枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法及装置

摘要

本发明公开一种枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法及装置，通过将跨领域的颗粒离散元法引入行人仿真，从而在保持仿真精度的基础上提高输入量级及运算效率，实现对交通枢纽内大规模行人运动的仿真。所述方法，包括：S1、获取待仿真行人的物理属性数据，基于颗粒离散元法构建所述待仿真行人的行人模型；S2、获取待仿真通道的几何属性数据，构建所述待仿真通道的通道模型；S3、基于社会力模型和所述颗粒离散元法的接触模型构建行人颗粒的受力模型；S4、通过将所述行人模型置于所述通道模型内，并利用所述受力模型实时更新所述行人模型的行人颗粒的运动状态，对所述待仿真行人进行人流仿真。

说明书

技术领域

本发明涉及行人仿真技术领域，具体涉及一种枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法及装置。

背景技术

随着大型交通枢纽需求的增加，在交通出行高峰时段或紧急事件发生时，大规模进出站的客流在一些瓶颈处会发生拥堵，所以运用仿真软件来模拟行人流运动，来寻找行人流规律，从而寻找在大规模行人流运动时枢纽内危险区域。

对于仿真模型，通常被分为宏观模型、中观模型和微观模型，宏观模型中行人流的状态特性通过流量、平均速度、密度关系来描述，这种模型主要从整体的角度关注群体的出行决策以及路径选择行为(The75thTransportationResearchBoard,Anevaluationmethodforcomfortrequirementsinoutdoorpedestrianspaces,1996.)；中观行人仿真模型对于行人运动的要素、行为特性和相互作用的描述比宏观模型较为详尽，同时能够保留微观模型的核心思想，模型对于行人流的描述以若干行人个体组成的队列为单元，能够描述节点处的动态变化，但是不能够描述行人个体之间的相互作用(FlorianM,MMahut,NTramblay.AHybridOptimization-MesoscopicSimulationDynamicTrafficAssignmentModel[C]//Proceedingsofthe2001IEEEIntelligentTransportSystemsConference.USA:IEEE,2001:120-123.)；微观模型侧重研究行人的个体特性，如个体的速度、轨迹、方向、目的地、人与人之间或障碍物之间的相互作用。

对于大规模的行人仿真，行人宏观和中观仿真模型会将行人个体之间的相互作用简化甚至忽略以提升运算效率，且只能从流量、速度和密度来描述行人运动，所得数据很难描述不同的场景和基础设施对行人行为的影响，对行人运动的要素和特性的细节描述较为粗糙，不能表现行人个体的复杂交通行为；而如需对行人间运动过程细化仿真通常需运用微观行人仿真软件，但微观仿真软件对于大规模的数据输入计算效率低，仿真时间长或不能仿真，因此传统的仿真模型不能真实反应交通枢纽内大规模的行人运动。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法及装置，通过将跨领域的颗粒离散元法引入行人仿真，从而在保持仿真精度的基础上提高输入量级及运算效率，实现对交通枢纽内大规模行人运动的仿真。

为此目的，一方面，本发明提出一种枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法，包括：

S1、获取待仿真行人的物理属性数据，基于颗粒离散元法构建所述待仿真行人的行人模型，其中，所述行人模型由多个行人颗粒组成；

S2、获取待仿真通道的几何属性数据，构建所述待仿真通道的通道模型；

S3、基于社会力模型和所述颗粒离散元法的接触模型构建行人颗粒的受力模型；

S4、通过将所述行人模型置于所述通道模型内，并利用所述受力模型实时更新所述行人模型的行人颗粒的运动状态，对所述待仿真行人进行人流仿真。

另一方面，本发明提出一种枢纽内大规模行人运动跨领域仿真装置，包括：

行人模型构建单元，用于获取待仿真行人的物理属性数据，基于颗粒离散元法构建所述待仿真行人的行人模型，其中，所述行人模型由多个行人颗粒组成；

通道模型构建单元，用于获取待仿真通道的几何属性数据，构建所述待仿真通道的通道模型；

受力模型构建单元，用于基于社会力模型和所述颗粒离散元法的接触模型构建行人颗粒的受力模型；

人流仿真单元，用于通过将所述行人模型置于所述通道模型内，并利用所述受力模型实时更新所述行人模型的行人颗粒的运动状态，对所述待仿真行人进行人流仿真。

本发明实施例所述的枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法及装置，提供了一种中微观相结合，在此基础上提高行人输入量级和运算效率的行人仿真方法及装置，将行人视作物体颗粒进行处理，引入颗粒离散元法建立起基于颗粒离散元的行人模型，基于社会力模型和颗粒离散元法的接触模型构建行人颗粒的受力模型，运用受力模型对行人颗粒给予主观能动性微观处理，从而实现跨领域方法(颗粒离散元法)和微观行人仿真即真实又高效的结合。

