軌道交通換乘車站客流仿真評估指標(biāo)體系優(yōu)化及應(yīng)用

房霄虹 馮愛軍 劉彥君

(1.北京市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100068;2.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100037;3.北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院 北京 100044)

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軌道交通換乘車站客流仿真評估指標(biāo)體系優(yōu)化及應(yīng)用

房霄虹1馮愛軍2劉彥君3

(1.北京市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100068;2.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100037;3.北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院 北京 100044)

為更好實(shí)現(xiàn)客流仿真技術(shù)在軌道交通換乘車站評估中的合理、高效應(yīng)用，在初步構(gòu)建的軌道交通換乘車站客流仿真評估指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中的適用性，優(yōu)化了換乘車站客流仿真評估指標(biāo)體系，并明確了各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算方法、評價(jià)范圍及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。最后，通過北京地鐵安華橋站客流仿真實(shí)例，驗(yàn)證了換乘車站客流仿真評價(jià)指標(biāo)體系及其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的可行性、全面性及有效性。

軌道交通；客流仿真；評價(jià)指標(biāo)體系；評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

城市軌道交通換乘站是實(shí)現(xiàn)客流集散的重要場所，換乘效率的高低影響到整個(gè)線網(wǎng)的能力和總體服務(wù)水平。動態(tài)仿真模擬乘客的真實(shí)集散行為，展現(xiàn)不同場景下的客流分布和流動狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)影響疏散效率的瓶頸點(diǎn)，從而可對車站設(shè)施布局和客流組織的合理性進(jìn)行有效評價(jià)，并提出相應(yīng)的改善建議，是保障車站建筑方案及客流組織方案合理、高效的新型技術(shù)手段，已逐步被多個(gè)城市應(yīng)用于軌道交通換乘車站的設(shè)計(jì)和運(yùn)營優(yōu)化。但是，目前還沒有形成一套系統(tǒng)、完整、應(yīng)用性強(qiáng)的仿真評價(jià)指標(biāo)體系，致使不同車站評估在指標(biāo)的選取上存在很大差異，研究成果在橫向?qū)Ρ壬先狈杀刃裕瑹o法彼此形成參考和借鑒，同時(shí)也為動態(tài)仿真評估在更大范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用設(shè)置了障礙。

1 初步構(gòu)建的客流仿真評價(jià)指標(biāo)體系及存在問題

2014年，依托北京市科委《軌道交通車站客流仿真技術(shù)研究及評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建》課題，通過實(shí)現(xiàn)車站客流仿真技術(shù)在車站設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營不同階段的應(yīng)用，初步提煉并建立了一套覆蓋安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性、便捷性4類，包含客流密度、站臺滯留人數(shù)、設(shè)施設(shè)備利用率等共計(jì)10項(xiàng)具體指標(biāo)及其標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)體系[1-3]。

體系初步建立后，先期利用北京地鐵8號線三期工程王府井站和前門站進(jìn)行應(yīng)用，但在應(yīng)用過程中逐步發(fā)現(xiàn)一些問題：1)4類評價(jià)類別劃分有交叉，如客流密度既影響安全性又影響舒適性，難以明確界限；2)10個(gè)指標(biāo)較繁雜，某些指標(biāo)具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，部分指標(biāo)本質(zhì)區(qū)別不大；3)有些指標(biāo)依靠客流仿真軟件難以取得，有些即使取得也較難有量化標(biāo)準(zhǔn)；4)部分指標(biāo)沒有明確的指向性意義，對車站設(shè)計(jì)方案優(yōu)化價(jià)值不大。

2 評價(jià)指標(biāo)體系優(yōu)化

傳統(tǒng)的樞紐設(shè)計(jì)主要是參考地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范及其他建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，采用靜態(tài)和均態(tài)計(jì)算方法，對行人在車站內(nèi)的微觀行為特征以及突發(fā)情況考慮不足，無法準(zhǔn)確判斷車站內(nèi)乘客的移動效率[3]。因此，動態(tài)仿真評價(jià)必須同時(shí)關(guān)注“平均”和“瞬時(shí)”兩種狀態(tài)，同時(shí)兼顧服務(wù)水平及突發(fā)事件下的緊急疏散。此外，針對初步構(gòu)建的評價(jià)指標(biāo)體系存在的問題，重新對指標(biāo)類型進(jìn)行劃分，對重復(fù)、難以取得、意義不大的指標(biāo)進(jìn)行剔除，對指標(biāo)的量化方法和量化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行明確，進(jìn)一步對指標(biāo)體系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

