地鐵典型換乘站換乘方式適配性評(píng)價(jià)研究

鄭宣傳，魏 運(yùn)，陳明鈿，高國飛，蘇 暢，于松偉

（北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037）

地鐵換乘站作為線網(wǎng)的核心節(jié)點(diǎn)及紐帶，同時(shí)承載車站集散客流及線網(wǎng)換乘客流的雙重壓力，在網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營條件下，換乘站的站臺(tái)乘客滯留、換乘設(shè)施處排隊(duì)現(xiàn)象尤為明顯，嚴(yán)重危及乘客出行安全、影響出行效率，給車站的運(yùn)營組織工作帶來極大挑戰(zhàn)。

由于我國地鐵建設(shè)起步較晚，設(shè)計(jì)之初車站客流普遍較小，缺乏地鐵網(wǎng)絡(luò)化大客流車站設(shè)計(jì)與運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，普遍以十字換乘的便捷、緊湊設(shè)計(jì)理念為主，如北京地鐵宣武門站、西安地鐵北大街站、沈陽地鐵青年大街站等，導(dǎo)致進(jìn)入運(yùn)營階段，大客流沖擊下車站運(yùn)營組織難題頻發(fā)。為解決換乘站先天設(shè)計(jì)不合理問題，運(yùn)營階段僅能通過換乘站改造或壓縮行車間隔來提升車站的客流輸運(yùn)能力[1-2]。然而，對(duì)于已投入運(yùn)營的換乘站土建改造工程不僅耗資巨大、而且改造期間的客運(yùn)組織及安全保障問題更是棘手。因此，如何根據(jù)預(yù)測(cè)客流并結(jié)合工程技術(shù)條件，科學(xué)、合理地選擇換乘方式，完成車站設(shè)計(jì)方案，是城市軌道交通建設(shè)過程中的重點(diǎn)及難點(diǎn)問題，備受設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位、運(yùn)營部門等多方關(guān)注。

目前國內(nèi)大量學(xué)者對(duì)于換乘站的換乘方式的適應(yīng)性做了一些定性研究[3]，但缺乏量化分析，研究手段以傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算為主。而客流仿真評(píng)估技術(shù)將靜態(tài)的設(shè)計(jì)方案與動(dòng)態(tài)的運(yùn)營組織相結(jié)合，充分考慮客流動(dòng)態(tài)出行需求與車站設(shè)施布局，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)方案多場(chǎng)景下的客流動(dòng)態(tài)評(píng)估，為換乘站換乘方式選擇及設(shè)計(jì)方案評(píng)估提供精確依據(jù)。目前常用的行人仿真軟件包括 LEGION、Vissim及 Anylogic等[4]，由于LEGION軟件建模精細(xì)，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)豐富，因此應(yīng)用最廣。針對(duì)仿真結(jié)果的評(píng)價(jià)方面，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[5]及北京市地標(biāo)[6]給出設(shè)施設(shè)備能力的具體計(jì)算方法。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者[7-9]提出平均客流密度、設(shè)施設(shè)備能力、換乘距離、密集度指數(shù)等指標(biāo)，為換乘站的評(píng)估提供了基礎(chǔ)，但對(duì)于換乘站換乘方式選取及評(píng)估方面，僅依靠車站設(shè)計(jì)人員的歷史經(jīng)驗(yàn)，停留于方案定性分析比較，缺乏量化指標(biāo)分析及方案比選[10]。

針對(duì)換乘站換乘方式適應(yīng)性問題，筆者提出基于LEGION軟件的換乘站客流仿真評(píng)價(jià)步驟及換乘站評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法；以沈陽地鐵青年大街站為例，通過仿真評(píng)估分析車站擁擠成因并剖析十字節(jié)點(diǎn)換乘的適應(yīng)條件與范圍；提出車站結(jié)構(gòu)優(yōu)化及壓縮行車間隔的方案并進(jìn)行新仿真評(píng)價(jià)驗(yàn)證，分析優(yōu)化方案優(yōu)勢(shì)及適應(yīng)范圍，最后對(duì)換乘站設(shè)計(jì)及換乘方式選取提出具體實(shí)施建議。

