基于改进社会力模型的常态行人交通演化动力学研究

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步行作为传统的交通出行方式,始终是城市居民参与城市交通的重要形式。城市化进程的不断推进加快了人口在城市的聚集,大规模的行人交通基础设施也随之兴建。行人交通是现代交通学科的重点研究内容,吸引了众多学者的广泛关注。行人建模研究和常态下行人动力学研究有利于科学掌握行人运动的内在机理和演化规律,为交通规划、设计、管理、优化等提供了理论指导和科学方法。为实现模型对常态下行人交通行为更准确的描述,本文对原始社会力模型进行改进,利用计算机仿真,分析改进社会力模型的合理性,探究行人运动的动力学演化规律。社会力模型以场动力理论作为建模的思想基础,主要通过行人自身期望、其他行人的影响、边界等障碍物的影响三部分共同确定行人的运动。然而,将原始社会力模型直接用于描述常态下行人的行为动态,会导致描述与实际场景的偏离。为提高模型精确性,本文提出一种改进的社会力模型。行人在步行过程中,会受到来自行人间潜在冲突的影响,本文将冲突避免机制加入改进模型。同时,本文认为潜在冲突的响应范围受到响应时间和相对速度矢量的影响。行人间的相互作用具有各向异性,考虑行人相对位置、速度对行人视野和注意力的影响,改进各向异性系数。考虑结伴小组的行人吸引与排斥效应,以及结伴行人的姿势调节行为,加入结伴成组力。建筑物边界等障碍物对行人心理的影响并非总是存在,只有当行人认为边界与自己的运动有潜在冲突时,才存在相应的排斥效应,由此改进边界对行人的作用力。以两组典型场景为例,通过探究行人动力产生的来源,阐述在原始社会力模型中,无论将产生行人间相互作用的场看作是具有圆形等势线的场,还是看作具有椭圆形等势线的场,行人间相互影响力的计算值与实际均存在偏差。然而,由于考虑了潜在冲突对行人心理的影响,改进后的模型克服了上述缺陷。仿真结果表明,冲突避免力在常态行人动力学中起着重要的引导作用。改进模型使行人轨迹更平滑、更符合实际。此外,在无拥堵的条件下,当行人初始密度较高时,行人对冲突的敏感度与疏散效率之间存在一定的非线性关系,中等敏感度可能导致最低的疏散效率。
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