性關(guān)系的研究4行人的基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(jìn)行了與行人自身相關(guān)的特性:如年齡、性別、文化、與別人的習(xí)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較，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