基于逆向搜索的軌道交通車站客流瓶頸篩選方法研究

夏荷香，劉爾輝（.廣州市地下鐵道總公司 運(yùn)營事業(yè)總部，廣東 廣州 5030；.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 5064）

基于逆向搜索的軌道交通車站客流瓶頸篩選方法研究

夏荷香1，劉爾輝2
（1.廣州市地下鐵道總公司 運(yùn)營事業(yè)總部，廣東 廣州 510310；2.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641）

在城市軌道交通客流量急劇增加的同時，城市軌道交通車站的相關(guān)設(shè)施設(shè)備也暴露了嚴(yán)重的集散能力瓶頸問題。為了研究以設(shè)施疏散能力為基礎(chǔ)的靜態(tài)瓶頸識別方法，改善軌道交通車站客流組織方案內(nèi)容，結(jié)合通行能力的理論計算方法，提出了一種基于逆向搜索篩選出車站客流瓶頸的方法：通過模擬乘客在車站的走行路徑，結(jié)合各設(shè)備及通道等部位的通行能力，運(yùn)用逆推的方法來找到車站疏散體系的瓶頸節(jié)點(diǎn)。最后，根據(jù)廣州地鐵三號線市橋站的車站空間結(jié)構(gòu)和設(shè)施最大通行能力，進(jìn)行了算法的實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果表明，該車站的客流瓶頸與實(shí)際觀測的可能擁堵點(diǎn)相吻合，驗(yàn)證了方法的可用性和有效性。

城市交通；逆向搜索；通行能力；客流瓶頸；地鐵車站

0　引言

隨著通勤需求的增加，我國一些大城市軌道交通車站出現(xiàn)了經(jīng)常性的交通擁擠現(xiàn)象。在這種擁擠狀態(tài)下，客流速度大大降低并以較低的流率釋放，使得車站內(nèi)部的客流疏導(dǎo)能力嚴(yán)重下降。

“瓶頸”現(xiàn)象一般產(chǎn)生于障礙物、狹窄通道和客流的“必經(jīng)之地”。地鐵為人流密集的公眾聚集場所，在運(yùn)行時間內(nèi)，有限的地下空間內(nèi)承載著大規(guī)模的人群。當(dāng)在地鐵站廳、站臺及換乘通道內(nèi)發(fā)生非常規(guī)突發(fā)事件時，如果不能及時疏導(dǎo)，不僅會對乘客的人身安全造成較大的威脅，同時會產(chǎn)生較大的社會影響。在城市軌道交通車站緊急疏散條件下，將疏散流程中疏散客流最慢的環(huán)節(jié)視為城市軌道交通車站“客流瓶頸”。這類瓶頸屬于靜態(tài)瓶頸，具有穩(wěn)定和可預(yù)測的特性，故應(yīng)將通過能力的計算及客流瓶頸的分析與應(yīng)對納入車站客流組織方案中。

國內(nèi)外學(xué)者從宏觀層面，以行人流為對象，從可選路徑和設(shè)施能力兩方面對軌道交通車站客流瓶頸進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[1-4]以車站空間結(jié)構(gòu)和走行時間為約束，研究了乘客疏散可選路徑集生成的算法，對客流瓶頸進(jìn)行識別。文獻(xiàn)[5-10]提出了城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)瓶頸的內(nèi)涵，指出城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)將基于能力的技術(shù)瓶頸和基于服務(wù)水平的服務(wù)瓶頸分開研究。國內(nèi)外已有的研究文獻(xiàn)提出了網(wǎng)絡(luò)瓶頸識別、分析和消解方法，從宏觀規(guī)劃方面分析了導(dǎo)致客運(yùn)樞紐內(nèi)部瓶頸的原因，同時考慮了擁堵強(qiáng)度、擁堵持續(xù)時間和擁堵頻率等擁堵特性，構(gòu)建了綜合客運(yùn)樞紐行人集散設(shè)施瓶頸識別指數(shù)模型并制定了瓶頸分級標(biāo)準(zhǔn)。

本文提出了基于車站疏散能力和乘客宏觀交通行為的瓶頸識別方法，揭示了瓶頸產(chǎn)生的原因，并且通過對市橋站客流組織的硬件、難點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析，計算出了該站關(guān)鍵的進(jìn)出站瓶頸，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，與實(shí)際觀察到的擁堵點(diǎn)精確吻合。該方法為工作人員進(jìn)行車站客流瓶頸篩選、優(yōu)化和完善現(xiàn)有的應(yīng)急疏散方案提供了科學(xué)有效的理論依據(jù)，為既有車站和設(shè)施的改造及更新提供了決策支持，使設(shè)計者能夠從乘客緊急疏散的角度洞察待建車站的安全隱患，減少后期重建或改建的成本。目前該方法已廣泛應(yīng)用于廣州地鐵各個車站的客流組織方案中，基于本方法，并綜合考慮全線網(wǎng)的客流特色，最終根據(jù)各個車站的實(shí)際情況來制定相應(yīng)的客流組織方案。

