基于行人流線網(wǎng)絡(luò)的上海軌道交通長(zhǎng)江南路站行人設(shè)施布置方案優(yōu)化*

盛應(yīng)平 何 彬 顧保南

(1. 上海軌道交通十八號(hào)線發(fā)展有限公司， 200135， 上海； 2. 同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 201804， 上海//第一作者，高級(jí)工程師)

我國(guó)城市軌道交通車站行人設(shè)施布置方案評(píng)價(jià)一般是按照規(guī)范要求檢算各設(shè)施的最大通過(guò)能力是否滿足超高峰客流需求。文獻(xiàn)[1- 4]采用微觀行人流仿真軟件對(duì)車站行人設(shè)施布置方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。城市軌道交通車站的擁堵一般發(fā)生在安檢儀、進(jìn)出站閘機(jī)組、樓扶梯等設(shè)施前方區(qū)域，基于規(guī)范的通過(guò)能力檢算并不能夠?qū)崿F(xiàn)上述區(qū)域的擁堵分析；應(yīng)用微觀仿真軟件雖能夠?qū)崿F(xiàn)這些區(qū)域的擁堵分析和輸出延誤時(shí)間、區(qū)域行人流密度等參數(shù)，但由于規(guī)劃設(shè)計(jì)階段車站行人設(shè)施布置方案存在大量變化，微觀行人流仿真軟件在處理方案變化時(shí)，需要將新方案導(dǎo)入再次完成全部仿真流程,其過(guò)程復(fù)雜耗時(shí)，同時(shí)仿真時(shí)出入口與站臺(tái)間多條路徑客流量的設(shè)定影響仿真分析的準(zhǔn)確性。

文獻(xiàn)[5-10]提出了“網(wǎng)絡(luò)法”。該方法首先將車站行人走行區(qū)域抽象為拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，然后通過(guò)客流分配得到行人站內(nèi)走行時(shí)間、設(shè)施流量及飽和度等指標(biāo)來(lái)對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前,最具可操作性的“網(wǎng)絡(luò)法”是文獻(xiàn)[9-10]中提出的行人流線網(wǎng)絡(luò)法。本文將改進(jìn)此方法，并將其應(yīng)用于上海軌道交通18號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱18號(hào)線)長(zhǎng)江南路站行人設(shè)施布置優(yōu)化方案。

1 行人流線網(wǎng)絡(luò)與方案測(cè)試方法

1.1 行人流線網(wǎng)絡(luò)概述

行人流線網(wǎng)絡(luò)是將安檢儀、檢票閘機(jī)組、自動(dòng)扶梯、樓梯、人行通道等行人設(shè)施抽象成邊，再將各邊端點(diǎn)按照考慮障礙物繞避的最短路徑連接成拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，并引入實(shí)結(jié)點(diǎn)表示擁堵區(qū)域，利用實(shí)結(jié)點(diǎn)模型計(jì)算對(duì)應(yīng)擁堵區(qū)域的擁擠度和延誤時(shí)間等參數(shù)[10]。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)客流分配可以對(duì)不同客流情況進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)，在車站行人設(shè)施布置方案發(fā)生變化時(shí)，可通過(guò)更改邊屬性或增加、刪除、移動(dòng)相應(yīng)流線實(shí)現(xiàn)行人流線網(wǎng)絡(luò)更新。

1.2 方案測(cè)試方法

利用連續(xù)平均法對(duì)行人流線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行客流分配，其中，邊阻抗仍沿用文獻(xiàn)[10]的BPR函數(shù)(美國(guó)聯(lián)邦公路局函數(shù))。采用該方法計(jì)算閘機(jī)組前區(qū)域、扶梯前區(qū)域的擁堵面積以及乘客平均延誤時(shí)間與行人設(shè)施擁擠度，以實(shí)現(xiàn)城市軌道交通車站行人設(shè)施布置方案的客流適應(yīng)性分析測(cè)試。

針對(duì)扶梯前、閘機(jī)組前等區(qū)域的擁堵分析，文獻(xiàn)[10]提出了實(shí)結(jié)點(diǎn)模型。該模型將擁堵范圍固定為基本區(qū)域和極限區(qū)域，但未對(duì)擁堵范圍隨滯留人數(shù)的變化進(jìn)行描述，同時(shí)，目前暫無(wú)可靠的離開(kāi)流率函數(shù)可供采用。文獻(xiàn)[11]采用的控制體積模型認(rèn)為設(shè)施前擁堵面積等于滯留人數(shù)與單位空間容納的最大人數(shù)之比，但其假定滯留范圍內(nèi)的密度始終不變，有悖于實(shí)際情況。

