行人仿真在城市軌道交通換乘站客運現(xiàn)狀評價中的應(yīng)用

陳明鈿，鄭宣傳，高國飛

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

我國城市軌道交通發(fā)展迅猛，同時客流需求持續(xù)激增[1]，城市軌道交通系統(tǒng)的客流供需矛盾日益凸顯。由于換乘站內(nèi)客流結(jié)構(gòu)復(fù)雜[2]，動態(tài)性和隨機(jī)性強，其客流組織問題和隱患尤為突出。因此，有必要對城市軌道交通換乘站客流組織及設(shè)施設(shè)備布局現(xiàn)狀進(jìn)行評價，一方面有助于優(yōu)化換乘站與線路的客運組織方案，另一方面可為換乘站升級改造提供客流依據(jù)。由于行人仿真具有直觀性、經(jīng)濟(jì)性、高效性等特點，近年來已逐漸被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)城市軌道交通換乘站設(shè)計方案評價中[2-10]，例如，余晶[2]采用行人仿真軟件Legion對地鐵佛山西站方案進(jìn)行動態(tài)仿真模擬，為設(shè)計和優(yōu)化車站空間布局、設(shè)施設(shè)置和車站客運組織提供了直觀的參考依據(jù)。但是，目前已有研究對于換乘站客運現(xiàn)狀評價中的行人仿真應(yīng)用較少。本文采用行人仿真軟件Legion，通過對實際案例沈陽地鐵青年大街站建立行人仿真模型，對其設(shè)施布局和客運組織現(xiàn)狀進(jìn)行評價分析，為車站改造及客運組織優(yōu)化提供參考。

1 青年大街站概況

青年大街站為沈陽地鐵1、2號線換乘站，其中1號線(M1)為東西走向，2號線(M2)為南北走向。車站采用島側(cè)十字節(jié)點換乘(上側(cè)下島)，2號線為側(cè)式站臺，1號線為島式站臺。車站地下共分2層，其中地下一層為共用站廳層及2號線站臺層，地下二層為1號線站臺層。受周邊環(huán)境控制，兩線車站有效站臺位置固定。車站在四個象限分別設(shè)置了4處車站進(jìn)出口。兩線車站通過地下一層的四條換乘通道及節(jié)點處兩站臺之間的換乘樓梯連接，實現(xiàn)單向換乘功能。車站的客流組織流線如圖1所示。

圖1 青年大街站客流組織流線示意圖Fig.1 Diagram of passenger flow lines in Qingniandajie Station

由于青年大街站為沈陽地鐵唯一的換乘站，每天承載大量換乘客流的出行需求。目前該站日均進(jìn)站量為2.28萬人次，日均換乘量為18萬人次，高峰小時及全日換乘客流均已達(dá)初設(shè)階段遠(yuǎn)期預(yù)測客流的15倍。由于該站設(shè)計之初的預(yù)測客流與實際開通后的運營客流偏差較大，導(dǎo)致目前車站擁擠狀況突出，容易出現(xiàn)影響運營安全的問題。

2 仿真內(nèi)容及參數(shù)設(shè)置

本文所采用的行人仿真軟件為Legion SpaceWorks，該軟件被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是目前最有效的行人仿真與分析工具[2, 11-12]，其核心模型是由Still提出的基于智能體(Agent)的基礎(chǔ)模型[13]。其中行人行為模型的參數(shù)標(biāo)定，Legion公司通過大量的調(diào)研數(shù)據(jù)和仿真測試，包括其軟件在國內(nèi)的一些應(yīng)用項目，已經(jīng)取得了良好的效果，并且實現(xiàn)了模型參數(shù)“本地化”，如圖2所示。

圖2 行人自由流速度參數(shù)“本地化”Fig.2 "Localization" of the velocity parameter of free flow of pedestrians

本次仿真的主要目的為通過評估青年大街站的客運現(xiàn)狀，找出運營組織的薄弱環(huán)節(jié)、潛在安全隱患，仿真范圍為青年大街站內(nèi)的交通功能空間(乘客公共活動區(qū)域)。

根據(jù)沈陽地鐵青年大街站2017年3月份客流數(shù)據(jù)的分時統(tǒng)計分析結(jié)果(圖3)，青年大街站工作日各時段客流結(jié)構(gòu)基本相同，均以換乘客流為主，工作日分時換乘客流量基本占總客運量的80%以上，且站內(nèi)客流量最大的時段為周一早高峰(8:00—9:00)，客流量達(dá)到了30 000人/h左右。由于該時段最能突出反映青年大街站內(nèi)換乘客流與換乘設(shè)施間的供給矛盾，因此確定對早高峰8:00—9:00時段進(jìn)行仿真分析，并選取某周一早上8:00—9:00間的客流數(shù)據(jù)作為模型的客流輸入?yún)?shù)，站內(nèi)客流OD如表1所示。其中，超高峰時段為8:00—8:15，超高峰系數(shù)為1.28。

