地鐵換乘系統(tǒng)擁堵點(diǎn)的仿真分析及優(yōu)化研究

費(fèi) 爽 劉智麗

(北京交通大學(xué)城市復(fù)雜系統(tǒng)理論與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100044，北京//第一作者，碩士研究生)

近年來(lái)，城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的發(fā)展使得換乘站客流量激增，客流組織工作變得越來(lái)越復(fù)雜。因此，有必要采用仿真技術(shù)模擬換乘站的客流組織情況，識(shí)別客流擁堵點(diǎn)，分析擁堵原因并提出改進(jìn)建議，為換乘站的擁堵緩解提供參考。

目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)車(chē)站擁堵點(diǎn)分析及優(yōu)化的研究主要包括車(chē)站的客流組織仿真及瓶頸識(shí)別方法研究等，如文獻(xiàn)[1]以深圳會(huì)展中心站為例進(jìn)行了行人仿真，并提出了客流組織調(diào)整方案；文獻(xiàn)[2]討論了基于微觀行人行為的瓶頸識(shí)別方法；文獻(xiàn)[3]分析了瓶頸形成機(jī)理，利用動(dòng)態(tài)仿真方法識(shí)別瓶頸,并提出了疏解方案。國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究在車(chē)站仿真評(píng)估及瓶頸識(shí)別方法方面取得的成果頗豐，但針對(duì)特定車(chē)站的擁堵分析研究較少，且多數(shù)文獻(xiàn)只提出了擁堵緩解措施，而未對(duì)其實(shí)施效果進(jìn)行驗(yàn)證。

地鐵西直門(mén)站作為北京市最重要的樞紐換乘站之一，早、晚高峰期客流量巨大，樓梯和自動(dòng)扶梯等換乘設(shè)施的通過(guò)能力無(wú)法較好地與實(shí)際客流相匹配，導(dǎo)致?lián)矶卢F(xiàn)象時(shí)常發(fā)生?；诖?，本文利用Anylogic微觀仿真軟件對(duì)西直門(mén)站2號(hào)線與4號(hào)線換乘系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，識(shí)別擁堵點(diǎn)所在，結(jié)合擁堵原因?qū)矶曼c(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)分析，提出了優(yōu)化措施,并結(jié)合仿真手段進(jìn)行優(yōu)化驗(yàn)證。

1 基于仿真的擁堵點(diǎn)辨識(shí)技術(shù)

在地鐵站換乘系統(tǒng)中，當(dāng)站內(nèi)設(shè)施通過(guò)能力與實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況不匹配時(shí)，乘客便無(wú)法順利完成集散活動(dòng)，換乘系統(tǒng)則會(huì)出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象。擁堵點(diǎn)形成主要有兩方面原因：一是客流量過(guò)大及客流空間分布不合理;二是設(shè)施規(guī)模配置或布局形式不合理導(dǎo)致設(shè)施通行能力不足。要緩解、改善換乘系統(tǒng)內(nèi)的擁堵現(xiàn)狀，需要準(zhǔn)確辨識(shí)擁堵點(diǎn)所在，分析擁堵原因并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

考慮設(shè)施通行能力不足及客流變化情況，傳統(tǒng)的靜態(tài)擁堵點(diǎn)識(shí)別方法已難以滿足需求。因此,要對(duì)換乘系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)客流仿真分析，識(shí)別擁堵點(diǎn)所在，提出擁堵緩解方案，改善換乘系統(tǒng)的客流組織現(xiàn)狀。

目前,常用的行人微觀仿真模型包括元胞自動(dòng)機(jī)模型、社會(huì)力模型等。社會(huì)力模型具有連續(xù)性，可以精確描述各層次作用力，解釋行人交通行為的本質(zhì)；其次，模型中行人在人流密度大時(shí)能夠相互接觸，這是元胞自動(dòng)機(jī)模型等所不具備的；該模型還可模擬行人的自組織行為，故社會(huì)力模型的模擬結(jié)果比較接近真實(shí)情況[4]。綜合考慮基于社會(huì)力模型的仿真軟件技術(shù)成熟度及獲取途徑，本文選擇Anylogic 7.0軟件進(jìn)行仿真分析。

