基于客流特征的城市軌道交通車(chē)站閘機(jī)配置方案

邱華瑞 張 寧

（東南大學(xué)教育部ITS工程研究中心，210018，南京∥第一作者，碩士研究生）

基于客流特征的城市軌道交通車(chē)站閘機(jī)配置方案

邱華瑞 張 寧

（東南大學(xué)教育部ITS工程研究中心，210018，南京∥第一作者，碩士研究生）

分析了城市軌道交通閘機(jī)類(lèi)型的特點(diǎn)。根據(jù)車(chē)站客流模式特征，對(duì)閘機(jī)類(lèi)型進(jìn)行匹配，以選擇合適的閘機(jī)類(lèi)型。基于車(chē)站客流量，給出進(jìn)站、出站、雙向閘機(jī)數(shù)量配置要點(diǎn)。探討了基于客流流線的車(chē)站閘機(jī)布局優(yōu)化，為我國(guó)城市軌道交通AFC（自動(dòng)售檢票）系統(tǒng)車(chē)站閘機(jī)布設(shè)提供參考。

城市軌道交通車(chē)站；閘機(jī)配置；客流模式

First-author’s addressITS Research Center of MOE，Southeast University，210018，Nanjing，China

隨著城市軌道交通線網(wǎng)建設(shè)和自動(dòng)化水平的提高，AFC（自動(dòng)售檢票）系統(tǒng)因其在票務(wù)管理、運(yùn)營(yíng)管理、客流監(jiān)視、數(shù)據(jù)挖掘、輔助決策等諸多方面的功能而在我國(guó)各城市軌道交通系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用［1-2］。閘機(jī)作為AFC系統(tǒng)的基本設(shè)備，其數(shù)量、類(lèi)型及布局的合理性將直接影響車(chē)站內(nèi)客流的通行能力、通行方向、通行安全性和通行效率，從而影響整個(gè)軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)效率和服務(wù)水平。

設(shè)置閘機(jī)的目的是為了保證客流能夠有序、順利地進(jìn)出車(chē)站并完成計(jì)費(fèi)。閘機(jī)的數(shù)量及布局應(yīng)滿足站點(diǎn)高峰客流的服務(wù)需求，因此，客流是閘機(jī)設(shè)置方案的首要考慮因素。目前，我國(guó)在建設(shè)城市軌道交通AFC系統(tǒng)時(shí)，車(chē)站閘機(jī)的數(shù)量按近期超高峰客流量計(jì)算確定，并按遠(yuǎn)期超高峰客流量預(yù)留位置與安裝條件，同一車(chē)站采用相同類(lèi)型的閘機(jī)。由于同一城市軌道交通線路或線網(wǎng)內(nèi)不同車(chē)站在空間時(shí)間上的客流分布、增長(zhǎng)模式不盡相同［3-4］，因此，根據(jù)具體車(chē)站的客流模式、近遠(yuǎn)期規(guī)劃來(lái)合理選擇閘機(jī)類(lèi)型及布設(shè)閘機(jī)，可節(jié)約閘機(jī)購(gòu)置、維護(hù)成本，提高AFC系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性。

1 不同閘機(jī)類(lèi)型特點(diǎn)分析

目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通車(chē)站所使用的閘機(jī)，按功能分為進(jìn)站、出站及雙向閘機(jī)；按通行模式分常開(kāi)和常閉閘機(jī)；按阻擋機(jī)構(gòu)分為三桿式閘機(jī)、剪式門(mén)閘機(jī)及拍打門(mén)式閘機(jī)。三桿式、剪式門(mén)、拍打門(mén)式閘機(jī)在價(jià)格、性能和人性化程度上有較大差異（見(jiàn)表1），在日常運(yùn)營(yíng)中各具特點(diǎn)，在不同類(lèi)型的車(chē)站和運(yùn)營(yíng)階段有不同的適用性。根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，非接觸式IC卡三桿式和門(mén)扉式閘機(jī)的理論最大通行能力分別為1 800人次/h和2 100人次/h；但根據(jù)對(duì)上海地鐵和北京地鐵的具體觀測(cè)，二者的實(shí)際通行能力分別為1 333人次/h和1 800人次/h［5］。

