人群仿真案例研究

1. 案例背景

在人群仿真领域，AnyLogic 是一个功能强大的工具，可以用于模拟各种复杂的人群行为和场景。本节将通过一个具体的案例研究，展示如何在 AnyLogic 中进行人群仿真。我们将模拟一个机场的旅客流动，探讨如何设置仿真模型、定义人群行为，并分析仿真结果。

1.1 机场旅客流动仿真背景

机场是一个高度复杂的环境，旅客的行为模式多种多样，包括安检、登机、购物等。通过人群仿真，我们可以更好地理解旅客在不同时间段内的流动情况，优化机场的资源配置，提高旅客的满意度。本案例将模拟一个中型机场的旅客流动，重点探讨以下几个方面：

• 旅客到达模式

• 安检过程

• 登机口排队

• 购物行为

2. 模型设置

2.1 创建新的仿真项目

1. 打开 AnyLogic 软件。

2. 选择“New Project”。

3. 在“New Project”对话框中，选择“Agent Based Modeling”模板，点击“Next”。

4. 输入项目名称，例如“Airport Passenger Flow Simulation”，点击“Finish”。

2.2 定义仿真环境

1. 创建机场布局：

   • 在主窗口中，使用“Drawing”工具栏中的图形工具（如矩形、圆形、线条等）绘制机场的平面图。

   • 包括安检口、登机口、商店、休息区等关键区域。

2. 设置仿真参数：

   • 在“Simulation”选项卡中，设置仿真时间（例如 24 小时）。

   • 设置仿真步长（例如 1 分钟）。

2.3 定义人群代理

1. 创建旅客代理：

   • 在“Agents”选项卡中，创建一个新的代理类型，命名为“Passenger”。

   • 在“Passenger”代理中，定义旅客的各种属性，例如：

     • int passengerId：旅客的唯一标识。

     • double arrivalTime：旅客到达机场的时间。

     • int destinationGate：旅客的目的地登机口编号。

     • boolean hasShopped：旅客是否已经购物。

2. 定义旅客行为：

   • 使用“Statechart”工具定义旅客的各个行为状态，例如：

     • Arrival：旅客到达机场。

     • SecurityCheck：旅客进行安检。

     • GoToGate：旅客前往登机口。

     • Shopping：旅客购物。

     • Boarding：旅客登机。

// 定义旅客代理类publicclassPassengerextendsAgent{// 旅客属性privateintpassengerId;privatedoublearrivalTime;privateintdestinationGate;privatebooleanhasShopped;// 设置旅客属性publicvoidsetPassengerId(intpassengerId){this.passengerId=passengerId;}publicvoidsetArrivalTime(doublearrivalTime){this.arrivalTime=arrivalTime;}publicvoidsetDestinationGate(intdestinationGate){this.destinationGate=destinationGate;}publicvoidsetHasShopped(booleanhasShopped){this.hasShopped=hasShopped;}// 获取旅客属性publicintgetPassengerId(){returnpassengerId;}publicdoublegetArrivalTime(){returnarrivalTime;}publicintgetDestinationGate(){returndestinationGate;}publicbooleanhasShopped(){returnhasShopped;}// 定义旅客的行为状态@StatepublicclassArrivalextendsState<Passenger>{publicvoidonEntry(){// 设置到达时间setArrivalTime(time());// 进入安检状态transitionTo(newSecurityCheck());}}@StatepublicclassSecurityCheckextendsState<Passenger>{publicvoidonEntry(){// 模拟安检过程hold(10.0);// 假设安检需要 10 分钟// 完成安检后，随机决定是否购物if(randomTrue(0.3)){transitionTo(newShopping());}else{transitionTo(newGoToGate());}}}@StatepublicclassShoppingextendsState<Passenger>{publicvoidonEntry(){// 模拟购物过程hold(15.0);// 假设购物需要 15 分钟setHasShopped(true);// 购物完成后前往登机口transitionTo(newGoToGate());}}@StatepublicclassGoToGateextendsState<Passenger>{publicvoidonEntry(){// 模拟前往登机口的过程hold(5.0);// 假设前往登机口需要 5 分钟// 到达登机口transitionTo(newBoarding());}}@StatepublicclassBoardingextendsState<Passenger>{publicvoidonEntry(){// 模拟登机过程hold(10.0);// 假设登机需要 10 分钟// 登机完成后，旅客离开系统exit();}}}

