基于客流流線的城市軌道車站安全可靠性評價模型*

陳 堅 李 武 鐘異瑩 代佳妮

(1.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院,400074,重慶; 2.重慶交通大學(xué)山地城市交通系統(tǒng)與安全重慶市重點(diǎn)實驗室,400074,重慶;3.重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院運(yùn)輸貿(mào)易系,402247,重慶∥第一作者，副教授)

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基于客流流線的城市軌道車站安全可靠性評價模型*

陳 堅1,2李 武1鐘異瑩1代佳妮3

(1.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院,400074,重慶; 2.重慶交通大學(xué)山地城市交通系統(tǒng)與安全重慶市重點(diǎn)實驗室,400074,重慶;3.重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院運(yùn)輸貿(mào)易系,402247,重慶∥第一作者，副教授)

為解決城市軌道交通車站運(yùn)行安全可靠性科學(xué)評估的問題,從概率論的視角,以城市軌道交通車站乘客、交通服務(wù)設(shè)施、列車構(gòu)成的系統(tǒng)為研究對象,對城市軌道交通車站安全可靠性進(jìn)行了定義。結(jié)合城市軌道交通客流流線特征,建立了城市軌道交通車站節(jié)點(diǎn)安全可靠性評價模型和基于權(quán)聯(lián)模型下的車站系統(tǒng)可靠性評估方法。以重慶軌道交通3號線兩路口站為例,應(yīng)用評價模型與方法,計算兩路口站進(jìn)出站節(jié)點(diǎn)安全可靠性和車站整體系統(tǒng)的安全靠性。結(jié)果表明:重慶軌道交通3號線兩路口站進(jìn)出站節(jié)點(diǎn)的安全可靠性為92.2%,整個車站系統(tǒng)的安全可靠性為90.4%。

城市軌道交通; 車站節(jié)點(diǎn); 客流流線; 安全可靠性

First-author′s address School of Traffic and Transportation,Chongqing Jiaotong University，400074,Chongqing,China

城市軌道交通車站乘客聚散規(guī)律及系統(tǒng)安全可靠性直接影響城市居民日常出行及城市交通的有序穩(wěn)定運(yùn)行,如何科學(xué)定量描述乘客在車站內(nèi)一系列活動過程及其規(guī)律,從乘客聚散角度客觀分析車站安全可靠性,已成為國內(nèi)外交通行為、公共安全領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn),也是城市軌道交通規(guī)劃設(shè)計的必要組成部分。

對系統(tǒng)可靠性的研究已在眾多領(lǐng)域取得進(jìn)展,如電力網(wǎng)絡(luò)、供水網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)等。但國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于城市軌道交通系統(tǒng)的安全可靠性探索并不多。文獻(xiàn)[1]最先提出了路網(wǎng)可靠性的概念,并以連通可靠度為路網(wǎng)連通狀況的重要評價指標(biāo)之一;文獻(xiàn)[2]采用行程時間可靠度對路網(wǎng)日常運(yùn)營情況、服務(wù)質(zhì)量的穩(wěn)定性以及交通需求的敏感性進(jìn)行了有效分析;文獻(xiàn)[3]在對步行通道、售票窗口、進(jìn)站檢票機(jī)、站臺等單類交通服務(wù)設(shè)施的優(yōu)化配置研究中證實了設(shè)施布局對乘客分布及擁擠程度將產(chǎn)生影響;文獻(xiàn)[4]探討了城市軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)營安全可靠性;文獻(xiàn)[5]建立了地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)可靠性模型;文獻(xiàn)[6]以軌道交通樞紐為研究對象,通過建立換乘設(shè)施串并聯(lián)系統(tǒng),分析了系統(tǒng)中串聯(lián)、并聯(lián)單元的可靠性對系統(tǒng)整體可靠性的影響。已有研究大都側(cè)重于車站設(shè)備可靠性及突發(fā)事件后的緊急疏散,未將客流特征與安全可靠性研究相結(jié)合,忽略了車站作為一個復(fù)雜系統(tǒng)其自身運(yùn)行的安全問題。并且,目前尚沒有城市軌道交通車站安全可靠性的概念,也缺少相應(yīng)的定量計算方法。

目前，我國各大城市急需結(jié)合本城市實際特點(diǎn)，對軌道交通車站進(jìn)行科學(xué)化、系統(tǒng)化、人性化規(guī)劃設(shè)計、對軌道交通車站安全的管理理論與方法進(jìn)行系統(tǒng)化研究，在此背景下,從概率論的視角,以城市軌道交通車站乘客、交通服務(wù)設(shè)施、列車構(gòu)成的系統(tǒng)為研究對象,結(jié)合重慶市軌道交通出行特征,進(jìn)行了城市軌道交通車站內(nèi)部乘客流動規(guī)律及系統(tǒng)安全可靠性分析。