優(yōu)化后的城市軌道交通換乘車站客流仿真評估指標(biāo)體系主要通過能力適應(yīng)性、瞬時(shí)沖擊性、舒適性和緊急疏散能力四個(gè)方面進(jìn)行分析構(gòu)建。能力適應(yīng)性主要評價(jià)設(shè)施設(shè)備能力與客流需求的匹配程度，采用單位時(shí)間內(nèi)均態(tài)計(jì)算，具體指標(biāo)包括客流密度、設(shè)備設(shè)施超高峰飽和度和站臺滯留人數(shù)3項(xiàng)。瞬時(shí)沖擊性主要針對換乘車站內(nèi)的瓶頸識別和過程疏解，是以任意時(shí)刻和時(shí)間推移中的擁堵點(diǎn)變化為研究對象，指標(biāo)包括瓶頸最大擁堵程度和瓶頸疏散時(shí)間2項(xiàng)。舒適性關(guān)注服務(wù)過程的舒適及便捷程度，以滿足顧客較高層次的需求為目標(biāo)，以時(shí)間或時(shí)間累積比例評價(jià)水平，設(shè)定設(shè)施服務(wù)水平和平均換乘時(shí)間為指標(biāo)。緊急疏散能力指標(biāo)評估換乘車站在發(fā)生緊急事故情況下，場內(nèi)人員安全疏散的保障程度，以車站內(nèi)所有人員撤離到安全區(qū)域所需的最少疏散時(shí)間來衡量。具體的層次劃分如圖1所示。

圖1 評價(jià)指標(biāo)體系優(yōu)化后層次劃分

3 評價(jià)指標(biāo)分析

3.1 能力適應(yīng)性指標(biāo)

3.1.1 客流密度

城市軌道交通客流密度是指單位面積內(nèi)所聚集的人數(shù)，單位為人/m2，數(shù)值的大小直接反映軌道交通車站區(qū)域的安全性和舒適性[4]。在動態(tài)仿真中，客流密度數(shù)值伴隨行人運(yùn)動動態(tài)變化，與實(shí)際運(yùn)營狀態(tài)相符，可分為客流密度的空間分布和時(shí)間分布。客流密度空間分布最常用的反映方式是平均客流密度，是仿真時(shí)段內(nèi)各區(qū)域的密度分布平均狀態(tài)?？土髅芏葧r(shí)間分布是指車站在單位時(shí)間內(nèi)(高峰小時(shí))各點(diǎn)客流密度達(dá)到或超過臨界密度的持續(xù)時(shí)間。

3.1.2 設(shè)施設(shè)備超高峰飽和度

設(shè)施能力利用效率用超高峰小時(shí)的通過客流量與設(shè)施通過能力的比值θ表示，反映客流量的大小與設(shè)施最大通過能力的匹配程度。

式中，Qh為高峰小時(shí)通過客流量；C為設(shè)施最大通過能力；ρ為超高峰系數(shù)。

3.1.3 站臺滯留人數(shù)

動態(tài)仿真中的滯留客流表示在某次列車到達(dá)前已經(jīng)處于候車狀態(tài)，但受列車容量限制未能乘坐該次列車離開的客流，是線路運(yùn)輸能力與換乘客流的匹配性的直接反映。當(dāng)相交線路的運(yùn)輸能力與換乘客流需求不匹配時(shí)，將導(dǎo)致?lián)Q乘乘客無法搭乘最近一趟列車而被迫滯留站臺。當(dāng)滯留站臺人數(shù)過多時(shí)，就必然導(dǎo)致站臺擁擠，危及安全。

MZ=Ph-Cfβ

式中，MZ為一批客流在站臺的滯留人數(shù)；Ph為一批到達(dá)站臺候車客流人數(shù)；Cf為到達(dá)列車在標(biāo)準(zhǔn)定員下的富余能力；β表示擁擠系數(shù)。擁擠系數(shù)的取值與乘客對車廂內(nèi)擁擠的忍耐程度有關(guān)。

3.2 瞬時(shí)沖擊性指標(biāo)

3.2.1 瓶頸最大擁堵程度

由于客流到達(dá)規(guī)律不連續(xù)均衡及設(shè)施的通過能力有限，短時(shí)間內(nèi)可能對設(shè)施造成沖擊，這種沖擊效應(yīng)使得設(shè)施前存在客流擁堵，當(dāng)擁堵人數(shù)較多時(shí)，就會在車站內(nèi)部形成客流疏解的瓶頸，影響車站的其他功能，同時(shí)帶來安全隱患。