2 西直門(mén)站2號(hào)線與4號(hào)線換乘系統(tǒng)分析

地鐵西直門(mén)站位于北京市交通最為繁忙的西直門(mén)綜合交通樞紐地區(qū)，是北京地鐵2號(hào)線、4號(hào)線和13號(hào)線的換乘站。西直門(mén)站的2號(hào)線和4號(hào)線為地下線，13號(hào)線為地上高架線。2號(hào)線車(chē)站呈南北向布置于地下二層；4號(hào)線車(chē)站呈東西向布置于地下三層[5]。13號(hào)線車(chē)站通過(guò)連續(xù)的通道與位于地下一層的換乘大廳相連，再與2號(hào)線、4號(hào)線車(chē)站由換乘通道相連。

結(jié)合對(duì)西直門(mén)站換乘系統(tǒng)的實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)，繪制出如圖1所示的西直門(mén)站2號(hào)線與4號(hào)線換乘系統(tǒng)的平面圖。

圖1 地鐵西直門(mén)站換乘系統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)圖

從圖1中不難看出，西直門(mén)站2號(hào)線與4號(hào)線的換乘方式為“十”字形換乘，換乘樓梯位于站臺(tái)中部；兩線車(chē)站的4個(gè)端頭站廳分別通過(guò)4段通道相連，形成環(huán)形換乘通道，并連接了4個(gè)方向的車(chē)站出入口;西北方向的換乘通道連接位于地下一層的換乘大廳，具體的換乘流線如圖2所示。

3 換乘系統(tǒng)客流仿真及擁堵點(diǎn)識(shí)別

為明確換乘系統(tǒng)內(nèi)的客流密度分布，準(zhǔn)確識(shí)別客流擁堵點(diǎn)，需要對(duì)換乘系統(tǒng)進(jìn)行客流仿真。本次仿真主要依靠Anylogic軟件的行人庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn),仿真分析主要包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、建立仿真模型、仿真結(jié)果分析和優(yōu)化驗(yàn)證4個(gè)步驟。

3.1 建模及參數(shù)設(shè)置

在繪制場(chǎng)景模型時(shí)，建立的高度不同的4個(gè)地面層分別代表2號(hào)線站廳層、2號(hào)線站臺(tái)層、4號(hào)線站廳層和4號(hào)線站臺(tái)層，各層的空間轉(zhuǎn)換通過(guò)連接各層的樓梯和自動(dòng)扶梯來(lái)實(shí)現(xiàn)，高度差即為樓梯或自動(dòng)扶梯的豎向高度。仿真重點(diǎn)為乘客的換乘行為，因此構(gòu)建場(chǎng)景模型時(shí)對(duì)各出入口進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

3.1.1 出入口設(shè)置

在本次仿真中，共設(shè)置了7個(gè)出入口、1個(gè)入口和1個(gè)出口。其中2號(hào)線的內(nèi)、外環(huán)列車(chē)和4號(hào)線的上、下行列車(chē)作為4個(gè)出入口，B口、C口、D口分別作為3個(gè)出入口，連接換乘系統(tǒng)與車(chē)站負(fù)一層換乘大廳的3條通道分別作為1個(gè)出入口、1個(gè)入口和1個(gè)出口。

3.1.2 仿真客流設(shè)置

該設(shè)置包括各出入口的客流量及乘客的路徑選擇設(shè)置。依照實(shí)地調(diào)研所得高峰小時(shí)內(nèi)換乘系統(tǒng)的客流數(shù)據(jù)及各站廳的客流流向及流量情況對(duì)仿真客流進(jìn)行設(shè)置。

首先，對(duì)B、C、D口和連接換乘大廳的通道客流源進(jìn)行如表1所示的客流量設(shè)置，并依據(jù)客流情況進(jìn)行路徑選擇設(shè)置。

