地鐵站內(nèi)不同類型設(shè)施結(jié)合處行人速度變化規(guī)律研究

孫世煒，李海鷹，許心越

(1.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044;2.北京交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，北京 100044)

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地鐵站內(nèi)不同類型設(shè)施結(jié)合處行人速度變化規(guī)律研究

孫世煒1,2，李海鷹1，許心越1

(1.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044;2.北京交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，北京 100044)

摘要:以北京市海淀黃莊地鐵站4號線和10號線站廳為研究對象，分析不同類型設(shè)施結(jié)合處的行人速度變化特性。通過調(diào)研，分析不同類型設(shè)施結(jié)合處行人路線的表現(xiàn)形式，利用非付費區(qū)內(nèi)的行人走行數(shù)據(jù)，繪制、擬合速度變化曲線和速度-密度曲線，給出了行人速度在安檢設(shè)備、閘機及其結(jié)合處的變化規(guī)律。結(jié)果表明：閘機前方和安檢區(qū)域的速度對密度敏感區(qū)間分別為0.2～0.6人/m2和0.5～1.5人/m2，兩者服務(wù)水平分別達到A級和C級時，可使行人通過速度較為理想。同時，安檢設(shè)備與閘機連續(xù)配置時，安檢設(shè)備可為閘機提供行人緩沖作用。研究成果可為設(shè)施設(shè)備配置及行人仿真提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：軌道交通車站；行人走行速度；走行路線；安檢設(shè)備；閘機；曲線擬合

城市軌道交通樞紐站在城市公共交通系統(tǒng)中起著重要的作用，是城市客運交通體系的關(guān)鍵組成部分[1]。乘客是城市軌道交通的主要參與者，在車站內(nèi)有著復(fù)雜的行為[2]。因此，研究車站內(nèi)的行人走行特性，對車站乃至路網(wǎng)的運營優(yōu)化都有著重要作用。國內(nèi)外很多學(xué)者對行人走行特性進行了研究。Hankin等[3]指出可以通過研究地鐵站內(nèi)的行人流來輔助設(shè)計行人設(shè)施，并說明了樓梯等設(shè)施對行人的影響；柳伍生等[4]研究了車站內(nèi)樓梯處的行人流特征，得到密度-速度、密度-流率關(guān)系；王凱英等[5]對樓梯進一步研究，得出鄰接站臺樓梯比非鄰接站臺樓梯的行人速度高的結(jié)論；賈洪飛等[6]研究了車站通道內(nèi)的行人流特征，建立了行人流參數(shù)關(guān)系曲線及函數(shù)模型；徐尉南等[7]借助流體力學(xué)比擬思想，建立了地鐵站臺近車門處客流速度-密度的一維和二維數(shù)學(xué)模型，并可根據(jù)模型計算上車時間；楊涵等[8]研究得出不同設(shè)施對乘客步速影響顯著的結(jié)論，并得到了換算系數(shù)。但目前研究大多僅針對某一特定設(shè)施，忽視了不同設(shè)施結(jié)合處可能存在的速度變化?，F(xiàn)有研究方法通常是宏觀的，以區(qū)域平均速度作為結(jié)論，而沒有關(guān)注行人走行過程中速度的連續(xù)變化。因此，對行人速度在不同設(shè)施之間以及結(jié)合處的連續(xù)變化過程進行研究很有必要。本文以北京市海淀黃莊地鐵站為例，研究分析4號線和10號線站廳內(nèi)不同類型設(shè)施結(jié)合處的行人速度變化特性，特別關(guān)注安檢設(shè)備與閘機結(jié)合處。以期從行人角度對安檢設(shè)備、閘機等設(shè)備的能力利用情況作出評價，為地鐵站內(nèi)設(shè)施設(shè)備配置和行人仿真提供依據(jù)。