附图说明

图1为本发明枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法一实施例的流程示意图；

图2为本发明枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法另一实施例中利用行人颗粒的受力模型更新行人颗粒的运动状态的算法设计流程图；

图3为本发明枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法又一实施例中行人所受驱动力示意图；

图4为本发明枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法又一实施例中行人间法向重叠及切向位移示意图；

图5为本发明枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法又一实施例中行人接触模型的法向力简化模型示意图；

图6为本发明枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法又一实施例中行人接触模型的切向力简化模型示意图；

图7为本发明枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法又一实施例中行人与行人的位置关系示意图；

图8为本发明枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法又一实施例中行人与墙壁的位置关系示意图；

图9为本发明枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法又一实施例中行人所受排斥力示意图；

图10为本发明枢纽内大规模行人运动跨领域仿真装置一实施例的方框结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例公开一种枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法，包括：

S1、获取待仿真行人的物理属性数据，基于颗粒离散元法构建所述待仿真行人的行人模型，其中，所述行人模型由多个行人颗粒组成；

S2、获取待仿真通道的几何属性数据，构建所述待仿真通道的通道模型；

S3、基于社会力模型和所述颗粒离散元法的接触模型构建行人颗粒的受力模型；

S4、通过将所述行人模型置于所述通道模型内，并利用所述受力模型实时更新所述行人模型的行人颗粒的运动状态，对所述待仿真行人进行人流仿真。

本发明中，利用所述受力模型实时更新所述行人模型的行人颗粒的运动状态，可以包括：

S40、对于所述行人模型的每一个行人颗粒，利用所述受力模型实时计算该行人颗粒所受的合力；

S41、根据所述合力计算该行人颗粒运动的加速度，根据所述加速度计算该行人颗粒在每个时间步长内的位移，并根据所述位移对该行人颗粒的位置进行更新。

所述S4，还可以包括：

对于每一个行人颗粒，判断该行人颗粒是否运动结束，若结束，则根据该行人颗粒运动过程的位置信息生成该行人颗粒的运动轨迹。

本发明实施例所述的枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法，提供了一种中微观相结合，在此基础上提高行人输入量级和运算效率的行人仿真方法，将行人视作物体颗粒进行处理，引入颗粒离散元法建立起基于颗粒离散元的行人模型，基于社会力模型和颗粒离散元法的接触模型构建行人颗粒的受力模型，运用受力模型对行人颗粒给予主观能动性微观处理，从而实现跨领域方法(颗粒离散元法)和微观行人仿真即真实又高效的结合。

可选地，在本发明枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法的另一实施例中，所述S3，包括：

S31、对于每一个行人颗粒，检测该行人颗粒与其它行人颗粒、障碍物和墙壁之间是否存在接触，若存在接触，则计算该行人颗粒所受的驱动力以及该行人颗粒所受的与其存在接触的行人颗粒、障碍物和墙壁的接触力，或者若不存在接触，则判断该行人颗粒是否受到其它行人颗粒、障碍物和墙壁的排斥力，若该行人颗粒受到其它行人颗粒或障碍物或墙壁的排斥力，计算该行人颗粒所受的驱动力和排斥力，若该行人颗粒未受到其它行人颗粒、障碍物和墙壁的排斥力，则计算该行人颗粒所受的驱动力；

S32、对于每一个行人颗粒，计算该行人颗粒所受的合力。

本发明中，检测该行人颗粒与其它行人颗粒之间是否存在接触，具体可以包括如下步骤：

a.对于该行人颗粒i和其它行人颗粒j，计算该行人颗粒i和所述其它行人颗粒j的半径之和，以及该行人颗粒i和所述其它行人颗粒j的中心间的距离；

b.比较所述半径之和和中心间的距离的大小关系，若所述半径之和小于所述中心间的距离，则确定出该行人颗粒i和所述其它行人颗粒j不存在接触，否则，确定出该行人颗粒i和所述其它行人颗粒j存在接触。

