大型鐵路客運(yùn)站客流組織的動(dòng)態(tài)仿真與評(píng)價(jià)分析

王彥杰 張 喜

（北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院 北京100044）

0 引 言

大型鐵路客運(yùn)站是旅客集散的重要節(jié)點(diǎn)，在實(shí)際的運(yùn)營管理中，應(yīng)該保證旅客集散的便利性、候乘的舒適性和服務(wù)的高質(zhì)性［1］。這就需要通過有效的技術(shù)手段實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)并及時(shí)改善大型鐵路客運(yùn)站客流組織所存在的現(xiàn)實(shí)問題，為客流組織的運(yùn)營管理提供決策支持。分析大型鐵路客運(yùn)站的客流組織管理問題，主要集中在對(duì)旅客行為的研究，特別是在客流高峰期，客流量大、設(shè)備能力緊張，更加需要各項(xiàng)設(shè)備設(shè)施的綜合利用，更加需要進(jìn)行整體的協(xié)調(diào)和優(yōu)化。若要利用有效的手段分析和改進(jìn)優(yōu)化方案，不易選擇建立數(shù)學(xué)模型，但可以通過微觀動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而提高客流組織優(yōu)化方案的針對(duì)性和可操作性［2］。

Any Logic軟件是俄羅斯XJ Technologies公司研發(fā)的復(fù)雜系統(tǒng)微觀仿真軟件。其核心算法為社會(huì)力模型，能夠模擬人流的自組織現(xiàn)象，仿真人流行為變化，適合研究大型客運(yùn)站復(fù)雜的客流組織情況。該軟件具有開發(fā)式的體系結(jié)構(gòu)，支持二次開發(fā)，且能與交通庫一起實(shí)現(xiàn)人車混合仿真，為復(fù)雜的客流仿真建模提供了更好的靈活性［3］。Any Logic中的行人仿真建模包括環(huán)境建立、流程設(shè)計(jì)、仿真運(yùn)行和結(jié)果分析等步驟。而北京南站作為一個(gè)規(guī)模宏大的5層立體化交通樞紐，分為地上2層和地下3層，是大型鐵路客運(yùn)站中的典型代表。地上2層又分為高架層和平層。北京南站高架層為鐵路旅客進(jìn)站層，是實(shí)現(xiàn)城市內(nèi)部和外部交通重要的銜接處。那么，高架層的客流組織運(yùn)營管理問題就顯得尤為重要。因此，本文將針對(duì)北京南站高架層高峰期客流組織的復(fù)雜性，分析其站內(nèi)功能區(qū)位布局及客流流線，利用Any－Logic軟件對(duì)其客流組織進(jìn)行微觀動(dòng)態(tài)仿真建模，給出仿真結(jié)果并提出優(yōu)化方案，為實(shí)際運(yùn)營管理提供決策支持意見，以期說明Any Logic的動(dòng)態(tài)仿真建模能夠針對(duì)大型鐵路客運(yùn)站客流組織的問題提供切實(shí)可行的建議。

1 Any Logic動(dòng)態(tài)仿真與評(píng)價(jià)模型

1.1 模型假設(shè)條件

若要利用計(jì)算機(jī)程序?qū)ΜF(xiàn)實(shí)的運(yùn)作系統(tǒng)建立動(dòng)態(tài)仿真模型，就需要將系統(tǒng)的實(shí)際條件簡(jiǎn)化為更有利于計(jì)算機(jī)表達(dá)和研究的假設(shè)條件。由于大型鐵路客運(yùn)站客流組織的復(fù)雜性，在建立仿真模型時(shí)，既從實(shí)際出發(fā)，又要做一定的假設(shè)。

在總體設(shè)計(jì)方面，主要假設(shè)：模型主要仿真大型鐵路客運(yùn)站內(nèi)旅客乘車流程；忽略只是訂票的情況，把購票行為包括于候車大廳行為；考慮出現(xiàn)服務(wù)臺(tái)繁忙的各種情況；忽略旅客在行走進(jìn)程中逗留和購物對(duì)排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響。

在旅客和服務(wù)設(shè)備方面，主要假設(shè)：旅客到達(dá)流服從量化的泊松分布；旅客到達(dá)數(shù)量采用高峰時(shí)段內(nèi)列車時(shí)刻表的相應(yīng)數(shù)據(jù)；假設(shè)各檢票機(jī)服務(wù)率相同；假設(shè)各安檢機(jī)服務(wù)率相同。

