【技术产品】行人仿真技术, 如何使决策机制更加精确灵活?

敬明博士,51WORLD 仿真平台动态仿真组研究员

 

人、车、路、环境是城市交通的组成要素,行人仿真、车辆仿真也是数字孪生世界不可或缺的重要部分。要建设一个持久真实的孪生世界,不仅需要高精度的静态环境场景与逼真的渲染效果,还要有智能化的动态元素熙熙攘攘,穿梭往复。

本篇简要介绍 51WORLD 在行人仿真方面的研究探索,以及行人仿真技术在相关业务上的应用。

 

行人仿真模型常见类型简介

  1. 宏观模型:把行人群体作为整体研究

宏观模型把行人群体作为一个整体来研究,未深入描述单个行人的行为。上世纪 70 年代初 Henderson 首次采用流体力学模型分析行人交通,将每个行人看作一个粒子,系统满足质量、动量和能量守恒,将行人流看作是流体的质点运动。宏观模型易于把握行人流的整体特性,计算量小,但缺乏对行人个体行为的描述,难以刻画行人流的局部特性与复杂行为,也不支持输出以个体为单位的细致仿真结果。

 

  1. 微观模型:描述行人个体行为

(1)社会力模型

社会力模型(SocialForceModel)把行人作为受力驱动的粒子,把人员的心理反应量化为作用力,即社会力,使用牛顿力学定律的受力分析方法,将行人的运动化为场景中多个社会力的合力作用结果。社会力主要包括三类,即自驱动力、行人之间影响力以及场景中的障碍物对行人影响力。其中,自驱动力是行人前往期望位置而自发产生的动力,行人之间影响力使个体与其他行人保持一定的距离,障碍物对行人的影响力使个体能够避让障碍物。社会力模型将行人的复杂运动简化为动力学方程的求解,可更好地解释行人互动过程中的不连续、非线性复杂行为。

(2)元胞自动机模型

元胞自动机(CellularAutomate,CA)是在均匀一致的网格上,由有限状态的元胞构成的离散动力系统。该模型采用网络法对空间进行划分,表达空间的几何形状及内部障碍物的位置;根据更新规则在离散时空指导虚拟行人的运动,个体的运动状态并行更新,包括所在的单元格、速度、方向等。元胞自动机属于离散模型,规则相对简单,但却可以模拟复杂的非线性物理现象,可用于描述不同情况下行人的运动特征。

 

  1. 智能体模型

一些文献将智能体模型归为微观模型,本文倾向于对其独立介绍,因为智能体模型的内涵较为丰富,覆盖了宏观决策到微观行为不同层次,同时也不限制实现算法,例如可以结合社会力模型来实现。智能体模型(Agent-BasedModel)将行人抽象为独立的智能体,能够感知周围环境,产生决策,并做出相关反应动作。来自外界环境的信息由感知模块传输到决策模块后得到处理,随后由行为模块生成一系列动作在环境中表现。

基于智能体模型的人群仿真就是将每个行人看作能够与环境产生自主交互的智能体,利用智能体模型对行人的感知能力、决策行为以及相关反应动作进行建模,从而实现对人群里每个行人个体的真实模拟。一些学者使用能量函数或者势能场的方式描述智能体的运动规则,通过简洁的势能方程模拟了智能体与环境之间的相互影响以及智能体的个性特征。除了数学表达式的规则描述之外,在游戏人工智能领域,主要通过有限状态机和行为树来实现非玩家角色(NPC)的行为模拟,如《魔兽争霸》、《孤岛危机》等。在行为树模型中,行为树以节点的方式描述行为逻辑,而智能体可以通过感知外部环境变化切换自身的行为逻辑状态。

 

51WORLD 行人仿真技术核心模块

51WORLD 采用的行人仿真技术框架可以归类为一种智能体模型,包括了感知层,决策层,路径规划层,动力模型层,行为层等。同时为满足工程方面需求,构建了完整的工作流程与各类接口,具体内容如图所示。

  1. 感知层—— 实时高效,支持接入调用

感知层作为行人仿真的运行时信息,可以实时、高效地提供各仿真元素的位置、状态数据;同时提供对外接口,支持业务相关动态信息接入,供仿真算法调用。


      2. 决策层—— 确定行人的行为流程与逻辑
决策层处于智能体模型的顶层,负责确定行人目的地、行为流程与宏观逻辑。例如进闸门 - 安检 - 乘坐电梯 -等待列车,柜台游览 - 离开店铺等。此外,决策层提供对外配置接口,能够对行人仿真设置一些宏观参数。


      3. 路径规划层—— 综合考虑路径障碍,并换算成阻抗
路径规划层综合考虑行人目的地,障碍物和可行区域的分布,计算出行人的行走路径,依据路径向动力模型层提供输入。路径规划层可以使用最短路径算法实现,也可以采用动态分配,即计算路径中已有的行人交通量,并将其换算成阻抗。同时,路径规划层也负责设定停留、排队等行为。从工程角度,路径规划层需要提供接口给仿真模型构建者,从而方便灵活地对仿真逻辑与细节进行调整。


      4. 运动模型层—— 计算行人运动中的微观行为

运动模型层负责计算行人运动中的微观行为,包括速度控制、避让、拥堵、排队姿态等。目前,该层采用社会力模型,用连续型微观模型来描述行人的动力学状态,基于路径规划层的路径方向计算驱动力,通过感知层获取相关信息来计算其他社会力并形成合力,驱使行人运动。