車站客流堆積較為嚴(yán)重的地點(diǎn)主要有樓扶梯、閘機(jī)、安檢機(jī)等，常常形成整座車站客流集散的瓶頸區(qū)，而瓶頸區(qū)域在一次次客流聚集和客流疏解過程中聚集的最大人數(shù)或最大密度就是瓶頸最大擁堵程度。

3.2.2 瓶頸疏解時(shí)間

雖然瓶頸擁堵程度對設(shè)施的影響很大，但擁堵的持續(xù)時(shí)間則是更為危險(xiǎn)的影響因素。

瓶頸疏解時(shí)間，應(yīng)從瓶頸出現(xiàn)時(shí)刻起，至瓶頸消失時(shí)刻止，統(tǒng)計(jì)其中的間隔時(shí)間。

T瓶頸=Tstart-Tstop

式中，T瓶頸為瓶頸疏解時(shí)間；Tstart表示瓶頸出現(xiàn)時(shí)刻；Tstop表示瓶頸消失時(shí)刻。

3.3 舒適性指標(biāo)

3.3.1 設(shè)施服務(wù)水平

服務(wù)水平是針對不同行人設(shè)施上行人的疏散效率和步行舒適度的綜合評價(jià)。一般用人均占用空間面積、可以達(dá)到的步行速度、步行者自由程度、超越他人與橫穿人流的可能性以及安全舒適程度等作為評價(jià)行人服務(wù)水平的具體指標(biāo)[5]。設(shè)施服務(wù)水平可通過仿真軟件獲得，通過直觀的顏色深淺進(jìn)行劃分，進(jìn)而通過統(tǒng)計(jì)、分析得出各區(qū)域的服務(wù)水平。

3.3.2 平均換乘時(shí)間

換乘時(shí)間指乘客由到達(dá)換乘站的某一線路列車下車時(shí)起到到達(dá)其所要換乘的線路候車時(shí)止的時(shí)間之差，是反映換乘便捷性最直觀的指標(biāo)。它包含換乘走行時(shí)間和換乘過程中由于排隊(duì)、擁擠等導(dǎo)致的等待時(shí)間。平均換乘時(shí)間是所有換乘乘客換乘時(shí)間的平均值。乘客在車站n的換乘時(shí)間tn,h可表示為

tn,h=tn,b+tn,w

式中，tn,b表示換乘走行時(shí)間，tn,w表示換乘過程中的等待時(shí)間。

3.4 緊急疏散能力指標(biāo)

緊急疏散能力指標(biāo)以發(fā)生緊急事故情況下車站內(nèi)所有人員撤離到安全區(qū)域所需的最少疏散時(shí)間來衡量。根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》、《城市軌道交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范》等現(xiàn)行規(guī)范，緊急疏散時(shí)間一般指在遠(yuǎn)期或者客流控制期超高峰小時(shí)條件下，將一列進(jìn)站列車所載乘客及站臺上的候車乘客和工作人員從列車和站臺安全撤離到站廳的最少疏散時(shí)間[6-7]。

緊急情況下人員全部疏散完畢時(shí)間公式為

Te=ta+tr+tm

式中，Te為全部疏散完畢時(shí)間；ta為緊急事件探測時(shí)間；tr為乘客反應(yīng)時(shí)間；tm為乘客疏散運(yùn)動時(shí)間。

4 評價(jià)指標(biāo)評價(jià)范圍及標(biāo)準(zhǔn)

目前仿真模擬工作中應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)是零散且不統(tǒng)一的，如，對服務(wù)水平的評價(jià)多采用美國J.J.Fruin博士于1979年所著“Pedestrain Planning and Design”一書中提出的六級服務(wù)水平，但國內(nèi)許多專家學(xué)者也提出了一些不同意見。針對平均客流密度、最大擁堵程度、關(guān)鍵區(qū)域行人通過時(shí)間等，更是沒有明確的說明。因此，針對上述8項(xiàng)客流仿真評估指標(biāo)，分別設(shè)定其評價(jià)范圍和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)至少需滿足以下一項(xiàng)基本原則：1)遵照最嚴(yán)格的法規(guī)、規(guī)范、政府文件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；2)已為業(yè)界認(rèn)可或通過某種形式的業(yè)內(nèi)專家評審；3)處于國內(nèi)甚至國際先進(jìn)水平；4)通過定性或定量方法科學(xué)論證標(biāo)準(zhǔn)合理及可靠。