1　逆向搜索介紹

逆向搜索就是從目標(biāo)狀態(tài)出發(fā)進(jìn)行的搜索，通常是與正向搜索同時進(jìn)行（雙向搜索），如果正向搜索時新擴(kuò)展的狀態(tài)是逆向搜索中出現(xiàn)過的，將兩段搜索路徑連接起來就是找到了一個解（通常是一種搜索步數(shù)最少的解）。如果反向搜索時新擴(kuò)展的狀態(tài)是正向搜索中出現(xiàn)過的，則與上述一樣，也是一種最優(yōu)解。

本文提出的軌道交通車站客流瓶頸篩選方法正是基于逆向搜索的思路，通過模擬乘客在車站的走行路徑，結(jié)合各設(shè)備及通道等部位的通行能力，找出路徑中限制乘客通行速度的部位。算法流程為：先將進(jìn)出站客流作為整體，分析車站總體各部位的通過能力大??；再通過模擬乘客進(jìn)站路徑和出站路徑，分別計算進(jìn)站和出站的路徑瓶頸。

在車站客流疏散安全運(yùn)行時，應(yīng)該控制路徑內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，需滿足以下準(zhǔn)則：后方節(jié)點(diǎn)的通過能力大于前方節(jié)點(diǎn)的通過能力，即S4>S3>S2>S1（Si為各節(jié)點(diǎn)的通過能力），如果S4

圖1 簡化的模擬路徑

考慮車站疏散路徑通行能力時發(fā)現(xiàn)，一條疏散路徑pk的理論疏散能力為Ck=min(C閘機(jī),C樓,C扶, C通,…)，即這條路徑的通行能力取決于這條路徑上瓶頸節(jié)點(diǎn)的通行能力。

車站的疏散體系是由多條不同的疏散路徑構(gòu)成，一條路徑上的瓶頸往往不會對整個疏散體系產(chǎn)生很大的影響，但是如果有幾條疏散路徑都通過某一瓶頸節(jié)點(diǎn)，那么這個節(jié)點(diǎn)可能就會對整個疏散體系造成較大影響，因此需要通過逆推的方法來找到車站疏散體系的瓶頸節(jié)點(diǎn)。首先需要定義“出入口關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)”的概念，某出入口關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是指可行路徑集中能到達(dá)該出入口的路徑上的節(jié)點(diǎn)。逆推過程具體步驟如下：

第1步：獲取車站乘客疏散可選路徑集，將入度≥2的非站臺節(jié)點(diǎn)存入集合Npar，將站臺的節(jié)點(diǎn)存入集合Npla，其余節(jié)點(diǎn)（入度為1的非站臺節(jié)點(diǎn)）存入集合Nother，設(shè)p=出入口個數(shù)，確定車站各出入口Dk(k=1，2，…，p)的相關(guān)節(jié)點(diǎn)集合NDk；

第2步：取k=1；

第3步：從Dk開始，搜索位置依次逆向經(jīng)過路徑上各節(jié)點(diǎn)；

第4步：記錄搜索位置與下一節(jié)點(diǎn)之間的設(shè)施名稱及其疏散能力，以二維數(shù)組形式存入集合Ck，搜索位置移至下一節(jié)點(diǎn)，并執(zhí)行第5步；

第5步：判斷搜索位置所在節(jié)點(diǎn)ni所屬的集合。若ni∈Nother，則轉(zhuǎn)到第4步；若ni∈Npar，則將Ck和CDk所有數(shù)組中疏散能力值最小的一組存入CDk、清空Ck并轉(zhuǎn)到第6步；若ni∈Npla，同樣將Ck和CDk所有數(shù)組中疏散能力值最小的一組存入CDk、清空Ck并轉(zhuǎn)到第7步；

第6步：ni的入度為j，按照上述方法依次對各條路徑進(jìn)行搜索，獲得j個C并對疏散能力值進(jìn)行加和，與CDk中各數(shù)組疏散能力值的和比較大小，若前者較小，則清空CDk，將j個C轉(zhuǎn)存至CDk；若j條路徑從同一節(jié)點(diǎn)ni出發(fā)，搜索位置移至ni，并轉(zhuǎn)至第4步；