2 基于客流模式特征的閘機(jī)類(lèi)型選擇

國(guó)內(nèi)地鐵對(duì)閘機(jī)類(lèi)型的選擇多以線路為單位，同一線路上配置相同類(lèi)型的閘機(jī)（如南京地鐵1、2號(hào)線），但也出現(xiàn)一條線路不同車(chē)站、甚至一個(gè)車(chē)站配置不同類(lèi)型閘機(jī)的情況。筆者認(rèn)為，在城市軌道交通線網(wǎng)中，不同車(chē)站由于所屬類(lèi)型、所處地點(diǎn)以及線網(wǎng)近遠(yuǎn)期規(guī)劃的不同，其客流模式也不盡相同；根據(jù)不同的客流模式，在滿足通行效率和服務(wù)水平的基礎(chǔ)上對(duì)不同車(chē)站進(jìn)行閘機(jī)選型，在線路或線網(wǎng)上組合配置各種閘機(jī)（對(duì)一個(gè)站應(yīng)是相同類(lèi)型），能夠提高軌道交通的建設(shè)經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)營(yíng)效益。本文對(duì)各類(lèi)站點(diǎn)客流模式及其對(duì)應(yīng)的閘機(jī)類(lèi)型配置進(jìn)行分析。

表1 不同阻擋機(jī)構(gòu)閘機(jī)特點(diǎn)比較

（1）穩(wěn)定大客流車(chē)站：其特點(diǎn)是車(chē)站客流大部分時(shí)間甚至全天處于飽和狀態(tài)。內(nèi)外換乘樞紐站由于頻繁受到內(nèi)外客流沖擊，其客流類(lèi)型屬于該模式；此外，部分商業(yè)中心、旺季旅游景點(diǎn)附近車(chē)站點(diǎn)也屬于該模式。在受到大規(guī)?？土鳑_擊時(shí)，剪式門(mén)閘機(jī)和拍打門(mén)式閘機(jī)可保證最大的通行能力，但易產(chǎn)生擁擠通過(guò)現(xiàn)象，而三桿式閘機(jī)則容易導(dǎo)致站內(nèi)排隊(duì)客流急劇上升。因此從通行能力與可靠性角度考慮，此車(chē)站宜選用剪式門(mén)閘機(jī)或拍打門(mén)式閘機(jī)。

（2）穩(wěn)定小客流車(chē)站：其特點(diǎn)是車(chē)站客流在初期、近期和遠(yuǎn)期（初期指未來(lái)3年之內(nèi)；近期指未來(lái)3~10年；遠(yuǎn)期指未來(lái)10~25年）都遠(yuǎn)不能達(dá)到飽和狀態(tài)，全天基本無(wú)高峰客流。此類(lèi)車(chē)站往往在線網(wǎng)的末端，由于土地開(kāi)發(fā)利用不足，導(dǎo)致該區(qū)域交通需求持續(xù)低下，客流量增長(zhǎng)緩慢。對(duì)于該類(lèi)車(chē)站，無(wú)論哪種閘機(jī)類(lèi)型都能滿足其通行效率與服務(wù)水平，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，宜選擇三桿式閘機(jī)。

