基于Anylogic的城市軌道交通車站仿真應(yīng)用研究

趙路敏，鄭 宇，謝金鑫

(1.北京市軌道交通指揮中心，北京 100101； 2.北京市工程咨詢公司，北京 100031)

基于Anylogic的城市軌道交通車站仿真應(yīng)用研究

趙路敏1，鄭 宇2，謝金鑫1

(1.北京市軌道交通指揮中心，北京 100101； 2.北京市工程咨詢公司，北京 100031)

本文在綜合比選仿真軟件的基礎(chǔ)上，介紹Anylogic軟件的仿真建模技術(shù)流程，對(duì)仿真過程中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。以北京地鐵宣武門站為例，建立車站2D、3D展示模型，利用仿真數(shù)據(jù)分析、評(píng)估地鐵4號(hào)線換乘2號(hào)線的制約瓶頸，提出宣武門站優(yōu)化建議。驗(yàn)證了Anylogic軟件在車站仿真評(píng)估應(yīng)用中的可行性，并為城市軌道交通車站評(píng)估優(yōu)化工作提供支持。

軌道交通；車站仿真；Anylogic；評(píng)估優(yōu)化

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化程度的不斷提高，作為運(yùn)輸系統(tǒng)基層環(huán)節(jié)的車站，客流量也迅猛增長，尤其早晚高峰時(shí)段設(shè)備設(shè)施超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象嚴(yán)重，大大降低了運(yùn)營的安全性和運(yùn)輸效率。由于車站建設(shè)時(shí)耗費(fèi)了大量的人力物力，一旦建成便難于改造，因此需從客運(yùn)設(shè)施布局、乘客客運(yùn)組織等方面著手降低車站運(yùn)營壓力。利用車站行人仿真技術(shù)對(duì)掌握車站空間占用情況，反映客流的隨機(jī)性和復(fù)雜性，分析設(shè)備設(shè)施負(fù)荷程度與布局的關(guān)系，查找進(jìn)出站及換乘環(huán)節(jié)的瓶頸是一種更加科學(xué)有效的方法。

1 仿真軟件選擇

綜合考慮國內(nèi)外車站仿真軟件所使用的行人微觀交通仿真模型、軟件的技術(shù)成熟度和流行程度、應(yīng)用領(lǐng)域、開放性、性價(jià)比等情況，選擇AnyLogic仿真軟件。與其它仿真軟件對(duì)比如表1所示，AnyLogic具有以下優(yōu)點(diǎn)[1]：

（1）軟件采用的行人仿真模型是目前比較被認(rèn)可的行人動(dòng)力學(xué)模型、社會(huì)力學(xué)模型，可以反映乘客個(gè)體走行特征及行人自組織現(xiàn)象；

（2）軟件具有開放式的體系結(jié)構(gòu)，支持與Java自定義模塊協(xié)同工作，可動(dòng)態(tài)地進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，并將結(jié)果輸出到3D環(huán)境；

（3）更貼近地鐵車站建模的需求，支持高度定制的車站開發(fā)環(huán)境，如行人分類（性別、年齡、攜包等）、行人與列車交互、行人路線規(guī)劃、各種物理環(huán)境的實(shí)現(xiàn)（屏蔽門、電梯等）、列車滿載率限制等；

（4）具有靈活的圖形化操作界面和數(shù)據(jù)分析工具。

表1 仿真軟件的功能對(duì)比表

2 車站仿真技術(shù)流程

車站仿真針對(duì)業(yè)務(wù)需求情況，可分為正常方案、預(yù)測(cè)方案和疏散方案3種。正常方案目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)已運(yùn)營車站客運(yùn)組織、設(shè)備設(shè)施布局優(yōu)化，預(yù)測(cè)方案目標(biāo)為評(píng)估未來客流對(duì)設(shè)備設(shè)施的影響，疏散方案目標(biāo)為評(píng)估突發(fā)事件下車站的疏散能力。上述3種評(píng)估流程基本一致，只是使用的數(shù)據(jù)和參數(shù)不同。一般情況下，車站仿真分為基礎(chǔ)資料獲取、2D與3D建模、仿真效果展示和仿真評(píng)估優(yōu)化4個(gè)主要過程[2]，如圖1所示。

圖1 車站仿真技術(shù)流程

3 仿真關(guān)鍵技術(shù)

3.1 流線組織技術(shù)