1 換乘站換乘方式評(píng)價(jià)技術(shù)思路

圍繞換乘站換乘方式適應(yīng)性問題，分析現(xiàn)有換乘站換乘方式的特征及客流適應(yīng)性，提出換乘站客流仿真評(píng)價(jià)的技術(shù)路線及評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)換乘站的換乘方式適配性量化研究。

1.1 換乘方式分類

換乘站的換乘方式按照換乘客流組織方式可分為節(jié)點(diǎn)換乘、站廳換乘、通道換乘、組合式換乘四大類。

1.1.1 節(jié)點(diǎn)換乘

節(jié)點(diǎn)換乘分為同站臺(tái)換乘及臺(tái)到臺(tái)節(jié)點(diǎn)換乘，臺(tái)到臺(tái)節(jié)點(diǎn)換乘按照兩線交叉形式，分為十字型、T型、L型（見圖1）；按照站臺(tái)的類型，分為島—側(cè)，島—島，側(cè)—側(cè)3種換乘類型。由于節(jié)點(diǎn)換乘方式換乘距離短，十分便捷，適合換乘客流規(guī)模較小的車站，但換乘設(shè)施一般設(shè)在站臺(tái)中部，占用站臺(tái)等候面積，易導(dǎo)致入口處客流堆積、疏散速度慢，影響站臺(tái)乘客候車及乘降。

圖1 臺(tái)到臺(tái)節(jié)點(diǎn)換乘示意Fig. 1 Platform to platform node transfer

1.1.2 站廳換乘

站廳換乘指站臺(tái)乘客下車后，通過樓扶梯到達(dá)車站站廳層，再通往另一個(gè)車站的站臺(tái)進(jìn)行換乘。由于下車客流朝站廳方向流動(dòng)，減少站臺(tái)客流的人流交織，行走速度快，避免在站臺(tái)滯留擁擠，加快站臺(tái)空間的周轉(zhuǎn)，同時(shí)客流進(jìn)入站廳后，可以進(jìn)行有效的客流組織及引導(dǎo)，進(jìn)行客流控制。與站臺(tái)直接換乘方式相比，站廳換乘距離較長，且對(duì)垂直方向的設(shè)施能力要求較高。

1.1.3 通道換乘

通道換乘是指在兩線交叉處，車站結(jié)構(gòu)完全分開，用通道和樓梯將兩車站連接起來，供乘客換乘。連接通道常設(shè)于兩站的站廳之間，也可直接設(shè)于站臺(tái)上。對(duì)于不相鄰的兩座車站，通道換乘為最佳選擇，但換乘通道長度一般不宜過長。這種換乘方式最有利于兩條線工程分期實(shí)施，預(yù)留工程最少。

1.1.4 組合換乘

實(shí)際工程根據(jù)用地條件及需求，往往結(jié)合上述多種換乘方式，完成換乘站設(shè)計(jì)。

1.2 換乘站客流仿真評(píng)價(jià)技術(shù)

本文應(yīng)用LEGION軟件對(duì)換乘站進(jìn)行仿真評(píng)估，仿真過程總體分為：基礎(chǔ)資料收集、車站建模仿真、方案評(píng)價(jià)分析三大步驟（見圖2）。

1）基礎(chǔ)資料收集。基礎(chǔ)資料包括車站設(shè)施設(shè)備詳細(xì)設(shè)計(jì)CAD圖紙、客流組織方案（即流線組織）、車輛運(yùn)營計(jì)劃（即列車時(shí)刻表）、站內(nèi)客流OD表（精確至各出入口、分方向站臺(tái)），行人交通特性數(shù)據(jù)（含：售票、閘機(jī)、安檢設(shè)備的服務(wù)時(shí)間及客流比例）。

圖2 LEGION軟件仿真建模步驟Fig. 2 Modeling steps of Legion simulation software

2）車站建模仿真。對(duì)原始CAD圖進(jìn)行清理，整理為仿真層及展示層，導(dǎo)入至LEGION軟件中，繪制行人仿真模塊，輸入仿真時(shí)段及行人交通參數(shù)，運(yùn)行仿真軟件。

