基于行人動力學(xué)的地鐵車站客流仿真模型

王媛媛

（南京地鐵運營公司機電分公司，江蘇南京，210029）

0　引言

在地鐵運營中，乘客進(jìn)入閘機這一表面簡單的過程存在著復(fù)雜的管理問題，閘機數(shù)量、閘機的地理位置分布、閘機的服務(wù)時間等，都需要根據(jù)乘客情況進(jìn)行優(yōu)化。對于這一類的排隊問題，通過簡單的數(shù)學(xué)模型或解析方法難以精確描述和求解，系統(tǒng)仿真方法是目前最有效的解決途徑。在眾多的仿真方法中，基于Agent的建模與仿真方法（以下簡稱“ABMS”），是一種有效的建模方式。國內(nèi)外研究表明，在社會、經(jīng)濟(jì)、地理與生態(tài)、以及工業(yè)領(lǐng)域，ABMS方法均得到了成功應(yīng)用。

近年來，地鐵逐漸成為大多數(shù)居民出行的首選交通工具。目前，南京地鐵已經(jīng)建設(shè)并投入運營的線路9條，運送旅客達(dá)每天300余萬人次。另一方面，在新的社會形勢和相關(guān)矛盾的綜合影響下，突發(fā)事件呈現(xiàn)出明顯增多的趨勢。安全因素也成為地鐵運營部門日常管理的重點考慮方向。在旅客日益增多的前提下，如何進(jìn)行有效的安檢布局？安檢措施對客流輸送將造成怎樣的影響？就成為地鐵運營管理領(lǐng)域必須解決的課題。

1　基于行人動力學(xué)的南京地鐵W車站客流模型

ABMS方法將復(fù)雜系統(tǒng)中的組成實體刻畫為具有主動性和適應(yīng)性的Agent，通過自頂向下分析、自底向上綜合的方式構(gòu)建整個系統(tǒng)，通過對Agent的自主行為及其之間的交互關(guān)系的刻畫與描述，進(jìn)而涌現(xiàn)得到整個系統(tǒng)的行為表現(xiàn)。

行人動力學(xué)是研究正常及緊急情況下，公共場所中行人運動特征及人群管理的科學(xué)，其研究成果可以為設(shè)計和優(yōu)化步行設(shè)施，提高空間使用效率，提高突發(fā)事件中人群的疏散效率提供依據(jù)。從20世紀(jì)80年代起，越來越多的研究者致力于行人動力學(xué)的理論和應(yīng)用研究，其理論模型也逐漸由以排隊模型、轉(zhuǎn)換矩陣模型為代表的宏觀視角轉(zhuǎn)向微觀Agent表述。

旅客由上下兩個方向進(jìn)入候車大廳，6臺自動售票機布置在候車大廳左上部，一部分旅客持有市民卡，無需購買，另一部分旅客則需行走至自動購票機處購買單程票，然后方可通過左右兩處安檢通道進(jìn)入閘機。進(jìn)入閘機后，旅客通過樓梯、電梯或垂直電梯去往車輛到達(dá)層；另一方面，出站旅客通過樓梯、電梯或垂直電梯來到候車層閘內(nèi)區(qū)域后，經(jīng)過出站閘機進(jìn)入非控制區(qū)域，然后從上下兩個方向離開車站。

圖1　南京地鐵W車站候車大廳平面圖

根據(jù)以上場景和旅客行動規(guī)則，本文設(shè)計了相應(yīng)的Agent，并在此基礎(chǔ)上建立了行人動力學(xué)模型。系統(tǒng)主要由兩類Agent組成，分別為主動Agent和被動Agent。其中，主動Agent主要指旅客（Passenger），被動 Agent 則包括售票機（TVM）、閘機（Gate）、安檢機（SecurityMachine）、樓梯（Stairs）、電梯（Elevator）和垂直電梯（Lift）。類似于排隊系統(tǒng)中的服務(wù)臺，在安檢機、閘機和垂直電梯等被動Agent中，都維護(hù)著一個隊列，以協(xié)調(diào)主動Agent對資源的占用和釋放。圖2則描述了出站旅客的行人動力學(xué)模型，限于篇幅，各Agent之間的交互規(guī)則和旅客進(jìn)站的行人動力學(xué)模型在此不再贅述。

圖2　出站旅客行人動力學(xué)模型

在模型中，pedSource和pedSink組件表示客流的產(chǎn)生和終止，pedGoto組件描述客流的行走過程，在pedService組件中刻畫旅客購票、安檢和進(jìn)出閘機等服務(wù)環(huán)節(jié)；在對乘坐垂直電梯的旅客建模時，采用pedGroupAssemble和pedGroupDisassemble組件刻畫其集結(jié)和散開行為。此外，本文還利用可視化技術(shù)，對旅客行走通道、排隊和疏導(dǎo)路線進(jìn)行了建模（見圖1中的虛線部分），將圖形界面與行人動力學(xué)模型有機結(jié)合。

2　仿真實驗

在上節(jié)行人動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，作者根據(jù)W車站早高峰期間的客流統(tǒng)計數(shù)據(jù)（見表1）對仿真模型的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了設(shè)置。經(jīng)過對14日（2周）統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析，在不同閘機進(jìn)出的旅客數(shù)量符合正態(tài)分布。

表1　南京地鐵W車站客流數(shù)據(jù)（節(jié)選）

仿真實驗運行情況證明，本文構(gòu)建的行人動力學(xué)模型表現(xiàn)出較好的性能，真實地模擬出了旅客在進(jìn)出站過程中的各種行為。通過觀測，仿真數(shù)據(jù)結(jié)果與W車站客流統(tǒng)計數(shù)據(jù)基本吻合，證明了本文模型的有效性。

此外，為了直觀地判斷疏導(dǎo)路線和安檢布局的效果，作者還在模型中設(shè)計了客流密度參數(shù)，在仿真實驗進(jìn)行過程中，可隨時進(jìn)行圖形界面的切換，以顯示出當(dāng)前的客流密度情況（如圖3所示），并迅速找到當(dāng)前環(huán)境下的主要擁塞點。這對于設(shè)置布局和疏導(dǎo)路線的科學(xué)調(diào)整具有重要的價值。

3　結(jié)語

本文針對當(dāng)前形勢下地鐵運營管理中出現(xiàn)的新問題，以ABMS理論為基礎(chǔ)，建立了南京地鐵W車站進(jìn)出站旅客行人動力學(xué)模型，并以真實客流統(tǒng)計數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行了仿真實驗，實驗結(jié)果表明本文模型有較強的刻畫能力和理想的有效性。在后續(xù)的工作中，作者將進(jìn)一步研究設(shè)施布局和疏導(dǎo)路線對客流輸送效率的影響，提取出規(guī)律性結(jié)論，以期為相關(guān)管理工作提供簡潔有效的指導(dǎo)。

圖3　仿真試驗運行中的客流密度顯示