判断该行人颗粒是否受到其它行人颗粒的排斥力，具体可以包括如下步骤：

对于该行人颗粒i和其它行人颗粒j，计算该行人颗粒i和所述其它行人颗粒j的中心间的距离，判断所述中心间的距离是否小于第一数值，若小于，则确定出该行人颗粒i受到所述其它行人颗粒j的排斥力，否则，确定出该行人颗粒i未受到所述其它行人颗粒j的排斥力。

检测该行人颗粒与障碍物之间是否存在接触，包括：

c.对于该行人颗粒i和障碍物z，计算该行人颗粒i和所述障碍物z之间的理论距离，以及该行人颗粒i和所述障碍物z之间的实际距离；

d.比较所述理论距离和实际距离的大小关系，若所述理论距离小于所述实际距离，则确定出该行人颗粒i和所述障碍物z不存在接触，否则，确定出该行人颗粒i和所述障碍物z存在接触。

判断该行人颗粒是否受到障碍物的排斥力，包括：

对于该行人颗粒i和障碍物z，计算该行人颗粒i和所述障碍物z之间的理论距离，判断所述理论距离是否小于第二数值，若小于，则确定出该行人颗粒i受到所述障碍物z的排斥力，否则，确定出该行人颗粒i未受到所述障碍物z的排斥力。

本发明利用受力模型对行人的运动进行仿真，具体仿真过程包括下面5个步骤(算法设计流程图如图2所示)：

步骤一：算法开始，获取行人颗粒的位置信息；

步骤二：检测行人颗粒与其它行人颗粒、障碍物和墙壁之间是否存在接触，如接触则直接计算行人颗粒所受的接触力和驱动力，如不接触，则进一步判定行人颗粒是否受到其它行人颗粒、障碍物和墙壁的排斥力，如果受到其它行人颗粒、障碍物和墙壁的排斥力，则需要计算行人颗粒所受驱动力以及排斥力，如果未受到其它行人颗粒、障碍物和墙壁的排斥力，则仅需要计算行人颗粒所受的驱动力；

步骤三：通过接触检验后得到行人颗粒所受各分力，从而计算行人颗粒所受合力，并根据牛顿第二定律得到行人颗粒运动的加速度、速度等参数，并对行人位置信息进行更新；

步骤四：判断仿真是否结束，如尚未结束则实时循环计算行人受力并更新行人位置，从而表现出整体行人流的运动状态，直到仿真结束，保存所有数据结果；

步骤五：仿真结束，模型结束运行。

可选地，在本发明枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法的另一实施例中，所述计算该行人颗粒所受的驱动力，包括：

对于待计算所受的驱动力的行人颗粒i，计算该行人颗粒i所受的驱动力，计算公式为其中，为该行人颗粒i在t时刻所受的驱动力，m_i为该行人颗粒i的质量，为该行人颗粒i的期望行走速度的大小，为该行人颗粒i的期望行走速度的方向，为该行人颗粒i在t时刻的实际行走速度，τ_i为弛豫时间，表示该行人颗粒i从速度加速到期望行走速度所需要的时间。

如果没有其他外力因素影响，行人在通道中会始终保持期望速度以及期望方向通过，这个力(即驱动力)驱动着行人完成“位移活动”，体现出了行人的主观意识中渴望到达目的地的动机(如图9所示为行人受驱动力示意图)。

如图3所示，社会力现有模型中设定行人沿着路径最终到达目的地在任意t和t+1时刻分别在位置和则行人在t时刻的行走方向可以定义如下：

$>\overrightarrow{e_{ai}}\left(t\right)=\frac{\overrightarrow{r_a}(t+1)-\overrightarrow{r_a}\left(t\right)}{||\overrightarrow{r_a}(t+1)-\overrightarrow{r_a}\left(t\right)||},$>

式中：

行人期望行走方向，

行人在t时刻的位置，

行人在t+1时刻的位置。

如果没有其他外界因素影响，行人会始终保持期望速度向期望方向行走，即驱动力能够维持行人以期望速度和方向向目标点行走。当遇到其他行人或障碍物时，行人受其他外力影响，期望速度由减小至当前速度v_i(t)，期望方向改变为此时行人开始受驱动力作用，直至达到行人期望速度及方向，在t时刻行人所受驱动力如下：

