一种人员密集场所行人掉头扰动传播仿真方法及仿真装置

1.本发明涉及一种人群流动稳定性分析技术领域，尤其是涉及一种人员密集场所行人掉头扰动传播仿真方法及仿真装置。


背景技术：

2.近年来，随着公共活动场所不断完善，大型公共活动层出不穷，造成人群大量聚集。人群密集场所内发生危险事件的前兆往往就是人群的混乱和无序状态。为了防止人群混乱拥挤而引发踩踏等安全事故，通过分析干扰因素的具体内容及各因素之间的内在关系，找出原因所在，并根据干扰因素的分析结果提出管控措施，减少拥挤踩踏事故发生的可能性。这对于人员密集场所的安全管理具有重要的意义。
3.多数情况下，行人掉头异常行为常造成人群运动区域中某点域受到干扰，导致人群流从稳定的有序状态渐变为混乱不稳定状态，这些关键点被称为扰动点。由于人类的智能性，对周围个体行为的重大变化会有清晰的感受和认知，并产生应急反应。在拥挤的情况下前进时，人群之间一旦产生扰动，便会像池中涟漪一样不断传播，进而影响到人群的后续运动。由掉头异常行为而诞生的扰动是常见的人群流动干扰现象。
4.目前，有关行人掉头的行为研究尚存在若干不足：
5.1)在许多情况下，由于行人掉头行为造成人群运动区域中某点域受到干扰，会导致人群流从稳定的有序状态渐变为混乱不稳定状态，通过这一类抽象的行为去构建具体的扰动模型相关研究较少。
6.2)在人群的运动过程中人群内部会存在一定程度的“压力”，这是人群运动的重要特征之一。目前，缺少掉头行为的压力量化讨论和动力学分析。
7.3)现有的对于人员密集场所行人掉头行为识别的研究虽然已经有了少数方法，尚缺乏掉头行为扰动传播可视化及其稳定性分析。