綜上，對(duì)既有實(shí)結(jié)點(diǎn)模型做出如下改進(jìn)，如圖1所示。

(1) 結(jié)合控制體積模型的密度假設(shè)，當(dāng)滯留人數(shù)超過(guò)基本區(qū)域的容納人數(shù)后，以極限密度為區(qū)域密度，計(jì)算當(dāng)前滯留面積。該改進(jìn)使模型能夠給出滯留面積隨客流持續(xù)時(shí)間的變化，有利于判斷擁堵等級(jí)。

(2) 以GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的設(shè)施最大通過(guò)能力作為離開(kāi)流率,該改進(jìn)能夠在現(xiàn)階段無(wú)可靠的離開(kāi)流率函數(shù)的情況下提高模型實(shí)用性。

2 原方案及其客流適應(yīng)性分析

2.1 原方案概況

長(zhǎng)江南路站是18號(hào)線與既有3號(hào)線的兩線換乘站。18號(hào)線長(zhǎng)江南路站位于3號(hào)線長(zhǎng)江南路站西南側(cè)，B1層為站廳層，B2層為站臺(tái)層。兩站通過(guò)換乘通道實(shí)現(xiàn)客流雙向換乘，如圖2所示。18號(hào)線車站站廳付費(fèi)區(qū)內(nèi)均勻布置3組樓、扶梯，兩端為2扶1樓，中部為T型樓梯。采用兩邊進(jìn)、中間出的客流組織，分別設(shè)置2組進(jìn)站閘機(jī)和2組出站閘機(jī)[12]。換乘通道寬度8 m，設(shè)于18號(hào)線車站的北側(cè)，乘客通過(guò)自動(dòng)扶梯到達(dá)3號(hào)線站廳付費(fèi)區(qū)內(nèi)，通道內(nèi)上、下行自動(dòng)扶梯各2部，沒(méi)有人行樓梯。

注：i——循環(huán)迭代次數(shù)；T——分析時(shí)長(zhǎng)；N——最大迭代次數(shù)

圖2 長(zhǎng)江南路站原方案示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]所述的行人流線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法,得到原方案行人流線網(wǎng)絡(luò),如圖3所示。

2.2 測(cè)試客流量

測(cè)試客流量基準(zhǔn)是文獻(xiàn)[13]給出的工程可行性研究(以下簡(jiǎn)為“工可”)客流量乘以超高峰系數(shù)1.4后得到的超高峰客流量，工可客流量與超高峰客流量如表1所示。

圖3 長(zhǎng)江南路站原方案行人流線網(wǎng)絡(luò)

考慮客流彈性與各象限(東北、西北、西南、東南)進(jìn)出站客流的不均勻性，結(jié)合長(zhǎng)江南路站周邊土地利用情況，設(shè)置如表2所示的6種工況。

為保證設(shè)計(jì)方案能夠應(yīng)對(duì)突發(fā)大客流情況，保證一定的客流彈性，在超高峰客流量的基礎(chǔ)上，再次對(duì)客流量進(jìn)行擴(kuò)大，取客流彈性系數(shù)分別為1.0、1.5和2.0的情況進(jìn)行分析。

各出入口進(jìn)出站客流比例分別考慮均勻與非均勻兩種情況。其中，工況1、工況3、工況5的進(jìn)出站各象限采用均勻比例，即1∶1∶1∶1；工況2、工況4和工況6的進(jìn)站不均勻比例取各象限(東北、西北、西南、東南)對(duì)應(yīng)的居住用地面積比例，即0.2∶0.53∶0.11∶0.16，出站不均勻比例取各象限對(duì)應(yīng)的工作用地面積比例，即0.1∶0.32∶0.49∶0.09。

表2 工況情況表

2.3 理論測(cè)試結(jié)果分析

工況5和工況6下，18號(hào)線車站內(nèi)各行人設(shè)施最大飽和度分別為0.63和0.62，從能力角度而言，其能很好地滿足2倍超高峰客流量的客流需求。但是在上述兩種工況下，站廳西側(cè)出站閘機(jī)組前方的最大擁堵面積分別達(dá)到8.77 m2和11.43 m2，站廳東側(cè)出站閘機(jī)組前方的最大擁堵面積則分別為8.79 m2和7.93 m2，詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表3。兩種工況下平均排隊(duì)長(zhǎng)度可達(dá)2.54 m，存在一定的優(yōu)化空間。