式中：

m_i：行人的质量，

行人期望行走速度，

行人在t时刻的实际行走速度矢量，

τ_i：弛豫时间，表示行人从当前行走速度加速到期望速度所需要的时间，与加速度相关。

可选地，在本发明枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法的另一实施例中，所述计算该行人颗粒所受的与其存在接触的行人颗粒的接触力，包括：

对于该行人颗粒i和与其存在接触的行人颗粒j，计算该行人颗粒i所受行人颗粒j的法向力和切向力；

计算该行人颗粒i所受行人颗粒j的法向力和切向力的合力，并将所述合力作为该行人颗粒i所受的行人颗粒j的接触力。

可选地，在本发明枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法的另一实施例中，所述计算该行人颗粒i所受行人颗粒j的法向力，包括：

建立该行人颗粒i和行人颗粒j所对应的接触模型的法向力模型，其中，所述法向力模型包括用于产生该行人颗粒i和行人颗粒j之间法向弹性力的第一弹簧和用于产生该行人颗粒i和行人颗粒j之间法向阻尼力的第一阻尼器，所述第一弹簧和第一阻尼器并联设置；

计算该行人颗粒i所受行人颗粒j的法向力，若该行人颗粒i和行人颗粒j位于二维空间，该行人颗粒i所受行人颗粒j的法向力的计算公式为或者若该行人颗粒i和行人颗粒j位于三维空间，该行人颗粒i所受行人颗粒j的法向力的计算公式为其中，k_n为该行人颗粒i的法向弹性系数，c_n为该行人颗粒i的法向阻尼系数，a为该行人颗粒i和行人颗粒j间的法向重叠量，为该行人颗粒i相对于所述行人颗粒j的速度，为从该行人颗粒i的中心到所述行人颗粒j的中心的单位矢量。

当随着行人密度的不断增加，行人拥挤程度加大，同时可自由行走的空间逐渐减小，行人之间必然会相互接触，并产生力，将颗粒离散元法的接触模型引入到行人运动过程中就是定义行人之间或行人与障碍物或行人与墙壁之间接触产生和相互作用的过程。

离散元法中把颗粒散体看做一定形状和质量的单元集合，每个颗粒为一个单元，与颗粒运动相似，通道内的行人个体在相互接触的过程中，可以看做相互独立、相互作用的颗粒群体，同样具备以下运用接触理论的前提条件：

(1)行人为刚性体，行人运动过程中的系统变形是行人之间相互“嵌挤”形成的变形总和，行人之间的接触发生很短暂且发生在很小的区域范围内，属于点接触。

(2)行人之间的接触行为属于软接触，行人在接触区域内允许发生一定的重叠，且重叠量相比于自身的尺寸很小，由接触发生的变形相对于行人的运动小得多。

(3)在行人运动的任一时间步长范围内，行人所受合力均可由自身主观受力与行人间或行人与障碍物或行人与墙壁之间相互作用力唯一确定。

(4)行人颗粒具备形状、尺寸以及初始位置等几何特征，并可以通过相关“材料特性”参数灵活设置行人颗粒之间的接触、挤压、摩擦等行为，进而获得其他方法不能得到的有价值的信息，从材料力学的角度来考虑行人的运动行为。

借鉴颗粒离散元接触理论中的软球模型规则，可以将行人与行人、行人与障碍物、行人与墙壁的接触过程概括为法向运动、切向运动，并简化为弹簧振子的阻尼运动。由于行人间和行人与障碍物和行人与墙壁的接触模型类似，因此以下将只以行人间的接触过程进行分析：

如图4所示，当行人i在受外力作用下在点A与行人j接触时，随着两人间的相对运动，行人之间逐渐产生接触力，通过计算两行人之间法向重叠量a和切向位移δ就可以得到行人所受到的接触力。

行人的法向和切向相对位移通过在行人i和行人j之间设定弹簧、阻尼以及滑动器实现，并引入弹性系数、阻尼系数、摩擦系数等参数来量化弹簧、阻尼器以及滑动器的作用。

行人间的法向位移通过弹簧和阻尼实现(如图5所示为行人接触模型的法向力简化模型)，切向位移通过弹簧、阻尼以及滑动器共同实现(如图6所示为行人接触模型的切向力简化模型)，当切向力超过屈服值时，行人在切向力和摩擦力作用下滑动，这一过程由滑动器实现。行人接触模型的法向力和切向力简化模型及求解过程如下所述：