1海淀黃莊地鐵站概況

海淀黃莊地鐵站周邊學(xué)校、辦公樓居多，乘客以通勤為主，日客流量較為平穩(wěn)，且一日內(nèi)平峰和高峰客流量有較大差異。車站銜接4號線和10號線2條線路，共有4個站廳。車站布置基本對稱，為研究方便，本文僅選擇兩條線路各一個站廳進行行人速度變化規(guī)律研究，分別為從A口進入后經(jīng)下降斜坡通道到達的10號線站廳(A站廳)、從B口進入到達的4號線站廳(B站廳)。研究范圍為進站流線上處于站廳非付費區(qū)的部分，即從進站樓扶梯或通道與站廳的銜接處起，到進站閘機處止。2個站廳的平面圖如圖1～2所示。

圖1　A站廳平面圖Fig.1 Layout of concourse A

圖2　B站廳平面圖Fig.2 Layout of concourse B

2不同設(shè)施結(jié)合處行人走行路線特性

通過分析行人從進入站廳至到達進站閘機這一過程的視頻資料，總結(jié)設(shè)施結(jié)合處的行人路線特征，得到2個站廳的行人路線，為行人速度數(shù)據(jù)提取打下基礎(chǔ)。

2.1樓扶梯出口

自動扶梯有效凈寬為1 m[9]，以均勻的速度上升或下降。由于自動扶梯具有固定的速度、較窄的寬度，同時梯級具有一定的高差，行人會受到一定的約束。在扶梯內(nèi)部時，行人通常站立不動或向前行走；離開扶梯時，由于扶梯與地面存在相對運動，行人需要一定的反應(yīng)時間[10]，不會立即變更方向，而是會沿著扶梯的運行方向依靠慣性繼續(xù)前進一段距離進行調(diào)整，再選擇目標(biāo)方向。

行人在樓梯上自由度更高，但同樣由于梯級高差的影響，離開樓梯時也會存在一段慣性走行。

2.2通道出口

通道一般坡度很小，甚至沒有坡度，行人在通道的走行自由度較高。通道的最小寬度為2.4 m[9]，行人在通道內(nèi)超越、變向等行為都有足夠空間[11]，瞭望視野也較好。因此，行人離開通道時，通常在通道內(nèi)接近出口處的位置即可瞭望到目標(biāo)位置，此時行人會開始直接趨向目標(biāo)走行。

2.3閘機入口

閘機是一種客流控制裝置，主要負責(zé)乘客出入檢票[12]，寬度較小，每次僅容許1人通過。為了更順利地通過閘機，行人會先走到閘機前方某一位置，待與閘機通行方向處于一條直線時，再直線走行通過閘機。經(jīng)統(tǒng)計得知，閘機處不存在明顯排隊現(xiàn)象時，前方的直線走行長度通常在0.1～1.5 m范圍內(nèi)。

2.4海淀黃莊站站廳內(nèi)行人路線

根據(jù)以上不同設(shè)施的特性，行人由樓扶梯走向閘機時，一般會經(jīng)過“慣性走行-趨向走行-直線走行”這一過程；由通道走向閘機時，一般會經(jīng)過“趨向走行-直線走行”這一過程。示例如圖3所示，海淀黃莊站僅涉及到由通道走向閘機的情況。

圖3　經(jīng)不同設(shè)施進入站廳走向閘機路線示例Fig.3 Examples of routes walking into concourse through different facilities to gates

進而可根據(jù)圖3所示模型確定走行路線，具體步驟如下：

1)確定行人進入站廳時處于通道的位置。在通道與站廳銜接處，以地板磚為單位元對通道離散化，記錄行人進入站廳時所處的地板磚編號[13]。以通道一側(cè)墻壁為參照物，根據(jù)下式計算出行人進入站廳時與墻壁的距離。

(1)

式中：ki為經(jīng)過第i塊地板磚進入站廳的人數(shù)占所有樣本數(shù)的百分比；di為第i塊地板磚中線距通道一側(cè)墻壁的距離；a為一塊地板磚的寬度。