  1. 行为层—— 判定行人的特定状态

行为层并不负责行人运动,而是计算与判定行人的特定状态,供展示与统计时使用。例如,判断行人在电梯上、在柜台前、是否在敲门等;而状态信息可用来驱动特定的动画,如停下脚步,开关门等。行为层实现状态判定后,主要通过状态机和行为树来实现行人动作的控制与动画播放。

  1. 接口与工具链—— 多种功能实现工程化应用

为高效构建场景,定制与扩展相关功能,实现工程化应用,行人仿真核心模块提供了诸多接口,以及面向业务不同阶段的工具链,以便提升工作效率,拓宽生态范围。主要包括:

场景构建工具:提供给仿真模型与环境构建者使用,接受几何输入或者其他定制化输入,快速生成场景元素,提升场景构建效率;

 

用户配置接口:根据业务需求,定制化接口与 UI,为用户提供便捷的配置接口,例如调整交通流量,开关重要行人设施,开闭出入口等;

 

分布式服务功能:支持将行人仿真模块包装为微服务,实现分布式部署,可为不同用户提供仿真云服务。

 

展示工具:支持热力统计与展示,排队统计,通行效率统计等功能,可根据业务需求,在 3D 场景中做出针对性的展现,直观地支持决策。

 

行人仿真技术框架,有哪些特点?

 

  1. 定制化与可扩展强,可支持多种业务场景

51WORLD 目前采用自研 + 软件二次开发的方式来实现仿真技术框架,仿真模块提供的接口较灵活,可支持多种定制化的开发,目前已应用到大型体育场馆、大型商店、地铁枢纽、机场枢纽、高层住宅等场景,并

可以与交通仿真无缝对接,实现车辆与行人在同一场景中互动的高精度仿真。

  1. 细节到位,持续提升真实性与准确性

仿真的真实性与准确性是支持产品业务决策能力的基石,也是仿真技术的难点。仿真框架基于决策层、路径规划层与运动模型层丰富的可配置接口,可以描述细节化的行人行为,例如仿真不同体积、速度分布、运动特征的混合异质行人交通流;同时,也支持基于统计数据对模型参数进行修正与优化,不断提升仿真的准确程度。

  1. 友好的接口与高效的服务模式

针对不同业务类型,用户的需求往往迥异,行人仿真产品对每个业务场景面向用户接口进行定制化开发,并提供友好简明的 UI 实现仿真配置,例如通过调节行人流量与列车时刻表,开关闸门与电梯,关闭出口,方便地构建多样地铁运营场景并获取仿真与评价结果。同时,仿真支持分布式部署与云服务接口,用户可以在客户端向公有云或私有云上的服务器发送配置,获取仿真结果,云端会处理队列管理与负载均衡,实现

了高效服务与算力最大化利用。

 

行人仿真云服务:更方便、更高效

 

云服务模式可以高效利用云端算力来支持用户的业务请求,用户只要在本地提交相关配置,就可以方便地获取仿真与分析结果。行人仿真被包装成仿真微服务的形式,每个机器可以部署一个仿真微服务节点,每个微服务节点可以支持多个不同的仿真项目,共享算力。同时,web 服务器,任务管理与数据存储也是不同的节点,通过网络实现通信,支持分布式部署。用户通过网页端或 UE 端输入配置并发送请求,由 web

服务器统一接受请求,分配任务 ID 并基于任务管理节点实现基于任务特性与优先级的队列管理,队列管理节点会查询各个仿真微服务节点的算力情况与支持项目,实现任务分配。仿真节点完成任务后,会将结果数据推送至 web 服务器,用户可以实时查看自己的任务状态以及下载仿真结果。

行人仿真的应用案例:从地铁到住宅

 

  1. 地铁枢纽行人仿真

对大型地铁枢纽的行人交通进行仿真,枢纽地下部分共分为三层,层间有楼梯、电动扶梯与直梯相连;行人的宏观行为主要包括不同线路地铁间的换乘,进入地铁站乘坐车辆,从车辆下车并离站;行人设施包括安

检机器,闸门等。行人基于宏观决策与微观动力学模型完成行走、排队、避让等行为,支持各个闸门通行量、行人热力分布等数据的统计分析,以及对换乘与通行效率的综合评估。

用户可配置闸门、直梯、扶梯等行人设施的开关,列车时刻表、行人客流量等信息,可自定义各类预案并通过仿真对通行效率进行评估,对枢纽站点行人设施管理与交通诱导提供决策支持。

  1. 机场枢纽仿真

对机场枢纽行人候机过程,包括值机,过安检,候机室等待及进入登机口过程进行仿真,可配置不同的行人流量,值机口和安检口开闭情况,从而自定义各类预案并通过仿真对通行效率进行评估。

  1. 大型体育场馆疏散仿真

对大型体育场馆疏散进行仿真,初始条件为行人均匀分布在体育馆的看台位置,仿真行人按照固定路径进行疏散的过程,用户可配置行人的数量以及主要出口的开闭,从而对不同疏散压力情况下、不同应急预案

的疏散效率进行仿真预测与评价。

  1. 高层住宅仿真

仿真高层住宅在火警情况下的应急疏散情况,工作人员分别负责不同楼层的敲门通知,接受通知后居民通过楼梯快速撤离,基于仿真对应急疏散效率进行评估。行人仿真是学术研究的热门领域,也是业务应用的重

要基础技术。从研究现状看,行人仿真在提升仿真精确程度与真实性,给行人配备更加智能和灵活的决策反应机制等方面仍具备巨大的研发与应用潜力。受到时间与成本所限,本篇介绍的技术框架更偏工程设计与应用实现。51WORLD 会不断在行人仿真、动态仿真方面探索,希望能够与生态伙伴携手共建生机勃勃的孪生世界。

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