(1)法向力求解：

从二维平面受力角度分析，法向力是由弹簧和阻尼器共同作用在行人i上的弹性力和阻尼力的合力，假定行人i的法向弹性系数和法向阻尼系数分别为k_n、c_n，行人间的法向重叠量为a，行人i的速度为行人j的速度为行人i相对于行人j的速度为则行人i受到来自行人j的法向力定义如下：

$>\overrightarrow{f_{nij}}=(-k_{n}a-c_n\overrightarrow{v_{ij}}·\overrightarrow{n})\overrightarrow{n},$>

式中：

行人i所受行人j的的法向力，

从行人i中心到行人j中心的单位矢量。

对于三维行人颗粒体而言，行人之间的重叠量由平面上的直线变为球体体积，因此行人i受到来自行人j的法向力定义如下：

$>\overrightarrow{f_{nij}}=(-k_n{a}^{\frac{3}{2}}-c_n\overrightarrow{v_{ij}}·\overrightarrow{n})\overrightarrow{n},$>

式中字母含义同上。

(2)切向力求解：

同理，二维平面中，行人间切向力是由弹簧、阻尼器和滑动器共同作用在行人i上的弹性力、阻尼力和摩擦力的合力，假定行人i的切向弹性系数和切向阻尼系数分别为k_t、c_t，行人在接触点的切向位移为接触点的滑移速度为则行人i受到来自行人j的切向力定义如下：

$>\overrightarrow{f_{tij}}=-k_t\overrightarrow{\delta }-c_t\overrightarrow{v_{ct}},$>

式中：

行人i所受行人j的的切向力。

对于三维行人颗粒，行人的接触点切向滑移速度如下：

$>\overrightarrow{v_{ct}}=\overrightarrow{v_{ij}}-(\overrightarrow{v_{ij}}·\overrightarrow{n})\overrightarrow{n}+R_i\overrightarrow{{\omega }_i}\times \overrightarrow{n}+R_j\overrightarrow{{\omega }_j}\times \overrightarrow{n},$>

式中：

行人i相对于行人j的速度，

从行人i中心到行人j中心的单位矢量，

R_i：行人i的半径，R_j：行人j的半径，

行人i的角速度，行人j的角速度。

当行人切向弹性力大于行人法向弹性力与摩擦系数μ_s之积时，根据库伦-莫尔准则，行人所受切向力如下：

$>\overrightarrow{f_{tij}}=-{\mu }_s\left|\overrightarrow{f_{nij}}\right|\overrightarrow{n_t},$>

式中：

行人i所受行人j的的切向力，

行人i所受行人j的的法向力，

行人i所受切向力的矢量单位，

行人i所受行人j的接触力即为行人i所受行人j的法向力和切向力的合力。

可选地，在本发明枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法的另一实施例中，所述计算该行人颗粒i所受行人颗粒j的切向力，包括：

建立该行人颗粒i和行人颗粒j所对应的接触模型的切向力模型，其中，所述切向力模型包括用于产生该行人颗粒i和行人颗粒j之间法向摩擦力的滑动器、用于产生该行人颗粒i和行人颗粒j之间切向弹性力的第二弹簧和用于产生该行人颗粒i和行人颗粒j之间切向阻尼力的第二阻尼器，所述第二弹簧和第二阻尼器并联设置；

计算该行人颗粒i所受行人颗粒j的切向力，若该行人颗粒i和行人颗粒j位于二维空间，该行人颗粒i所受行人颗粒j的切向力的计算公式为或者若该行人颗粒i和行人颗粒j位于三维空间，当该行人颗粒i所受行人颗粒j的切向弹性力大于该行人颗粒i所受行人颗粒j的法向弹性力与摩擦系数μ_s之积时，该行人颗粒i所受行人颗粒j的切向力的计算公式为其中，k_t为该行人颗粒i的切向弹性系数，c_t为该行人颗粒i的切向阻尼系数，为该行人颗粒i在接触点的切向位移，为该行人颗粒i在接触点的切向滑移速度，对于三维行人颗粒，$>\overrightarrow{v_{ct}}=\overrightarrow{v_{ij}}-(\overrightarrow{v_{ij}}·\overrightarrow{n})\overrightarrow{n}+R_i\overrightarrow{{\omega }_i}\times \overrightarrow{n}+R_j\overrightarrow{{\omega }_j}\times \overrightarrow{n},$>R_i为该行人颗粒i的半径，R_j为所述行人颗粒j的半径，为该行人颗粒i的角速度，为所述行人颗粒j的角速度，