2)行人通過閘機的位置設(shè)定在閘機間的中線上，閘機前方的直線走行距離可多次測量取均值。

3)將進入站廳位置與直線走行起始端連接，即可得到走行路線。

以上是理想情況下的走行路線確定方法。在實際中，站廳內(nèi)可能存在各種設(shè)施，對行人路線產(chǎn)生影響，此時可根據(jù)如下方法確定：

1)站廳內(nèi)存在安檢設(shè)備。此時行人進入站廳后應(yīng)首先接受安檢，安檢設(shè)備旁的路線繪制在距設(shè)備34 cm(人群中單個行人所占空間寬度的一半)處[14]。若安檢后行人正對閘機，且距離較近，閘機前方的直線走行距離很短，可忽略不計。

2)站廳內(nèi)立柱影響。立柱會干擾行人的瞭望、走行，使行人產(chǎn)生繞行行為，此時路線產(chǎn)生一個折角。具體的轉(zhuǎn)折位置及角度可分析視頻資料得到。

3)站廳內(nèi)存在導(dǎo)流護欄。為了規(guī)范行人路線、維持車站秩序、限制站內(nèi)人數(shù)，通常會設(shè)置導(dǎo)流護欄。在護欄內(nèi)，行人路線與護欄走向一致，可以認為是護欄所圍區(qū)域的中線位置。

根據(jù)以上方法，得到A和B站廳內(nèi)行人路線分別如圖4～5所示。

圖4　A站廳行人路線Fig.4 Pedestrian routes in concourse A

圖5　B站廳行人路線Fig.5 Pedestrian routes in concourse B

3行人速度影響因素分析

根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)繪制速度曲線，進一步分析得到行人速度的影響因素，為曲線擬合提供依據(jù)。

3.1速度數(shù)據(jù)收集與計算方法

根據(jù)距離閘機的水平距離，將站廳非付費區(qū)劃分為若干小區(qū)域，為便于觀測，區(qū)域邊緣與地板磚接縫吻合。區(qū)域劃分結(jié)果如圖4～圖5中豎線所示，對于B站廳，安檢處劃分為3個小區(qū)域，其中2號區(qū)域為行人放包，3號區(qū)域為行人無包走過安檢設(shè)備，4號區(qū)域為行人拿包。

根據(jù)視頻資料采集行人經(jīng)過每一小區(qū)域的時間以及進入閘機編號。進入閘機k時，第i區(qū)域內(nèi)的路線長度lik可以依照平面圖比例尺計算得到。設(shè)第j次統(tǒng)計中第i區(qū)域內(nèi)的走行時間為tij，則此次統(tǒng)計該區(qū)域內(nèi)的平均速度可由下式計算：

(2)

以vij近似表示第i區(qū)域中線位置的瞬時速度，該區(qū)域最終的統(tǒng)計速度vi為：

(3)

每一站廳分閑時、忙時各采集樣本至少80個。

3.2速度曲線及影響因素確定

假定設(shè)施類型、設(shè)施布置形式、客流量[15]以及進入閘機組中不同閘機會對行人速度產(chǎn)生顯著影響。通過繪制、分析速度曲線，明確影響因素，為速度變化規(guī)律研究奠定基礎(chǔ)。

以各區(qū)域中線距進站閘機組的水平距離xi為橫坐標(biāo)，速度vi為縱坐標(biāo)，分別繪制A和B站廳閑時、忙時行人速度曲線如圖6～9所示。

圖6　A站廳閑時各閘機行人速度曲線Fig.6 Speed curves of each gate in concourse A during non-busy hours

圖7　A站廳忙時各閘機行人速度曲線Fig.7 Speed curves of each gate in concourse A during busy hours

圖8　B站廳閑時各閘機行人速度曲線Fig.8 Speed curves of each gate in concourse B during non-busy hours

圖9　B站廳忙時各閘機行人速度曲線Fig.9 Speed curves of each gate in concourse B during busy hours

1)不同設(shè)施類型對速度產(chǎn)生影響。圖8～9中，距進站閘機組5.4～8.4 m處為安檢設(shè)備位置，行人速度在0.4 m/s左右，遠低于閘機前方速度0.8 m/s。

