一种基于社会力的行人跟随行为仿真方法

摘要

本发明涉及一种交通仿真技术领域中行人交通行为仿真的方法，具体是一种基于社会力的行人跟随行为仿真方法，克服了现有技术中只能仿真同伴群行人之间跟随行为的不足；包括以下步骤：1、建立基于社会力的行人仿真模型；2、判断行人是否产生跟随行为；3、计算产生跟随行为的行人受到其他行人的吸引力；4、计算产生跟随行为的行人受到的总吸引力；5、将产生跟随行为的行人受到的总吸引力加入基于社会力的行人仿真模型；本发明在基于社会力的行人仿真模型中，考虑行人跟随行为中的行人方向、速度、距离和视角因素，加入产生跟随行为的行人受到的总吸引力，更好的仿真行人的跟随行为。

说明书

技术领域

本发明涉及一种交通仿真技术领域中行人交通行为仿真的方法，具体是一种基于社会力的行人跟随行为仿真方法。

背景技术

不管在拥挤的客运枢纽、大型商场、公共场馆，还是在学生下课后的走廊中，行人都具有跟随行为，行人跟随行为普遍存在于我们的日常生活中，研究行人跟随行为具有重要的理论价值和现实意义。不同环境下行人的跟随行为不一样，在早晚通勤时间，各大交通枢纽行人拥挤不堪，这种互不相识的行人流中的跟随行为更是研究的重点。

目前，有研究人员在基于社会力的行人仿真模型中，考虑同伴群行人渴望与同伴群其他行人交流的动机、渴望不偏离所属同伴群中心的愿望和避免与同伴群内部其他行人相撞等因素，分别加入同伴群行人的视觉力、聚合力和排斥力，仿真同伴群行人之间的跟随行为。然而，通过实际观察发现，在相互不认识的人群中，行人为了减少不必要的冲突，寻求更舒适的行走空间，往往会跟随前方能够为自己创造行走空间的行人。

上述在基于社会力的行人仿真模型中加入同伴群行人的视觉力、聚合力和排斥力的方法，只能仿真同伴群行人之间的跟随行为，没有考虑互不相识的行人流中的行人跟随行为。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中只能仿真同伴群行人之间跟随行为的不足，提供一种基于社会力的行人跟随行为仿真方法，加入产生跟随行为的行人受到的总吸引力，能够更好的仿真行人的跟随行为。

一种基于社会力的行人跟随行为仿真方法，包括以下步骤：

步骤一：建立基于社会力的行人仿真模型；

步骤二：判断行人是否产生跟随行为；

如果行人速度大于或等于期望速度，则该行人不产生跟随行为；如果行人速度小于期望速度，则该行人行走遇到困境，产生跟随行为。

步骤三：计算产生跟随行为的行人受到其他行人的吸引力；

产生跟随行为的行人p受到行人q的吸引力：

式中：为产生跟随行为的行人p受到行人q的吸引力；为产生跟随行为的行人p的自身驱动力；β_p1为方向系数；β_p2为速度系数；β_p3为距离系数；β_p4为视角系数；为由产生跟随行为的行人p指向行人q的单位方向向量；为调节系数，

步骤四：计算产生跟随行为的行人受到的总吸引力；

所述产生跟随行为的行人受到的总吸引力等于其他所有行人对产生跟随行为的行人的吸引力的矢量和。

步骤五：将产生跟随行为的行人受到的总吸引力加入基于社会力的行人仿真模型；

技术方案中所述方向系数计算公式：

$>{\beta }_{p1}=\left(\begin{array}{c}0,{\overrightarrow{v}}_{p,will}·{\overrightarrow{v}}_q<0\\ cos(<{\overrightarrow{v}}_{p,will},{\overrightarrow{v}}_q>),{\overrightarrow{v}}_{p,will}·{\overrightarrow{v}}_q\ge 0\end{array}\right)$>

式中：为产生跟随行为的行人p的期望速度；为行人q的速度；为产生跟随行为的行人p的期望速度方向与行人q的速度方向之间的夹角；

所述速度系数计算公式：

$>{\beta }_{p2}=\left(\begin{array}{c}1,\left|{\overrightarrow{v}}_q\right|>\left|{\overrightarrow{v}}_{p,will}\right|\\ \left|{\overrightarrow{v}}_q\right|/\left|{\overrightarrow{v}}_{p,will}\right|,\left|{\overrightarrow{v}}_q\right|\le \left|{\overrightarrow{v}}_{p,will}\right|\end{array}\right)$>

所述距离系数计算公式：

$>{\beta }_{p3}=\left(\begin{array}{c}1,d_{pq}\le r_p+r_q\\ \exp \left(\frac{d_{pq}-r_p-r_q}{l_p}\right),d_{pq}>r_p+r_q\end{array}\right)$>

式中：r_p为产生跟随行为的行人p的半径；r_q为行人q的半径；l_p为产生跟随行为的行人p的视距；d_pq为产生跟随行为的行人p与行人q之间的距离；

所述视角系数计算公式：

式中：θ为产生跟随行为的行人p与行人q连线方向和产生跟随行为的行人p速度方向之间的夹角。

技术方案中步骤五所述将产生跟随行为的行人受到的总吸引力加入基于社会力的行人仿真模型是指：

在基于社会力的行人仿真模型中加入产生跟随行为的行人受到的总吸引力，使得产生跟随行为的行人受自身的驱动力、障碍物的作用力、行人间的作用力和总吸引力四种力的作用，将这四种力矢量求和，得到产生跟随行为的行人受到的合力，根据牛顿第二定律，产生跟随行为的行人在合力的作用下产生加速度，产生位移，实现产生跟随行为的行人行走过程的仿真。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明在基于社会力的行人仿真模型中，考虑行人跟随行为中的行人方向、速度、距离和视角因素，加入产生跟随行为的行人受到的总吸引力，更好的仿真行人的跟随行为。