3）方案評(píng)價(jià)分析。結(jié)合仿真結(jié)果，按照評(píng)估需求，設(shè)置統(tǒng)計(jì)分析區(qū)域及統(tǒng)計(jì)參數(shù)，從車站總體服務(wù)水平評(píng)價(jià)、設(shè)施設(shè)備能力評(píng)價(jià)、方案的總體評(píng)價(jià)3個(gè)方面全面分析，形成仿真結(jié)論及改進(jìn)意見。

1.3 客流仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比

本文應(yīng)用車站總體平均密度、設(shè)施平均密度、服務(wù)水平占比、設(shè)施能力飽和度、平均客流疏解時(shí)間等指標(biāo)對(duì)換乘站的現(xiàn)狀及換乘方式適配性進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)樓扶梯及換乘通道評(píng)估設(shè)施能力飽和度，對(duì)站臺(tái)評(píng)估最大承載能力飽和度，以實(shí)現(xiàn)車站設(shè)施設(shè)備的最大壓力測(cè)試及評(píng)估，其計(jì)算方法如下。

1.3.1 設(shè)施通行能力飽和度

設(shè)施通行能力飽和度iS指設(shè)施的實(shí)際通行流量Qi與設(shè)施設(shè)計(jì)通行能力 Wc的比例，計(jì)算公式為：

其中C為設(shè)施單位通行能力，D為設(shè)施寬度。

1.3.2 站臺(tái)承載能力飽和度

站臺(tái)的承載能力飽和度iS′指實(shí)際站臺(tái)聚集人數(shù)

iP與設(shè)計(jì)承載人數(shù)cP的比例，其計(jì)算公式為：

其中，cρ為站臺(tái)設(shè)計(jì)密度，建議取值在1.33～2.5人/m2，本文為2人/m2，s為站臺(tái)有效面積。

1.3.3 平均客流疏解時(shí)間

平均客流疏解時(shí)間t指一股客流ΔQ到達(dá)設(shè)施至完全疏解的時(shí)間，體現(xiàn)設(shè)施設(shè)備處于高密度狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。

2 沈陽地鐵青年大街站現(xiàn)狀評(píng)估

2.1 青年大街站概況

2.1.1 車站結(jié)構(gòu)及流線分析

青年大街站為沈陽地鐵1、2號(hào)線換乘站，是沈陽地鐵最為擁擠的車站。該站為典型島式—側(cè)式十字換乘站，2號(hào)線為側(cè)式站臺(tái)呈南北走向，1號(hào)線為島式站臺(tái)呈東西走向。車站地下共分2層，地下一層為共用站廳層及2號(hào)線站臺(tái)層，地下二層為1號(hào)線站臺(tái)層，4個(gè)出入口分設(shè)于車站四個(gè)象限。該站以節(jié)點(diǎn)換乘及組合換乘為主，1換2采用站臺(tái)—站臺(tái)節(jié)點(diǎn)換乘形式，1換2客流通過上行樓梯直接抵達(dá)2號(hào)線站臺(tái)；2換1采用通道—站廳組合式換乘，2號(hào)線上、下行乘客到站后，分別通過1號(hào)、4號(hào)及2號(hào)、3號(hào)通道，途經(jīng)東側(cè)及西側(cè)站廳，最后通過樓扶梯到達(dá)站臺(tái)（見圖3）。

圖3 沈陽地鐵青年大街站的結(jié)構(gòu)及流線示意Fig. 3 Structure and streamline diagram of the Qingniandajie Station

2.1.2 客流構(gòu)成及行車組織

從客流構(gòu)成（見表 1）分析，該站以換乘客流為主，早高峰換乘客流占總乘降量的77%，早高峰換乘量高達(dá)2.6萬人次，客運(yùn)組織壓力巨大。在行車組織上，1號(hào)線及2號(hào)線均采用6B編組形式，早高峰1、2號(hào)線行車間隔分別為4 min 15 s和5 min 33 s；行車對(duì)數(shù)分別為14對(duì)和11對(duì)，且采用錯(cuò)峰到站方式，停站時(shí)間均為60 s。