2)不同設(shè)施布置形式對速度產(chǎn)生影響。A站廳的安檢設(shè)備布置在站廳外，行人只在閘機前方速度受到限制，約為0.6 m/s；B站廳的安檢設(shè)備布置在站廳內(nèi)，此時行人增加了一個速度限制點，改變了速度曲線形式，同時閘機前方速度提升至0.8 m/s。

對于增加安檢設(shè)備后閘機前方行人速度提升的原因解釋如下。根據(jù)已有研究[16]，安檢設(shè)備的能力為2 600人/h，每臺閘機能力為2 100人/h，安檢設(shè)備的能力小于閘機組，成為進站過程的瓶頸，這使得安檢后行人恢復(fù)正常步速，閘機處基本沒有排隊現(xiàn)象。實際情形如圖10所示。

圖10　B站廳忙時行人經(jīng)過安檢前后對比Fig.10 Contrast of passenger flow before and after security in concourse B during busy hours

3)客流量對速度產(chǎn)生影響，通過不同時段的數(shù)據(jù)來體現(xiàn)。在A站廳內(nèi)，閑時，行人進入閘機前方1 m區(qū)域時，速度會迅速由1.2 m/s降低至0.6 m/s左右，這通常由行人在閘機前方的一些延滯性活動造成，例如尋卡、放置行李、等待他人等行為[17]；忙時，降速的起點由閘機前方1 m位置移至2 m，這主要是由閘機前方排隊人數(shù)增加造成。此外，忙時，距閘機組2 m以外區(qū)域行人速度呈現(xiàn)出上升的趨勢，這是由于進入隊列前行人會加速來選擇較短的隊列，以節(jié)省排隊時間，這與閑時較為平穩(wěn)的曲線形式不同。

在B站廳內(nèi)，閑時，行人從站廳入口到安檢設(shè)備前方為正常步速，接受安檢時經(jīng)歷“放置行李-走到取行李處-停留等待取行李”這一過程，導(dǎo)致速度呈現(xiàn)波動的形式；忙時，客流量劇增，一臺安檢設(shè)備的能力已經(jīng)不能滿足需求，行人一直處于緊密隊列中，安檢處行人速度波動不再明顯，一直處于很低的水平，基本在0.4 m/s以下。

可見，客流量會對行人速度產(chǎn)生影響，有必要進一步對行人速度與密度的關(guān)系進行研究。

4)行人進入閘機組內(nèi)不同閘機時，速度水平和趨勢均沒有明顯差別，可以將一個閘機組作為整體進行研究。

4行人速度變化規(guī)律

4.1速度曲線擬合

將各站廳各時段的速度數(shù)據(jù)取均值，進行曲線擬合，如圖11所示。

(a)A站廳閑時；(b)A站廳忙時；(c)B站廳閑時；(d) B站廳忙時圖11　行人速度曲線擬合Fig.11 Pedestrian speed curves fitting

A站廳閑時為Logistic函數(shù)：

(4)

A站廳忙時為LogNormal函數(shù)：

(5)

B站廳閑時為BiPhasic函數(shù)：

(6)

B站廳忙時為BiPhasic函數(shù)：

(7)

從曲線擬合結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

1)閘機是行人速度很重要的限制節(jié)點。行人在閘機前速度通常會急劇降低，客流量較大時更加明顯，持續(xù)的時間更長、空間更廣。

2)安檢設(shè)備是行人進站過程的分界點，行人在安檢前后的速度變化相互獨立，這使得行人速度變化呈現(xiàn)雙相的特性。安檢設(shè)備前行人速度驟降，安檢后又回升。若安檢設(shè)備能力不足，會大大降低行人的進站便捷度。

3)安檢設(shè)備與閘機連續(xù)配置時，安檢設(shè)備可以為閘機提供行人緩沖作用。但為了避免延滯作用加成，兩者之間應(yīng)保持一定的距離。

4.2速度-密度曲線

在站廳內(nèi)選擇特定的區(qū)域，獲取該區(qū)域內(nèi)的速度-密度曲線。

A站廳選定進站閘機組前方4個地板磚寬度的區(qū)域，區(qū)域面積為9.22 m2；B站廳選定安檢前及安檢區(qū)域，安檢前為2個地板磚寬度，安檢為1個地板磚寬度，區(qū)域面積為7.56 m2。選定區(qū)域如圖4～圖5陰影區(qū)域所示，速度-密度曲線擬合結(jié)果如圖12所示。