（3）客流增長(zhǎng)型車(chē)站：其特點(diǎn)是車(chē)站初期、近期客流較小，但增長(zhǎng)潛力大，遠(yuǎn)期可轉(zhuǎn)型成其他客流模式。部分軌道交通線路在城市發(fā)展中起到交通引導(dǎo)發(fā)展（TOD）作用，其車(chē)站隨著周邊土地開(kāi)發(fā)利用深入、配套設(shè)施健全或其他線路影響，逐步擺脫穩(wěn)定小客流模式，發(fā)展成為其他客流模式。該類(lèi)車(chē)站閘機(jī)的選擇可分為近期和遠(yuǎn)期兩個(gè)階段：近期由于客流小且穩(wěn)定，考慮閘機(jī)的使用壽命及經(jīng)濟(jì)性，可選擇三桿式閘機(jī)來(lái)滿足初期及近期運(yùn)營(yíng)需求，并為增設(shè)閘機(jī)預(yù)留一定的空間；遠(yuǎn)期可根據(jù)其客流模式，選擇與之相適應(yīng)的閘機(jī)類(lèi)型。

（4）潮汐客流車(chē)站：其特點(diǎn)是車(chē)站早晚高峰持續(xù)明顯，其他時(shí)間段客流稀少，進(jìn)出車(chē)站客流方向分布差異大。通常，位于集中居住區(qū)或集中辦公區(qū)附近的車(chē)站極易出現(xiàn)此類(lèi)客流模式。該類(lèi)車(chē)站可考慮設(shè)置一定數(shù)量的雙向閘機(jī)，以節(jié)約空間、減小閘機(jī)購(gòu)置數(shù)量。

（5）單峰客流車(chē)站：其特點(diǎn)是車(chē)站客流全天只出現(xiàn)一個(gè)持續(xù)明顯的高峰時(shí)段（通常是晚高峰），其他時(shí)間段客流量一般。商業(yè)區(qū)附近車(chē)站易出現(xiàn)此客流模式。對(duì)于該類(lèi)車(chē)站，若車(chē)站高峰小時(shí)客流量大，出現(xiàn)排隊(duì)擁堵?tīng)顩r，采用剪式門(mén)閘機(jī)或拍打門(mén)式閘機(jī)可保證客流疏散順暢；若車(chē)站高峰小時(shí)客流不足以使閘機(jī)通行能力達(dá)到飽和狀態(tài)，近期可考慮使用三桿式閘機(jī)節(jié)約購(gòu)置和維護(hù)成本。

（6）雙峰客流車(chē)站：其特點(diǎn)是車(chē)站早晚高峰持續(xù)明顯，其他時(shí)間段客流量一般，進(jìn)出車(chē)站客流方向分布差異小。換乘站易出現(xiàn)此客流模式?？稍谠擃?lèi)車(chē)站設(shè)置滿足通行能力的單向剪式門(mén)閘機(jī)或拍打門(mén)式閘機(jī)，保證進(jìn)出站客流互不干擾，疏導(dǎo)順暢。

（7）突峰客流車(chē)站：其特點(diǎn)是車(chē)站易受到集中大規(guī)?？土鞯臎_擊。突峰模式可分為單向突峰與雙向突峰。某些體育場(chǎng)館附近的站點(diǎn)易出現(xiàn)單向突峰模式，可考慮設(shè)置一定數(shù)量的雙向閘機(jī)；靠近旅游景點(diǎn)的站點(diǎn)易形成雙向突峰模式，除需設(shè)置足夠數(shù)量的剪式門(mén)閘機(jī)或拍打門(mén)式閘機(jī)外，最好再配備一定數(shù)量的便攜式檢票機(jī)。

3 基于客流的閘機(jī)數(shù)量配置

閘機(jī)設(shè)置的數(shù)量取決于車(chē)站當(dāng)前及未來(lái)預(yù)測(cè)的進(jìn)出站客流。閘機(jī)需滿足乘客對(duì)通行能力的要求，防止因大量旅客擁堵滯留于車(chē)站收費(fèi)區(qū)與非收費(fèi)區(qū)而導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)效率和服務(wù)水平的降低。合理的進(jìn)站、出站和雙向閘機(jī)數(shù)量的配置計(jì)算方法如下。