技术实现要素：

8.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑行人掉头行为扰动在时间和空间上的传播规律，通过模型化数值化更加客观地表示掉头行为发生后扰动的生成机制的人员密集场所行人掉头扰动传播仿真方法及仿真装置。
9.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
10.一种人员密集场所行人掉头扰动传播仿真方法，包括以下步骤：
11.基于流体动力学理论，构建考虑行人掉头扰动的人群内部扰动传播动力学模型；
12.基于所述人群内部扰动传播动力学模型，设定行人掉头扰动点，进行人员密集场所行人掉头扰动传播仿真，并展示仿真结果；
13.其中，所述人群内部扰动传播动力学模型包括人群流压力项，所述人群流压力项基于考虑行人掉头行为的压力系数构建。
14.进一步地，所述人群内部扰动传播动力学模型基于ar交通流模型构建。
15.进一步地，所述考虑行人掉头行为的压力系数表示为：
[0016][0017]
其中，γ表示压力系数，p表示存在行人掉头行为时的行人压力，f表示行人质心力。
[0018]
进一步地，对于人群内部的不同位置，所述存在行人掉头行为时的行人压力p的计算公式不同，具体地：
[0019]
对于发生行人掉头行为的行人i，其行人压力pi表示为：
[0020][0021]
对于后方行人i-1，其行人压力p
i-1
表示为：
[0022][0023]
对于前方行人i+1，其行人压力p
i+1
表示为：
[0024][0025]
其中，下标b表示后方压力，下标f表示前方压力，p0表示行人i未发生掉头行为时的前方或后方压力，ts表示行人i的掉头发生时刻，te表示行人i的掉头结束时刻。
[0026]
进一步地，所述人群流压力项表示为p＝f(ρ,γ,ξ)，其中，ρ表示人群密度，γ表示压力系数，ξ表示扰动强度。
[0027]
进一步地，所述扰动强度基于随机游走模型构建。
[0028]
进一步地，所述展示仿真结果具体为：
[0029]
以等高线图描述不同位置处的行人压力。
[0030]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如上所述人员密集场所行人掉头扰动传播仿真方法的指令。
[0031]
本发明还提供一种人员密集场所行人掉头扰动传播仿真装置，包括：
[0032]
模型构建模块，基于流体动力学理论，构建考虑行人掉头扰动的人群内部扰动传播动力学模型；
[0033]
仿真模块，基于所述人群内部扰动传播动力学模型，设定行人掉头扰动点，进行人员密集场所行人掉头扰动传播仿真；
[0034]
可视化模块，用于展示仿真结果；
[0035]
其中，所述人群内部扰动传播动力学模型包括人群流压力项，所述人群流压力项基于考虑行人掉头行为的压力系数构建。
[0036]
进一步地，所述可视化模块展示仿真结果时，以等高线图描述不同位置处的行人
压力。
[0037]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0038]
(1)行人具有心理特征、生理特征和运动特征等等众多特征，都能反映行人的状态对于掉头异常行为本身。本发明着重提取分析其中的更加可靠的掉头行为压力特征，并在此基础上对其进行量化讨论和动力学分析。
[0039]
(2)本发明建立行为-扰动的过程，对提取的特征以及扰动的传播过程都进行量化分析，通过模型化数值化去更加客观的表示掉头行为发生后扰动的生成机制，获取更准确的压力系数，进而提高仿真可靠性。
[0040]
(3)对于掉头行为发生后，扰动在人群内部的传播过程，深入考虑局部扰动对全局人群流的影响机制，建立人群内部扰动传播动力学模型，该模型可以更直观的看出密集人群中，由掉头行为造成的“压力”在人群内部的传播过程，并基于此更好地对人群疏导提供指导建议。
附图说明
[0041]
图1为本发明方法的流程示意图；
[0042]
图2为本发明行人掉头压力特征示意图，其中，(2a)为行人i的压力变化，(2b)为行人i-1的压力变化，(2c)为行人i+1的压力变化；
[0043]
图3为本发明行人掉头示意图；
[0044]
图4为本发明掉头行为扰动传播示意图。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0046]
实施例1
[0047]
如图1所示，本实施例提供一种人员密集场所行人掉头扰动传播仿真方法，包括以下步骤：s1、基于流体动力学理论，构建考虑行人掉头扰动的人群内部扰动传播动力学模型；s2、基于所述人群内部扰动传播动力学模型，设定行人掉头扰动点，进行人员密集场所行人掉头扰动传播仿真；s3、展示仿真结果；其中，所述人群内部扰动传播动力学模型包括人群流压力项，所述人群流压力项基于考虑行人掉头行为的压力系数构建。该方法考虑行人掉头扰动的活动特征，对密集人群扰动传播过程中的压力进行量化讨论和动力学分析，以更加可靠地进行行人掉头行为扰动的传播动力学仿真，以便于对人群安全管理提供依据。
[0048]
本实施例构建的人群内部扰动传播动力学模型包括人群流压力项，并考虑扰动强度，以提高仿真准确性。
[0049]
1、人群内部扰动传播动力学模型
[0050]
(1)构建人群内部随机扰动影响下人群的扰动强度。
[0051]