表1 各出入口和換乘通道客流量設(shè)置表

然后，對(duì)使用出入口的2號(hào)線和4號(hào)線列車(chē)進(jìn)行仿真客流設(shè)置。參照北京地鐵實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，近似將2號(hào)線內(nèi)環(huán)方向列車(chē)的下車(chē)客流設(shè)為320人次/列，到達(dá)間隔為2 min；將外環(huán)方向列車(chē)的下車(chē)客流設(shè)為290人次/列，到達(dá)間隔為2.5 min；將4號(hào)線上行方向列車(chē)的下車(chē)客流設(shè)為360人次/列，到達(dá)間隔為2 min；將下行方向列車(chē)的下車(chē)客流設(shè)為280人次/列，到達(dá)間隔為2.5 min。

圖2 地鐵西直門(mén)站換乘流線圖

2號(hào)線下車(chē)客流的行為建模如圖3所示。從圖3可以看出，2號(hào)線列車(chē)的下車(chē)客流有4個(gè)流向，分別為2號(hào)線站臺(tái)中部的2個(gè)下行換乘樓梯、2號(hào)線南廳和2號(hào)線北廳。因此,按照實(shí)測(cè)高峰小時(shí)客流數(shù)據(jù)對(duì)2號(hào)線下車(chē)乘客的路徑選擇概率進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置結(jié)果如表2所示。

表2 2號(hào)線下車(chē)乘客的路徑選擇概率

4號(hào)線下車(chē)客流的行為建模如圖4所示。從圖4可以看出，4號(hào)線列車(chē)的下車(chē)客流有2個(gè)流向，分別為4號(hào)線東廳和4號(hào)線西廳。按照實(shí)測(cè)高峰小時(shí)客流數(shù)據(jù)對(duì)4號(hào)線下車(chē)乘客的路徑選擇概率進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置結(jié)果如表3所示。

表3 4號(hào)線下車(chē)乘客的路徑選擇概率

3.1.3 行人交通參數(shù)設(shè)置

參考現(xiàn)有研究成果，早晚高峰時(shí)段北京市軌道交通乘客在換乘通道的平均走行速度為1.61 m/s，在上行樓梯的步行速度為0.61 m/s，在下行樓梯的步行速度為0.74 m/s[6]；而在實(shí)地調(diào)研中又了解到西直門(mén)站自動(dòng)扶梯的運(yùn)行速度為0.65 m/s。

3.2 仿真及結(jié)果分析

對(duì)換乘系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行模擬試驗(yàn)，模擬時(shí)長(zhǎng)為3 600 s。為辨識(shí)換乘系統(tǒng)內(nèi)擁堵點(diǎn)并進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，本文選取客流密度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在仿真試驗(yàn)中加入了對(duì)行人流密度的統(tǒng)計(jì)，得到了如圖5所示的行人密度圖。

圖3 2號(hào)線下車(chē)客流的行為建模流程圖

圖4 4號(hào)線下車(chē)客流的行為建模流程圖

參考相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將行人密度圖的關(guān)鍵密度設(shè)為3.00人/m2，顏色與密度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖例所示。從行人密度圖可以看出，換乘系統(tǒng)的主要客流擁堵點(diǎn)位于2號(hào)線南廳下行樓梯、2號(hào)線站臺(tái)北側(cè)上行樓梯及4號(hào)線站臺(tái)西側(cè)樓梯處。除上述主要擁堵點(diǎn)外，乘客在換乘系統(tǒng)的其他區(qū)域也存在小范圍擁堵，但擁堵點(diǎn)較為分散。擁堵點(diǎn)所在位置在圖5中以圓圈及數(shù)字進(jìn)行了標(biāo)注。

圖5 行人密度圖

現(xiàn)結(jié)合擁堵點(diǎn)產(chǎn)生原因?qū)矶逻M(jìn)行分析。

3.2.1 客流壓力過(guò)大及通行能力減小

換乘系統(tǒng)內(nèi)擁堵點(diǎn)的產(chǎn)生原因主要有兩方面：一是客流壓力過(guò)大與換乘設(shè)施通行能力不匹配；二是樓梯與站廳、站臺(tái)間的通行能力差異導(dǎo)致乘客在樓梯口附近聚集。