3.1 進(jìn)站閘機(jī)數(shù)量配置

客流通過(guò)多臺(tái)閘機(jī)進(jìn)站的過(guò)程可用排隊(duì)論M/ M/N系統(tǒng)中的單路排隊(duì)多通道服務(wù)模式來(lái)描述。車(chē)站的進(jìn)站閘機(jī)總數(shù)配置可用下式計(jì)算［6］：

式中：

Qf——高峰小時(shí)進(jìn)站客流量；

Ai——站廳第i個(gè)入口所需配置的閘機(jī)數(shù)量；

Kf——到達(dá)客流的超高峰小時(shí)系數(shù)；

V——閘機(jī)通行能力；

n——入口數(shù)量。

3.2 出站閘機(jī)數(shù)量配置

出站客流與進(jìn)站客流相比具有特殊性。出站客流隨著列車(chē)的到達(dá)而呈現(xiàn)出短時(shí)的脈沖性，具有明顯的間斷流特征，在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)出站閘機(jī)具有較強(qiáng)沖擊力。因此，出站閘機(jī)數(shù)量計(jì)算方法與進(jìn)站閘機(jī)配置算法有差異，如式（2）：

式中：

Qo——高峰小時(shí)出站客流量；

A＇i——站廳第i個(gè)出口所需配置的閘機(jī)數(shù)量；

Kd——列車(chē)到站客流的超高峰小時(shí)系數(shù)；

V——閘機(jī)通行能力；

λf——間斷流修正系數(shù)。

3.3 雙向閘機(jī)配置

對(duì)于潮汐現(xiàn)象較為明顯的車(chē)站，早高峰與晚高峰進(jìn)出站客流量存在一定的差異，若簡(jiǎn)單按照進(jìn)出口超高峰客流量配置閘機(jī)，必然會(huì)造成平峰時(shí)段設(shè)備的浪費(fèi)，不利于降低成本。參照公路交通中的可變車(chē)道管理方式，在某些車(chē)站靈活配置一些雙向閘機(jī)，能夠在有效滿足進(jìn)出站客流通行需要基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高設(shè)備使用率，節(jié)省投資和空間［7］。雙向閘機(jī)的配置比例沒(méi)有固定的標(biāo)準(zhǔn)，通常以地鐵車(chē)站的潮汐客流特征為依據(jù)。在配置時(shí)考慮以下原則：

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)采集客流數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析出早晚客流高峰的時(shí)間（通常為2~3 h），可按得出的高峰時(shí)間設(shè)計(jì)雙向閘機(jī)的開(kāi)啟時(shí)間；

（2）在數(shù)量配置上，可根據(jù)統(tǒng)計(jì)的早高峰與晚高峰進(jìn)出站客流量以及它們之間的差值進(jìn)行設(shè)置；

（3）若運(yùn)營(yíng)部門(mén)對(duì)同類(lèi)型車(chē)站做過(guò)雙向通行閘機(jī)的配置研究，可參照同類(lèi)型車(chē)站的配置進(jìn)行分析確定。

3.4 閘機(jī)的增減

閘機(jī)利用率是判斷閘機(jī)使用情況與增減閘機(jī)數(shù)量的依據(jù)。閘機(jī)利用率過(guò)高，表示乘客使用該組閘機(jī)較為頻繁，高峰期易產(chǎn)生擁擠排隊(duì)現(xiàn)象。若車(chē)站閘機(jī)組在高峰期均有較高利用率，則有必要增加閘機(jī)。閘機(jī)利用率低，表示該閘機(jī)有部分資源浪費(fèi)。閘機(jī)利用率的計(jì)算公式為［8］：

閘機(jī)數(shù)量的改變導(dǎo)致閘機(jī)分擔(dān)率的改變。閘機(jī)增減的具體數(shù)量由高峰時(shí)段閘機(jī)利用率來(lái)決定。