在模拟行人的接触过程中，计算接触力时需要获取行人颗粒的法向重叠量以及切向位移，当行人颗粒数量逐渐增多时，计算强度会随之增大，因此有必要选择一种快速检索方法，以增加计算效率。

目前采用最高效的接触检索算法是将判定过程分为粗判和细判两个阶段：首先由系统所占空间划分为若干网格，网格边长介于行人的最大直径及其两倍直径之间。行人最少占据一个网格，最大可以同时占据四个网格，粗判定只需要确定该行人所属网格是否存在其他行人即可，如果存在，则需要进行细判得出是否接触以及重叠量、切向位移量。如果行人所属网格不存在其他行人，则直接判定为不会接触。

如图7所示，行人A、C分别位于2号和8号网格中，行人B同时占据5、6、8、9号网格，此时可判定为B、C同属8号网格，可能存在接触关系，行人A单独处于2号网格，不会与B、C发生接触。此时，只需针对相邻的行人B、C进行距离检索即可。同理，行人与障碍物的接触判定与此类似，在此不做赘述。

行人与墙壁的接触判定需要将行人运动空间在水平方向划分为若干橫格，橫格间尺寸同样介于行人的最大直径及两倍直径之间。行人最少占用一个网格，最大可以同时跨越两个网格。粗判定首选确定行人是否处于靠墙壁最近的橫格，若存在则需要进行进一步判定是否与墙壁接触。如图8所示，行人A、C均位于3号橫格中，行人B位于2号橫格中，行人D位于1号橫格中，则可判定为行人A、C、D与墙壁可能存在接触关系，行人B则不会与墙壁发生接触，进而只需进一步对三个可能发生接触的行人进行距离检索即可。

可选地，在本发明枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法的另一实施例中，所述计算该行人颗粒所受的排斥力，包括：

若该行人颗粒i受到其它行人颗粒j的排斥力，计算该行人颗粒i所受行人颗粒j的排斥力计算公式为其中，A_i1为该行人颗粒i和行人颗粒j之间的排斥力作用强度，B_i1为该行人颗粒i和行人颗粒j之间开始发生排斥力作用的距离，r_ij为该行人颗粒i和行人颗粒j的半径之和，d_ij为该行人颗粒i和行人颗粒j中心间的距离，为行人颗粒j指向该行人颗粒i的单位向量。

在运动过程中，最重要的交互作用是行人与其他行人或障碍物保持一定的距离，社会力模型中的排斥力有效的表达出了这个心理特点，由于接触会使得人心理产生不舒适感，行人之间会尽量保持一定距离，随着距离减小，行人之间保留一定距离的这种心理力用指数函数的形式表示，并逐渐增大。如图9所示为行人受排斥力示意图，因为行人i所受排斥力总是与行人j指向行人i的方向或行人i与障碍物的法向方向一致，因此排斥力又可以分为制动力和避让力两个分力，制动力始终与驱动力的方向相反，体现了行人在遇到其他行人或障碍物有意减速的想法，避让力始终垂直于驱动力的方向，体现了行人在遇到其他行人或障碍物有意避让的想法。社会力模型中对于排斥力的定义如下所述。

设行人i的半径为r_i，行人j的半径为r_j，则r_ij＝r_i+r_j为两行人的半径之和。设d_ij为两行人中心间的距离，当d_ij>r_ij时，两行人之间不存在接触，反之将产生额外的接触力。

设方向向量为行人j指向行人i的单位向量，行人i和行人j之间的排斥力与该方向始终一致，则行人i所受排斥力定义如下：

$>\overrightarrow{f_{ij}}=A_{i1}\exp [(r_{ij}-d_{ij})/B_{i1}]\overrightarrow{n_{ij}},$>

式中：

行人之间排斥力，

A_i1、B_i1：均为常数，A_i1、B_i1描述了行人i和行人j在没有接触的情况下，行人i的社会力参数，A_i1为行人之间的斥力作用强度，该值与加速度成线性关系，A_i1越大，行人间所受斥力作用更明显，反之则削弱；B_i1为行人间开始发生作用的距离，B_i1越大，则行人距离较远时即发生斥力作用，反之则距离较近时才发生斥力作用，

r_ij-d_ij：两行人半径之和与两行人中心间距的差。

同理，行人与障碍物之间的排斥力类似于行人与行人之间的排斥力，设行人i的半径为r_i，则r_iz为行人与障碍物的理论距离(将障碍物看作规则几何体，则实际距离为行人中心与障碍物中心的距离)。设d_iz行人与障碍物的实际距离(实际距离为行人中心与障碍物上点的最短距离)，当d_iz>r_iz时，行人与障碍物之间不存在接触，反之将产生额外的接触力。

