基于客流流線的地鐵站檢票閘機(jī)布設(shè)研究

莫 逆 周冠宇 楊 露

（北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，100044，北京∥第一作者，本科生）

基于客流流線的地鐵站檢票閘機(jī)布設(shè)研究

莫 逆 周冠宇 楊 露

（北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，100044，北京∥第一作者，本科生）

分析了北京軌道交通車站行人在檢票進(jìn)站環(huán)節(jié)的閘機(jī)選擇的行為，提出近端閘機(jī)的概念與行人優(yōu)先選擇近端閘機(jī)的進(jìn)站流程假設(shè)，并通過實(shí)地調(diào)研分析建立了該假設(shè)的數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用仿真對常見的閘機(jī)布設(shè)方式進(jìn)行改進(jìn)研究，提出與客流流線呈傾斜角的閘機(jī)布設(shè)方式，通過仿真平臺(tái)進(jìn)行分析，該布設(shè)方式的最佳優(yōu)化效果可提高人均占有空間60.9%。得到不同客流量下的閘機(jī)布設(shè)建議，為新線站廳閘機(jī)布設(shè)提供新思路。

城市軌道交通；服務(wù)效率；建模仿真；閘機(jī)布設(shè)

First-author'saddressSchool of Traffic and Transportation，Beijing Jiaotong University，100044，Beijing，China

隨著地鐵系統(tǒng)不斷向著自動(dòng)化、人性化發(fā)展，城市軌道交通車站自動(dòng)售票（AFC）系統(tǒng)已經(jīng)成為地鐵站的標(biāo)準(zhǔn)配置系統(tǒng)。其終端自動(dòng)檢票閘機(jī)是限制車站乘客進(jìn)出站的重要服務(wù)設(shè)施。目前城市軌道交通車站內(nèi)的設(shè)施空間布局趨于模式化、簡單化，直接導(dǎo)致檢票閘機(jī)布設(shè)不合理，以致自動(dòng)檢票閘機(jī)常出現(xiàn)利用不均衡的現(xiàn)象。但在目前的設(shè)計(jì)規(guī)范和實(shí)際操作中，自動(dòng)檢票閘機(jī)的布設(shè)與分布缺少明確的、可操作性強(qiáng)的規(guī)定或說明［4］。

國內(nèi)對城市軌道交通站內(nèi)服務(wù)設(shè)施的布設(shè)已經(jīng)開展了一定的研究，文獻(xiàn)［1］對閘機(jī)組垂直和平行行人流線的兩種布設(shè)進(jìn)行了分析，得出了閘機(jī)實(shí)際的通行能力；文獻(xiàn)［2］提出了閘機(jī)組利用的不均衡度，在分析上海典型車站閘機(jī)利用不均的基礎(chǔ)上，提出了平行和垂直客流的差位布置閘機(jī)優(yōu)化方案；文獻(xiàn)［3］對城市軌道交通車站自動(dòng)檢票閘機(jī)配備數(shù)量進(jìn)行了探討；文獻(xiàn)［5］通過對行人面對樓梯和自動(dòng)扶梯的路徑選擇概率進(jìn)行研究，得到了行人路徑選擇概率與該路徑行走時(shí)間的Logit模型。

本文基于城市軌道交通車站乘客路徑選擇行為研究，分析乘客進(jìn)出自動(dòng)檢票閘機(jī)組（以下簡稱，閘機(jī)組）的利用效率，主要通過對閘機(jī)與行人流線之間角度的調(diào)整來達(dá)到提高閘機(jī)排隊(duì)區(qū)服務(wù)水平的目的。

1 檢票閘機(jī)典型布設(shè)方式

站廳是乘客集散的主要場所，站廳布局設(shè)計(jì)優(yōu)良能夠提升客流集散效率，減少人力投入，降低事故發(fā)生率。由于閘機(jī)與其他設(shè)施的相對布局決定了客流流線走向和流線規(guī)模，因此在站廳設(shè)計(jì)中顯得十分重要。

