基于AnyLogic仿真的城市軌道交通樞紐通道寬度研究*

聶廣淵 袁振洲 吳昊靈

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，300142，天津；2.北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院,100044,北京∥第一作者，助理工程師)

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基于AnyLogic仿真的城市軌道交通樞紐通道寬度研究*

聶廣淵1袁振洲2吳昊靈2

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，300142，天津；2.北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院,100044,北京∥第一作者，助理工程師)

選取北京城市軌道交通樞紐西直門站單雙向客流條件下的步行通道進(jìn)行調(diào)研,采集乘客步行速度,統(tǒng)計(jì)得到85%行人步速分布區(qū)間?；贏nyLogic軟件構(gòu)建客流交通模型,利用調(diào)研數(shù)據(jù)標(biāo)定仿真參數(shù)。在仿真過程中通過改變通道寬度及客流量,輸出通道內(nèi)的區(qū)域密度數(shù)據(jù),擬合寬度-密度函數(shù)曲線并建立函數(shù)模型。最終給出不同客流量條件下的通道寬度建議取值。

城市軌道交通樞紐; 步行通道; 通行能力; 服務(wù)水平

First-author′s address The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,300142,Tianjin,China

城市軌道交通樞紐常存在的步行通道較窄及通道內(nèi)客流雙向混行現(xiàn)象,會(huì)導(dǎo)致乘客走行速度受限,且擁擠和排隊(duì)現(xiàn)象嚴(yán)重,嚴(yán)重影響通道的通行能力和服務(wù)水平。通道的通行能力是指在特定條件下,單位時(shí)間內(nèi)通過通道某一斷面的行人最大流量。在軌道交通樞紐和軌道交通車站內(nèi),步行通道的通行能力受行人步行速度、客流密度、通道有效寬度等因素影響。其中，最主要的影響因素是通道的有效寬度。

國內(nèi)外對于軌道交通步行通道的研究主要集中在通道內(nèi)行人交通特性和通道優(yōu)化設(shè)計(jì)上。文獻(xiàn)[1-4]對廣州、上海、南京等城市軌道交通車站的通道、樓梯、自動(dòng)扶梯等設(shè)施進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查,對各設(shè)施處的行人交通特性進(jìn)行研究,建立行人流量-密度及速度-密度關(guān)系模型、路阻函數(shù)模型,為軌道交通車站內(nèi)設(shè)施布局優(yōu)化提供理論依據(jù)。文獻(xiàn)[5]構(gòu)建了平均步距最短的通道優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù),并針對步行通道的瓶頸提出改善建議。文獻(xiàn)[6]構(gòu)建了排隊(duì)優(yōu)化模型,將行人服務(wù)水平的概念引入到地鐵人行通道通行能力的計(jì)算中。文獻(xiàn)[7]考慮了通道服務(wù)水平的因素,調(diào)查并分析了客流特性,通過構(gòu)建仿真系統(tǒng)對單向客流條件下的通道寬度進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)[8]利用VISSIM構(gòu)建客流交通模型,并進(jìn)行了模型的校正和檢驗(yàn),對高強(qiáng)度客流下的世博會(huì)進(jìn)出口通道進(jìn)行了仿真分析。以上文獻(xiàn)在對地鐵通道寬度進(jìn)行研究時(shí),并未同時(shí)考慮單、雙向客流條件及服務(wù)水平分級,文獻(xiàn)[9]中對于通道最大通行能力及寬度取值也未考慮服務(wù)水平因素。本文基于步行通道服務(wù)水平分級標(biāo)準(zhǔn)及AnyLogic仿真模型,對軌道交通樞紐單雙向通道寬度取值問題進(jìn)行研究。

1 行人仿真模型及相關(guān)軟件

根據(jù)仿真模型對行人系統(tǒng)細(xì)節(jié)描述程度的不同,行人運(yùn)動(dòng)仿真模型可分為宏觀、中觀、微觀模型三種。宏觀模型主要包括行人動(dòng)力學(xué)模型和空間交互熵最大化模型,一般把多個(gè)行人作為一個(gè)整體,不考慮單個(gè)行人的行為,不僅無法刻畫瓶頸處的動(dòng)態(tài)變化,也難以表示行人與行人之間的相互作用[10]。