1．2 模型算法描述

作為Any Logic軟件的核心算法，社會(huì)力模型是一種真實(shí)地反映行人走行軌跡的連續(xù)空間模型。該模型基于多粒子自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的框架，假定組成人群的個(gè)體具有思考和對(duì)周圍環(huán)境做出反應(yīng)的能力，把人的主觀愿望、人和人之間的相互關(guān)系以及人與環(huán)境之間的相互影響用社會(huì)力的概念來描述［4］。所謂社會(huì)力，就是行人個(gè)體之間以及行人與障礙物或其他建筑結(jié)構(gòu)之間的非線性作用。

社會(huì)力模型認(rèn)為人的行為具有4個(gè)方面的特點(diǎn)［5］：①行人中的個(gè)體都希望盡量自然地行進(jìn)一段距離，這促使自己總會(huì)選擇一條盡可能短的徑路到達(dá)目的地；②個(gè)體的行為會(huì)受到其它行人的影響。個(gè)體行進(jìn)中不會(huì)與陌生人靠的過近。當(dāng)個(gè)體路遇前方有行人或者物體時(shí)，會(huì)自然地減小速度以免發(fā)生相撞。行人通常也會(huì)與建筑物邊界或障礙物等保持一定的距離；③行人有時(shí)候容易被其他人（例如熟人、家庭成員）、物體（例如個(gè)人物品、喜愛的商品）和事件（例如爭(zhēng)端、公告板）等吸引；④不同情況下行人有不同的期望速度，例如，在前方?jīng)]有阻礙的情況下，行人會(huì)自動(dòng)地加速到期望速度。

針對(duì)作為連續(xù)型微觀仿真模型反映行人軌跡并考慮行為特點(diǎn)的社會(huì)力模型，Helbing［6］等認(rèn)為行人共受到3種作用力的影響：①自我意識(shí)力，即主觀意識(shí)對(duì)個(gè)體自身行為的影響，是一種個(gè)體自己施加的“社會(huì)力”，體現(xiàn)行人的一種主觀欲望，就是想以希望的速度到達(dá)自己的目的地；②人與人之間的作用力，指人與人之間希望保持一定距離而產(chǎn)生的那種排斥力；③人與邊界之間的作用力，指人希望與邊界或障礙之間保持一定距離而產(chǎn)生的那種主觀意識(shí)上的排斥力。作用力的影響可以用一個(gè)方程組來量化：

式中：sx為行人x的空間位置向量；vx（t）為行人x的速度；Fx（t）為社會(huì)力；γx（t）為反映隨機(jī)行為偏差的擾動(dòng)項(xiàng)；Fox（vx）為加速力；Fxb（sx）為人與邊界之間的作用力；Fxy（sx，vx，sy，vy）為行人x與其他行人y之間的作用力；Fxi（sx，si，t）為吸引效果。

1．3 仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文主要針對(duì)旅客乘車行程的流暢性和設(shè)備綜合利用的效率性2個(gè)方面來評(píng)價(jià)大型鐵路客運(yùn)站客流組織仿真運(yùn)行方案的優(yōu)劣。其具體評(píng)價(jià)指標(biāo)［7］的量化分析如下。

式中：tk為站內(nèi)某條主要流線上某旅客k的逗留時(shí)間；n為站內(nèi)某條主要流線上旅客的數(shù)量。在距離相同的情況下,值越大說明這條流線上越擁堵，旅客行走越不順暢，從而發(fā)現(xiàn)流線上的瓶頸所在。

式中：qk為站內(nèi)某條主要流線上旅客排隊(duì)的長度；n為站內(nèi)主要流線的數(shù)量。值越大說明客運(yùn)站內(nèi)旅客排隊(duì)現(xiàn)象越嚴(yán)重，設(shè)備綜合利用率越低。

1．4 仿真建模過程

Any Logic動(dòng)態(tài)仿真模型的操作由基礎(chǔ)仿真平臺(tái)和企業(yè)庫等實(shí)現(xiàn)。分析大型鐵路客運(yùn)站復(fù)雜的客流組織流線，主要研究的是旅客行為。所以，本文利用行人庫建立模型進(jìn)行仿真。具體的仿真建模過程見圖1。

圖1 仿真建模過程Fig．1 The process of simulation and modeling

2 大型鐵路客運(yùn)站客流組織仿真實(shí)例

2．1 站內(nèi)仿真環(huán)境設(shè)計(jì)