以北京軌道交通市區(qū)線路94個(gè)站廳為初步研究對象，對站廳閘機(jī)布設(shè)進(jìn)行分類。發(fā)現(xiàn)閘機(jī)與客流流線之間的關(guān)系主要可以分為兩類：閘機(jī)朝向與客流方向垂直布設(shè)；閘機(jī)朝向與客流方向平行布設(shè)（以下簡稱，平行式布設(shè)）。具體布設(shè)如圖1所示。前者，具有閘機(jī)處排隊(duì)方向與客流流線方向相同、標(biāo)識(shí)明顯等特點(diǎn)，有利于閘機(jī)的均衡利用，但實(shí)際應(yīng)用中對站廳空間要求較高；后者，進(jìn)站閘機(jī)朝向垂直于客流流線，使得閘機(jī)處排隊(duì)方向與客流流線相垂直，

與《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求相違背，易導(dǎo)致閘機(jī)間利用不均。

圖1 閘機(jī)組與客流流線平行（左）/垂直（右）布設(shè)示意圖

平行式布設(shè)是現(xiàn)階段主要閘機(jī)布設(shè)方式。北京市新修線路非換乘站中有62.77%的車站其進(jìn)站閘機(jī)組為平行式布設(shè)，對其研究分析具有典型代表性。

2 平行式布設(shè)客流特性分析

設(shè)施利用不均衡主要與城市軌道交通車站的設(shè)施空間布局和行人的路徑選擇行為特征兩個(gè)因素相關(guān)［6］。兩者密切相關(guān)，設(shè)施空間布局是乘客進(jìn)行路徑選擇的基礎(chǔ)。行人路徑選擇具有很大的靈活性且影響因素眾多。在客流量較小的情況下，行人面對一組檢票閘機(jī)時(shí)傾向于選擇距離最近的一個(gè)，這符合最短路徑的原則。但在客流量較大時(shí)，較近閘機(jī)出現(xiàn)排隊(duì)情況，此時(shí)行人選擇路徑的主要影響因素來自行人之間的作用，此時(shí)行為主要表現(xiàn)為行人的自組織行為［6］。

為進(jìn)一步了解閘機(jī)組平行式布設(shè)下的行人行為特征，選取北京軌道交通動(dòng)物園站與復(fù)興門站的進(jìn)站閘機(jī)作為研究對象。在對各閘機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，離行人到達(dá)口較近的兩個(gè)閘機(jī)所經(jīng)客流均占到總客流量的70%以上，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 檢票進(jìn)站客流分布情況

可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)站乘客一般會(huì)優(yōu)先選擇最短路徑。但由于近端閘機(jī)通過能力并不能承受全部客流，導(dǎo)致在較近閘機(jī)前形成瓶頸，其一般是由閘機(jī)前排隊(duì)空間不足造成。

2.1 近端閘機(jī)與遠(yuǎn)端閘機(jī)

由于在閘機(jī)平行式布設(shè)的情況下，客流一般會(huì)在較近閘機(jī)處發(fā)生擁堵，為方便區(qū)分，定義：在閘機(jī)平行式布設(shè)情況下，單個(gè)閘機(jī)組中距離乘客到達(dá)處較近且其通過人數(shù)占總通過人數(shù)70%以上的多個(gè)閘機(jī)為近端閘機(jī)，其余閘機(jī)都是遠(yuǎn)端閘機(jī)。

2.2 行人選擇閘機(jī)的影響因素分析

對行人選擇閘機(jī)的主要影響因素來自于行人與閘機(jī)的距離、閘機(jī)前是否擁擠和行人自身特性。其中平行式布設(shè)的主要的動(dòng)態(tài)影響因素是近端閘機(jī)是否擁擠。行人選擇閘機(jī)的判斷行為可簡化為圖2的判斷流程。

圖2 行人判斷流程圖

3 構(gòu)建行人選擇閘機(jī)行為數(shù)學(xué)模型

為能給行人判定閘機(jī)前是否擁擠這一行為一量化標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)地調(diào)研，將閘機(jī)前2.88 m2矩形面積內(nèi)的行人密度作為影響后續(xù)行人選擇近/遠(yuǎn)端閘機(jī)的重要影響因素。

在動(dòng)物園站，現(xiàn)場采集了一個(gè)高峰小時(shí)內(nèi)590組近端閘機(jī)前行人密度與行人選擇閘機(jī)情況的數(shù)據(jù)，并刪去一些壞值，最后得到559組有效數(shù)據(jù)。通過MATLAB曲線擬合，導(dǎo)出選擇遠(yuǎn)端閘機(jī)的人數(shù)與通過閘機(jī)總?cè)藬?shù)的比例（y）和近端閘機(jī)前行人密度（x）關(guān)系的曲線（見圖3）。曲線擬合度較高，且隨著近端閘機(jī)前行人密度的增加，y值逐漸趨于穩(wěn)定。