中觀模型既保留了宏觀模型中的流量、速度、密度等特性數(shù)據(jù),也保留了微觀模型中的核心數(shù)據(jù)。這種模型將行人流描述為若干行人個(gè)體構(gòu)成的隊(duì)列單元,能描述節(jié)點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)變化,但不能細(xì)致地描述行人個(gè)體之間的相互作用,其代表性的模型為格子氣模型[11]。

微觀模型可研究個(gè)體的運(yùn)動(dòng)行為,并能表示人與人、人與環(huán)境之間的相互作用。由于行人的特性均表現(xiàn)在微觀層面,所以微觀模型在描述行人之間、行人與周邊環(huán)境的相互作用方面具有很大優(yōu)勢。高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù),使更加復(fù)雜的模型得以運(yùn)用[12]。其代表性的模型有元胞自動(dòng)機(jī)模型、磁力場模型、社會(huì)力模型等。

常用的行人交通仿真軟件有Legion、Steps、AnyLogic、SimWalk、SimPed、Vissim等。其中，AnyLogic軟件的行人仿真主要依靠其行人庫完成,能輸出行人數(shù)目、平均密度、停留時(shí)間等數(shù)據(jù)。AnyLogic的核心算法是社會(huì)力模型。該模型認(rèn)為行人共受到驅(qū)動(dòng)力、人與人之間的作用力、人與邊界之間的作用力三種力,能較好地反映行人的自組織特性。其行人走行軌跡方向性明顯,且在最短路徑或最佳路線附近擺動(dòng)。社會(huì)力模型用數(shù)學(xué)解析方法表達(dá)了行人在復(fù)雜環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)過程,由于該模型的連續(xù)性特征使其可以精確描述各種層次的作用力,故模型計(jì)算結(jié)果可靠,比較接近真實(shí)情況[13]?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn),選用AnyLogic軟件進(jìn)行仿真分析。

2 行人步行速度調(diào)查與分析

選取北京城市軌道交通樞紐西直門站的兩條地下水平步行通道進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)查,數(shù)據(jù)采集時(shí)段為早高峰(7:00—9:00)。2條通道中，一條為單向客流通道,另一條為雙向客流通道(高峰小時(shí)主次方向客流比例為5∶1)。獲取城市軌道交通樞紐通道內(nèi)的行人步速分布,作為標(biāo)定仿真模型參數(shù)的依據(jù)。

2.1 單向通道

為避免使用某一具體的數(shù)值來描述乘客步速而引起爭議,故采用調(diào)研數(shù)據(jù)里85%乘客步速所在區(qū)間來分析乘客特征。調(diào)研樣本為 484 人,有效樣本為 462 人,乘客步速分布如圖1所示。利用SPSS軟件進(jìn)行 K-S 檢驗(yàn),在單向客流通道內(nèi)的乘客步速服從泊松分布,乘客步速分布在[0.6, 1.5]m/s區(qū)間。

圖1 單向通道乘客步速直方圖

2.2 雙向通道

同樣采用了調(diào)研數(shù)據(jù)中85%乘客速度所在區(qū)間分析乘客特征,調(diào)研樣本為 477 人,有效樣本為 452 人,乘客步速分布如圖2所示。利用SPSS軟件進(jìn)行K-S檢驗(yàn),在雙向通道內(nèi)的乘客步速服從泊松分布,乘客步速分布在[0.5, 1.4]m/s區(qū)間。

圖2 雙向通道乘客步速直方圖

3 AnyLogic仿真思路及參數(shù)設(shè)置

3.1 仿真思路及模型構(gòu)建

首先，針對通道寬度及單雙向客流,利用北京西直門城市軌道交通樞紐調(diào)查結(jié)果標(biāo)定仿真參數(shù)；然后，在單向客流及雙向客流 (5∶1)條件下,通過改變小時(shí)客流量及通道的寬度來統(tǒng)計(jì)區(qū)域行人密度,并擬合通道寬度-密度函數(shù)曲線；最后，建立函數(shù)模型并進(jìn)行分析,基于服務(wù)水平給出不同客流量下的通道建議寬度。構(gòu)建的仿真模型及場景見圖3。

圖3 仿真整體布局圖

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

在系統(tǒng)仿真建模之前,根據(jù)研究目的,對系統(tǒng)進(jìn)行一定的假設(shè)和說明以簡化模型,從而降低仿真模型建立的難度和減少無關(guān)因素的干擾。