客運(yùn)站以北京南站高架層為例，其主要功能為旅客購票、進(jìn)站以及商務(wù)活動(dòng)等。該層的中央?yún)^(qū)域是獨(dú)立的候車室，東西兩側(cè)是高架環(huán)形道的進(jìn)站大廳，南北兩側(cè)是連接著平層南北廣場(chǎng)地面進(jìn)站廳和地下一層換乘區(qū)的共享空間。具體而言，高架層的中間候車室進(jìn)站大廳由北向南依次為普速進(jìn)站廳、北高速進(jìn)站廳、南高速進(jìn)站廳、城際進(jìn)站廳。高架層主要仿真設(shè)備包括閘機(jī)、售票口、安檢口和手扶梯。其中，閘機(jī)采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，長度為1.86 m，寬度為0.53 m，通過速度為1.37 m／s，服務(wù)時(shí)間為2 s［8］。鑒于北京南站高架層運(yùn)營管理的實(shí)際需求，在進(jìn)行高架層預(yù)案仿真時(shí)，考慮2方面的因素：仿真總?cè)藬?shù)和設(shè)備個(gè)數(shù)。

根據(jù)高架層的客服設(shè)備設(shè)置，導(dǎo)入仿真底圖模型。按照實(shí)際底圖比例使用折線繪制仿真動(dòng)畫見圖2。（圖中“×”代表西北、東北、西南、東南4個(gè)方向）。

圖2 高架層仿真動(dòng)畫Fig.2 The simulation animation of elevated layer

2.2 仿真流線流程設(shè)計(jì)

流線是指在綜合交通樞紐內(nèi)，由于各類人員、車輛及物品的集散活動(dòng)而產(chǎn)生的一定的流動(dòng)過程和流動(dòng)路線。北京南站高架層主要是進(jìn)站流線：旅客進(jìn)站→安檢→購票→托運(yùn)行李→候車→檢票→進(jìn)入站臺(tái)。如果有已預(yù)購票或不托運(yùn)行李的旅客，可不全按照上述流程進(jìn)行。高架層的客流活動(dòng)頻繁，是整個(gè)北京南站較易產(chǎn)生瓶頸的地方，其仿真流線流程設(shè)計(jì)要盡量全面和準(zhǔn)確。根據(jù)仿真的主要流線，用各個(gè)邏輯模塊設(shè)置各個(gè)服務(wù)設(shè)備的參數(shù)，建立出仿真流程圖。

2.3 仿真結(jié)果與評(píng)價(jià)分析

仿真客流高峰期的流線情況，能更突出客流組織的瓶頸問題，更好反映大型鐵路客運(yùn)站運(yùn)營管理的短板。由調(diào)研數(shù)據(jù)知，北京南站高峰時(shí)段出現(xiàn)在07：00～08：00時(shí)之間，高峰小時(shí)客流量仿真設(shè)計(jì)為9 478人／h。將到達(dá)高架層的總?cè)藬?shù)按一定的設(shè)計(jì)比例分配到各進(jìn)站口進(jìn)行仿真。高峰小時(shí)到達(dá)人數(shù)分配見表1。

通過仿真運(yùn)行，輸出數(shù)據(jù)結(jié)果?？梢缘玫礁鬟M(jìn)站口在購票或不購票情況下到各候車室檢票上車對(duì)應(yīng)流線上的逗留時(shí)間的具體數(shù)據(jù)。通過運(yùn)用公式（4）計(jì)算出各進(jìn)站口對(duì)應(yīng)流線上的平均逗留時(shí)間，見表2。

表1 各進(jìn)站口高峰小時(shí)到達(dá)人數(shù)分配表Tab.1 Arrival distribution per peak hour of entrances（p／h） 人／h

表2 各進(jìn)站口對(duì)應(yīng)流線上的逗留時(shí)間Tab.2 Sojourn time on corresponding flow lines of entrances min

由表2可見，由南北手扶梯入口進(jìn)來的旅客去乘車所花費(fèi)的時(shí)間比由東西2個(gè)入口進(jìn)來的旅客去乘車所花費(fèi)的時(shí)間要長，有的逗留時(shí)間幾乎是后者的2倍。而按照北京南站高架層實(shí)際的功能區(qū)位空間布局來講，整體上說從各個(gè)入口進(jìn)來的客流所花費(fèi)的時(shí)間均值應(yīng)該是在差不多的水平上。因此可以看出，由南北手扶梯入口進(jìn)來的旅客到乘車的這些流線上存在阻礙旅客行走的瓶頸。同樣地，通過仿真輸出的作為設(shè)備綜合利用率評(píng)價(jià)指標(biāo)的設(shè)備平均排隊(duì)長度的數(shù)據(jù)結(jié)果也可以反映出這一問題，見表3。