在x達(dá)到2以后，y值接近并穩(wěn)定于0.45；且實(shí)際觀測中，閘機(jī)前測試區(qū)密度難以達(dá)到3.5人/m2。行人仿真流程圖如圖4所示。

圖3 行人密度與遠(yuǎn)端閘機(jī)選擇比例的函數(shù)擬合

圖4 行人仿真流程

4 優(yōu)化方案與仿真評(píng)價(jià)

在閘機(jī)平行式布設(shè)的情況下，客流量不均勻分布、車站布局、閘機(jī)組布置以及行人路徑選擇偏好等都會(huì)引起閘機(jī)組利用不均衡的現(xiàn)象，導(dǎo)致車站的運(yùn)營組織管理不便。因此，通過適當(dāng)調(diào)整閘機(jī)組的布設(shè)，降低其利用的不均衡度，對提高設(shè)施利用率、減少乘客不必要的延誤等方面都有重要意義。針對閘機(jī)平行式布設(shè)，已有將閘機(jī)組每個(gè)閘機(jī)按其距離樓梯遠(yuǎn)近逐級(jí)遞進(jìn)靠前的優(yōu)化布置［2］。對其仿真得到了一定的改善效果，但仍存在因錯(cuò)位布設(shè)浪費(fèi)閘機(jī)通過能力，實(shí)際操作困難等問題。

4.1 有傾斜角式的閘機(jī)布設(shè)

受香港地鐵站進(jìn)站方向與客流方向呈傾斜角布置啟發(fā)，結(jié)合前文行人優(yōu)先選擇近端閘機(jī)的行為特性，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)提出了部分閘機(jī)朝向與行人流線呈一定傾斜角，同時(shí)其他閘機(jī)朝向不變的改善方案。即：讓選定傾斜的閘機(jī)以相鄰閘機(jī)組中心線一端點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心，以一個(gè)閘機(jī)的寬度為半徑旋轉(zhuǎn)（見圖5，其中α為傾斜角）。

圖5 閘機(jī)旋轉(zhuǎn)角度示意圖

為定量研究不同情況下的最優(yōu)角度和最優(yōu)傾斜閘機(jī)數(shù)，選取傾斜角度數(shù)和傾斜閘機(jī)數(shù)為變量，構(gòu)建了36組改進(jìn)仿真方案，以6臺(tái)閘機(jī)為一個(gè)閘機(jī)組，高峰客流為4 200人次/h的條件為基礎(chǔ)，進(jìn)行如下方案優(yōu)化（見圖6）：

（1）2臺(tái)近端閘機(jī)全傾斜，傾斜范圍為5°至80°，均勻間隔取12個(gè)方案；

（2）2臺(tái)近端閘機(jī)與1臺(tái)遠(yuǎn)端閘機(jī)傾斜，傾斜范圍為5°至60°，均勻間隔取12個(gè)方案；

（3）2臺(tái)近端閘機(jī)與2臺(tái)遠(yuǎn)端閘機(jī)傾斜，傾斜范圍為5°到45°，均勻間隔取12個(gè)方案。

在評(píng)定方案的優(yōu)化效果方面，選取6臺(tái)閘機(jī)前6塊試驗(yàn)區(qū)（1.80 m2）所測行人密度的方差與平均值作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中，方差的降低代表閘機(jī)利用分布均勻，平均值的降低代表進(jìn)站擁擠程度減弱，皆為改進(jìn)方向。將原始布置與改進(jìn)后布置相比可知，方差變化不大，平均值均有顯著地降低，仿真基本達(dá)到了優(yōu)化效果（見圖7）。

圖6 各優(yōu)化方案示意圖

圖7 平均密度與方差優(yōu)化前后比較

4.2 優(yōu)化方案評(píng)價(jià)

為選取最優(yōu)方案，將密度與方差進(jìn)行歸一化處理，其值分布在［0，1］。繼而，依據(jù)主觀經(jīng)驗(yàn)與相對重要程度比較，降低閘機(jī)前密度相比閘機(jī)均衡利用更具有實(shí)效性，因而賦予方差0.3、平均值0.7的權(quán)重并求和，最終得到同一客流強(qiáng)度、各個(gè)優(yōu)化方案的特征值。顯然，該特征值越大則優(yōu)化效果越好。

