程冉冉，張生暉

(華北科技學(xué)院 理學(xué)院, 北京 東燕郊 065201)

0 引言

眾所周知，行人密度的大小、周圍環(huán)境復(fù)雜程度以及安全性設(shè)計(jì)等方面的限制極大地阻礙了行人的緊急疏散。由于對高峰時(shí)段行人流數(shù)據(jù)的估計(jì)不足，導(dǎo)致設(shè)計(jì)者在道路設(shè)計(jì)中存在一些不安全因素，以致在緊急情況下，行人無法得到有效的逃離與避險(xiǎn)，因此經(jīng)常會產(chǎn)生嚴(yán)重的人員傷亡和重大的經(jīng)濟(jì)損失事件。

近年來，人們已經(jīng)開始關(guān)注校園道路安全問題。隨著社會教育程度的提高，高等教育的普及，源源不斷的大學(xué)生來到大學(xué)校園學(xué)習(xí)生活，給校園道路交通帶來了一定的壓力。對此，為我校校園道路設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持和優(yōu)化，減少道路安全風(fēng)險(xiǎn)及安全隱患，是非常必要的。

目前對于道路等的優(yōu)化問題，常用AnyLogic軟件[1]進(jìn)行模擬，它是一個(gè)專門用來模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境 ，設(shè)計(jì)行人交通燈等行為的復(fù)雜系統(tǒng)?，F(xiàn)已有眾多學(xué)者運(yùn)用此軟件進(jìn)行行人流的研究[2-17]。

孫宇[3]對基于AnyLogic的地鐵站優(yōu)化方案進(jìn)行了研究，考慮了乘地鐵站的實(shí)際情況，并從改造工程的角度中提出三種可優(yōu)化方案。文獻(xiàn)[4]用AnyLogic模擬山坡社區(qū)泥石流災(zāi)害疏散，面對自然災(zāi)害和救災(zāi)運(yùn)動后的內(nèi)容，考慮到安全性和及時(shí)性，建立合理的疏散方案。劉棟棟[5]等研究了北京南站的行人特征參數(shù)，分析了關(guān)于疏散行人的相關(guān)影響因素；梁憲瑩[6]對交通量特性及其道路規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)研究，闡述了交通量的含義與表達(dá)方式，探討了交通量在時(shí)間和空間上的不均勻特性以及對交通的觀測、換算方法和預(yù)測方法，總結(jié)了交通量的類型以及在道路規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段的作用，并對擬建快速路進(jìn)行實(shí)例分析；田郝青[7]等通過AnyLogic軟件對地鐵車站復(fù)雜場景行人流仿真進(jìn)行了研究。

本文通過調(diào)查學(xué)生課后運(yùn)動行為的集散情況得到所需數(shù)據(jù)，建立學(xué)生流模型，運(yùn)用MATLAB進(jìn)行可視化擬合。然后用AnyLogic軟件中的行人庫建立學(xué)生流微觀仿真模型，分析學(xué)生的動態(tài)流向，觀測并獲取學(xué)校周圍建筑物體的數(shù)據(jù)，得到熱力圖，進(jìn)而分析人流擁堵情況，最后對學(xué)校道路優(yōu)化及建設(shè)給出建議。

1 基本理論

在實(shí)際生活中，大部分學(xué)生課后選擇先去食堂吃飯，然后回宿舍?？紤]到教學(xué)樓、食堂、建筑物設(shè)計(jì)等因素，我們選擇以1號樓(博觀樓)和2號樓(致遠(yuǎn)樓)為研究對象。

1.1 校園行人調(diào)查地點(diǎn)及調(diào)查時(shí)間

為了收集到具有代表性的數(shù)據(jù)，我們選擇了1號樓和2號樓。調(diào)查時(shí)間：由于下課時(shí)間是11：40，我們選擇在11:35至11:50調(diào)查。具體操作如下：從出口向外擴(kuò)張7米，形成矩形區(qū)域。我們用 N來代表矩形區(qū)域的人數(shù)，S代表矩形面積，v代表學(xué)生平均運(yùn)動速度，σ代表學(xué)生密度，單個(gè)學(xué)生走出設(shè)置區(qū)域的時(shí)間為t，