设方向向量为障碍物指向行人i法线方向的单位向量，则行人所受排斥力如下：

$>\overrightarrow{f_{iz}}=A_{i2}\exp [(r_{iz}-d_{iz})/B_{i2}]\overrightarrow{n_{iz}},$>

式中：

行人所受排斥力，

A_i2、B_i2：均为常数，A_i2、B_i2描述了行人i和障碍物z在没有接触的情况下，行人i的社会力参数，A_i2为行人与障碍物之间的斥力作用强度，该值与加速度成线性关系，A_i2越大，行人间所受斥力作用更明显，反之则削弱；B_i2为行人与障碍物开始发生作用的距离，B_i2越大，则行人距离障碍物较远时即发生斥力作用，反之则距离较近时才发生斥力作用，

r_iz-d_iz：行人与障碍物之间的理论距离与实际距离之差。

同理，行人与墙壁之间的排斥力类似于行人与行人、行人与障碍物之间的排斥力，本发明对此不再赘述。

可选地，在本发明枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法的另一实施例中，所述计算该行人颗粒所受的排斥力，包括：

若该行人颗粒i受到障碍物z的排斥力，计算该行人颗粒i所受所述障碍物z的排斥力计算公式为其中，A_i2为该行人颗粒i和所述障碍物z之间的排斥力作用强度，B_i2为该行人颗粒i和所述障碍物z之间开始发生排斥力作用的距离，r_iz为该行人颗粒i和所述障碍物z之间的理论距离，d_iz为该行人颗粒i和所述障碍物z之间的实际距离，为障碍物z指向该行人颗粒i法线方向的单位向量。

可选地，在本发明枢纽内大规模行人运动跨领域仿真方法的另一实施例中，所述行人参数，包括行人的性别、生长发育阶段类别、质量、尺寸及期望行走速度。

如图10所示，本实施例公开一种枢纽内大规模行人运动跨领域仿真装置，包括：

行人模型构建单元1，用于获取待仿真行人的物理属性数据，基于颗粒离散元法构建所述待仿真行人的行人模型，其中，所述行人模型由多个行人颗粒组成；

通道模型构建单元2，用于获取待仿真通道的几何属性数据，构建所述待仿真通道的通道模型；

受力模型构建单元3，用于基于社会力模型和所述颗粒离散元法的接触模型构建行人颗粒的受力模型；

人流仿真单元4，用于通过将所述行人模型置于所述通道模型内，并利用所述受力模型实时更新所述行人模型的行人颗粒的运动状态，对所述待仿真行人进行人流仿真。

本发明实施例所述的枢纽内大规模行人运动跨领域仿真装置，提供了一种中微观相结合，在此基础上提高行人输入量级和运算效率的行人仿真装置，将行人视作物体颗粒进行处理，引入颗粒离散元法建立起基于颗粒离散元的行人模型，基于社会力模型和颗粒离散元法的接触模型构建行人颗粒的受力模型，运用受力模型对行人颗粒给予主观能动性微观处理，从而实现跨领域方法(颗粒离散元法)和微观行人仿真即真实又高效的结合。

本发明通过分析行人与颗粒物质在运动过程中所体现出的异同点，充分发挥颗粒物质在运动建模中的优势，建立起基于颗粒离散元的行人仿真模型，并利用组合模型研究高密度状态下个体异质性行为对整个行人流的影响，该发明具有很强的方法创新：颗粒物质可以通过设置弹性系数、阻尼系数、摩擦系数灵活的设置颗粒之间的接触挤压关系，借鉴这种方法应用于行人仿真可以从材料力学的角度来考虑行人之间的交互行为，获得其他方法不能得到的有价值的信息。通过运用本发明的模型分析了拥挤行人流状态下，行人个体的减速、停顿等特异变化对整体行人流的影响，并与实际情况对比，发现符合实际，并根据仿真结果从个体与局部行人的运动状态、受力分布、密度变化等角度探究高密度条件下行人流的整体稳定性，进而得到这种异质行为对行人流的影响，达到了应用的要求。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。