考虑背景场和视野场的行人流的改进社会力模型
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摘要
目前行人仿真已经成为分析在不同场景下如提高紧急疏散安全性和效率的一种强有力的工具。微观模型能够用来模拟行人间复杂的相互作用。可以分为两类模型:基于力的模型(如社会力模型)和基于规则的模型(如元胞自动机模型)。它们都有着各自的优点和缺点。例如,由于元胞自动机模型的简洁性,灵活性和计算效率,它适合用来描述复杂场景下的行人动力学。但是,甚至在低密度下它都会发生交通阻塞。在瓶颈处,社会力模型给出的震荡流描述比元胞自动机模型给出的更加真实的。然而,当建筑结构复杂时,用社会力模型预先确定行人的行走方向并不方便。然而对于这个问题,元胞自动机模型中的背景场提供了一种有效的解决方案。因此,人们很自然地结合了两种模型的优点。但是,大多数针对社会力模型的改进主要关注如何合理地给出力的表达形式,而对于如何确定行人的期望运动方向的研究相对较少。本文把社会力模型扩展为同时考虑背景场和视野场。在元胞自动机模型的背景场中,有静态和动态两种背景场。静态背景场使整体环境信息局部化以及驱使行人向目的地前进。对于如何在复杂的建筑结构中构建静态背景场,文献中提出了一个简单而有效的方法。因此,本文在社会力模型中引入了静态背景场。另一方面,视野场能更有效的处理行人间的局部相互作用,所以用视野场替代了动态背景场。视野场的作用是各向异性的,行人主要受到那些在他前面人的影响。结合背景场,行人趋向于跟从那些在他视野场中与他前进方向相同的人,避免与在最小费用的步行距离上不同前进方向的人产生冲突。视野场有助于行人找到一条可行的路径。模型中的参数是通过Seyfried的实验数据校准的。我们在不同场景下进行了数值模拟,结果显示模型能再现典型的集体行为,如在瓶颈处的成行和震荡流。行人间的力比原始模型中的更加合理,因此,计算效率得到了提高。值得强调的是,由于行人运动方向的确定与所处环境的结构复杂程度无关,这表明改进的社会力模型非常适合模拟复杂环境下人群的运动。
引文