(1)

σ=N/S

(2)

通過式(1)與式(2)得到學(xué)生的基本數(shù)值，整理后對1號樓和2號樓的調(diào)查中，共獲得處理樣本7493條，其中20條由于下課后學(xué)生來回穿插未能收集全，經(jīng)剔除后剩余7473條可用樣本數(shù)據(jù)。

1.2 學(xué)生流模型的建立與擬合

我們以交通行人流模型為基礎(chǔ)，把每個(gè)學(xué)生想象為一輛行走的汽車。學(xué)生運(yùn)動時(shí)的模型主要由密度、流量、速度三個(gè)參數(shù)因素構(gòu)成，這三個(gè)因素相互影響、相互制約、相互聯(lián)系。相同條件的車輛，流量、密度、速度模型具有一致性。在這些相互關(guān)系中，最重要的是速度-密度模型，其中格林希爾治模型和對數(shù)模型應(yīng)用更加廣泛。

1.2.1 格林希爾治(Greenshields)模型

1935年，格林希爾治(Greenshields)通過實(shí)測數(shù)據(jù)的分析提出了第一個(gè)速度—密度模型。雖然該模型在最初研究時(shí)所使用的數(shù)據(jù)存在一些問題，但格林希爾治速度—流量拋物線模型還是具有開創(chuàng)性意義的。他提出的速度—流量拋物線關(guān)系基本上反映了這兩個(gè)參數(shù)的變化趨勢，多年來一直被廣泛使用。此外，該模型還提出一種重要思想，即只要確立了速度—密度關(guān)系模型，速度—流量、流量—密度關(guān)系模型也可相應(yīng)確定。模型如下：

(3)

式中，uf為自由流車速；kj為阻塞密度。

在對應(yīng)的學(xué)生流模型中，格林希爾治模型如式(4)，線性估計(jì)模型如圖1。

u=b0+b1p

(4)

圖1 格林希爾治線性模型

曲線估計(jì)結(jié)果為b0=1.2155，b1=-0.4729；即得到學(xué)生步行速度與學(xué)生密度p模型如下式：

u=-0.4729p+1.2155

1.2.2 格林伯(Greenberg)對數(shù)模型

(5)

式中，um為對應(yīng)交通最大量的速度，最佳速度。模型如圖2.

圖2 Greenberg對數(shù)模型

當(dāng)交通密度較大時(shí)，可使用此模型，但當(dāng)密度較小時(shí)，此模型誤差較大。我們校園學(xué)生流中，課后學(xué)生行走密度相對較小，所以我們得到的擬合效果不佳。

2 AnyLogic行人仿真

AnyLogic是一個(gè)專業(yè)虛擬原型環(huán)境，用于設(shè)計(jì)包括離散、連續(xù)和混合行為的復(fù)雜系統(tǒng)。AnyLogic可以幫助我們快速地構(gòu)建被設(shè)計(jì)系統(tǒng)的仿真模型(虛擬原型)和系統(tǒng)的外圍環(huán)境，包括物理設(shè)備和操作人員。軟件中的行人是按照社會力模型移動，他會分析當(dāng)前環(huán)境，選擇一條最短路徑，還可以避免與其他物體相撞，并進(jìn)一步?jīng)Q定運(yùn)動。

2.1 AnyLogic行人庫模型建立

在利用AnyLogic創(chuàng)建相應(yīng)的微觀仿真模型之前需要分析學(xué)生下課后的流向，以及我們學(xué)校的建筑物幾何參數(shù)，分析學(xué)生在下課后應(yīng)該會選擇的道路以及需要繞開的建筑。在獲得建筑物及道路的幾何數(shù)據(jù)后，將AnyLogic模型中的相應(yīng)目標(biāo)線長度按比例設(shè)置數(shù)值，設(shè)置目標(biāo)線產(chǎn)生智能體的速率，智能體自動選擇道路的方式，概率，初始速度，舒適速度，以及智能體的隨機(jī)分布方式等。設(shè)置完成之后，將目標(biāo)線與學(xué)生選擇，學(xué)生分布流程連接，如圖3所示。