圖5中的擁堵點(diǎn)1、2、3、4為站廳與站臺(tái)間的樓梯。樓梯1、2巨大的客流壓力來(lái)自三線間的換乘客流和進(jìn)、出站客流，且樓梯2是換乘系統(tǒng)中客流量最大的部分。樓梯3、4為上下混行樓梯，通行能力相比單向通行樓梯大大降低。擁堵點(diǎn)5為2號(hào)線南廳的下行樓梯處,下行樓梯的高峰小時(shí)客流量與通行能力不匹配，并且樓梯的通行能力明顯小于站廳，故造成擁堵。

擁堵點(diǎn)8、9為2號(hào)線站臺(tái)的換乘樓梯處。高峰時(shí)段2號(hào)線和4號(hào)線下車(chē)客流的集中到達(dá)帶來(lái)較大的客流壓力。此外，樓梯與站臺(tái)相比通行能力減小，使得乘客在換乘樓梯口處大量聚集。擁堵點(diǎn)11、12為2號(hào)線—4號(hào)線的十字換乘樓梯東西方向下行樓梯處的換乘平臺(tái)，樓梯與換乘平臺(tái)相比通行能力減小，因此乘客在換乘平臺(tái)上大量聚集。

擁堵點(diǎn)10、14為通道內(nèi)的換乘樓梯。乘客在水平方向行人設(shè)施上的移動(dòng)速度大于垂直設(shè)施上，且通道的通行能力遠(yuǎn)大于樓、扶梯，因此樓、扶梯10、14處呈現(xiàn)較為擁擠的狀態(tài)。

3.2.2 乘客路徑選擇不均衡

乘客路徑選擇不當(dāng)也是擁堵發(fā)生原因之一。對(duì)于擁堵點(diǎn)6、7，擁堵發(fā)生源于乘客的路徑選擇。下車(chē)乘客選擇2號(hào)線北廳和4號(hào)線西廳完成換乘和出站的比例較大，而選擇2號(hào)線南廳和4號(hào)線東廳的比例較小，使得各上行樓梯利用率不均衡。

3.2.3 建筑設(shè)計(jì)不合理

建筑設(shè)計(jì)及設(shè)施布局不合理同樣會(huì)對(duì)站內(nèi)客流組織造成一定影響。擁堵點(diǎn)13為進(jìn)站通道內(nèi)的客流分流點(diǎn)，該處在設(shè)計(jì)上存在折角，使得2號(hào)線進(jìn)站通道寬度變窄，影響了通過(guò)能力。

4 換乘系統(tǒng)優(yōu)化及仿真驗(yàn)證

依據(jù)上述仿真分析結(jié)果，辨識(shí)了擁堵點(diǎn)，明確了其產(chǎn)生原因，因此需要采取以下一些可行的優(yōu)化措施緩解客流擁堵現(xiàn)狀。

(1)增大限流力度，提高通過(guò)能力。對(duì)于擁堵現(xiàn)象最為嚴(yán)重的2號(hào)線南廳下行樓梯處，可采取兩種優(yōu)化措施：一是增大A口限流力度，嚴(yán)格控制進(jìn)站乘客到達(dá)速率，緩解下行樓梯的客流壓力；二是改變樓梯中間欄桿的位置，增加下行樓梯的寬度從而增大通過(guò)能力。

(2)通過(guò)客流引導(dǎo)改變乘客的路徑選擇?；?號(hào)線站臺(tái)南、北側(cè)上行樓梯和4號(hào)線站臺(tái)東、西側(cè)樓梯利用率不均衡的現(xiàn)狀，改善措施為加強(qiáng)站臺(tái)層的現(xiàn)場(chǎng)引導(dǎo)，改變乘客的路徑選擇，增大2號(hào)線站臺(tái)南側(cè)樓梯和4號(hào)線站臺(tái)東側(cè)樓梯的利用率，使乘客均勻分布于兩側(cè)樓梯。

