基于Anylogic的地鐵車站集散能力仿真分析評(píng)估

李洪旭，李海鷹，樊 校，許心越

（1.北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京100044；2.中鐵特貨汽車物流有限責(zé)任公司，北京100070）

AnyLogic仿真軟件是一個(gè)專業(yè)虛擬原型環(huán)境，用于設(shè)計(jì)離散、連續(xù)和混合行為的復(fù)雜系統(tǒng)。利用AnyLogic實(shí)現(xiàn)地鐵車站設(shè)備設(shè)施的建模，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的仿真場(chǎng)景，對(duì)乘客在車站內(nèi)的集散過(guò)程進(jìn)行仿真，研究車站設(shè)備設(shè)施的利用情況并分析評(píng)估，為軌道交通車站的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支持。

1 地鐵車站乘客集散過(guò)程建模分析

1.1 車站設(shè)施

城市軌道交通車站內(nèi)部設(shè)施由交通工具服務(wù)設(shè)施、乘客服務(wù)設(shè)施和信息誘導(dǎo)設(shè)施3部分組成，它們相互制約、相互協(xié)調(diào)，充分發(fā)揮各自的功能和優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)達(dá)到整體功能的最優(yōu)化，為實(shí)現(xiàn)出行者乘行舒適、安全快捷的目標(biāo)而服務(wù)。本文仿真研究的主要設(shè)施是交通工具服務(wù)設(shè)施和乘客服務(wù)設(shè)施，見圖1。

圖1 城市軌道交通車站內(nèi)部設(shè)施

1.2 行人及車流參數(shù)確定

行人的宏觀交通行為是大量的行人在某一時(shí)段某一區(qū)域內(nèi)所呈現(xiàn)的速度、流量、密度之間相互關(guān)系的集體特性。行人流的宏觀輸入?yún)⒘恐饕ㄋ俣?、人群、?lái)源等。

在設(shè)置人群參數(shù)時(shí)按社會(huì)關(guān)系分為上學(xué)、上班、購(gòu)物以及其他4組人群，對(duì)應(yīng)Anylogic軟件里的行人流，通過(guò)設(shè)置不同速度對(duì)其進(jìn)行分類。根

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，各組行人的速度參數(shù)如表1。

表1 不同人群速度

不同時(shí)間段各類人群的比例如表2。

表2 不同人群比例

當(dāng)行人經(jīng)過(guò)扶梯或者排隊(duì)進(jìn)站時(shí)會(huì)不自覺(jué)地形成臨時(shí)群，這時(shí)需對(duì)行人進(jìn)行統(tǒng)一分類，也就是區(qū)別于行人在流動(dòng)中的屬性，而4組人群在排隊(duì)處或者扶梯處所表現(xiàn)的特性大體沒(méi)有區(qū)別，所以當(dāng)4組行人流經(jīng)過(guò)排隊(duì)區(qū)域或扶梯區(qū)域要統(tǒng)一進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。針對(duì)各個(gè)工作區(qū)域的特點(diǎn)定義人群的停留時(shí)間分別為：售票口5 s，自動(dòng)售票機(jī)8 s，進(jìn)站閘機(jī)3 s。

按照不同時(shí)段的客流量確定列車間隔時(shí)間，早晚高峰3 min，非高峰5 min。

2 地鐵車站乘客集散過(guò)程仿真建模

2.1 系統(tǒng)中的對(duì)象

對(duì)象類構(gòu)成地鐵車站模型的基本元素包括行人產(chǎn)生源、車流、售票系統(tǒng)、進(jìn)站排隊(duì)系統(tǒng)等。行人產(chǎn)生源主要是行人模擬的產(chǎn)生點(diǎn)，運(yùn)用Anylogic中的source組件來(lái)實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生行人的位置在進(jìn)站口及換乘口，產(chǎn)生客流量主要根據(jù)調(diào)查的數(shù)據(jù)來(lái)確定。

2.2 系統(tǒng)中的模塊及其運(yùn)行流程

系統(tǒng)中的資源網(wǎng)絡(luò)模塊主要用于模擬車站乘客集散過(guò)程中車站設(shè)備的利用情況；流程處理模塊主要是為了模擬乘客集散的具體處理過(guò)程；動(dòng)畫模塊則是為了直觀的反應(yīng)客流在車站內(nèi)移動(dòng)的情況。