表1 青年大街站的客流構(gòu)成Tab. 1 Passenger composition of the The Qingniandajie Station

2.2 現(xiàn)狀仿真評(píng)價(jià)分析

2.2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

本站采用國際通用的 Fruin服務(wù)水平評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將服務(wù)水平劃分為A～F共6個(gè)等級(jí)（見表2）。E級(jí)以上客流比較擁擠，乘客行走干擾嚴(yán)重，客流風(fēng)險(xiǎn)較高；F級(jí)以上乘客步行速度嚴(yán)重受限，客流沖突無法避免，客流風(fēng)險(xiǎn)很高。所以，E級(jí)、F級(jí)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免。系統(tǒng)選取2017年4月17日早高峰（8：00—9：00）實(shí)際客流及列車時(shí)刻表數(shù)據(jù)為輸入，調(diào)查獲取車站設(shè)施設(shè)備參數(shù)（見表3），構(gòu)建沈陽青年大街站仿真模型，進(jìn)行仿真評(píng)估分析。

表2 Fruin服務(wù)水平評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab. 2 Fruin Service Level Evaluation Standard

2.2.2 車站整體能力評(píng)價(jià)

從車站客流仿真結(jié)果（見圖4）分析，車站整體較為擁擠，平均密度為1.44人/m2（達(dá)到E級(jí)服務(wù)水平），尤其在車站東、西側(cè)站廳，2號(hào)線站臺(tái)等候區(qū)及1換2換乘樓梯口處，客流風(fēng)險(xiǎn)較大。

表3 青年大街站仿真模型參數(shù)Tab. 3 Parameters of the Simulation Model for the Qingniandajie Station

圖4 青年大街站仿真結(jié)果Fig. 4 Simulation result for the Qingniandajie Station

2.2.3 局部設(shè)施設(shè)備能力評(píng)價(jià)

本文以平均密度、超高峰飽和度及平均疏散時(shí)間3項(xiàng)指標(biāo)衡量設(shè)施能力利用率及抗沖擊能力。

指標(biāo)計(jì)算結(jié)果分析（見圖5），除1號(hào)、3號(hào)換乘通道能力相對(duì)飽和（飽和度超過50%）外，換乘通道整體客流疏解時(shí)間控制在2 min內(nèi)，能力尚存富余；而站廳樓扶梯及1換2樓梯設(shè)施能力較為緊張（飽和度均超50%），尤其1換乘2樓梯能力不足尤為嚴(yán)重（飽和度達(dá)到64%），且客流疏解較為緩慢（超3 min），排隊(duì)嚴(yán)重，潛在風(fēng)險(xiǎn)大。

圖5 青年大街站的換乘通道、樓扶梯通行能力分析Fig. 5 Passenger capacity of the transfer channel and the escalator of the Qingniandajie Station

進(jìn)一步分析站臺(tái)，1號(hào)線站臺(tái)乘降區(qū)及2號(hào)線站臺(tái)能力飽和度超90%（見圖6）。由于1號(hào)線為島式站臺(tái)，乘降區(qū)雖處于飽和狀態(tài)，但站臺(tái)總寬13.5 m，中部非乘降區(qū)可做大客流緩沖；而2號(hào)線為側(cè)式站臺(tái)，單側(cè)寬度僅6 m，且換乘樓梯占用站臺(tái)乘降設(shè)施面積，站臺(tái)乘客排隊(duì)嚴(yán)重，已無多余利用空間（見圖7），因此2號(hào)線站臺(tái)能力尤為緊張。

圖6 青年大街站的站臺(tái)承載能力分析Fig. 6 Platform carrying capacity of the Qingniandajie Station

圖7 青年大街站的站臺(tái)實(shí)際客流監(jiān)控畫面Fig. 7 Actual monitoring screen of the Qingniandajie Station