(3)減少換乘樓梯口處的流線交叉。對(duì)于2號(hào)線站臺(tái)換乘樓梯口處的擁堵，由于無(wú)法隨意變更列車(chē)的到發(fā)頻率，因此通過(guò)設(shè)置導(dǎo)流桿的方式引導(dǎo)換乘乘客的走行流線，減少換乘樓梯口處的流線交叉。

(4)去掉影響通行能力的折角?？紤]到客流擁堵點(diǎn)13處的擁堵產(chǎn)生原因?yàn)檎劢窃O(shè)計(jì)，因此只需進(jìn)行較小的土建工程去掉該處折角即可。

按照上述改進(jìn)措施對(duì)換乘系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。首先，增大A口限流力度，將A口進(jìn)站乘客的到達(dá)頻率減至原來(lái)的80%，使得左側(cè)通道的乘客到達(dá)頻率由原1 394人次/h減至1 115人次/h，中間通道的乘客到達(dá)頻率由原9 117人次/h減至7 293人次/h；同時(shí)改變2號(hào)線南廳下行樓梯的欄桿設(shè)置情況，將模型中的下行樓梯寬度由4.1 m增至4.8 m，上行樓梯寬度由1.7 m減至1 m；其次，通過(guò)車(chē)站工作人員引導(dǎo)客流和廣播等方式控制2號(hào)線和4號(hào)線站臺(tái)兩側(cè)的樓梯使用率均為50%；然后，在2號(hào)線站臺(tái)的換乘樓梯處增設(shè)導(dǎo)流桿，引導(dǎo)換乘客流流線；最后，對(duì)客流擁堵點(diǎn)13做如上文所述的折角改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高通行能力。

對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行仿真模擬，模擬時(shí)長(zhǎng)同樣為3 600 s，可得到如圖6所示的行人密度圖。

圖6 優(yōu)化方案的行人密度圖

優(yōu)化方案使得擁堵現(xiàn)象最為嚴(yán)重的2號(hào)線南廳擁堵范圍和強(qiáng)度明顯減小，其他區(qū)域均不存在明顯擁堵點(diǎn)。對(duì)乘客選擇路徑的引導(dǎo)使得2號(hào)線與4號(hào)線站臺(tái)兩側(cè)的樓梯利用率趨于均衡，導(dǎo)流桿分隔了換乘乘客與其他乘客的流線，消除折角增加了進(jìn)站通道內(nèi)乘客走行的順暢程度。

綜上所述，優(yōu)化方案使乘客在換乘系統(tǒng)內(nèi)的分布更加均衡，擁堵緩解效果明顯，具備可行性。仿真辨識(shí)擁堵點(diǎn)及擁堵分析優(yōu)化的方法也適用于其他換乘站。

5 結(jié)語(yǔ)

為明確換乘系統(tǒng)的客流擁堵情況，完善換乘站的客流組織工作，可考慮采取仿真建模的方法進(jìn)行分析與優(yōu)化。與實(shí)地經(jīng)驗(yàn)相比，基于仿真的擁堵點(diǎn)辨識(shí)可得到更多擁堵現(xiàn)狀的定性與定量分析結(jié)果，優(yōu)化方案也可進(jìn)行仿真驗(yàn)證與評(píng)估，因此具有很高的參考價(jià)值。

本文立足于地鐵西直門(mén)站2號(hào)線與4號(hào)線的換乘系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)構(gòu)建了仿真模型,將客流密度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了仿真分析，辨識(shí)了客流擁堵點(diǎn)，并結(jié)合擁堵發(fā)生原因?qū)矶曼c(diǎn)進(jìn)行了分類(lèi)分析;通過(guò)限流、換乘設(shè)施改造等方式進(jìn)行了優(yōu)化，最后結(jié)合仿真手段對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行了評(píng)估，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性。

此外，本文在某些方面還有待完善，例如在仿真建模時(shí)做了適當(dāng)簡(jiǎn)化，使模型存在一定局限性，以及未對(duì)站臺(tái)層乘客分布進(jìn)行細(xì)化研究，這些都有待于進(jìn)一步的討論與完善。