圖3 AnyLogic行人庫

在校園生活中，學(xué)生通常過著三點(diǎn)一線的生活，在教室-食堂-宿舍之間來回穿梭。實(shí)際上，還伴隨著一些其他的行為如出校門、坐車等。通過分析，校園學(xué)生課后的主要行走路線如下圖4所示。

圖4 學(xué)生行走主要路線圖

2.2 仿真結(jié)果分析

由于下課鈴響后，學(xué)生從教學(xué)樓出來需要一定的時(shí)間，故我們將錄制時(shí)間定為下課前5分鐘，即11:35開始，結(jié)束時(shí)間11:55。這樣可以確保教學(xué)樓內(nèi)的大部分學(xué)生都已經(jīng)出來，并且路過我們所設(shè)定的地點(diǎn)，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。經(jīng)過調(diào)查統(tǒng)計(jì)得到的數(shù)據(jù)為學(xué)生走出教學(xué)樓的累計(jì)數(shù)量-時(shí)間關(guān)系如圖5和圖6所示。

圖5 1號樓學(xué)生累計(jì)數(shù)量—時(shí)間關(guān)系

圖6 2號樓學(xué)生累計(jì)數(shù)量—時(shí)間關(guān)系

圖中曲線的前部分比較平緩，數(shù)值偏小，表示在下課后開始的幾分鐘里，大部分學(xué)生還未到達(dá)教學(xué)樓門口。隨著時(shí)間的推移，數(shù)據(jù)開始上升，這個(gè)時(shí)間內(nèi)學(xué)生大量走出教學(xué)樓。這些數(shù)據(jù)表明，下課后5～10分鐘迎來峰值，以該時(shí)間段為仿真模擬中的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，在這個(gè)時(shí)間段里，我們可以分析行人的分布情況和區(qū)域顯示的熱力圖以便直觀感受到下課后人潮峰值時(shí)道路的擁擠程度。

從教學(xué)樓走出，經(jīng)過學(xué)校道路，走到食堂、宿舍等區(qū)域的最終熱力圖的呈現(xiàn)結(jié)果如圖7所示：

圖7 行人路線熱力圖

根據(jù)此圖我們選擇一個(gè)擁擠程度最突出的區(qū)域作為我們的研究對象。熱力圖中，大面積的呈深紅色區(qū)域的代表著該出行人密度已經(jīng)接近了或者超過了1.5 ρ/m2(比較舒適的密度為0.75 ρ/m2)。圖中區(qū)域行人多已處于擁擠狀態(tài)，且沿著道路的寬度方向逐漸密集分布。

由于1號樓(博觀樓)正門直對學(xué)校南門，中午很少有學(xué)生去南門那邊，所以博觀樓后門會比較形成較大規(guī)模的擁堵。這寫學(xué)生分別去往北區(qū)食堂、宿舍，小黃車和中區(qū)食堂等區(qū)域，所以下課后這個(gè)位置會出現(xiàn)人群十分密集現(xiàn)象，博觀樓學(xué)生流熱力圖8如下所示：