表3 原方案部分設(shè)施前方不同工況時(shí)的最大擁堵面積

工況5和工況6下，換乘通道飽和度保持在0.41，從能力角度而言，其能很好地滿足2倍超高峰客流量的客流需求。但是，在工況3和工況4下，3號(hào)線換乘18號(hào)線的兩個(gè)下行扶梯前方的最大擁堵面積均為7.41 m2，排隊(duì)長(zhǎng)度為4.94 m；在工況5和工況6下,最大擁堵面積均達(dá)到了23.66 m2，排隊(duì)長(zhǎng)度可達(dá)15.77 m。由于換乘通道內(nèi)缺少人行樓梯，當(dāng)任一下行自動(dòng)扶梯不能使用時(shí)，在工況1下最大擁堵面積將達(dá)到24 m2，在工況5下會(huì)占據(jù)3號(hào)線地面換乘廳88.6 m2的空間；當(dāng)任一上行自動(dòng)扶梯無(wú)法使用時(shí)，在工況3和工況5下，最大擁堵面積將分別達(dá)到18.82 m2和39 m2，會(huì)對(duì)換乘客流疏散產(chǎn)生不利影響。

3 優(yōu)化方案及其客流適應(yīng)性分析

3.1 優(yōu)化方案概況

針對(duì)原方案存在的問(wèn)題，在保證已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的地鐵3號(hào)線長(zhǎng)江南路站不中斷運(yùn)營(yíng)的前提下，提出以下3個(gè)優(yōu)化方案。

(1) 優(yōu)化方案一：將18號(hào)線車站站廳西側(cè)的3個(gè)出入口合并為1個(gè)，將進(jìn)出站閘機(jī)由三桿式改為門扉式。將換乘通道擴(kuò)大為換乘廳，在自動(dòng)扶梯間增加1部下行專用的樓梯，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化方案一的行人設(shè)施布置示意圖

(2) 優(yōu)化方案二：基于優(yōu)化方案一，在18號(hào)線車站站臺(tái)東端增加1個(gè)換乘通道與3號(hào)線站廳層?xùn)|側(cè)連接，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化方案二的行人設(shè)施布置示意圖

(3) 優(yōu)化方案三：基于優(yōu)化方案一，在18號(hào)線車站站臺(tái)東端增加1個(gè)換乘通道與3號(hào)線站廳層?xùn)|側(cè)連接，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化方案三的行人設(shè)施布置示意圖

上述3個(gè)優(yōu)化方案相對(duì)于原方案的主要變化是3個(gè)措施的組合，即18號(hào)線車站西側(cè)出入口合并(措施一)；西側(cè)換乘通道拓寬為換乘廳(措施二)；3號(hào)線車站東側(cè)增加換乘通道連接至18號(hào)線站臺(tái)東端(措施三)，具體的措施組合情況見(jiàn)表4。

表4 長(zhǎng)江南路站優(yōu)化方案措施組合

3.2 客流適應(yīng)性分析

3.2.1 行人流線網(wǎng)絡(luò)更新

(1) 措施一。18號(hào)線車站西側(cè)原有3個(gè)出入口，其中2個(gè)出入口距安檢儀較遠(yuǎn)，乘客需要通過(guò)198 m的通道到達(dá)站廳，這使得乘客在站內(nèi)走行距離較長(zhǎng)，同時(shí)通道寬度僅為3.7 m，不利于乘客疏散?，F(xiàn)將3個(gè)出入口合并為1個(gè)，以減少乘客站內(nèi)走行時(shí)間。刪除圖7 a)中右側(cè)的4條流線，添加1條連接出入口和安檢儀的進(jìn)站流線、1條連接站廳南側(cè)非付費(fèi)區(qū)通道與出入口的出站流線，如圖7 b)所示。

a) 方案調(diào)整前

b) 方案調(diào)整后

(2) 措施二。原方案的3號(hào)線與18號(hào)線的換乘形式為通道換乘，采用1條寬度8 m的換乘通道將3號(hào)線站廳西側(cè)與18號(hào)線站廳北側(cè)相連。該換乘通道更改為換乘廳時(shí)，在換乘廳中添加了2根結(jié)構(gòu)柱，使換乘廳客流分為3股，如圖8所示。

b) 方案調(diào)整后

(3) 措施三。在原有流線的基礎(chǔ)上，增加的1支流線代表水平通道、增加的3支流線代表樓扶梯的流線及數(shù)條連接通道和梯組的流線，如圖9所示。該措施并不會(huì)對(duì)既有站廳設(shè)施布局產(chǎn)生影響，故既有站廳流線不需要工作調(diào)整。