随机游走模型最初是个体流动模型，由于个人行为存在自由意志以及任意性，导致流动也具有一定的随机性。其中，布朗运动是最简化的一类随机游走，其概率密度函数
(probability density function，pdf)是：
[0052][0053]
其中，μ＝《δx》和σ2＝《δx2》是随机游走位移的均值和方差。
[0054]
由于人群内部扰动类似于白噪声干扰，不能完全用确定性变量来表示，同样具有随机性，因此也可将随机游走模型用以描述扰动运动。将式(1)应用到实际的扰动运动场景中，一阶矩为零且σ2＝1。随机过程表示在x轴方向的位移，假设初始时刻的位置为x0，则布朗运动的转移方程，即概率密度函数为：
[0055][0056]
当识别出有行人掉头异常行为时，判定该点为扰动发生点(a,b)，有一初始扰动量ξ0。扰动具有随机性，扰动强度反应人群内部的扰动衰减规律，呈现指数幂级衰减函数特征，即扰动点处人群的扰动强度最大，周围人群以e的指数形式衰减。因此在人群内部随机扰动影响下(x,y)处人群的扰动强度如式(3)所示：
[0057][0058]
其中，ξ表示扰动强度，t表示扰动已发生的时长。
[0059]
(2)获取压力系数。
[0060]
以行人掉头场景为例展开研究，如图3所示，假设行人的移动在一维平面上，标记行人分别为i-1,i,i+1，当中间行人i掉头时，其对前后的行人均会产生影响，这就代表掉头行为发生了扰动并进行了传播。
[0061]
对于行人i，掉头发生时，其速度在前进方向上逐渐减到零后再反向，而后方行人i-1仍会有向前的冲力，因此行人i的后方压力p
back
会突增，然后保持在一个高位的挤压。前方行人i+1由于视野的原因，会保持继续前进，因此前方压力p
front
变为零。
[0062]
根据图2行人掉头压力特征示意图，可知行人掉头的动力学模型如下：
[0063]
如图2的(2a)所示，对于行人i：
[0064][0065]
其中，pi表示行人i受到的总压力，p
i,f
表示行人i的前方压力，p
i,b
表示行人i的后方压力，p0表示行人i未发生跌倒时受到的前方或后方压力，ts表示行人i的跌倒时刻，te表示行人i的跌倒结束时刻。
[0066]
叠加行人的前方受力和后方受力，可知当发生掉头行为时，行人i的总压力会在ts时刻骤降，随后以指数形式快速上升，在te时刻之后到达一个相对稳定的较高值附近。
[0067]
如图2的(2b)所示，对于后方行人i-1：
[0068][0069]
其中，p
i-1
表示后方行人i-1受到的总压力，p
i-1,f
表示后方行人i-1的前方压力，p
i-1,b
表示后方行人i-1的后方压力，p0表示行人i未发生跌倒时受到的前方或后方压力，ts表示行人i的跌倒时刻，te表示行人i的跌倒结束时刻。
[0070]
叠加行人的前后方受力，行人i-1的总压力最终将大于初始时刻的压力。
[0071]
如图2的(2c)所示，对于前方行人i+1：
[0072][0073]
其中，p
i+1
表示前方行人i+1受到的总压力，p
i+1,f
表示前方行人i+1的前方压力，p
i+1,b
表示前方行人i+1的后方压力，p0表示行人i未发生跌倒时受到的前方或后方压力，ts表示行人i的跌倒时刻，te表示行人i的跌倒结束时刻。
[0074]
叠加行人的前后方受力，行人i+1的总压力先下降后稳定。
[0075]
考虑行人掉头行为的压力系数γ考虑行人掉头行为的压力系数为表示：
[0076][0077]
压力系数γ为行人压力p和行人质心力f的比值，压力代表行人受到单位面积上的外力，质心力是驱使行人运动的内力。当p》f时，行人受到的挤压大于自身的可控力，容易发生不安全事件。根据对行人掉头行为的研究，γ的取值范围为(1,1.7]。
[0078]
(3)人群内部扰动传播动力学模型构建
[0079]
本实施例中的人群内部扰动传播动力学模型基于流体动力学理论中的ar交通流模型构建。ar交通流模型中包括人群流压力项，带有扰动行为的人群流压力项如式(8)所示：
[0080]
p＝f(ρ,γ,ξ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0081]
其中，ρ是人群密度，γ表示压力系数，ξ表示扰动强度。则掉头行为下的人群流二维压力项如式(9)和(10)：
[0082][0083][0084]
其中，ph和p
l
分别表示水平和垂直的压力项，ξ0表示初始扰动量，(a,b)表示扰动发生点。
[0085]
最终，考虑行人掉头行为的人群内部扰动传播动力学模型表示为：
[0086]
[0087][0088][0089]
其中，v和u分别表示水平和垂直方向的速度，v
eh
和v
el
分别表示水平和垂直方向的平衡速度，τ为松弛因子。通过构建的人群内部扰动传播动力学模型可以更直观的看出密集人群中，由掉头行为造成的“压力”在人群内部的传播过程，并基于此更好的对人群疏导提供指导建议。
[0090]
2、基于所述人群内部扰动传播动力学模型，进行人员密集场所行人掉头扰动传播仿真，并展示仿真结果。具体地，以等高线图描述不同位置处的行人压力，可以直观地看出传播特性。
[0091]
本实施例中，根据文献的总结，人体承受6200n的压力15s，就会造成拥挤窒息。随着时间的推移，压力阈值不断降低。由本发明的仿真方法，在本实施例的密集人群中，假设行人间的有效接触面积为0.15m2，p