第7步：搜索位置沿逆向路徑依次搜索，判斷下一節(jié)點(diǎn)ni是否屬于Npar∪Nother，若屬于，則轉(zhuǎn)至第4步；若不屬于，令k=k+1，若k≤p則轉(zhuǎn)至第3步，否則轉(zhuǎn)至第8步；

第8步：集合NDk兩兩取交集，將結(jié)果存入集合ND，令，即取ND與Npla的補(bǔ)集的交集；

第9步：若N′=?則結(jié)束，否則轉(zhuǎn)至第1步；

第10步：取出集合N′中的第一個節(jié)點(diǎn)，存入集合N″，將其隸屬的n個集合NDk對應(yīng)的CDk值相加，若加和值小于該節(jié)點(diǎn)逆向第一個設(shè)備σ的疏散能力值，則清空相關(guān)的CDk，存入σ的設(shè)備名稱及疏散能力，轉(zhuǎn)至第9步。

以上方法可用于計算機(jī)仿真技術(shù)。

2　準(zhǔn)備工作

2.1調(diào)查基本情況

基本情況包括研究對象車站公共區(qū)的土建結(jié)構(gòu)、客流變化的規(guī)律、購買單程票和使用儲值卡車票的乘客比例、本站客流流動路徑及乘客出行特點(diǎn)等，作為計算的參考背景。

2.2收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括車站內(nèi)各個設(shè)備設(shè)施的寬度及數(shù)量數(shù)據(jù)，即各樓/扶梯的寬度、走行通道寬度、進(jìn)出閘機(jī)數(shù)量、自動售票機(jī)數(shù)量等。

2.3簡要說明

（1）出口通道位置一般相對寬敞，不會成為客流瓶頸的部位，此處不納入計算，如車站結(jié)構(gòu)中存在通道窄等特殊原因，在計算中也需加入；

（2）液壓梯的載客能力有限，因此計算中忽略它的能力；

（3）出入口為合建口的，作為通道計算；

（4）因在TVM購票不是進(jìn)站的必經(jīng)路徑，因此一般不納入路徑計算，但購票乘客比例高的，如廣州火車站等則需納入；

（5）站廳站臺之間有夾層的，如走行距離較長，則也納入計算；

（6）對于側(cè)式站臺，計算進(jìn)站和出站路徑的瓶頸時，分開作為兩個站臺計算；

（7）此計算方法進(jìn)站選取了車站一側(cè)、出站選取了一個出口，車站在進(jìn)行計算時，周全考慮各種流動方向；

（8）此處模擬的是正常情況下客流較大時的情形，如車站進(jìn)行客流控制，設(shè)備設(shè)施或通道寬度等基本數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，需對應(yīng)修改基礎(chǔ)數(shù)值；

（9）計算換乘站的換乘客流瓶頸時，若通道較短，則不區(qū)分換乘方向，將全部客流以一個整體考慮，換乘路徑視為通道計算。

3　靜態(tài)客流瓶頸篩選方法

標(biāo)準(zhǔn)站的計算選取如圖2所示的廣州地鐵三號線市橋站為例：車站整體呈矩形，南北走向，A、B、C、D四個出入口分別在矩形四個角的位置，站廳中部兩組進(jìn)閘機(jī)、站廳兩端兩組出閘機(jī)對稱分布。

圖2 市橋站平面圖

先計算整體車站各斷面的通過能力，即不區(qū)分進(jìn)站和出站客流，對比表1中的車站各部位的最大通過能力值大小，排序通過能力，最小的即為客流瓶頸。

表1　車站各部位的最大通過能力

注：表1中參數(shù)取值來自《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157—2013）。

3.1總體路徑通過能力

該車站總體路徑通過能力如表2所示，總體路徑節(jié)點(diǎn)通過能力如表3所示。

表2　總體路徑通過能力

表2（續(xù)）

表3　總體路徑節(jié)點(diǎn)通過能力

通過表2和表3兩表分析車站整體的通過能力，不分進(jìn)站和出站客流，將車站分成幾個主要部位，通過對比每個部位的通過能力大小，可以看出，售票機(jī)和兩組售票機(jī)前的站廳通道通過能力最?。ㄒ蜍囌镜氖燮睓C(jī)不是必經(jīng)環(huán)節(jié)，因此不納入計算）。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，站廳通道在大客流時確實(shí)較擁擠。