表3 仿真設(shè)備的平均排隊(duì)長度Tab.3 Average queue length of simulation equipments

分析輸入的仿真數(shù)據(jù)和輸出的仿真設(shè)備平均排隊(duì)長度，可以看出，在高峰小時(shí)期間，高架層的行走旅客以設(shè)定的速率進(jìn)站，在所有仿真設(shè)備全部開放的情況下，南和北安檢口會(huì)出現(xiàn)平均排隊(duì)長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10人／h的擁堵現(xiàn)象，即瓶頸所在，而其他設(shè)備的平均排隊(duì)長度都在10人／h以下，設(shè)備使用效率較好。南北安檢口的瓶頸出現(xiàn)主要是由于設(shè)備數(shù)量少，而通過的旅客數(shù)量大造成的。

綜上所述，仿真設(shè)計(jì)的北京南站高架層瓶頸主要出現(xiàn)在南北進(jìn)站的安檢口和手扶梯出口的地方。然后，更改軟件動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)的仿真變量參數(shù)，并且事先設(shè)定一定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為設(shè)備平均排隊(duì)長度控制在10人／h以下，旅客處在可以接受狀態(tài)，設(shè)備效率較高。通過對(duì)各種仿真數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合分析，選出切實(shí)可行的最優(yōu)方案，提出相應(yīng)的決策意見。最終，方案可以采取下面2個(gè)具體措施：

1）若高峰小時(shí)總?cè)藬?shù)不變，就需增加南北進(jìn)站口安檢設(shè)備數(shù)量。在空間允許的情況下，將南北進(jìn)站口的安檢設(shè)備數(shù)目均增加為8臺(tái)時(shí)，在北安檢設(shè)備、普速人工檢票閘機(jī)處出現(xiàn)平均排隊(duì)長度為10人／h的臨界擁堵現(xiàn)象，此時(shí)整體系統(tǒng)最優(yōu)。

2）若仿真設(shè)備數(shù)量不變的情況下，在高峰小時(shí)疏導(dǎo)南北手扶梯口旅客進(jìn)入人數(shù)方面看，將南北進(jìn)站口的人數(shù)均控制在600人／h、東西進(jìn)站口人數(shù)保持在948人不變時(shí)，在北安檢設(shè)備處會(huì)出現(xiàn)平均排隊(duì)長度為10人的臨界擁堵現(xiàn)象，此時(shí)整體系統(tǒng)最優(yōu)。

3 結(jié)束語

本文建立了基于Any Logic軟件分析與評(píng)價(jià)大型鐵路客運(yùn)站客流組織的動(dòng)態(tài)仿真模型，設(shè)定了仿真建模過程。通過北京南站高架層作為實(shí)例，運(yùn)用Any Logic軟件對(duì)高架層功能區(qū)位布局、客流組織現(xiàn)狀進(jìn)行仿真導(dǎo)入，建立旅客行走模型、客流流程圖，并按照客流流線評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)置結(jié)果設(shè)計(jì)變量，對(duì)站內(nèi)旅客行走進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，再通過對(duì)得出的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出客運(yùn)站客流瓶頸所在并提出相應(yīng)的兩種優(yōu)化方案。根據(jù)高架層的實(shí)際情況，2種優(yōu)化措施可以同時(shí)并行，以期更有效地提高客流組織的疏導(dǎo)和管理能力。

結(jié)果表明，應(yīng)用Any Logic仿真軟件分析和評(píng)價(jià)大型客運(yùn)站的客流組織是一種比較實(shí)用的方法。Any Logic軟件通過檢售票系統(tǒng)設(shè)備、安全檢查系統(tǒng)設(shè)備和候車系統(tǒng)設(shè)備等進(jìn)行客流分布動(dòng)態(tài)仿真分析和評(píng)價(jià)，能夠找出大型客運(yùn)站客流組織的瓶頸所在，輸出解決瓶頸的優(yōu)化方案，為大型客運(yùn)站的客流組織運(yùn)營管理的決策提供依據(jù)，提出可行性建議。不過，本文簡(jiǎn)化了實(shí)際情況，提出了假設(shè)條件，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)又處在不斷變化的狀態(tài)。應(yīng)用此Any Logic仿真模型能否為將來實(shí)際大型鐵路客運(yùn)站提供更加實(shí)時(shí)、滿意的優(yōu)化方案，有待進(jìn)一步的研究。

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