乘客在特定的車站內(nèi)進(jìn)站、出站和換乘流線基本是固定的。客流時(shí)間不均衡特征明顯的車站，高峰與平峰可能有所不同。Anylogic軟件在行人產(chǎn)生后，為了模擬乘客集散的具體過程，需配置相應(yīng)的流線和目的地D1、D2…Dn來組織客流在車站內(nèi)進(jìn)站、出站、換乘、上車、下車的過程[3]。一般而言，主要有行人流與列車流，行人流又包括進(jìn)站流、出站流及換乘流。

3.2 參數(shù)配置技術(shù)

車站仿真基本目標(biāo)是要客觀、真實(shí)反映車站乘客在站內(nèi)的活動(dòng)，若達(dá)到與實(shí)際最接近的仿真效果必要條件之一就是配置準(zhǔn)確、合理的仿真參數(shù)[4]。通過對(duì)Anylogic功能的分析，參數(shù)配置可以歸為4類，如表2所示。

表2 車站仿真參數(shù)配置表

3.3 模塊封裝技術(shù)

Anylogic軟件雖然已經(jīng)有描述地鐵行為的標(biāo)準(zhǔn)庫和行人庫，但是由于北京地鐵特有的客流特征和客運(yùn)組織方式，需在原庫基礎(chǔ)上二次開發(fā)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研后歸納封裝的行為模塊[5]如表3所示，部分行為模塊如圖2所示。

3.4 評(píng)估優(yōu)化技術(shù)

仿真過程中Anylogic可以對(duì)車站各區(qū)域客流數(shù)量及密度、設(shè)備設(shè)施利用率及排隊(duì)情況、乘客站內(nèi)停留時(shí)間等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。為了滿足客流與設(shè)備設(shè)施能力適應(yīng)性評(píng)估需要，提出以下指標(biāo)來識(shí)別站內(nèi)瓶頸，找出薄弱環(huán)節(jié)。

3.4.1 瓶頸識(shí)別技術(shù)

表3 車站仿真參數(shù)配置表

圖2 Anylogic中模塊封裝行為示意圖

按照乘客出行過程中經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)順序，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(shí)，即C4＜C3＜C2＜C1，該區(qū)域隨著乘客數(shù)量不斷增加，密度增大，運(yùn)動(dòng)速度減少，產(chǎn)生擁塞。若要安全運(yùn)行，應(yīng)控制通道內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)滿足以下準(zhǔn)則： C4＞C3＞C2＞C1，如圖3所示。當(dāng)其中一個(gè)符號(hào)發(fā)生變化時(shí)出現(xiàn)阻塞，稱之為基于節(jié)點(diǎn)分析法的瓶頸識(shí)別技術(shù)。

圖3 瓶頸識(shí)別技術(shù)示意圖

3.4.2 能力適應(yīng)性評(píng)估指標(biāo)

針對(duì)瓶頸位置，建立能力適應(yīng)性評(píng)估指標(biāo)[6]，以評(píng)估瓶頸對(duì)乘客出行過程的影響程度。

設(shè)備設(shè)施負(fù)荷度—統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，車站供乘客使用的各項(xiàng)設(shè)備設(shè)施利用或占用的情況，如式（1）：

式中，Si指該設(shè)備設(shè)施的負(fù)荷度；Qi指該設(shè)備設(shè)施實(shí)際客流量；Ci指該設(shè)備設(shè)施的固有通過能力。

設(shè)備設(shè)施排隊(duì)人數(shù)—統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，等待接收設(shè)備設(shè)施服務(wù)的乘客排隊(duì)人數(shù)，以反應(yīng)進(jìn)出站、檢票等資源是否足夠。

瓶頸擁擠持續(xù)時(shí)間—統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，瓶頸處設(shè)備設(shè)施區(qū)域密度連續(xù)高于某一閾值時(shí)的持續(xù)時(shí)間，反映通道擁擠的延續(xù)情況。

3.5 2D與3D接口技術(shù)

車站3D綜合展示包括車站主體建模、站內(nèi)客流展示、設(shè)備設(shè)施狀態(tài)展示，其功能實(shí)現(xiàn)需由2D仿真提供相應(yīng)的乘客信號(hào)并通過數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)。接口內(nèi)容如圖4所示。