2.4 创建仿真环境

1. 定义机场布局：

   • 在主窗口中，使用“Drawing”工具栏绘制机场的平面图。

   • 创建矩形代表安检口、登机口、商店等区域。

2. 设置人流路径：

   • 使用“Path”工具创建旅客的行走路径。

   • 确保路径连接所有关键区域，例如从安检口到登机口、从安检口到商店等。

// 定义机场环境类publicclassAirportextendsEnvironment{// 创建安检口、登机口、商店等区域privateRectanglesecurityCheckArea;privateRectangleboardingGateArea;privateRectangleshopArea;// 创建人流路径privatePathpathToSecurityCheck;privatePathpathToBoardingGate;privatePathpathToShop;publicvoidsetup(){// 设置安检口区域securityCheckArea=newRectangle(0,0,100,50);securityCheckArea.setFill(Color.LIGHTGRAY);add(securityCheckArea);// 设置登机口区域boardingGateArea=newRectangle(300,0,100,50);boardingGateArea.setFill(Color.LIGHTBLUE);add(boardingGateArea);// 设置商店区域shopArea=newRectangle(150,0,100,50);shopArea.setFill(Color.LIGHTGREEN);add(shopArea);// 设置人流路径pathToSecurityCheck=newPath(newPoint(0,50),newPoint(100,50));add(pathToSecurityCheck);pathToBoardingGate=newPath(newPoint(150,50),newPoint(300,50));add(pathToBoardingGate);pathToShop=newPath(newPoint(100,50),newPoint(150,50));add(pathToShop);}}

3. 仿真逻辑

3.1 旅客到达模式

1. 设置旅客到达率：

   • 使用“Source”工具设置旅客的到达模式。

   • 例如，每 5 分钟到达一个旅客。

2. 生成旅客：

   • 在“Source”中设置生成旅客的代码，初始化旅客的属性。

// 旅客到达源publicclassPassengerSourceextendsSource<Passenger>{publicPassengerSource(){// 设置每 5 分钟到达一个旅客setInterArrivalTime(5.0);}@OverrideprotectedPassengercreate(){// 创建新的旅客对象Passengerpassenger=newPassenger();// 设置旅客的唯一标识passenger.setPassengerId(getNextAgentId());// 随机选择目的地登机口passenger.setDestinationGate(randomInt(1,5));returnpassenger;}}

3.2 安检过程

1. 设置安检队列：

   • 使用“Queue”工具设置安检队列。

   • 设置队列的最大长度和等待时间。

2. 定义安检过程：

   • 使用“Service”工具定义安检过程。

   • 设置安检所需的时间和资源。

// 安检队列publicclassSecurityQueueextendsQueue<Passenger>{publicSecurityQueue(){// 设置队列的最大长度setCapacity(20);// 设置等待时间setWaitTime(10.0);}}// 安检服务publicclassSecurityServiceextendsService<Passenger>{publicSecurityService(){// 设置安检所需的时间setProcessingTime(10.0);// 设置安检所需的资源数量setResourceCapacity(3);}}

3.3 登机口排队

1. 设置登机口队列：

   • 使用“Queue”工具设置登机口队列。

   • 设置队列的最大长度和等待时间。

2. 定义登机过程：

   • 使用“Service”工具定义登机过程。

   • 设置登机所需的时间和资源。

// 登机口队列publicclassBoardingQueueextendsQueue<Passenger>{publicBoardingQueue(){// 设置队列的最大长度setCapacity(50);// 设置等待时间setWaitTime(10.0);}}// 登机服务publicclassBoardingServiceextendsService<Passenger>{publicBoardingService(){// 设置登机所需的时间setProcessingTime(10.0);// 设置登机所需的资源数量setResourceCapacity(5);}}

3.4 购物行为

1. 设置商店队列：

   • 使用“Queue”工具设置商店队列。

   • 设置队列的最大长度和等待时间。

2. 定义购物过程：

   • 使用“Service”工具定义购物过程。

   • 设置购物所需的时间和资源。

// 商店队列publicclassShopQueueextendsQueue<Passenger>{publicShopQueue(){// 设置队列的最大长度setCapacity(30);// 设置等待时间setWaitTime(15.0);}}// 购物服务publicclassShopServiceextendsService<Passenger>{publicShopService(){// 设置购物所需的时间setProcessingTime(15.0);// 设置购物所需的资源数量setResourceCapacity(5);}}

4. 数据收集与分析

4.1 收集仿真数据

1. 设置数据收集器：

   • 使用“Data Collector”工具设置数据收集器，收集旅客的到达时间、安检时间、购物时间、登机时间等数据。

2. 定义数据收集指标：

   • 例如，收集每个旅客的总等待时间、每个安检口的通过率、每个登机口的排队长度等。

// 数据收集器publicclassPassengerDataCollectorextendsDataCollector<Passenger>{publicPassengerDataCollector(){// 设置数据收集的变量addVariable("arrivalTime","double","agent.getArrivalTime()");addVariable("securityCheckTime","double","agent.getArrivalTime() + getSimulation().getEngine().getProcessStarttime(agent)");addVariable("shoppingTime","double","agent.hasShopped() ? agent.getArrivalTime() + getSimulation().getEngine().getProcessStarttime(agent) : 0");addVariable("boardingTime","double","agent.getArrivalTime() + getSimulation().getEngine().getProcessStarttime(agent) + getSimulation().getEngine().getProcessDuration(agent)");}}