仿真評價(jià)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)匯總見表1。

表1 仿真評價(jià)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)匯總

續(xù)表

5 實(shí)例分析

5.1 車站概況

安華橋站是北京地鐵新建12號線與既有8號線的換乘車站。12號線車站沿北三環(huán)中路東西向布置，既有8號線車站沿鼓樓外大街、北辰路南北向布置。車站周邊屬北京的建成區(qū)域，主要以居住和商業(yè)為主[10]。

12號線安華橋站為地下3層標(biāo)準(zhǔn)島式車站，8號線安華橋站為地下2層島式車站。兩線在安華橋站利用通道換乘。安華橋車站設(shè)計(jì)總圖及客流流線組織圖見圖2、3。

圖2 安華橋車站設(shè)計(jì)總圖

圖3 安華橋車站客流流線組織圖

5.2 仿真測試及方案優(yōu)化

根據(jù)車站平面建筑方案和客流預(yù)測數(shù)據(jù)，搭建遠(yuǎn)期早高峰車站客流行人仿真分析模型[11]。經(jīng)仿真模擬，原始車站設(shè)計(jì)方案模型運(yùn)行至7:25(早高峰7:00—8:00)左右發(fā)生嚴(yán)重?fù)矶拢M被迫停止。

在原始車站設(shè)計(jì)方案中，12號線各項(xiàng)設(shè)施和換乘通道均能滿足遠(yuǎn)期早高峰客流需求，而由于遠(yuǎn)期早高峰8號線換乘12號線的客流較大，且8號線南側(cè)站廳樓扶梯口處流線交叉嚴(yán)重，造成8號線2組樓扶梯(1樓2扶)處擁堵嚴(yán)重，其能力無法滿足遠(yuǎn)期早高峰客流需求。因此，優(yōu)化后的車站設(shè)計(jì)方案在8號線車站中央增加2組上行樓梯及8換12單向換乘通道，將原始雙向換乘通道改為12換8單向換乘通道，并且改變8號 線南側(cè)2部扶梯的運(yùn)行方向，從而減少該處流線交叉，緩解8號線南北兩側(cè)樓扶梯客流壓力。經(jīng)仿真模擬，優(yōu)化后的車站設(shè)計(jì)方案模型能夠順利運(yùn)行至8:00結(jié)束，最終擁堵瓶頸明顯緩解或消失，車站仿真運(yùn)營狀態(tài)良好(見圖4、5)。

5.3 評估指標(biāo)對比情況

根據(jù)前文中提出的車站客流仿真評價(jià)指標(biāo)體系及其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)例選取了一些具有代表性的評價(jià)指標(biāo)，通過對比車站優(yōu)化前后的評價(jià)指標(biāo)情況，對其優(yōu)化效果進(jìn)行較為全面有效的評估，評估指標(biāo)選取及對比情況如表2所示。

圖4 安華橋站原始設(shè)計(jì)方案平均密度圖

圖5 安華橋站優(yōu)化設(shè)計(jì)方案平均密度圖

對比指標(biāo)側(cè)站臺客流密度/(人/m2)設(shè)施設(shè)備超高峰飽和度設(shè)施服務(wù)水平瓶頸最大擁堵程度/(人/m2)瓶頸疏解時(shí)間換乘時(shí)間位置 8號線下行側(cè)站臺 8號線南側(cè)上下行扶梯 8號線站臺南側(cè)樓扶梯前排隊(duì)區(qū)域 8號線站臺南側(cè)樓扶梯前排隊(duì)區(qū)域 8號線站臺 所有換乘方向適用標(biāo)準(zhǔn)值1.33～3<0.8良好0.8～1.0一般>1.0差 排隊(duì)空間C級及以上為宜,步行空間D級及以上<3.33 在下一次列車到達(dá)前疏散完 通道換乘<5min初始方案仿真測試結(jié)果最大值3.10 上行扶梯:飽和度1.13; 下行扶梯:飽和度0.99 C級及以上服務(wù)水平時(shí)間占比為6% 最大值4.16 站臺上有大量乘客滯留—優(yōu)化方案仿真測試結(jié)果最大值2.22 上行扶梯:飽和度0.78; 下行扶梯:飽和度0.75 C級及以上服務(wù)水平時(shí)間占比為71% 最大值2.41 站臺上高峰期有少量乘客滯留 8號線換12號線:3min57s;12號線換8號線:4min32s