3.5.1 車站主體建模

結(jié)合2D仿真的CAD圖紙，通過現(xiàn)場(chǎng)拍照、3D灰模建立、貼圖等工作完成車站實(shí)體建筑及設(shè)備設(shè)施建模。建模時(shí)2D仿真需提供圖紙?jiān)c(diǎn)坐標(biāo)、層編號(hào)、區(qū)域劃分及設(shè)備編號(hào)，以達(dá)到站內(nèi)客流、設(shè)備設(shè)施狀態(tài)與2D仿真一致。

圖4 2D仿真與3D展示接口內(nèi)容

3.5.2 站內(nèi)客流展示及設(shè)備設(shè)施狀態(tài)展示

3D綜合展示一次性獲得2D仿真總體信息，包含基本控制命令、設(shè)備初始狀態(tài)、列車時(shí)刻表等；再通過主體建模中已明確的位置及編號(hào)信息，以1 s的間隔向2D仿真服務(wù)器端請(qǐng)求個(gè)體ID的位置及設(shè)備ID的狀態(tài)信息，最終在3D中展現(xiàn)出來。

4 地鐵宣武門站實(shí)例驗(yàn)證

4.1 基本情況

宣武門站是地鐵2號(hào)線和4號(hào)線的換乘車站，兩條線布置呈“+”字型布局，換乘時(shí)通過東西兩側(cè)的通道進(jìn)行換乘。宣武門站的大客流集中在工作日早高峰7:00～9:00，尤其4號(hào)線換2號(hào)線（以下簡(jiǎn)稱“4換2”）的客流量達(dá)到宣武門站總集散量的50%，客流集中且大，給車站客運(yùn)組織造成了很大壓力。目前在換乘站廳采用圍欄繞行的方式限流，以降低乘客到達(dá)通道的集中性。

4.2 數(shù)據(jù)處理

按照車站仿真建模流程，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)研后，完成了乘客個(gè)體特征、客流分布規(guī)律等參數(shù)收集及CAD圖紙修改，標(biāo)定了層級(jí)、區(qū)域劃分及設(shè)備編號(hào)，在軟件中對(duì)仿真參數(shù)、流線組織及客運(yùn)組織等內(nèi)容進(jìn)行了配置，并通過現(xiàn)場(chǎng)拍照完成3D建模。

4.3 仿真展現(xiàn)

以某工作日早高峰7:00～9:00的進(jìn)出站及換乘客流、列車運(yùn)行時(shí)刻表、列車滿載率為輸入數(shù)據(jù)，對(duì)宣武門站早高峰的客流情況進(jìn)行了仿真，2D仿真展示及3D展示如圖5、圖6所示。

4.4 瓶頸識(shí)別及評(píng)估

圖5 宣武門站2D仿真動(dòng)畫展示界面

圖6 宣武門站3D綜合展示界面

4.4.1 瓶頸識(shí)別

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)設(shè)備設(shè)施通行能力的界定[7]，4換2過程中各部位能力C南/北側(cè)樓扶梯＞C限流圍欄＜C通道＞C2號(hào)線樓梯。根據(jù)瓶頸識(shí)別技術(shù)，限流圍欄、2號(hào)線樓梯均為4換2過程中的瓶頸。但由于限流圍欄設(shè)置的目的就是分散乘客集中到達(dá)速度，所以不界定為瓶頸。而2號(hào)線上行樓梯較通道能力小17 750 p/h，為4換2流線中客流通行的制約瓶頸。圖7為高峰時(shí)段的仿真密度圖，可清晰看出瓶頸位置。

圖7 宣武門站仿真實(shí)時(shí)密度圖

4.4.2 瓶頸評(píng)估指標(biāo)

（1）樓梯負(fù)荷度

2號(hào)線樓梯負(fù)荷度如圖8所示。從7:20開始負(fù)荷度就處于100%左右，一直持續(xù)到8:40，樓梯負(fù)荷度大，持續(xù)時(shí)間長。

圖8 2號(hào)線樓梯流量及負(fù)荷度趨勢(shì)圖

（2）樓梯排隊(duì)長度

為了說明排隊(duì)人數(shù)的狀態(tài)，輔以該區(qū)域密度說明，如圖9所示。高峰時(shí)2號(hào)線上行樓梯排隊(duì)人數(shù)35人左右，最高達(dá)45人，區(qū)域密度遠(yuǎn)大于等候區(qū)域臨界安全經(jīng)驗(yàn)值2.4 p/m2，最高達(dá)到3.73 p/m2，已經(jīng)非常擁擠[8]。