附图说明：

图1是本发明所述基于社会力的行人跟随行为仿真方法中的基于社会力的行人跟随行为仿真框架；

图2是本发明所述基于社会力的行人仿真模型中行人受力情况示意图；

图3是本发明所述基于社会力的行人跟随行为仿真中产生跟随行为的行人受力情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细的描述：

一种基于社会力的行人跟随行为仿真方法，参照图1，包括以下步骤：

步骤一：建立基于社会力的行人仿真模型；

参照图2，行人受自身驱动力障碍物的作用力和行人间的作用力将这三种力矢量求和，得到行人受到的合力，根据牛顿第二定律，行人在合力的作用下，产生加速度：

$>\overrightarrow{a}={\overrightarrow{f}}_{total}/m$>

式中：行人受到的合力；为行人加速度；m为行人质量。

行人在速度和加速度的作用下，产生位移，实现行人行走过程的仿真。

步骤二：判断行人是否产生跟随行为；

如果行人速度大于或等于期望速度，则该行人不产生跟随行为；如果行人速度小于期望速度，则该行人行走遇到困境，产生跟随行为。

步骤三：计算产生跟随行为的行人受到其他行人的吸引力；

考虑行人方向、速度、距离和视角因素，计算产生跟随行为的行人p受到行人q的吸引力：

式中：为产生跟随行为的行人p受到行人q的吸引力；为产生跟随行为的行人p的自身驱动力；β_p1为方向系数；β_p2为速度系数；β_p3为距离系数；β_p4为视角系数；为由产生跟随行为的行人p指向行人q的单位方向向量；为调节系数，

行人倾向于跟随行走方向与其既定目标更加接近的前方行人，接近程度越大，吸引力越大。方向系数计算公式：

$>{\beta }_{p1}=\left(\begin{array}{c}0,{\overrightarrow{v}}_{p,will}·{\overrightarrow{v}}_q<0\\ cos(<{\overrightarrow{v}}_{p,will},{\overrightarrow{v}}_q>),{\overrightarrow{v}}_{p,will}·{\overrightarrow{v}}_q\ge 0\end{array}\right)$>

式中：为产生跟随行为的行人p的期望速度；为行人q的速度；为产生跟随行为的行人p的期望速度方向与行人q的速度方向之间的夹角。

行人倾向于跟随前方速度更快的其他行人，也就是说，速度越大的前方行人对当前行人的吸引力越大，但是当前方行人速度大于当前行人的期望速度时，吸引力不会有明显增加。速度系数计算公式：

$>{\beta }_{p2}=\left(\begin{array}{c}1,\left|{\overrightarrow{v}}_q\right|>\left|{\overrightarrow{v}}_{p,will}\right|\\ \left|{\overrightarrow{v}}_q\right|/\left|{\overrightarrow{v}}_{p,will}\right|,\left|{\overrightarrow{v}}_q\right|\le \left|{\overrightarrow{v}}_{p,will}\right|\end{array}\right)$>

行人视距范围以外的其他行人不对其产生影响。在行人视距范围以内，行人倾向于跟随距离自己更近的其他行人，当行人之间发生身体接触时，吸引力将不再增大。距离系数计算公式：

$>{\beta }_{p3}=\left(\begin{array}{c}1,d_{pq}\le r_p+r_q\\ \exp \left(\frac{d_{pq}-r_p-r_q}{l_p}\right),d_{pq}>r_p+r_q\end{array}\right)$>

式中：r_p为产生跟随行为的行人p的半径；r_q为行人q的半径；l_p为产生跟随行为的行人p的视距；d_pq为产生跟随行为的行人p与行人q之间的距离。

行人行走过程中不关注其后面的其他行人，只有前方180°视角内的其他行人对其产生影响。视角系数计算公式：

式中：θ为产生跟随行为的行人p与行人q连线方向和产生跟随行为的行人p速度方向之间的夹角。

步骤四：计算产生跟随行为的行人受到的总吸引力；

所述产生跟随行为的行人受到的总吸引力等于其他所有行人对产生跟随行为的行人的吸引力的矢量和。

步骤五：将产生跟随行为的行人受到的总吸引力加入基于社会力的行人仿真模型；

参照图3，在基于社会力的行人仿真模型中加入产生跟随行为的行人受到的总吸引力，使得产生跟随行为的行人受自身的驱动力障碍物的作用力行人间的作用力和总吸引力四种力的作用，将这四种力矢量求和，得到产生跟随行为的行人受到的合力，根据牛顿第二定律，产生跟随行为的行人p在合力的作用下，产生加速度：

$>{\overrightarrow{a}}_p={\overrightarrow{f}}_{p,total}/m_p$>

式中：为产生跟随行为的行人p受到的合力；为产生跟随行为的行人p的加速度；m_p为产生跟随行为的行人p的质量。

产生跟随行为的行人在速度与加速度的作用下，产生位移，从而实现产生跟随行为的行人行走过程的仿真。

采用计算机C++语言编程实现基于社会力的行人仿真，加入产生跟随行为的行人受到的总吸引力，实现行人跟随行为仿真。