3.2.2 測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)上述3個(gè)優(yōu)化方案中行人設(shè)施飽和度及設(shè)施前擁堵面積有較大影響的4個(gè)主要變化及其引起的設(shè)施客流變化進(jìn)行說(shuō)明。表5～7中的數(shù)據(jù)均利用由原方案改進(jìn)的實(shí)結(jié)點(diǎn)模型在客流分配過(guò)程中得出。

圖9 18號(hào)線站臺(tái)東側(cè)換乘通道行人流線示意圖

(1) 變化1：優(yōu)化方案一將18號(hào)線站廳閘機(jī)由3桿式改為門扉式，各組閘機(jī)數(shù)量統(tǒng)一為5個(gè)。出站閘機(jī)組最大滯留面積優(yōu)化前后對(duì)比如表5所示。由表5可知，在工況4～6下，優(yōu)化后的站廳東西兩側(cè)出站閘機(jī)組前的擁堵面積較優(yōu)化前均有顯著減小，減小幅度最大可達(dá)23%、最小為5.6%。

表5 出站閘機(jī)組最大滯留面積優(yōu)化前后對(duì)比 m2

(2) 變化2：優(yōu)化方案一將原方案上下行換乘扶梯中央新增1部人行樓梯。由表6可知，在工況5～6下，優(yōu)化后的3號(hào)線地面換乘廳內(nèi)的2個(gè)下行自動(dòng)扶梯最大擁堵面積較優(yōu)化前有明顯下降。在工況3和工況4下，兩自動(dòng)扶梯的總擁堵面積于優(yōu)化前后持平。

表6 換乘下行自動(dòng)扶梯前擁堵面積優(yōu)化前后對(duì)比 m2

(3) 變化3：優(yōu)化方案二和優(yōu)化方案三在3號(hào)線車站東側(cè)新增的換乘通道與換乘梯組專供18號(hào)線與3號(hào)線上行方向的換乘客流使用，西側(cè)換乘通道專供3號(hào)線下行方向與18號(hào)線的換乘客流使用，并將3號(hào)線車站西側(cè)換乘梯組在優(yōu)化方案一的基礎(chǔ)上去掉1部上行自動(dòng)扶梯和1部下行自動(dòng)扶梯。

在工況5下，東側(cè)換乘通道飽和度在0.2以下，上行自動(dòng)扶梯飽和度為0.46，2部下行自動(dòng)扶梯飽和度均為0.32，樓梯最大飽和度為0.39，且自動(dòng)扶梯前方的最大擁堵面積僅為2.36 m2；西側(cè)換乘通道上行自動(dòng)扶梯和下行自動(dòng)扶梯的飽和度分別為0.51和0.62，樓梯最大飽和度為0.53，且下行自動(dòng)扶梯前方最大擁堵面積僅為10.25 m2，該值略低于表6中西側(cè)自動(dòng)扶梯的最大擁堵面積。因此，該變化能夠滿足雙向換乘客流的彈性需求，并能有效解決原方案和優(yōu)化方案一的換乘客流與3號(hào)線進(jìn)出站客流沖突的問(wèn)題。

(4)變化4：將西側(cè)換乘通道擴(kuò)展為換乘廳。由表7可知，將西側(cè)換乘通道擴(kuò)展為換乘廳后，優(yōu)化方案一中的換乘通道飽和度較原方案顯著下降。

表7 西側(cè)換乘通道飽和度優(yōu)化前后對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)優(yōu)化方案理論測(cè)試結(jié)果，將優(yōu)先推薦優(yōu)化方案三作為長(zhǎng)江南路站行人設(shè)施布置方案，將優(yōu)化方案二作為第二推薦方案；若車站站臺(tái)東側(cè)換乘通道無(wú)法實(shí)施，則將優(yōu)化方案一作為推薦方案。

對(duì)于行人流線網(wǎng)絡(luò)法應(yīng)用于長(zhǎng)江南路站的具體過(guò)程而言，行人流線網(wǎng)絡(luò)法在一定程度上能夠有效評(píng)價(jià)方案優(yōu)劣，其在應(yīng)對(duì)車站行人設(shè)施布置方案調(diào)整時(shí)，較行人流線微觀仿真方法簡(jiǎn)便。