1 客流流線分析

城市軌道交通車站站內(nèi)乘客流動過程中的聚散狀態(tài)變化受到多種因素的疊加影響。要研究車站設(shè)備的合理布局和使用安全可靠性,必須先分析車站客流流線的特征。本文將城市軌道交通車站客流流線分為進(jìn)站流線、出站流線以及換乘流線。

1.1 進(jìn)站流線

乘客進(jìn)站量的大小和車站周邊的環(huán)境密切相關(guān)。在較短的時段內(nèi),乘客進(jìn)站表現(xiàn)出隨意性;在較長時段,乘客進(jìn)站的客流量呈現(xiàn)峰型分布,主要表現(xiàn)為高峰客流和平峰客流。一般情況下,乘客進(jìn)站流程如圖1所示。

圖1 乘客進(jìn)站流線圖

1.2 出站流線

車站周邊環(huán)境是影響乘客出站流量大小的直接因素。在客流高峰時段內(nèi),乘客通常在列車到達(dá)車站后蜂擁下車并易于在車站某些設(shè)備處形成擁堵。等到乘客出站以后,客流逐漸分散,之前擁堵處的設(shè)備恢復(fù)到列車到站前的空閑狀態(tài)。當(dāng)下一趟列車到達(dá)時,車站閑置的設(shè)備再次出現(xiàn)擁堵,如此反復(fù)循環(huán)。因此,乘客出站的客流特征表現(xiàn)出突發(fā)式增長的規(guī)律。乘客的出站流程如圖2所示。

圖2 乘客出站流線圖

1.3 換乘流線

由于商業(yè)區(qū)服務(wù)范圍內(nèi)存在大量的乘客出行需求,所以換乘站一般設(shè)于商業(yè)中心區(qū)。乘客在換乘站表現(xiàn)出的客流規(guī)律與出站時類似,通常情況下,列車在到達(dá)換乘站時,換乘客流突發(fā)式增長。換乘結(jié)束后,換乘設(shè)備再次恢復(fù)至換乘之前的空閑狀態(tài)。乘客換乘流程如圖3所示。

圖3 乘客換乘流線圖

2 車站節(jié)點(diǎn)安全可靠性評價模型

2.1 車站節(jié)點(diǎn)安全可靠性

產(chǎn)品或系統(tǒng)在預(yù)定時間內(nèi)能夠正常實現(xiàn)產(chǎn)品功能、完成預(yù)期任務(wù)的概率即為系統(tǒng)安全可靠性[7-8]。車站節(jié)點(diǎn)或系統(tǒng)的安全值并不是節(jié)點(diǎn)或系統(tǒng)的最大能力,而是根據(jù)乘客的行為特征、設(shè)備的物理特性以及實際情況綜合計算得出的一個理論值,如果實際值超過該理論值,從客流組織與管理的角度就有可能不安全,該值即為安全臨界值。

根據(jù)安全可靠性的概念,本文將城市軌道交通車站節(jié)點(diǎn)安全可靠性定義為:在一定運(yùn)營條件下和規(guī)定時間內(nèi),節(jié)點(diǎn)能夠通過一定客流量而不存在任何安全風(fēng)險的概率。

2.2 節(jié)點(diǎn)安全可靠性評價模型

2.2.1 模型假設(shè)

城市軌道交通車站各節(jié)點(diǎn)具有典型復(fù)雜性及隨機(jī)性,因此需對模型做必要假設(shè)以計算其安全可靠性。

(1) 假設(shè)乘客進(jìn)出車站目的明確,僅為進(jìn)站、出站和換乘;

(2) 主要考慮車站內(nèi)銜接樓梯、出入口或站臺之間的通行走廊作為車站的通道;

(3) 假設(shè)車站節(jié)點(diǎn)的通行方向與主要客流方向一致,方便乘客通行;

(4) 不考慮乘客所攜行李對客流流量的影響。

2.2.2 模型建立

基于城市軌道車站節(jié)點(diǎn)安全可靠性的定義,結(jié)合高峰時期及特殊事件(如大型比賽、會展等)影響,提出定量計算公式為:

(1)

式中:

Pjd——車站節(jié)點(diǎn)安全可靠性;

Njd——節(jié)點(diǎn)斷面實際客流量;