(1)簡化行人的占地形態(tài),將乘客的占地空間簡化為二維圓形。

(2)簡化行人的走行模式,設(shè)定行人受其他行人、墻壁、障礙物的綜合作用力,且均以最短路徑走行至各自的目的地,無需向他人問路,無折返等現(xiàn)象。

(3)根據(jù)西直門站實(shí)際客流調(diào)查結(jié)果,采用85%乘客步速分布區(qū)間,設(shè)定單向客流的乘客走行速度為[0.6, 1.5]m/s,雙向混行客流 (5∶1) 的乘客走行速度為[0.5, 1.4]m/s。

(4)根據(jù)行人空間需求相關(guān)理論,設(shè)定墻壁接觸容差為0.3 m。早晚高峰乘客以不攜帶任何物品及攜帶小包乘客為主,設(shè)定行人占地空間直徑為[0.4, 0.6]m[14]。

(5)早晚高峰客流以單獨(dú)出行上班的青年人群為主,客流結(jié)構(gòu)設(shè)置為個(gè)人而非組團(tuán)。

3.3 仿真模型的校驗(yàn)

模型校驗(yàn)的目標(biāo)是通過調(diào)整影響仿真模型的參數(shù),使得多個(gè)參數(shù)綜合作用后模型輸出的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及反映的交通運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)際情況相近[8]。如果不相符,需要對參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn),調(diào)整參數(shù)取值范圍,重新仿真校驗(yàn),直到仿真結(jié)果符合實(shí)際結(jié)果為止。3.2節(jié)中給出的參數(shù)均已經(jīng)過校驗(yàn),由表1中仿真密度與實(shí)測密度的結(jié)果對比可以看出,仿真模型比較符合實(shí)際,可進(jìn)一步用于仿真分析。

4 基于AnyLogic仿真的通道寬度取值

4.1 單向通道寬度取值

模擬環(huán)境為城市軌道交通樞紐單向步行通道，模擬工況采用2 000、4 000、6 000、8 000、10 000、12 000 人次/h 等6種客流量及2、3、4、5、6、7、8 m等7種通道寬度，共42種組合。利用AnyLogic軟件，分別模擬42種工況的客流狀況,并在系統(tǒng)運(yùn)行1 000 s 后開始采集數(shù)據(jù),每5 s 輸出一次數(shù)據(jù),每種工況收集1 000組通道內(nèi)區(qū)域密度值。通過計(jì)算得到區(qū)域平均密度后，可擬合單向通道寬度-密度曲線 (見圖4) 并建立函數(shù)關(guān)系 (見表2)。

表1 實(shí)測密度與仿真密度對比

圖4 單向通道寬度-密度擬合曲線圖

表2 單向通道函數(shù)模型表

考察擬合結(jié)果(表2)發(fā)現(xiàn),冪函數(shù)的總體擬合效果較好,其函數(shù)模型為:

W單=aKb

(1)

式中：

W單——通道寬度(單向客流)；

K——密度；

a、b——模型參數(shù)。

參照《美國公共交通通行能力和服務(wù)質(zhì)量手冊(II)》[15]中規(guī)定的步行通道服務(wù)水平分級標(biāo)準(zhǔn)(見表3),以區(qū)域密度為服務(wù)水平主要分級依據(jù),利用擬合函數(shù)模型計(jì)算得到不同客流量、不同服務(wù)水平下的單向步行通道的建議寬度(見表4)。

4.2 雙向通道寬度取值

在雙向混行客流 (5∶1) 條件下模擬城市軌道交通樞紐地下水平通道內(nèi)的客流狀況,其數(shù)據(jù)采集方法與單向水平通道相同。模擬工況分別為2 000、4 000、6 000、8 000、10 000人次/h等5種客流率及3、4、5、6、7 m等5種寬度，共25種組合。每種工況收集1 000組通道內(nèi)區(qū)域密度數(shù)據(jù),并統(tǒng)計(jì)得到雙向混行客流條件下的區(qū)域密度值。利用獲得的數(shù)據(jù)擬合雙向混行通道寬度-密度曲線 (見圖5), 并建立函數(shù)關(guān)系(見表5)。