2.3 車站擁堵成因

從上述分析得到，1換2換乘能力不足、2號(hào)線站臺(tái)乘降區(qū)承載能力不足以及站廳付費(fèi)區(qū)承載能力不足是青年大街站目前存在三大問題。通過分析可知：

1）換乘客流與預(yù)測(cè)客流相差巨大，早高峰換乘客流2.6萬/人次，是預(yù)測(cè)遠(yuǎn)期客流的13倍，遠(yuǎn)超預(yù)測(cè)客流，且達(dá)到北京同類換乘站客流規(guī)模（國貿(mào)換乘量為2.36 萬/人次）。

2）列車運(yùn)能不足問題凸顯。車站設(shè)計(jì)之初，1、2號(hào)線的初、近、遠(yuǎn)期采用大、小交路套跑的方式分別開行12、18、30對(duì)列車，而目前兩線均采用單一大交路，早高峰1、2號(hào)線實(shí)際發(fā)車分別為14對(duì)和11對(duì)，僅達(dá)到初期的水平，而換乘站客流規(guī)模遠(yuǎn)超遠(yuǎn)期，導(dǎo)致高峰期運(yùn)力緊張，站臺(tái)客流能力壓力極大。

3）車站設(shè)計(jì)不合理。由于預(yù)測(cè)客流過低導(dǎo)致車站設(shè)計(jì)規(guī)模過小，且雙層車站形式對(duì)客流組織難度極大；采用的十字站臺(tái)—站臺(tái)節(jié)點(diǎn)換乘形式，不僅占用站臺(tái)空間（尤其2號(hào)線側(cè)式站臺(tái)），更加劇換乘客流對(duì)換乘設(shè)施的直接沖擊，不利于客流組織及管控，若采用 T型、L型節(jié)點(diǎn)換乘或站廳換乘形式，既可緩解客流沖擊又可避免影響高站臺(tái)承載能力。

3 沈陽地鐵青年大街站優(yōu)化方案評(píng)價(jià)

3.1 優(yōu)化方案建議

為解決青年大街站的能力不足問題，提出壓縮行車間隔、優(yōu)化車站結(jié)構(gòu)及組合優(yōu)化3種優(yōu)化方案建議。

方案1：壓縮行車間隔。將1、2號(hào)線行車間隔壓縮至3 min，早高峰行車能力提高至20對(duì)/h，且上下行列車均采用錯(cuò)開1 min 30 s到站。

方案2：優(yōu)化車站結(jié)構(gòu)。取消南北側(cè)過軌樓梯及1換2樓梯；取消1換2的樓梯，東、西廳各增加1組樓扶梯，將1換2客流從原來站臺(tái)—站臺(tái)直接換乘形式改為站臺(tái)—站廳—站臺(tái)換乘（見圖8）。

圖8 青年大街站優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案Fig. 8 Civil reconstruction plan of the Qingniandajie Station

方案 3：組合優(yōu)化方案。同時(shí)實(shí)施壓縮行車間隔并優(yōu)化車站結(jié)構(gòu)。

3.2 優(yōu)化方案仿真結(jié)果分析

為定量評(píng)估這3種方案對(duì)青年大街站的運(yùn)營狀態(tài)改善效果，假設(shè)其他輸入條件均不變化情況下，利用LEGION軟件重新建模仿真評(píng)估，從車站整體能力改善及重點(diǎn)設(shè)施設(shè)備能力改善方面進(jìn)行分析。

從對(duì)車站關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備的改善效果分析（見圖9），壓縮行車間隔，對(duì)于車站整體運(yùn)力及站廳付費(fèi)區(qū)、站臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)改善效果明顯，但對(duì)提升站廳樓扶梯和1換2設(shè)施能力作用不大，其主要原因在于無法解決十字換乘站的站臺(tái)到站臺(tái)直接換乘帶來的問題；而方案2（優(yōu)化車站結(jié)構(gòu)）中改變1換2原有換乘形式后，能減緩客流直接換乘對(duì)雙向站臺(tái)的沖擊，且方便車站運(yùn)營人員對(duì)換乘客流的有效疏解和及時(shí)管控，但未根治車站運(yùn)能不足的問題，若同時(shí)實(shí)施壓縮行車間隔及優(yōu)化車站結(jié)構(gòu)（方案3），則能夠達(dá)到根治目標(biāo)。