在數(shù)據(jù)處理方面，基于MATLAB對某一客流強(qiáng)度、某一近端閘機(jī)布置個(gè)數(shù)的情況下不同角度的特征值進(jìn)行曲線擬合，擬合區(qū)間為x∈［傾斜角α°，45°］，并選擇相關(guān)性較高的曲線。針對閘機(jī)平行式布設(shè)時(shí)高峰4 200人次/h的實(shí)際客流量得出各優(yōu)化方案特征值曲線圖，結(jié)果如圖8所示。

圖8 優(yōu)化方案特征值曲線圖

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，得出理論最優(yōu)情況為：2臺(tái)近端閘機(jī)傾斜26°（見圖9）。比較曲線可以發(fā)現(xiàn)，傾斜2臺(tái)閘機(jī)與傾斜4臺(tái)閘機(jī)的曲線都只有單個(gè)峰值；傾斜3臺(tái)閘機(jī)有2個(gè)峰值，說明傾斜角與特征之間有一定的波動(dòng)性。

5 不同人流量情況下的改進(jìn)方案

考慮到實(shí)際高峰小時(shí)客流量，在調(diào)整行人流量數(shù)據(jù)時(shí)分別設(shè)定其為3 200人次/h、2 200人次/h，得出不同客流量下的最優(yōu)改進(jìn)方案。其中：①4 200人次/ h客流量下傾斜3臺(tái)閘機(jī)；②2 200人次/h客流量下傾斜4臺(tái)閘機(jī)；③3 200人次/h客流量下傾斜4臺(tái)閘機(jī)。這3種情況下，曲線區(qū)間小、波動(dòng)劇烈、擬合相關(guān)性低，加之優(yōu)化時(shí)往往優(yōu)先考慮近端閘機(jī)少的情況進(jìn)行角度調(diào)整，故舍去這3種情況。最終的結(jié)果見表2。

圖9 26°傾斜角2閘機(jī)方案仿真界面

表2 不同客流量、近端閘機(jī)數(shù)情況下傾斜角度調(diào)整結(jié)果

在每種客流情況下，都給出了多個(gè)最佳改進(jìn)方案，主要考慮到不同情況下的適用性：①若進(jìn)站閘機(jī)需要應(yīng)對多個(gè)方向客流，在相近特征值下，傾斜少數(shù)閘機(jī)的方案更優(yōu)；②若只需應(yīng)對單方向大客流，取特征值較大者。

綜上所述，參照HCM 2000排隊(duì)等待行人服務(wù)水平標(biāo)準(zhǔn)（見表3），給出不同客流量情況下改進(jìn)前

后的服務(wù)水平對比表，結(jié)果見表4。

表3 HCM2000排隊(duì)等待行人服務(wù)水平標(biāo)準(zhǔn)

表4 不同客流量下最優(yōu)方案的優(yōu)化效果

需要說明的是，實(shí)際調(diào)研中測試區(qū)2.88 m2內(nèi)行人數(shù)達(dá)到10人或以上的情況（服務(wù)水平D）時(shí)，近端閘機(jī)前排隊(duì)行人過度擁堵混亂，行人行為假設(shè)與流線分析均出現(xiàn)問題。故本次研究的服務(wù)水平在A -C間。同時(shí)，由于同一服務(wù)等級(jí)下行人占有空間的數(shù)值分布較大，針對有改進(jìn)效果但未提升服務(wù)等級(jí)的情況，以人均占有面積提高百分比來進(jìn)行優(yōu)化程度的評(píng)價(jià)。

由以上結(jié)果可以看出，閘機(jī)的傾斜布設(shè)一定程度上能改變閘機(jī)前排隊(duì)等待行人的服務(wù)水平，不同客流量下改進(jìn)情況的行人占有空間都有了一定的提升。