資源網(wǎng)絡(luò)模塊主要包括進(jìn)站乘客流程及出站乘客流程，如圖2和圖3。

流程處理模塊對(duì)車站集散系統(tǒng)的基本功能進(jìn)行模擬，主要有行人流與列車流，行人流又包括進(jìn)站流及出站流。根據(jù)資源網(wǎng)絡(luò)模塊對(duì)進(jìn)出站乘客流程的分析在軟件中嵌入對(duì)象如圖4。

圖2 進(jìn)站乘客流程

圖3 出站乘客流程

圖4 軟件客流進(jìn)站模塊

動(dòng)畫模塊可以結(jié)合網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)車站乘客集散實(shí)際過(guò)程的直觀再現(xiàn)。這個(gè)模塊主要運(yùn)用Anylogic的Group來(lái)構(gòu)建動(dòng)畫組，分別定義各個(gè)分區(qū)節(jié)點(diǎn)（包括通道、安檢區(qū)、進(jìn)站區(qū)、出站區(qū)、換乘區(qū)、候車區(qū)等）的位置以及行人的流線，再將其加入Group，在Network中定義動(dòng)畫網(wǎng)絡(luò)。

3 車站集散能力評(píng)估與分析

3.1 車站集散能力評(píng)估指標(biāo)

（1）乘客空間占用量

通過(guò)計(jì)算出相應(yīng)設(shè)施的乘客空間占用量，評(píng)估設(shè)施服務(wù)水平。服務(wù)水平是疏散效率和步行舒適度的綜合評(píng)價(jià)，通常使用單個(gè)行人能夠使用的空間面積來(lái)表示，隨著密度的增大，服務(wù)水平逐漸下降。

（2）設(shè)施平均排隊(duì)長(zhǎng)度

此項(xiàng)指標(biāo)主要考慮客流在安檢口、進(jìn)出站閘機(jī)等設(shè)施的等待隊(duì)列，可以反應(yīng)進(jìn)出站、檢票等資源是否足夠。

L隊(duì)=∑L隊(duì),i/Ni

式中：Ni為仿真時(shí)間的取值時(shí)刻點(diǎn)總數(shù)；L隊(duì),i為第i個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的客流排隊(duì)長(zhǎng)度。

3.2 車站集散能力仿真評(píng)估

宣武門站是北京地鐵2號(hào)線與4號(hào)線的交匯點(diǎn)，共有8個(gè)出口。

實(shí)際調(diào)研觀察，宣武門車站各個(gè)時(shí)段的設(shè)備利用程度有很大的區(qū)別，所以本文分別針對(duì)不同時(shí)段對(duì)設(shè)施的利用情況進(jìn)行分析評(píng)估。

3.2.1 非高峰期集散能力評(píng)估

非高峰時(shí)段，進(jìn)出站乘客的數(shù)量很少，進(jìn)出站設(shè)備的利用率較小，安檢區(qū)域及閘機(jī)的排隊(duì)區(qū)域不存在乘客擁擠現(xiàn)象，而大量的換乘乘客占據(jù)著換乘區(qū)域的設(shè)施，所以主要分析換乘設(shè)施的使用情況。實(shí)驗(yàn)中將換乘區(qū)域面積設(shè)置為10m2，對(duì)換乘出口的排隊(duì)隊(duì)列情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，圖5為非高峰期仿真場(chǎng)景及統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖5 非高峰期換乘客流展示

圖6 換乘口區(qū)域客流統(tǒng)計(jì)

圖6中在沒(méi)有列車經(jīng)過(guò)時(shí)，換乘口設(shè)定區(qū)域的人數(shù)為0，當(dāng)列車到達(dá)時(shí)，大量乘客涌向換乘口，區(qū)域的人數(shù)統(tǒng)計(jì)量上升，從第4 min開始，區(qū)域人數(shù)呈上升趨勢(shì)，上升到第5 min時(shí)人數(shù)達(dá)到這一階段的高峰，之后人數(shù)開始下降，最終客流疏散結(jié)束，整個(gè)過(guò)程大概持續(xù)2 min，在這個(gè)過(guò)程中，區(qū)域的人數(shù)變化如表3。

表3 換乘口區(qū)域服務(wù)情況

非高峰期時(shí)段到達(dá)車流保持在一個(gè)較低的水平，給乘客很多的換乘時(shí)間，但當(dāng)兩個(gè)方向的車流同時(shí)到達(dá)車站時(shí)，乘客數(shù)量會(huì)大大增加，在仿真的30 min～45 min時(shí)間段，由于兩個(gè)方向的列車同時(shí)到達(dá)，客流量明顯增多，所以客流的疏散時(shí)間延長(zhǎng)，而且客流的高峰值增大為14人，此時(shí)客流空間占有量為0.7m2/人，呈現(xiàn)擁擠狀態(tài)，這時(shí)換乘口疏散能力的服務(wù)水平等級(jí)下降，但并沒(méi)有達(dá)到阻滯狀態(tài)，所以在非高峰期，換乘口乃至整個(gè)車站的集散能力一定程度上能滿足客流量的變化。