表3 步行通道的服務(wù)水平分級

表4 不同客流量及服務(wù)水平的單向通道建議寬度 m

圖5 雙向通道寬度-密度擬合曲線圖

表5 雙向通道函數(shù)模型表

考察擬合結(jié)果(表5)發(fā)現(xiàn),冪函數(shù)的擬合效果較好,其函數(shù)模型為:

W雙=aKb

(2)

式中：

W雙——雙向混行步行通道寬度。

同樣根據(jù)文獻(xiàn)[15]中規(guī)定的步行通道服務(wù)水平分級標(biāo)準(zhǔn) (見表3), 利用擬合的函數(shù)模型計(jì)算得到不同客流量、不同服務(wù)水平條件下雙向步行通道的建議寬度 (見表6)。

4.3 分析與建議

以往通道寬度的經(jīng)驗(yàn)公式[7]:

(3)

式中:

B——通道寬度,m;

Q——超高峰客流量,為已知量,人次/h;

α——不均勻系數(shù),一般取1～1.25;

C——單位寬度的最大通行能力, 視服務(wù)等級而定,人次/(h·m)。

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的單向1 m寬通道的最大通行能力為5 000人次/h,雙向1 m寬通道的最大通行能力為4 000人次/h。利用式(1)及規(guī)范中規(guī)定的最大通行能力,在超高峰系數(shù)和不均勻系數(shù)均取1.2的情況下,可計(jì)算得到不同客流量條件下的單雙向通道寬度規(guī)范值。

將規(guī)范計(jì)算值與仿真得到的建議值對比 (見表7) 發(fā)現(xiàn),采用規(guī)范值的通道基本處于F級服務(wù)水平狀態(tài),即依規(guī)范值設(shè)計(jì)的通道寬度偏窄,其通行能力不能完全滿足乘客需求,服務(wù)水平偏低,在實(shí)際運(yùn)營時(shí)易發(fā)生擁堵。在E級服務(wù)水平狀態(tài)下，通道飽和度 (單位寬度的行人流量與單位寬度的最大通過能力之比) 為 0.8～1.0, 相應(yīng)的設(shè)施通行能力基本能夠滿足乘客通行需求,且節(jié)約成本。故建議采用建議值對軌道交通樞紐步行通道進(jìn)行設(shè)計(jì),使之盡可能達(dá)到E級服務(wù)水平,如有條件也可按照D級服務(wù)水平進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表6 不同客流量及服務(wù)水平的雙向通道建議寬度 m

表7 地鐵通道寬度規(guī)范值與仿真建議值的對比 m

5 結(jié)語

本文基于AnyLogic仿真軟件,利用北京西直門軌道交通樞紐實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)標(biāo)定仿真參數(shù),利用仿真結(jié)果擬合步行通道寬度-密度關(guān)系曲線,發(fā)現(xiàn)通道寬度-密度關(guān)系符合冪函數(shù)模型?；诓叫型ǖ婪?wù)水平分級標(biāo)準(zhǔn)給出單、雙向通道寬度的建議取值,與《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》對比發(fā)現(xiàn),按規(guī)范設(shè)計(jì)的通道寬度取值偏低,且多處于F級服務(wù)水平狀態(tài)。研究結(jié)果可為不同客流量條件下軌道交通樞紐的步行通道設(shè)計(jì)提供參考。研究方法同樣適用于軌道交通車站、大型建筑內(nèi)的步行通道寬度研究。

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Research on Passageway Width at Urban Rail Transit Hub Based on AnyLogic Simulation

NIE Guangyuan, YUAN Zhenzhou, WU Haoling

Xizhimen rail transit hub in Beijing is selected as the research target to study the passageway width, which is the main factor influencing the transport capacity. The data of pedestrian walking speed, including the one-direction way and bi-direction way is collected, covering a range of 85% pedestrian walking areas. Based on AnyLogic simulation software and survey data, the simulation parameters are calibrated. By changing the passageway width and the passenger flow in the process of simulation, outputting the regional density data, fitting the width-density function curve, a functional model is established. Finally, the passageway width at rail transit hub according to different service levels and different pedestrian flows is suggested.

urban rail transit hub; passageway; transport capacity; service level

*國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2012CB725403)

TU 921

10.16037/j.1007-869x.2016.06.007

2015-08-18)