6 結(jié)語

本文對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，提出近端閘機(jī)的概念與一般情況下優(yōu)先選擇近端閘機(jī)的行人行為理論；以該理論為基礎(chǔ)提出了與客流呈傾斜角的閘機(jī)布設(shè)優(yōu)化方案，給出不同客流情況下的閘機(jī)布設(shè)優(yōu)化方案。并以閘機(jī)組內(nèi)閘機(jī)前密度的平均值與方差評(píng)價(jià)優(yōu)化效果，發(fā)現(xiàn)在到達(dá)客流量為4 200人次/h情況下，最優(yōu)布置方案為2臺(tái)近端閘機(jī)傾斜26°；在3 200人次/h情況下，最優(yōu)布置方案為2臺(tái)近端閘機(jī)傾斜44°；在2 200人次/h情況下，最優(yōu)布置方案為2臺(tái)近端閘機(jī)傾斜26°。其中在4 200人次/h情況下，優(yōu)化意義最大且人均占有面積提高了60.9%。整個(gè)研究為城市軌道交通車站閘機(jī)布設(shè)提供了一新思路。

但是，由于現(xiàn)實(shí)中沒有部分傾斜設(shè)置的閘機(jī)組，所以理論具有一定的局限性。文中通過實(shí)地調(diào)研構(gòu)建了行人閘機(jī)選擇行為的數(shù)學(xué)模型，但模型中的數(shù)據(jù)標(biāo)定來自于平行式布設(shè)，在閘機(jī)傾斜時(shí)是否仍然適用該理論缺少相應(yīng)實(shí)際數(shù)據(jù)支持。

［1］ 王子甲，陳峰，羅誠.軌道交通車站檢票閘機(jī)布局的仿真優(yōu)化［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，35（6）：28.

［2］ 馮建棟，吳嬌蓉，金昱，等.軌道交通自動(dòng)檢票閘機(jī)組利用不均衡度研究［J］.城市交通，2010（3）：28.

［3］ 何潔.城市軌道交通自動(dòng)檢票機(jī)配置數(shù)量的研究［J］.鐵道通信信號(hào)，2008，44（10）：14.

［4］ GB 50157—2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］ Cheung C Y，Wiliam H K Lain.Pedestrian route choice between escalator and stairway at MTR stations［J］.Journhal of Transportation Enginering，1998（5）：277.

［6］ 陳艷艷，張廣厚，史建港.擁擠行人交通系統(tǒng)規(guī)劃及仿真［M］.北京：人民交通出版社，2010.

京滬高鐵運(yùn)送旅客突破2億人次

新華網(wǎng)北京4月13日電（記者齊中熙、樊曦）2014年4月13日9時(shí)30分，自2011年6月30日開通運(yùn)營的京滬高速鐵路運(yùn)送旅客宣告突破2億人次。

2013年2月28日，在京滬高鐵開通運(yùn)營1年8個(gè)月之際，京滬高速鐵路運(yùn)送旅客突破1億人次；而僅1年2個(gè)月后，這條世界上一次建成標(biāo)準(zhǔn)最高、線路最長、中國歷史上一次投資規(guī)模最大的高速鐵路的運(yùn)送旅客量就實(shí)現(xiàn)了翻番，再次展示出其巨大的輸送潛能。

開通以來，京滬高速鐵路股份有限公司堅(jiān)持以市場為導(dǎo)向，以市場決定資源配置，進(jìn)一步完善運(yùn)行圖，并建立了隨季節(jié)、隨市場變化靈活調(diào)整的彈性機(jī)制。針對商務(wù)座、特等座、一等座實(shí)施分時(shí)段、分車次客票特惠方案，促使列車客座率均有不同程度提升，成為高鐵探索市場靈活客票機(jī)制的一種重要方式。

各沿線鐵路局努力提高客運(yùn)服務(wù)質(zhì)量，大力改進(jìn)站車服務(wù)形式，提升京滬高速鐵路服務(wù)品牌效應(yīng)，使高速鐵路不斷地被人們認(rèn)可，成為出行的首選。

（摘自2014年4月13日《新華網(wǎng)》）

Layout of Subway Station Ticket Gate Machines Based on Passenger Flow

Mo Ni，Zhou Guanyu，Yang Lu

The passenger behaviorin choosing the gate machines of Beijing metro is analyzed，a definition of proximal gate machine and the process assumption about pedestrian's preference of proximal gate machine is put forward，and a mathematical model through field research is established. By adopting the simulation software，the layout of gate machine from the point of angle offset to passenger flowis modified.The simulation platform analysis shows that the space occupancy area per capitacould be increased to 60. 9%by improvement.Then，a various layout schemes of gate machine layout according to different passenger flows could be obtained，which provides new thoughts for thelayout of gate machineat new subway stations.

urban rail transit；service efficiency；modeling and simulation；gate machine layout

U 293.22

2013-07-17）