一种基于社会力模型的行人运动轨迹演化方法及系统

本发明涉及人群扰动领域，尤其是涉及一种基于社会力模型的行人运动轨迹演化方法及系统。

背景技术：

1、近年来，随着公共场所大规模人群活动越来越多，人群安全问题凸显。据不完全统计，全世界平均每年都有上千人在集聚活动突发事件中丧生，受伤的更多。因此，人群安全问题备受关注，围绕群体运动行为的描述、规律和引导等展开了大量研究。人群不安全状态是由多种因素共同构成的,涉及场所类型、空间结构、组织管理、安全措施、突发事件等外部因素以及人群类型、人群行为特征等内部因素。许多学者在研究人群行为及特征时，提出了一系列行人流模型，包括元胞自动机模型、磁场力模型、排队模型、社会力模型和气体动力学模型等。其中，社会力模型受到了越来越多的关注。

2、社会力(social force,sf)模型假设个体在疏散过程中受到三种力的作用：驱动力、人与人之间的作用力以及人和障碍物之间的作用力。行人在实际运动过程中不可能保持恒定速度状态不变，但由于自身推动力，行人会在特定时间内尽可能将其实际速度恢复原始状态。同时，行人的速度变化还受到外界影响和与相邻行人和墙壁的距离的影响。此外，与理性行人的正常运动相比，恐慌行人由于恐慌情绪的传播，其运动变得无序、混乱，更有造成自身或周围行人碰撞和摔倒。

3、目前有关研究尚存在若干不足：1)传统的社会力模型中的行人没有考虑行人碰撞因素，导致人群分布与真实场景存在较大偏差；2)人群挤压变形不明显，行人之间存在较大空隙，存在不合理的振荡现象。

技术实现思路

1、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基于社会力模型的行人运动轨迹演化方法及系统，实现了对不同情境下行人的动力学分析。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于社会力模型的行人运动轨迹演化方法，包括以下步骤：

4、按照真实场景设置模拟环境，采用目标检测算法从视频中得到行人的初始位置；

5、根据行人动力学模型得到行人在运动过程中碰撞时刻和非碰撞时刻的实际受力，根据行人的速度随时间变化情况更新行人的速度，进而更新行人的位置；

6、根据行人在所述运动过程中每个时刻的位置进行可视化处理得到行人运动轨迹；

7、其中，所述行人动力学模型的构建过程如下：

8、基于社会力模型得到行人与其他个体之间的相互作用力和行人与墙壁之间的相互作用力；

9、根据所述行人与其他个体之间的相互作用力和行人与墙壁之间的相互作用力构建社会力，根据行人与其他个体之间的接触或碰撞作用构建物理力和行人速度随时间变化情况；

10、根据所述行人速度随时间变化情况、物理力和社会力构建行人动力学模型。

11、进一步地，所述行人的速度随时间变化情况如下：

12、

13、式中，τi表示行人在特定时间内恢复到原始的速度，表示行人i的速度，mi表示行人i的质量，表示行人i在t时刻的速度，表示行人i和行人j之间的相互作用力，表示墙壁对行人i的排斥力，表示期望方向。

14、进一步地，所述行人与其他个体之间的相互作用力如下：

15、

16、式中，ai表示与行人i相关的影响力的大小的参数，rij表示行人i和行人j之间的实际距离，dij表示设定的基准距离或参考距离，bi表示与行人i相关的影响指数函数的衰减速度的参数，表示作用力的方向性，表示人i和行人j之间相对速度的变化量，表示力在切向上面的分量方向，k和k表示较大的常数；

17、所述行人与墙壁之间的相互作用力如下：

18、

19、式中，ri表示物体i与墙壁之间的距离，diw表示设定的基准距离或参考距离，表示作用力的方向性，表示行人i的速度，表示力在切向上面的分量方向。进一步地，所述行人受到的组合力如下：

20、fi＝a·fi，j_phy+b·fi_sf

21、a，b∈(0，1)

22、式中，fi，j_phy表示行人i受到的物理力，表示行人i受到的社会力，a和b为参数。

23、进一步地，所述行人的动力学模型如下：

24、

25、a，b∈(0，1)

26、式中，mi表示行人i的质量，表示行人i在t时刻的速度。

27、进一步地，所述社会力如下：

28、

29、式中，τi表示行人在特定时间内恢复到原始的速度，表示行人i的速度，mi表示行人i的质量，表示行人i在t时刻的速度，表示行人i和行人j之间的相互作用力，表示边界或障碍物对行人i的排斥力，表示期望方向。