4 基于客流流線的閘機(jī)布局

閘機(jī)的合理布置需考慮閘機(jī)與其他AFC設(shè)備（如自動(dòng)售票機(jī)）的空間關(guān)系，并使得AFC設(shè)備與乘客行程軌跡得到密切有效的配合，防止持有儲(chǔ)值卡進(jìn)站客流、購(gòu)買(mǎi)好單程票的進(jìn)站客流、自動(dòng)售票機(jī)排隊(duì)客流及閘機(jī)排隊(duì)客流發(fā)生交織沖突，并盡量使閘機(jī)的利用率趨于均衡，為地鐵乘客提供一個(gè)安全、舒適、美觀的使用環(huán)境。

閘機(jī)的布局主要分為垂直于客流行走方向布置與平行于客流行走方向布置。如圖1和圖2所示。

當(dāng)閘機(jī)垂直于客流方向布置時(shí)，由于乘客追求便捷性，都趨向于選擇離自己距離較近的閘機(jī)，這種求近原則導(dǎo)致閘機(jī)組的利用率不均。當(dāng)閘機(jī)平行于客流方向布置時(shí)，由于乘客到各閘機(jī)入口的距離大致相等，乘客對(duì)閘機(jī)入口的選擇概率也大致相同。文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［9］分別從計(jì)算和仿真的角度證明了閘機(jī)平行于客流方向布置在乘客行走時(shí)間損失上要優(yōu)于閘機(jī)垂直于客流方向布置。同時(shí)，客流方向與閘機(jī)布置方向角度越小，客流間相互影響越小，乘客通行效率越高。因此，在空間布局條件滿足的情況下，建議采用閘機(jī)平行于客流方向，或盡量減少客流方向與閘機(jī)布置方向角度的布置方式。

圖1 閘機(jī)垂直于客流方向布置

圖2 閘機(jī)平行于客流方向布置

5 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通車(chē)站所設(shè)置閘機(jī)的類(lèi)型、數(shù)量以及布局，決定了車(chē)站客流集散的效率，其配置合理性嚴(yán)重影響AFC系統(tǒng)建設(shè)及運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性，以及軌道交通的運(yùn)營(yíng)效率與服務(wù)水平。在滿足通行能力的前提下，根據(jù)不同車(chē)站對(duì)應(yīng)的不同客流模式，進(jìn)行不同類(lèi)型的閘機(jī)配置，能夠降低AFC系統(tǒng)的購(gòu)置、運(yùn)營(yíng)成本，提高經(jīng)濟(jì)性。本文首先分析了幾種常用閘機(jī)類(lèi)型的特點(diǎn)，然后根據(jù)不同客流模式特征，進(jìn)行相應(yīng)的閘機(jī)選型配置，并簡(jiǎn)要描述了車(chē)站閘機(jī)數(shù)量配置要點(diǎn)；最后探討了基于客流流線的車(chē)站閘機(jī)布局及優(yōu)化，為城市軌道交通車(chē)站閘機(jī)的配置提供參考。

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表2 兩種工況下滑動(dòng)門(mén)和固定門(mén)的受力狀況

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立了地鐵屏蔽門(mén)的結(jié)構(gòu)分析模型，利用有限元法分析了屏蔽門(mén)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，得到了屏蔽門(mén)在各種荷載作用下的變形及應(yīng)力情況，為屏蔽門(mén)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及可靠性設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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（收稿日期：2012-10-29）

Configuration of Urban Rail Transit Station Gates Based on Passenger Flow

Qiu Huarui，Zhang Ning

The characteristics of auto gates are analyzed，and considering the patterns of metro passenger flow at different stations，the gates type selection is determined. Then，based on the volume of passenger flow，the main points to deploy the amount of entrance，exit and twoway gates are presented，the optimization of gates configuration is discussed.This research can provide a reference for metro gates configuration in the automatic fare collection（AFC）system adopted in China.

urban rail transit station；gates configuration；passenger flow mode

U 293.22

2013-06-05）