max
＝4.13*104n/m2。如图4所示，用tb(turn back)标识。图中v表示人群整体流动速度和运动方向。整个坐标系描述了一个4.5*4.5米的模拟场景区域，假设在该场景中的(3.5，3)坐标处会发生掉头行为。通过等高线的分布以及图中右侧灰度栏中的灰度可以清晰的看出扰动向四周的传播，以及人群内部存在的压力关系。
[0092]
根据实验结果可知，对于发生的某一次掉头行为，在掉头异常行为发生时间[ts,te]内任意时刻，在一定距离范围内，扰动中心点压力值最大。
[0093]
上述方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0094]
实施例2
[0095]
本实施例提供一种人员密集场所行人掉头扰动传播仿真装置，包括模型构建模块、仿真模块和可视化模块，其中，模型构建模块基于流体动力学理论，构建考虑行人掉头扰动的人群内部扰动传播动力学模型；仿真模块基于所述人群内部扰动传播动力学模型，设定行人掉头扰动点，进行人员密集场所行人掉头扰动传播仿真；可视化模块用于展示仿真结果；其中，所述人群内部扰动传播动力学模型包括人群流压力项，所述人群流压力项基于考虑行人掉头行为的压力系数构建。可视化模块展示仿真结果时，以等高线图描述不同位置处的行人压力。其余同实施例1。
[0096]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种人员密集场所行人掉头扰动传播仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：基于流体动力学理论，构建考虑行人掉头扰动的人群内部扰动传播动力学模型；基于所述人群内部扰动传播动力学模型，设定行人掉头扰动点，进行人员密集场所行人掉头扰动传播仿真，并展示仿真结果；其中，所述人群内部扰动传播动力学模型包括人群流压力项，所述人群流压力项基于考虑行人掉头行为的压力系数构建。2.根据权利要求1所述的一种人员密集场所行人掉头扰动传播仿真方法，其特征在于，所述人群内部扰动传播动力学模型基于ar交通流模型构建。3.根据权利要求1所述的一种人员密集场所行人掉头扰动传播仿真方法，其特征在于，所述考虑行人掉头行为的压力系数表示为：其中，γ表示压力系数，p表示存在行人掉头行为时的行人压力，f表示行人质心力。4.根据权利要求3所述的一种人员密集场所行人掉头扰动传播仿真方法，其特征在于，对于人群内部的不同位置，所述存在行人掉头行为时的行人压力p的计算公式不同，具体地：对于发生行人掉头行为的行人i，其行人压力p
i
表示为：p
i
＝p
i,b
+p
i,f
，对于后方行人i-1，其行人压力p
i-1
表示为：p
i-1
＝p
i-1,b
+p
i-1,f
，p
i-1,b
＝p0，对于前方行人i+1，其行人压力p
i+1
表示为：p
i+1
＝p
i+1,b
+p
i+1,f
，其中，下标b表示后方压力，下标f表示前方压力，p0表示行人i未发生掉头行为时的前方或后方压力，t
s
表示行人i的掉头发生时刻，t
e
表示行人i的掉头结束时刻。5.根据权利要求1所述的一种人员密集场所行人掉头扰动传播仿真方法，其特征在于，所述人群流压力项表示为p＝f(ρ,γ,ξ)，其中，ρ表示人群密度，γ表示压力系数，ξ表示扰动强度。6.根据权利要求5所述的一种人员密集场所行人掉头扰动传播仿真方法，其特征在于，所述扰动强度基于随机游走模型构建。7.根据权利要求1所述的一种人员密集场所行人掉头扰动传播仿真方法，其特征在于，所述展示仿真结果具体为：以等高线图描述不同位置处的行人压力。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-7任一所述人员密集场所行人掉头扰动传播仿真方法的指令。9.一种人员密集场所行人掉头扰动传播仿真装置，其特征在于，包括：模型构建模块，基于流体动力学理论，构建考虑行人掉头扰动的人群内部扰动传播动力学模型；仿真模块，基于所述人群内部扰动传播动力学模型，设定行人掉头扰动点，进行人员密集场所行人掉头扰动传播仿真；可视化模块，用于展示仿真结果；其中，所述人群内部扰动传播动力学模型包括人群流压力项，所述人群流压力项基于考虑行人掉头行为的压力系数构建。10.根据权利要求9所述的一种人员密集场所行人掉头扰动传播仿真装置，其特征在于，所述可视化模块展示仿真结果时，以等高线图描述不同位置处的行人压力。

技术总结
本发明涉及一种人员密集场所行人掉头扰动传播仿真方法及仿真装置，所述仿真方法包括以下步骤：基于流体动力学理论，构建考虑行人掉头扰动的人群内部扰动传播动力学模型；基于所述人群内部扰动传播动力学模型，设定行人掉头扰动点，进行人员密集场所行人掉头扰动传播仿真，并展示仿真结果；其中，所述人群内部扰动传播动力学模型包括人群流压力项，所述人群流压力项基于考虑行人掉头行为的压力系数构建。与现有技术相比，本发明考虑行人掉头行为扰动在时间和空间上的传播规律，通过模型化数值化更加客观地表示掉头行为发生后扰动的生成机制，仿真可靠性高。仿真可靠性高。仿真可靠性高。


技术研发人员：赵荣泳 朱文杰 王妍 李翠玲 马云龙 张智舒 贾萍 董承霄 李咪渊
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/6