續(xù)表

由表2的評價(jià)指標(biāo)對比可以看出，優(yōu)化方案與原方案相比，在客流密度、擁堵程度、服務(wù)水平、瓶頸疏解時(shí)間方面均有明顯改善，車站換乘方面的便捷性也符合相應(yīng)要求。該實(shí)例驗(yàn)證了本文提出的車站客流仿真評價(jià)指標(biāo)體系及其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，具有較高的可行性、準(zhǔn)確性、有效性及全面性。

6 結(jié)論

本文在初步構(gòu)建的軌道交通換乘車站客流仿真評估指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，對體系進(jìn)行了進(jìn)一步深化研究，將評估指標(biāo)體系重新劃分為能力適應(yīng)性、瞬時(shí)沖擊性、舒適性、緊急疏散能力4類，合計(jì)包含客流密度、設(shè)施設(shè)備超高峰飽和度、服務(wù)水平等8項(xiàng)具體指標(biāo)，消除了原體系指標(biāo)分類之間的交叉，在指標(biāo)的選取上更加注重差異性、可量化及對設(shè)計(jì)方案優(yōu)化有明確意義。并且，通過北京地鐵安華橋站對優(yōu)化后的評估指標(biāo)體系進(jìn)行了實(shí)例分析，驗(yàn)證了指標(biāo)體系及其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)具有較高的可行性、全面性及有效性，未來將可應(yīng)用于更多軌道交通換乘車站的客流仿真評估工作。

[1] 房霄虹，馮愛軍.軌道交通車站客流仿真評估指標(biāo)體系研究[C]//智慧城市與軌道交通論文集.北京，中國城市出版社，2015.

[2] 褚冬竹，林雁宇，魏書祥.軌道交通站點(diǎn)影響域行人微觀

仿真方法與城市設(shè)計(jì)應(yīng)用[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2015：58-59.

[3] 北京市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司.軌道交通車站客流仿真技術(shù)研究及評估指標(biāo)體系構(gòu)建[R].北京，2014.

[4] 武勇彥，劉小明，魏中華，等.換乘交通樞紐行人設(shè)施布局仿真評價(jià)研究[J].交通信息與安全，2012，30(3)：74-77.

[5] 李得偉.城市軌道交通樞紐乘客集散模型及微觀仿真理論[D].北京：北京交通大學(xué)，2007.

[6] 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50157—2013[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2013.

[7] 城市軌道交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范:DB 11/995—2013[S].北京:北京地方標(biāo)準(zhǔn)出版社,2014.

[8] Fruin J.J. Pedestrian Planning and Design[M].New York, NY, USA, 1971.

[9] 城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)：建標(biāo)104—2008[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2008.

[10] 北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司.北京地鐵12號線工程方案設(shè)計(jì)(第二篇 第一冊 第十分冊 安華橋站)[R].北京，2015.

[11] 劉杰，江峰，胡萬欣，等.基于換乘條件的軌道交通列車運(yùn)行圖緩沖時(shí)間設(shè)置[J].鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2015，37(6)：80-84.

(編輯：郝京紅)

Optimization and Application on Evaluation Index System of Passenger Traffic Simulation in Urban Mass Transit Transfer Stations

Fang Xiaohong1Feng Aijun2Liu Yanjun3

(1. Beijing Rail and Transit Design & Research Institute Co.,Ltd., Beijing,100068;2. Beijing Urban Construction Design & Development Group Co.,Ltd., Beijing, 100037;3. School of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing,100044)

To better realize the reasonable and efficient application of the passenger traffic simulation technology in urban mass transit transfer stations, based on primary construction of evaluation index system of passenger traffic simulation in transfer stations, and combining the feasibility of the index in practical use, the evaluation index system is optimized.Then the calculation method, evaluation scope and evaluation criteria of each evaluation index were proposed.Finally, through Beijing subway station Anhuaqiao, the evaluation index system and evaluation criteria were verified feasible, comprehensive and effective.

urban mass transit; passenger traffic simulation; evaluation index system; evaluation criteria

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.05.014

2015-12-23

2016-09-14

房霄虹，女，博士，高級工程師，主要從事城市軌道交通規(guī)劃、設(shè)計(jì)工作，47260983@qq.com

北京市科技新星計(jì)劃(Z141106001814027)

1672-6073(2016)05-0068-06

U231.4

A