Njd臨界——節(jié)點(diǎn)客流量安全臨界值；

T運(yùn)營——城市軌道交通全天運(yùn)營時間。

2.2.3 模型說明

當(dāng)車站節(jié)點(diǎn)客流量超過其客流安全臨界值時,該節(jié)點(diǎn)是不安全的。因此,節(jié)點(diǎn)全天安全運(yùn)營時間總和與全天運(yùn)營時間之比即為節(jié)點(diǎn)安全可靠性概率。

3 基于權(quán)聯(lián)模型的車站系統(tǒng)安全可靠性分析方法

3.1 安全可靠性分析方法對比

系統(tǒng)安全可靠性分析方法比較常用的包括框圖法、故障樹法、馬爾可夫模型法、仿真模擬法等[9]。這些方法都有各自的特點(diǎn)和適用范圍。由于目前缺少從整體角度對城市軌道車站系統(tǒng)進(jìn)行安全可靠性分析的有效方法,因此本文在對比分析多種常用分析方法的基礎(chǔ)上建立了城市軌道交通車站系統(tǒng)權(quán)聯(lián)安全可靠性分析方法。

3.1.1 安全可靠性框圖法

安全可靠性框圖法是進(jìn)行系統(tǒng)安全可靠性評價的常用方法,該方法通過準(zhǔn)確建立串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)、表決結(jié)構(gòu)、旁聯(lián)結(jié)構(gòu)等諸多邏輯結(jié)構(gòu)模型來實現(xiàn)對系統(tǒng)安全可靠性的評估。

3.1.1.1 串聯(lián)結(jié)構(gòu)

串聯(lián)結(jié)構(gòu),表示系統(tǒng)必須在所有的單元或子系統(tǒng)全部正常工作時才能實現(xiàn)其功能。所以,保證組成系統(tǒng)全部單元和子系統(tǒng)的正常工作,是實現(xiàn)系統(tǒng)高可靠性的先決條件。串聯(lián)結(jié)構(gòu)的安全可靠性框圖見圖4,具體數(shù)學(xué)公式見式(2)。

圖4 串聯(lián)結(jié)構(gòu)安全可靠性框圖

(2)

式中:

Pi——各系統(tǒng)單元或者子系統(tǒng)的可靠性(i=1,2,…,n);

Px——系統(tǒng)的可靠性。

3.1.1.2 并聯(lián)結(jié)構(gòu)

并聯(lián)結(jié)構(gòu)，表示完成系統(tǒng)規(guī)定功能的多種途徑相互獨(dú)立,并且一種處于工作狀態(tài)的途徑失效時不會影響其他途徑正常工作。當(dāng)實現(xiàn)系統(tǒng)功能的所有途徑均失效時,系統(tǒng)將無法完成預(yù)定的任務(wù)。因此,并聯(lián)結(jié)構(gòu)較串聯(lián)結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定(見圖5)。

圖5 并聯(lián)結(jié)構(gòu)安全可靠性框圖

并聯(lián)結(jié)構(gòu)的安全可靠性函數(shù)表達(dá)式為:

(3)

3.1.2 權(quán)聯(lián)模型

權(quán)聯(lián)系統(tǒng)利用不同的權(quán)重系數(shù)表示系統(tǒng)組成單元或子系統(tǒng)承擔(dān)系統(tǒng)整體功能的比重。如果某一單元或子系統(tǒng)出現(xiàn)問題,則系統(tǒng)安全可靠性根據(jù)單元或子系統(tǒng)的權(quán)重折減。權(quán)聯(lián)模型框圖如圖6所示。

圖6 權(quán)聯(lián)模型框圖

3.2 安全可靠性分析方法選擇

基于對可靠性框圖法和權(quán)聯(lián)模型的分析可知,各種方法對系統(tǒng)安全可靠性的分析側(cè)重點(diǎn)和適用性各有不同。其中,安全可靠性框圖法通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型框圖描述系統(tǒng)組成單元之間的邏輯關(guān)系。權(quán)聯(lián)模型則關(guān)注各系統(tǒng)組成單元以及子系統(tǒng)權(quán)重和性質(zhì)對系統(tǒng)整體性質(zhì)的影響。

由于城市軌道交通車站各節(jié)點(diǎn)為混聯(lián)結(jié)構(gòu),且各節(jié)點(diǎn)對系統(tǒng)整體安全可靠性的影響大小存在差異,需要采用不同權(quán)重系數(shù)定量描述,更符合權(quán)聯(lián)模型的適用范圍。因此本文采用權(quán)聯(lián)模型對城市軌道交通車站系統(tǒng)的安全可靠性進(jìn)行分析。