通過模擬乘客進(jìn)站路徑中經(jīng)過的關(guān)鍵設(shè)備，比對通過能力，得出客流瓶頸。

當(dāng)前方節(jié)點(diǎn)的通行能力大于后方節(jié)點(diǎn)的通行能力時，即S4S3>S2>S1。

3.2進(jìn)/出站路徑通過能力

進(jìn)出站路線節(jié)點(diǎn)平面圖如圖3、圖4所示。

圖3　進(jìn)站路線節(jié)點(diǎn)平面圖（單位：人/h）

圖4　出站路線節(jié)點(diǎn)平面圖（單位：人/h）

3.2.1進(jìn)站路徑通過能力

以乘客從B、C口進(jìn)站乘車為例，進(jìn)站路徑通過能力見表4，進(jìn)站路徑節(jié)點(diǎn)通過能力見表5。

表4　進(jìn)站路徑通過能力

表4（續(xù)）

表5　進(jìn)站路徑節(jié)點(diǎn)通過能力

從表4和表5中可以看出，乘客進(jìn)站經(jīng)過的主要部位中，進(jìn)閘機(jī)的通過能力最低，但因?yàn)橥ǖ琅cTVM購票共用一個通道，在無人購票的情況下才能達(dá)到12 800人/h的通過能力，尤其在大客流時不會達(dá)到這一數(shù)值，因此通道和進(jìn)閘機(jī)的通過能力部位較小。

客流進(jìn)站走行路徑：S1→S2→S3→S4，按照通過能力隨路徑增大的理想狀態(tài)應(yīng)為：S1S4>S2

所以S2和S3為通過能力較小的部位，即通道和進(jìn)閘機(jī)為瓶頸。通過模擬乘客站臺下車后從C口出站，分析路徑中經(jīng)過的關(guān)鍵設(shè)備，比對通過能力，得出客流瓶頸。

3.2.2出站路徑通過能力

出站路徑通過能力如表6所示，出站路徑節(jié)點(diǎn)通過能力如表7所示。

表6　出站路徑通過能力

表6（續(xù)）

表7　出站路徑節(jié)點(diǎn)通過能力

通過表6和表7，客流出站走行路徑為：S1→S2→S3，按照通過能力隨路徑增大的理想狀態(tài)為：S1S2≈S3。

可以看出S2和S3的數(shù)值略小，即出閘機(jī)和出口為出站瓶頸。

4　結(jié)論及展望

充分發(fā)揮車站疏散能力，引導(dǎo)乘客安全疏散的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確把握不同情況下的疏散能力瓶頸。車站的靜態(tài)瓶頸可以通過各設(shè)施疏散能力及其串并聯(lián)關(guān)系確定。本文通過分析車站空間結(jié)構(gòu)及可用疏散設(shè)施，充分掌握乘客在各類設(shè)施內(nèi)的走行特征，提出了以設(shè)施疏散能力為基礎(chǔ)的靜態(tài)瓶頸識別方法，并應(yīng)用計算機(jī)仿真技術(shù)確定瓶頸消解的方案。本方法將為車站的合理規(guī)劃設(shè)計提供有利指導(dǎo)，為疏散能力的充分發(fā)揮提供理論支持，為保證城市軌道交通和諧、有序、健康運(yùn)營提供技術(shù)保障。本文在計算車站疏散能力靜態(tài)瓶頸時，僅考慮了疏散能力和可行路徑集，可以結(jié)合串聯(lián)設(shè)施間的能力匹配度和設(shè)施的利用率對靜態(tài)瓶頸進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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AScreening Method for Passenger Flow Bottleneck in Rail Transit Station Based on Reverse Search

XIA He-xiang1，LIU Er-hui2
(1.Operation Department of Guangzhou Metro,Guangzhou 510310,China;2.School of Civil Engineering and Transportation,South China University of Technology,Guangzhou 510641,China)

While passenger traffic flow of urban rail transit increased dramatically,the related facilities and equipment of rail transit stations also emerged the serious bottleneck of distributed capacity.In or?der to study the static bottleneck identification method based on the evacuation ability of rail transit facil?ities and improve the organization program of passenger flow in rail transit station,a screening method for passenger flow bottleneck in rail transit station based on the reverse search was proposed combined with the theoretical calculation of traffic capacity.By simulating passengers′travelling routes in rail tran?sit station and considering the traffic capacity of the channel and equipment,the bottleneck nodes of sta?tion evacuation system could be found using the reverse method.Finally,the method was applied in actu?al according to the station space structures and facilities maximum traffic capacity of Shiqiao Station in Guangzhou Metro Line Three.The results show that the passenger flow bottlenecks coincide with the po?tential congestion points by actual observation.The availability and effectiveness of the method have been verified.

urban traffic;reverse search;traffic capacity;passenger flow bottleneck;subway station

U231.4

A

2095-9931（2015）02-0036-06

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.02.007

2015-01-06

夏荷香（1982—），女，廣東廣州人，工程師，主要研究方向?yàn)檐壍澜煌土鹘M織。E-mail:xiahexiang@126.com