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，在城市系統中占據特殊重要地位。在其他交通形式快速發展的背景下，行人交通作為一種最基礎的交通方式不容忽視。本文通過查閱文獻，整理了最近國內外對行人交通流的研究現狀，主要對行人交通的模型以及行人交通流特性的研究進行了梳理。關鍵詞：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、慢行交通建設等方面都必須要考慮到行人交通流的特征。然而，不少人認為交通是研究“人、車、路、環境”的

4、一門科學，其中的人指乘客，而對于行人，大多數之前的分析都認為是道路阻抗，這是有誤的。城市交通系統的供需失衡導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、最古老和最現實的交通出行方式，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。目前關于行人交通流的研究在國內還比較少，全面系統地分析和歸納行人交通流起源及其發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，試圖理清行人交通流研究的理論與方法的發展演變過程，揭示這種研究的必要性及其對交通系統的重要性。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，這是公認的行人流研究的最早嘗試，他們通過觀測和調查發現行人的速度u與密度k成反比。行人交通流理論的系統研究始于上世紀的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行了交通調查，并在70年代初首次采用流體力學模型來研究行人交通，把行人運動與氣體或流體質點運動進行類比，用氣體動力論和流體動力學模型來模擬行人交通。1992年，Helbing,對Henderson的模型進行了修正，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模型方面，前人在這一方面的工作并不是很多。進入上世紀90年代，越來越多的人發現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等人進來對行人交通進行了更深入的研究，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。他假設一個行人系統中排除行

7、人重疊的情況，即系統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動方向，速度為V=V+v，其中，V是平均速度，v是隨機脈動速度。當系統達到某種平衡狀態時，系統中的粒子數為常量ni，每個例子對應有速度向量（Vi，i），對于特定條件下的行人系統，有如下守恒式：質量守恒：mV=常數動量守恒：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，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的基礎上，Helbing在1992年對Henderson的模型進行了修正，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，這種數學模型的解析解很難求得，為了讓模型更具實用性，他還做了進一步的數值模擬工作。Helbing的氣體動力論模型的詳細描述可參見相關文獻 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幾個參量構成的偏微分方程，其模擬時間與行人具體數目基本無關，因此，計算耗時相對較少，與微觀模型相比更為經濟且處理方便。2.2. 微觀模型研究2.2.1元胞自動機模型元胞自動機(CellularAutomaton)，簡稱CA，是時間和空間都離散的動力系統。元胞自動機采用離散集來描述研究對象，而就行人運動等交通流現象在本質上是離散的，用來研究交通就避免了像連續介質模型那樣所采用的“離散一連續一離散”的近似過程。行人元胞自動機模型旨在模擬行人運動，既能捕捉微觀行人運動，又得到接近現實的宏觀運動。用元胞自動機模擬一

10、個物理過程的優點在于:不用建立微分方程而直接通過一些運動規則和迭代規則(或稱更新規則)來模擬非線性的物理現象。行人元胞自動機交通流模型的基本思想是:采用離散的時間、空間和狀態變量，并且給定行人運動的演化規則，然后通過大量的樣本平均來揭示交通規律。在元胞自動機模型中，行人通道與空間被劃分為等距的格子，每個格點表示一個元胞。在任一時刻t，元胞是空的抑或被一個人所占據。在t一t+l的時間步長里，根據給定的規則對系統的狀態進行更新。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生運動，每個行人為正極，墻壁和其它障礙物亦為正極，將目的地

11、設為負極。行人避免碰撞向其目的地運動，每個行人在行走時被目的地，即負極吸引，但同時又要避免和其他行人和障礙物發生碰撞。行人受到磁力作用時會加速，直到到達最大速度。采用庫侖原理計算磁力，受磁極影響的磁力即為:F=kq1q2rr3這里，F為磁力(矢量)；k為常數；q1表示行人的磁力強度，q2表示磁極的磁力強度；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表示行人質量m可以近似看成為摩擦系數； v0為初始速度; ei0,1,(1,0)表示運動的方向; 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。模型中的參數和變量并不是任意的，它們有物理意義。該模型可以重現現實中的自組織現象，還展現了疏散過程中的人員堵塞現象