3.3 基于權(quán)聯(lián)模型的安全可靠性分析方法

3.3.1 權(quán)重的確定

建立權(quán)聯(lián)模型時,系統(tǒng)組成單元以及各子系統(tǒng)的權(quán)重需要通過判斷矩陣來確定,根據(jù)相應(yīng)的判斷矩陣元素值大小來反映各子系統(tǒng)或單元的相對重要性。矩陣元素數(shù)值一般采用自然數(shù)1至9及其倒數(shù)進(jìn)行標(biāo)度[16]。

確定權(quán)重系統(tǒng)的步驟中,首先根據(jù)子系統(tǒng)或單元的重要程度進(jìn)行排列,再應(yīng)用兩兩比較的方式確定每個子系統(tǒng)或單元的相對重要性,即比較2個子系統(tǒng)i和j,確定2個相對重要性值ui和uj,引入1至9比率標(biāo)度,ui和uj的確定依據(jù)如下原則(假定uj的相對值為1):

當(dāng)ui=uj=1時,表示子系統(tǒng)或單元i和j同等重要;

當(dāng)ui=3時,表示子系統(tǒng)或單元i比j略微重要;

當(dāng)ui=5時,表示子系統(tǒng)或單元i比j重要;

當(dāng)ui=7時,表示子系統(tǒng)或單元i比j很重要;

當(dāng)ui=9時,表示子系統(tǒng)或單元i比j絕對重要;

當(dāng)二者重要性介于上述情況時,取中間值ui=2,4,6,8。

為保證科學(xué)地獲得各系統(tǒng)組成單元或子系統(tǒng)的權(quán)重系數(shù),根據(jù)上述重要性的確定原則,兩兩比較所有元素,形成如下比較判斷矩陣W。

(4)

3.3.2 安全可靠性的計算

根據(jù)權(quán)聯(lián)模型框圖和各項權(quán)重,系統(tǒng)的安全可靠性可按式(5)計算。

Px=ω1P1+ω2P2+…+ωnPn

(5)

式中:

ωi——各系統(tǒng)單元或子系統(tǒng)的權(quán)重。

其他變量含義同前。

4 實例分析

4.1 重慶軌道交通兩路口車站現(xiàn)狀

重慶軌道交通兩路口車站位于重慶市渝中區(qū),地處市區(qū)交通中心。西南面為菜園壩火車站和長途汽車站,東面為重慶市中心解放碑商圈,西面通往大坪、沙坪壩,同時往南坪、江北的車輛也在此處交匯,人流量和車流量很大。

4.2 兩路口站出入口節(jié)點(diǎn)安全可靠性分析

4.2.1 出入口節(jié)點(diǎn)安全可靠性臨界值

根據(jù)城市軌道交通兩路口站客流流向,可將車站出入口通道分為進(jìn)站通道、出站通道和換乘通道,是乘客在站內(nèi)通行的必經(jīng)之路。出入口(通道)安全可靠性臨界值是根據(jù)高峰時段車站通道內(nèi)客流的調(diào)查數(shù)據(jù)確定。兩路口站早高峰時段單向通道客流相關(guān)數(shù)據(jù)：平均密度為1.87 人/m2,平均速度為0.63 m/s。

通道的單向臨界值

Ntddx=3 600×ρtddx×vtddx

(6)

式中:

Ntddx——單向通道通臨界值;

ρtddx——單向通道客流密度;

vtddx——單向通道客流速度。

由于乘客在雙向混行通道中受對向客流交叉影響,會使得通道通行能力有所降低。取客流交叉影響系數(shù)為αjc,則乘客在雙向混行通道走行時通道的臨界值Ntdsx為:

Ntdsx=(1-αjc)×Ntddx

(7)

代入數(shù)據(jù)得:

Ntdsx=(1-αjc)×Ntddx=3 393人/(m·h)

將此臨界值平均到15 min,即848人/(m·15 min)。

4.2.2 安全可靠性計算

由于兩路口車站出入口較多,以4號出入口(通道)為例進(jìn)行分析,一天內(nèi)的調(diào)查數(shù)據(jù)見表1。在早高峰(7:30—9:30)、晚高峰(16:30—18:30)時段內(nèi),兩路口站出入口(通道)客流量超過安全可靠臨界值848人/(m·15 min)的時間段有:8:00—8:15、8:15—8:30、8:45—9:00、17:15—17:30、17:30—17:45,總計75 min,即1.25 h。重慶輕軌交通3號線全天運(yùn)營時間為16 h。