圖9 3種優(yōu)化方案降低客流平均密度比例對(duì)比Fig. 9 Comparison of three kinds of modification schemes to reduce the average density of passenger flow

從設(shè)施設(shè)備的平均客流疏解時(shí)間對(duì)比分析（見圖10），3套方案均能減少站廳樓扶梯的客流疏解時(shí)間；與方案一相比，方案2改變?cè)?換2的節(jié)點(diǎn)換乘方式，能夠加快換乘樓扶梯的客流疏解；組織換乘通道的單向客流換乘組織方式，雖然會(huì)導(dǎo)致?lián)Q乘通道的客流壓力增大，導(dǎo)致?lián)Q乘通道客流疏解時(shí)間增加，但能夠減少客流對(duì)沖風(fēng)險(xiǎn)，且利于進(jìn)一步采取客流控制措施，保證乘客安全。

圖10 3種優(yōu)化方案的平均客流疏解時(shí)間對(duì)比Fig. 10 Comparison of three kinds of modification schemes to reduce the average evacuation time

由上述分析得到，壓縮發(fā)車間隔能夠提升車站的整體能力及設(shè)施設(shè)備的能力，極大改善換乘車站能力不足問題，若換乘站所屬線路的車輛配屬、折返能力、存車能力充足，則應(yīng)進(jìn)一步壓縮行車間隔。通過優(yōu)化車站結(jié)構(gòu)，采用站廳換乘方式，能夠解決節(jié)點(diǎn)換乘的弊端，且有利于車站進(jìn)一步的客運(yùn)組織及管理改善，并提高設(shè)施設(shè)備利用率，降低客流沖突。采用站廳或長通道換乘形式，延長換乘距離，對(duì)于保障客運(yùn)組織安全意義重大。

4 結(jié)語

本文針對(duì)地鐵換乘站換乘方式適配性評(píng)價(jià)問題提出了各種換乘方式，尤其針對(duì)十字節(jié)點(diǎn)換乘方式問題，以沈陽地鐵青年大街站為例，進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)分析，剖析車站擁擠成因并提出解決方案。并對(duì)壓縮發(fā)車間隔、優(yōu)化車站結(jié)構(gòu)、組合方案3種改造方案仿真評(píng)價(jià)及指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，發(fā)現(xiàn)壓縮發(fā)車間隔對(duì)提升車站運(yùn)能，緩解車站整體、站臺(tái)、站廳客流擁擠更加有效，但未根本解決換乘設(shè)施客流風(fēng)險(xiǎn)問題；優(yōu)化車站結(jié)構(gòu)解決直接換乘弊端，極大緩解換乘設(shè)施的客流沖擊力，但未解決運(yùn)能不足問題；若雙管齊下同時(shí)實(shí)施能達(dá)到根治效果。

由于十字換乘形式常適用于換乘量較小且對(duì)便捷性要求高的車站，對(duì)于市區(qū)或大客流換乘站，建議在工程設(shè)計(jì)方案中盡量避免，條件允許下盡量改為T字型或L型換乘形式，且換乘站設(shè)計(jì)方案宜通過仿真量化評(píng)估后方可實(shí)施。由于換乘站改造工程勞民傷財(cái)且對(duì)乘客出行干擾極大，因此盡量在設(shè)計(jì)階段充分考慮預(yù)測(cè)客流偏差及線網(wǎng)調(diào)整等因素，對(duì)換乘站設(shè)計(jì)方案做好充分的風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估及防控，尤其對(duì)換乘方式的選擇需重點(diǎn)考慮客流的特點(diǎn)及行車能力等因素，并在設(shè)計(jì)階段充分考慮后期運(yùn)營階段實(shí)施客流引導(dǎo)及管控的方案，并預(yù)留足夠的站內(nèi)空間便于實(shí)施，從而防范不確定性大客流對(duì)換乘站運(yùn)營的沖擊。