13、，并指出行人流所表現出來的各種集體效應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房屋密集、人口集中、店鋪林立，市中心區干道兩側的人行道上，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證應用D.吉林:吉林大學,2007.：1) 行人設施不健全，人車干擾較嚴重；2) 缺乏全面系統的行人規劃設計；3) 車流密集，行人過街難；4) 交通管理力度不夠，步

14、行困難，行人交通違章現象嚴重。在很多方面，行人的運動更為復雜和隨機。主要是因為行人在變速和轉向方面比車輛更智能和靈活，能根據周圍環境選擇合理的速度和方向，不像車輛運動受車道限制，而且輕微的推撞也是可以接受的，受周圍環境的影響則更加多樣和復雜。一般來說，普通的行人交通有以下特點3吳慧欣,王峰,蘇錦旗.行人交通微觀動態元胞自動機仿真模型探究D.計算機工程與應用: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)行人通道不像機動車道那樣擁有固定的形狀，它的長、寬、形式都有很強的變化，擁有眾多的出入口，并支持多方向的運動；(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，通達性很高，幾乎任何處所均可到達；(4)行人從靜止到全速的反應時間相對機動車來說很短，有能力在個空位出現的時候迅速填補空位；(5)行人經常肩并肩或手牽手行走，在行人流中形成一個線性單位，類似于機動車流中的車隊，它有不同于普通單車的特點，而且，行人對于安全和避免碰撞的要求不像機動車那么嚴格，在擁擠的通道中這甚至是經常發生的現象。由于行人之間的非線性相互作用，大中城市行人交通呈現出十分復雜多樣的性態。一般認為，行人的交通流特性表現在行人的速度，對個人空間的要求，步行時的注意力等方面。3.2 交通流特性美國學者J. T. Fru

16、in在其博士論文行人規劃與設計中詳細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系，提出了人行道服務水平的劃分建議值；表3.1人行道流量、行人占有空間與服務水平服務水平行人流量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邦美國聯邦公路總署標準手冊HCM中也將人行道的服務水平進行了劃分，給出了不同服務水平

17、下的占有空間、平均速度和流量之間的相互關系，表3.2人行道服務水平服務水平行人占有空間(m2*ped-1)預計的流量和速度（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 速度經過國內外大量研究統計表明，行人的速度分布符合正態分布，均值按照調查統計的區域的不同各有不同。歐美的研究者的大都統計得出行人的步行速度平均為1.34m/

18、S，標準差為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。國內的研究則得出國內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測、建模和模擬初探，上海大學碩士畢業論文，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值，反映了步行者的心理狀態與周

19、邊的環境對行人步行特征的影響。Predtechenskii和Millinskii對水平通道不同狀態的人員的流動速度關系進行了大量觀測分析，得到正常狀態下水平通道中人員的運動速度：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東北大學陳培紅等人通過校園內的觀測得到平直道路上行人運動的速度-密度方程為：7張培紅.建筑物火災時人員疏散行為的研究D.沈陽:東北大學，2002.25-27Vpd=-0.00574-0.074483+0.27452-0.0142+1.567北京交通大學李伏京紅在其碩士論文中對地鐵中的客流進行過觀測，得到平直通道上的行人運動速度一密度方程：8李伏京，地鐵環境中基于個體行為特性的行人運動仿真研究，北京交通大學碩士畢業論文，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、環境條件有關。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。回顧以前的行人的步行速度研究，國內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系起來，討論年齡和性別對行人步行速度的影響。可見，年齡與性別不管是在國內外都是影響行人步行速度的最主要因素。一般計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行人經過人行道的平均速度，是點速度或瞬時速度的算術平均值vt=i

22、=1Nvi(t)N其中，N為觀測到的行人數量； vi為第i個行人的速度。空間平均速度是人行道長度L對每個行人經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的行人數，單位是人/平方米。行人密度的倒數定義為空間模數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，國內外很多人也進行了與行人自身相關的特性:如年齡、性別、文化、與別人的習慣距離、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