圖9 2號(hào)線樓梯排隊(duì)人數(shù)及密度趨勢(shì)圖

（3）樓梯擁擠持續(xù)時(shí)間

按照樓梯走行區(qū)域的臨界安全經(jīng)驗(yàn)值，當(dāng)樓梯密度大于2.1 p/m2時(shí)，樓梯已非常擁擠。從7:20～8:40約80 min，2號(hào)線樓梯的密度持續(xù)高于臨界值，最高時(shí)達(dá)到2.93 p/m2，如圖10所示，持續(xù)時(shí)間達(dá)80 min。

圖10 2號(hào)線樓梯密度趨勢(shì)圖

4.4.3 改造優(yōu)化建議

拓寬2號(hào)線上行樓梯寬度。2號(hào)線上行樓梯的能力較西北、西南兩側(cè)通道的合計(jì)能力小17 750 p/h，按照上行樓梯單位寬度的通行能力約需要拓寬4.8 m。但由于2號(hào)線站臺(tái)兩側(cè)柱子及內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，改造已建成的站臺(tái)困難較大。

將擁擠位置前移至站廳，降低封閉通道人群擁擠踩踏的危險(xiǎn)性。（1）優(yōu)化限流圍欄設(shè)置?？紤]將站廳限流圍欄（位置2）2.3 m寬度縮為1 m，通行能力將由23 000 p/h降低為10 000 p/h，可與樓梯能力相匹配，如圖11所示。（2）加大站廳限流力度。在站廳設(shè)置限流圍欄繞行的基礎(chǔ)上，在通道口增加分批放行的限流措施。

圖11 換乘限流圍欄優(yōu)化圖

5 結(jié)束語

本文在車站日益增長的客流壓力背景下，基于Anylogic軟件對(duì)車站仿真的技術(shù)流程、關(guān)鍵技術(shù)及瓶頸識(shí)別方法、評(píng)估指標(biāo)等內(nèi)容進(jìn)行了研究，并以地鐵宣武門站為例進(jìn)行軟件的應(yīng)用驗(yàn)證，分析了宣武門站4號(hào)線換乘2號(hào)線的瓶頸，提出了宣武門站改造優(yōu)化建議。仿真結(jié)果顯示與現(xiàn)場(chǎng)具有較高的一致性，說明Anylogic在車站仿真評(píng)估上具有較強(qiáng)的可行性和適用性。

[1] 胡明偉,史其信.城市軌道交通車站客流組織的仿真和評(píng)價(jià)[J].交通信息與安全，2009，27（3）.

[2]杜海暉.大型客運(yùn)站客流組織動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[3] 李洪旭，李海鷹，樊 校，許心越.基于Anylogic的地鐵車站集散能力仿真分析評(píng)估[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，21（8）.

[4] 劉啟鋼，杜旭升，楊 旭.大型鐵路客運(yùn)站客流組織仿真技術(shù)研究[J].鐵路運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2012，32（10）.

[5]北京市軌道交通指揮中心二期工程信息中心系統(tǒng)需求說明書[R].2011.

[6] 陸奕婧，鄒曉磊.城市軌道交通車站客運(yùn)組織評(píng)價(jià)[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2009，11（1）.

[7]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50517―2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013．

[8]胡清梅.城市軌道交通車站客流承載能力的評(píng)估與仿真研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Simulation of Urban Transit station based on Anylogic

ZHAO Lumin1, ZHENG Yu2, XIE Jinxin1
( 1.Beijing Metro Network Control Center, Beijing 100101, China; 2.Beijing Municipal Engineering Consulting Corporation, Beijing 100031, China )

In this paper, on the basis of comprehensive comparison of the simulation software, the process of modeling and simulating with Anylogic was introduced, and the key technology in the process of simulation was studied.Taken Xuanwumen Station as an example, the station display model with 2D and 3D was established.The simulation data was used to analyze and evaluate the transfer bottleneck from the metro line 4 to metro line 2.Optimization for Xuanwumen Station was put forward.The feasibility of Anylogic in the application of station simulation and evaluation was tested and verified.It could provide support to the evaluation and optimization for Urban Transit station.

Urban Transit; station simulation; Anylogic; evaluation and optimization

U231.4∶TP39

A

2015-08-12

國家科技支撐計(jì)劃課題（ 2011BAG01B01）。

趙路敏，工程師；鄭 宇，工程師。

1005-8451（2016）03-0062-05