(a)A站廳；(b)B站廳圖12　速度-密度曲線擬合Fig.12 Speed-density curves fitting

A站廳閘機前方為Boltzmann函數(shù)：

(8)

B站廳安檢處為Logistic函數(shù)：

(9)

根據(jù)速度-密度曲線可以得到如下結(jié)論：

1)選定區(qū)域內(nèi)，行人速度均隨密度的增加而明顯降低，可將密度作為識別速度變化的一個指標(biāo)。

2)閘機前方在0.2～0.6 人/m2區(qū)間、安檢處在0.5～1.5 人/m2區(qū)間速度變化趨勢較陡，為速度對密度的敏感區(qū)間，該區(qū)間兩邊變化趨勢較緩。

3)若將行人密度控制在敏感區(qū)間的上限之下，即閘機前方行人密度控制在0.6 人/m2以下、安檢處控制在1.5 人/m2以下，可以有效提高行人的通過速度，保證良好的通行效率。行人服務(wù)水平一般可分為A～F共6個等級[18]，根據(jù)對應(yīng)行人密度可知，閘機達到A級服務(wù)水平、安檢設(shè)備達到C級服務(wù)水平時，可使行人通過速度較為理想。

5結(jié)論

1)得到了樓扶梯出口、通道出口、閘機入口等不同設(shè)施結(jié)合處的行人路線特征，在實地調(diào)研中操作簡便且有較好的準(zhǔn)確性。

2)通過研究站廳非付費區(qū)內(nèi)的行人速度曲線和函數(shù)，明確了設(shè)施類型、設(shè)施布置形式和客流量是行人速度的主要影響因素。其中重點研究了閘機和安檢設(shè)備對行人速度的限制作用，并發(fā)現(xiàn)兩者連續(xù)配置時，安檢設(shè)備可以為閘機提供行人緩沖作用。

3)根據(jù)在安檢區(qū)域和閘機前方擬合得到的速度-密度曲線和函數(shù)，得到兩者應(yīng)達到的服務(wù)水平等級。若未達到相應(yīng)等級，應(yīng)考慮增加設(shè)施數(shù)量，或改變設(shè)施配置形式及設(shè)施間距離，使其能力與客流相適應(yīng)，從而控制行人密度，保證通行速度，提高車站運營效率。

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(編輯陽麗霞)

Study on pedestrian speed change in connection areasbetween different facilities in subway station

SUN Shiwei1,2, LI Haiying1, XU Xinyue1

(1.State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044， China；2.School of Traffic and Transportation，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044, China)

Abstract:In this paper, the concourses of line 4 and line 10 in Haidian Huangzhuang subway station were chosen as research objects, and the pedestrian speed features in the connection areas with different types of facilities were focused on. Traveling route modes were analyzed through survey. The of curves of the speed and speed-density were drawn and fitted using the data of pedestrian in non-paying areas to show the feature of the speed change in security inspection equipment and gates. The results show that the speed-sensitive intervals of density are 0.2-0.6 person/m2 in front of gates and 0.5-1.5 person/m2 at security inspection equipment,respectively. The pedestrian speed will be acceptable when the service level reaches A at the gates and C at the security equipment, respectively. Besides, when the security inspection equipment and gates are located successively, the security inspection equipment can reduce the pedestrian arriving rate at the gates. The results could provide guidance for facilities layout and pedestrian simulation.

Key words:rail station；pedestrian speed；traveling route；security equipment；gates；curve fitting

中圖分類號：U121

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)03-0570-07

通訊作者：李海鷹(1966-)，女，山西榆次人，教授，博士，從事交通樞紐規(guī)劃與設(shè)計的研究；E-mail：hyli@bjtu.edu.cn

基金項目：國家重點實驗室自主課題資助項目(RCS2015ZZ002)；北京市科技專項資助項目(Z141106004414106)

收稿日期：2015-07-27