圖8 1號樓學(xué)生流熱力圖

2號樓(致遠(yuǎn)樓)情況也是一樣， 2號樓有正門，后門及側(cè)門，側(cè)門寬度較小，所以側(cè)門出來的人數(shù)也就相對比正門和后門的少，選擇從前門走的人占2號樓累計(jì)出來人數(shù)的大多數(shù)。2號樓的上課人數(shù)眾多，教學(xué)樓有三條道路使學(xué)生分散，但是隨著學(xué)生行人的擴(kuò)散，周圍幾條道路很快被學(xué)生占用擠滿，在沒有得到充分疏散的同時(shí)，1號樓以及3號樓(明德樓)的學(xué)生又補(bǔ)充上來使得道路更加擁堵起來，于是便形成了較大規(guī)模的道路擁擠。其中還有部分汽車和自行車從中駛過，占用了一部分道路空間，路面緊張的情況進(jìn)一步加劇。另一方面去北區(qū)需要經(jīng)過馬路紅綠燈，紅燈的時(shí)候，擁擠會更加明顯，這使得道路情況更加擁擠不堪。因此對想去中區(qū)吃午飯而從后門出入的學(xué)生來說，這些都是不明智的道路選擇。2號樓下課時(shí)的樓門區(qū)域熱力圖9如下所示。

圖9 2號樓學(xué)生流熱力圖

道路上的擁擠時(shí)間大約是在5～10分鐘內(nèi)，學(xué)生大量從教學(xué)樓出來是在下課后3分鐘，由此可以推算出學(xué)生從教學(xué)樓走到道路擁堵區(qū)域的時(shí)間大約為3分鐘左右。在這段時(shí)間內(nèi)，學(xué)生離開教學(xué)區(qū)域前往食堂、宿舍等地所要經(jīng)過的道路會逐漸變得擁擠起來，學(xué)生空間流動給道路狀況帶來不斷的沖擊。兩股人流互相交叉，道路交匯的地方就成為了擁擠區(qū)域，而且隨著人流的增加學(xué)生的移動速度也隨之變得緩慢，有的地方甚至需要停下腳步等待前面的人先走。

校園道路部分區(qū)域在下課后，學(xué)生流密度大，道路處于擁擠狀態(tài)，這些與學(xué)校道路寬度不無關(guān)系，如果想要加寬某條校園道路，這所要支出的經(jīng)濟(jì)花費(fèi)和道路施工情況不但會給校方造成壓力，且在施工時(shí)道路擁擠情況會更加明顯且擁堵時(shí)間更長。但是可以從學(xué)校安排與管理方式上改善現(xiàn)狀，首先，可以盡可能的分散學(xué)生上課地點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)分流學(xué)生，以減輕下課時(shí)學(xué)校道路的壓力，但在現(xiàn)實(shí)中，大部分課程需要先進(jìn)行理論課接著再進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)課程，理論課程是必不可少的一份，所以通過這種方式來減輕校園道路壓力的方法達(dá)不到預(yù)期效果；其次可以在下課時(shí)管理私家車出行的方式來減輕道路壓力，每當(dāng)下課時(shí)，部分私家車也會隨著學(xué)生流一起進(jìn)入道路，而且私家車占地較大，每當(dāng)私家車經(jīng)過時(shí)學(xué)生不得不為其讓路，這使得學(xué)生在道路的滯留時(shí)間更長，更加劇了現(xiàn)實(shí)中的擁堵。針對這些問題，我們還可以拉長兩座教學(xué)樓下課時(shí)間的差值，相應(yīng)的也可以減輕學(xué)校校園道路的壓力。

教學(xué)樓各個(gè)出口寬度及目標(biāo)線的上限數(shù)據(jù)值如表1所示。

表1 被觀測教學(xué)樓幾何參數(shù)

3 結(jié)論

(1) 通過熱力圖分析，找到擁堵的主要區(qū)域，有針對性的分散學(xué)生上課地點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)分流學(xué)生，以減輕下課時(shí)學(xué)校道路的壓力；

(2) 可以在下課時(shí)管理私家車出行的方式來減輕道路壓力，每當(dāng)下課時(shí)，部分私家車也會隨著學(xué)生流一起進(jìn)入道路，而且私家車占地較大，加劇擁堵；

(3) 我們還可以拉長兩座教學(xué)樓下課時(shí)間的差值，如可以讓一個(gè)年級大部分學(xué)生在一個(gè)教學(xué)樓里上課，這樣可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)樓下課時(shí)間的不同。這樣也可以減輕學(xué)校校園道路的壓力。