30、进一步地，所述物理力如下：

31、

32、式中，m代表行人的质量，uj代表与行人i一起运动的行人集合，vk，-和vi，-代表行人k和行人i在碰撞前的速度。

33、进一步地，所述物理力包括行人与其他个体之间的相互作用力。

34、进一步地，通过调节所述参数a和b对所述物理力和社会力进行线性组合，根据所述行人受到的组合力反映不同情境下行人间的实际受力情况。

35、按照本发明的另一方面，提供了一种基于社会力模型的行人运动轨迹演化系统，包括：

36、初始位置获取模块，用于按照真实场景设置模拟环境，采用目标检测算法从视频中得到行人的初始位置；

37、行人位置更新模块，用于根据行人动力学模型得到行人在运动过程中碰撞时刻和非碰撞时刻的实际受力，根据行人的速度随时间变化情况更新行人的速度，进而更新行人的位置；

38、运动轨迹生成模块，用于根据行人在所述运动过程中所有时刻的位置得到行人运动轨迹；

39、其中，所述行人动力学模型的构建过程如下：

40、基于社会力模型得到行人与其他个体之间的相互作用力和行人与墙壁之间的相互作用力；

41、根据所述行人与其他个体之间的相互作用力和行人与墙壁之间的相互作用力构建社会力，根据行人与其他个体之间的接触或碰撞作用构建物理力和行人速度随时间变化情况；

42、根据所述行人速度随时间变化情况、物理力和社会力构建行人动力学模型。

43、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

44、1.本发明将行人与其他个体和障碍物接触的物理力整合到经典的社会力模型中，可以描述多个同时发生的接触，物理力有效地解决了人群中不可避免地发生多次碰撞的情况，使对人群的动力学分析结果更符合真实情况。

45、2.本发明构建行人的动力学模型，将物理力和社会力通过参数进行线性组合，通过调整参数对不同情境下的受力进行模拟，能够更准确地反映不同情境下行人间的实际受力情况。

技术特征：

1.一种基于社会力模型的行人运动轨迹演化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于社会力模型的行人运动轨迹演化方法，其特征在于，所述行人的速度随时间变化情况如下：

3.根据权利要求1所述的基于社会力模型的行人运动轨迹演化方法，其特征在于，所述行人与其他个体之间的相互作用力如下：

4.根据权利要求1所述的基于社会力模型的行人运动轨迹演化方法，其特征在于，所述行人受到的组合力如下：

5.根据权利要求4所述的基于社会力模型的行人运动轨迹演化方法，其特征在于，所述行人的动力学模型如下：

6.根据权利要求4所述的基于社会力模型的行人运动轨迹演化方法，其特征在于，所述社会力如下：

7.根据权利要求4所述的基于社会力模型的行人运动轨迹演化方法，其特征在于，所述物理力如下：

8.根据权利要求4所述的基于社会力模型的行人运动轨迹演化方法，其特征在于，所述物理力包括行人与其他个体之间的相互作用力。

9.根据权利要求4所述的基于社会力模型的行人运动轨迹演化方法，其特征在于，通过调节所述参数a和b对所述物理力和社会力进行线性组合，根据所述行人受到的组合力反映不同情境下行人间的实际受力情况。

10.一种基于社会力模型的行人运动轨迹演化系统，其特征在于，包括：

技术总结本发明涉及一种基于社会力模型的行人运动轨迹演化方法及系统，所述方法包括以下步骤：设置模拟环境，从视频中得到行人的初始位置；根据行人动力学模型得到行人在碰撞时刻和非碰撞时刻的实际受力，根据行人速度随时间变化情况更新行人的速度，进而更新行人的位置；根据每个时刻的行人位置得到行人运动轨迹；其中，行人动力学模型的构建过程如下：基于社会力模型得到行人与其他个体之间的相互作用力和行人与墙壁之间的相互作用力；构建社会力，根据行人与其他个体之间的接触或碰撞作用构建物理力和行人速度随时间变化情况；构建行人动力学模型。与现有技术相比，本发明能够更准确地反映不同情境下行人间的实际受力情况，动力学分析更符合真实情况。技术研发人员：赵荣泳,韩凌晨,韦炳宇,贾萍,朱文杰,韩传峰,李翠玲受保护的技术使用者：同济大学技术研发日：技术公布日：2024/12/23