則兩路口站出入口(通道)節(jié)點(diǎn)安全可靠性為:

所以,兩路口車站出入口(通道)節(jié)點(diǎn)的安全可靠性為92.2%。

表1 兩路口站4號出入口早、晚高峰客流量

4.3 兩路口站系統(tǒng)安全可靠性計算

兩路口站大系統(tǒng)可視為由諸多子系統(tǒng)權(quán)聯(lián)的大系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)包括出入口(通道)子系統(tǒng)、安檢子系統(tǒng)、人工售票子系統(tǒng)、自動售票子系統(tǒng)、檢票機(jī)子系統(tǒng)、樓梯或自動扶梯子系統(tǒng)以及站臺子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)的安全可靠性可根據(jù)式(1)計算求得,各子系統(tǒng)可靠性見表2。

表2 兩路口站各子系統(tǒng)可靠性

依據(jù)權(quán)聯(lián)模型式(4)的計算方法,確定各子系統(tǒng)的權(quán)重系數(shù)。通過各子系統(tǒng)的相對重要性建立判斷矩陣,結(jié)果如下:

因此兩路口站系統(tǒng)的安全可靠性為:

Px=ω1P1+ω2P2+ω3P3+ω4P4+ω5P5+

ω6P6+ω7P7=0.904

5 結(jié)語

本文提出了城市軌道交通車站安全可靠性的概念及其定量化方法。從乘客出行流線的角度,將城市軌道交通車站大系統(tǒng)劃分為若干子系統(tǒng),在計算各子系統(tǒng)安全可靠性基礎(chǔ)上,構(gòu)建了權(quán)聯(lián)模型以綜合評估城市軌道交通車站總體安全可靠性。但各子系統(tǒng)安全臨界值的確定及子系統(tǒng)間的相互影響機(jī)理仍需要進(jìn)一步深入研究。

[1] MINE H,KAWAI H.Mathematics for Reliability Analysis [M].Tokyo:Asakura-shoten,1982.

[2] BELL M G H.A game theory approach to measuring the performance reliability of transportation networks [J].Transportation Research Part B,2000,34(6):533.

[3] XU S,DUH H B L.A simulation of bonding effects and their impacts on pedestrian dynamics [J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2010,11(1):153.

[4] 趙惠祥,陸正剛,耿傳志.基于Petri網(wǎng)的城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營可靠性模型[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,34(3):355.

[5] 于敏,何正友,錢清泉.基于HSRN的地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)可靠性分析[J].鐵道學(xué)報,2012,34(2):70.

[6] 楊麗麗,賈洪飛,雋志才.軌道交通樞紐換乘系統(tǒng)可靠性及其影響因素[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2011,41(4):944.

[7] CAMPOS V,LAGUNA M,MARTI R.Context independent scatter search and tabu search for permutation problems [J].Informs Journal on Computing,2005,17(1):111.

[8] LI D W,HAN B M,ZHANG Q,et al.Empirical Study of Passenger Flows at Beijing Mass Transit Railway Stations[C]∥In Transportation Research Board 89th Annual Meeting.Washington D.C:Transportation Research Board,2010.

[9] 覃煜,晏克非.軌道交通樞紐換乘效率DEA非均一評價模型[J].長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2002,22(4):48.

[10] 王超,張雪松,徐政,等.基于GO法的特高壓直流輸電可靠性研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2009,43(1):160.

[11] 夏偉懷,陳治亞.基于隨機(jī)服務(wù)過程的物流集貨運(yùn)作機(jī)理[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報,2007,7(2):113.

Security Evaluation Model of Urban Rail Transit Station Based on Passenger StreamlineCHEN Jian, LI Wu, ZHONG Yiying, DAI Jiani

To solve the problem of scientific assessment on urban rail transit station operation security reliability, the systems of passenger flow, service facilities and train marshaling are taken as the research targets to define the security reliability from the perspective of probability theory. In combination with the characteristics of rail transit passenger flow, a security evaluation model for station nodes and the evaluation method of station system are established based on weight union model. Finally, the evaluation method and model are used at Lianglukou Station on Chongqing rail transit Line 3 to calculate the security of the node and the whole station system. The result shows that the security reliability at the access nodes on Line 3 is 92.2%, and the security reliability of whole station system is evaluated as 90.4%.

urban rail transit; station node; passenger streamline; security reliability

*國家自然科學(xué)基金項目(51308569)；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計劃項目(cstc2013jcjA30002)

U 298： U 231.4

10.16037/j.1007-869x.2016.05.013

2015-06-02)