3.2.2 高峰期集散能力評(píng)估

高峰期時(shí)段上班、上學(xué)等人群大量涌入地鐵車站，使得站內(nèi)客流大大增多，對(duì)車站的集散設(shè)施提出了更高要求。圖7為進(jìn)站客流經(jīng)過(guò)安檢區(qū)域、自動(dòng)售票機(jī)區(qū)域以及人工售票區(qū)域的排隊(duì)情況。

圖7 進(jìn)站各區(qū)域客流統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)可得出安檢口的乘客平均排隊(duì)人數(shù)為9人；自動(dòng)售票機(jī)的乘客平均排隊(duì)人數(shù)為5人；人工售票區(qū)的乘客平均排隊(duì)人數(shù)為1人。在客流量增多時(shí)，安檢處的排隊(duì)人數(shù)處于擁擠的狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)中最高值達(dá)到15人，形成這一情況的原因主要是安檢機(jī)的數(shù)量只有1臺(tái)，而且位于一個(gè)進(jìn)站口的盡頭處，這一側(cè)的乘客需繞到另一側(cè)才能經(jīng)過(guò)進(jìn)站閘機(jī)進(jìn)站，在這個(gè)過(guò)程中，乘客的不必要路徑較多，使設(shè)施的集散能力不能發(fā)揮到最大。

應(yīng)用軟件建立另一場(chǎng)仿真場(chǎng)景，同時(shí)放入進(jìn)站客流及出站客流，圖8為進(jìn)站客流經(jīng)過(guò)安檢區(qū)域與出站客流經(jīng)過(guò)出站閘機(jī)區(qū)域的排隊(duì)情況。

圖8 進(jìn)出站各區(qū)域客流排隊(duì)統(tǒng)計(jì)

鑒于進(jìn)出站口設(shè)施的布置情況，進(jìn)站區(qū)域的數(shù)據(jù)采集處為安檢機(jī)前的排隊(duì)區(qū)域，乘客平均排隊(duì)人數(shù)為5人；出站閘機(jī)區(qū)域處的乘客平均排隊(duì)人數(shù)為9人。出站閘機(jī)前的排隊(duì)人數(shù)是隨著列車流的到達(dá)呈現(xiàn)上升和下降的趨勢(shì)，列車到達(dá)時(shí)，大量乘客涌向出站閘機(jī)，最高人數(shù)達(dá)到12～14人不等，使區(qū)域的乘客空間占有量減少，呈現(xiàn)擁擠狀態(tài)，隨著乘客的疏散，區(qū)域人數(shù)開始下降，最終趨近于自由或半自由狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

從上述仿真結(jié)果來(lái)看，車站存在一些問(wèn)題，例如設(shè)施布置不合理，設(shè)備利用情況不充分等。針對(duì)車站提出的2點(diǎn)優(yōu)化：（1）將安檢機(jī)布置在與進(jìn)出站閘機(jī)距離較遠(yuǎn)的位置，使三者間的干擾減少，提高客流集散能力。（2）適當(dāng)增設(shè)閘機(jī)、安檢機(jī)及售票機(jī)的數(shù)量提高車站客流集散能力。閘機(jī)應(yīng)盡量選擇布置在與進(jìn)站通道的水平線距離較遠(yuǎn)的位置，這樣可以起到緩沖的效果。

[1] 許婷. 城市軌道交通樞紐行人微觀行為機(jī)理及組織方案研究[D] . 北京：北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

[2] 桂壽平，吳冬玲. 基于Anylogic的五階供應(yīng)鏈仿真建模與分析[J] . 改革與戰(zhàn)略，2009，25（185）：159-162.

[3] 呂 鵬.地鐵車站乘客集散仿真研究及其在設(shè)施協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[D] . 北京：北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

[4] 蔡龍軍. 地鐵樞紐站微觀客流集散模型及仿真[D] . 北京：北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[5] 錢澤林. 基于有效管理的地鐵換乘站設(shè)施設(shè)備布置方法研究[D] . 北京：北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

[6] 李三兵. 城市軌道交通車站客流特征與服務(wù)設(shè)施的關(guān)系研究[D] . 北京：北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.