4.2 分析仿真结果

1. 使用图表展示数据：

   • 使用“Chart”工具展示仿真结果，例如旅客的总等待时间分布图、安检口的通过率图、登机口的排队长度图等。

2. 输出仿真报告：

   • 使用“Output”工具输出仿真报告，包括统计数据和图表。

// 仿真结果分析publicclassSimulationResults{publicvoidanalyze(){// 获取数据收集器PassengerDataCollectordataCollector=(PassengerDataCollector)getSimulation().getEngine().getDataCollector("passengerDataCollector");// 分析数据double[]arrivalTimes=dataCollector.getValues("arrivalTime");double[]securityCheckTimes=dataCollector.getValues("securityCheckTime");double[]shoppingTimes=dataCollector.getValues("shoppingTime");double[]boardingTimes=dataCollector.getValues("boardingTime");// 计算每个旅客的总等待时间double[]totalWaitTimes=newdouble[arrivalTimes.length];for(inti=0;i<arrivalTimes.length;i++){totalWaitTimes[i]=boardingTimes[i]-arrivalTimes[i];}// 输出统计数据System.out.println("Total number of passengers: "+arrivalTimes.length);System.out.println("Average total wait time: "+average(totalWaitTimes)+" minutes");System.out.println("Maximum total wait time: "+max(totalWaitTimes)+" minutes");System.out.println("Minimum total wait time: "+min(totalWaitTimes)+" minutes");// 创建图表createChart(totalWaitTimes,"Total Wait Time Distribution","Passenger ID","Wait Time (minutes)");}// 计算平均值privatedoubleaverage(double[]data){doublesum=0.0;for(doublevalue:data){sum+=value;}returnsum/data.length;}// 计算最大值privatedoublemax(double[]data){doublemax=data[0];for(doublevalue:data){if(value>max){max=value;}}returnmax;}// 计算最小值privatedoublemin(double[]data){doublemin=data[0];for(doublevalue:data){if(value<min){min=value;}}returnmin;}// 创建图表privatevoidcreateChart(double[]data,Stringtitle,StringxLabel,StringyLabel){// 使用 AnyLogic 内置的图表工具Chartchart=newChart(title);chart.setXLabel(xLabel);chart.setYLabel(yLabel);chart.addSeries("Total Wait Time",data);add(chart);}}

5. 优化与改进

5.1 优化安检过程

1. 增加安检资源：

   • 通过增加安检口的数量或提高安检效率，减少旅客的等待时间。

2. 调整安检时间：

   • 根据仿真结果，调整安检所需的时间，使其更符合实际情况。

5.2 优化登机口排队

1. 增加登机口资源：

   • 通过增加登机口的数量或提高登机效率，减少旅客的等待时间。

2. 调整登机时间：

   • 根据仿真结果，调整登机所需的时间，使其更符合实际情况。

5.3 优化购物行为

1. 增加商店资源：

   • 通过增加商店的数量或提高商店的服务效率，减少旅客的等待时间。

2. 调整购物时间：

   • 根据仿真结果，调整购物所需的时间，使其更符合实际情况。

5.4 仿真结果的敏感性分析

1. 设置参数变化范围：

   • 通过设置不同的参数变化范围，进行敏感性分析，例如安检口数量、登机口数量、商店数量等。

2. 运行多组仿真：

   • 运行多组仿真实验，分析不同参数对仿真结果的影响。

// 敏感性分析publicclassSensitivityAnalysis{publicvoidrun(){// 设置参数变化范围int[]securityCheckCapacity={2,3,4,5};int[]boardingGateCapacity={4,5,6,7};int[]shopCapacity={3,4,5,6};// 运行多组仿真实验for(intsecuritycapacity:securityCheckCapacity){for(intboardingcapacity:boardingGateCapacity){for(intshopcapacity:shopCapacity){// 设置当前参数SecurityQueuesecurityQueue=(SecurityQueue)getSimulation().getEngine().getElement("securityQueue");BoardingQueueboardingQueue=(BoardingQueue)getSimulation().getEngine().getElement("boardingQueue");ShopQueueshopQueue=(ShopQueue)getSimulation().getEngine().getElement("shopQueue");securityQueue.setCapacity(securitycapacity);boardingQueue.setCapacity(boardingcapacity);shopQueue.setCapacity(shopcapacity);// 运行仿真getSimulation().getEngine().run();// 收集仿真结果SimulationResultsresults=newSimulationResults();results.analyze();// 记录当前参数和结果System.out.println("Security Check Capacity: "+securitycapacity);System.out.println("Boarding Gate Capacity: "+boardingcapacity);System.out.println("Shop Capacity: "+shopcapacity);System.out.println("Average total wait time: "+results.getAverageWaitTime()+" minutes");System.out.println("Maximum total wait time: "+results.getMaxWaitTime()+" minutes");System.out.println("Minimum total wait time: "+results.getMinWaitTime()+" minutes");System.out.println("-------------------------------------------------");}}}}}

6. 结论

通过本案例研究，我们展示了如何在 AnyLogic 中进行机场旅客流动仿真。通过设置仿真环境、定义人群代理和行为、收集和分析数据，我们可以更好地理解旅客在机场的行为模式，并通过优化安检过程、登机口排队和购物行为，提高机场的运营效率和旅客的满意度。敏感性分析进一步帮助我们确定最优的资源配置方案，为机场的运营管理提供科学依据。