圖3 沈陽地鐵青年大街站分時客流統(tǒng)計結(jié)果Fig.3 Passenger flow statistics of Qingniandajie Station in Shenyang Metro

表1 青年大街站內(nèi)客流OD數(shù)據(jù)表Table 1 OD data sheet of passenger flow in Qingniandajie Station

根據(jù)沈陽地鐵提供的1、2號線原始票卡數(shù)據(jù)、CCTV監(jiān)控視頻等資料，經(jīng)統(tǒng)計、分析得到的青年大街站早高峰乘客特性參數(shù)如下：(1)票種比例：一卡通70%，單程票30%；(2)購票方式比例：自動售票機(jī)60%，人工售票40%；(3)安檢比例：安檢80%，不安檢20%；(4)下行樓扶梯選擇比例：扶梯52%，樓梯48%；(5)上行樓扶梯選擇比例：扶梯90%，樓梯10%。

目前1號線及2號線均采用B型車6節(jié)編組形式，工作日1號線早高峰行車間隔達(dá)到255 s，2號線早高峰行車間隔為280～333 s；1號線早高峰發(fā)車14對，2號線早高峰發(fā)車11對；兩線在青年大街站均停站60 s。仿真模型中的列車到達(dá)間隔按現(xiàn)行周一早高峰的列車運行圖方案確定。乘客在售、檢票口(機(jī))的延誤時間參照地鐵車站建筑設(shè)計規(guī)范與實際調(diào)研最大通行能力取值，如表2所示。

表2 售檢票口(機(jī))延誤時間分布Table 2 Delay time distribution of ticket entrances (machines)

由于在地鐵的客流集散過程中，特別是由于下車客流的集中到達(dá)，在站臺和樓、扶梯等節(jié)點出現(xiàn)瞬間的高密度人流屬于比較正常的現(xiàn)象，所以在評價過程中更多地使用平均密度和高密度持續(xù)時間更能體現(xiàn)節(jié)點潛在的安全隱患。對于客流密度分級服務(wù)水平評價，本文采用國際上較為通用的Fruin服務(wù)水平評價標(biāo)準(zhǔn)[14]，如表3所示。

表3 Fruin服務(wù)水平分級及描述表Table 3 Fruin service level classification and description table

3 仿真結(jié)果分析

3.1 車站整體分析

青年大街站整體平均密度為1.44人/m2(E級)，整體密度最大值達(dá)到2.45人/m2(F級)。除了站廳非付費區(qū)外，車站早高峰整體客流密度較大，整體服務(wù)水平較低，參見圖4，5。服務(wù)水平在E級(密度大于1人/m2)的乘客占所有乘客的63%，其中23%的乘客達(dá)到了F級(密度大于2人/m2)，存在較大客流風(fēng)險。

圖4 青年大街站整體平均密度分布圖Fig.4 Mean density distribution map of Qingniandajie Station

圖5 青年大街站整體服務(wù)水平分布圖Fig.5 Overall service level distribution map of Qingniandajie Station

圖6為車站整體高密度持續(xù)時間分布圖，可知東西兩側(cè)站廳換乘樓扶梯、站臺節(jié)點換乘樓扶梯周圍區(qū)域高密度(2人/m2)持續(xù)時間均達(dá)到10 min以上，是整個車站的擁擠點和能力瓶頸區(qū)域。

圖6 青年大街站高密度持續(xù)時間分布圖Fig.6 High density duration distribution map of Qingniandajie Station

3.2 站廳區(qū)域分析

站廳的非付費區(qū)和付費區(qū)的客流密度區(qū)別明顯，非付費區(qū)平均客流密度為0.22人/m2，而付費區(qū)為1.21人/m2，客流密度相差5.5倍，參見圖7。非付費區(qū)處于服務(wù)水平E級以下(大于1.08人/m2)的乘客占比僅1%，而付費區(qū)處于服務(wù)水平E級以下(大于1.08人/m2)的乘客占比高達(dá)59%，乘客在付費區(qū)內(nèi)行走舒適度較低。其原因在于該站高峰時段以換乘客流為主(換乘比例達(dá)90%)，2號線換乘1號線客流需經(jīng)站廳付費區(qū)換乘，導(dǎo)致付費區(qū)整體客流密度大。

圖7 站廳平均密度分布圖Fig.7 The average density distribution map of the station halls

付費區(qū)內(nèi)的樓扶梯以及部分拐角處為西側(cè)站廳的瓶頸區(qū)域，平均密度出現(xiàn)紅色(F級)區(qū)域，其原因在于限流圍欄、立柱存在導(dǎo)致通道寬度變小，通行能力降低，且樓扶梯是通行能力的瓶頸點。東側(cè)站廳客流密度分布情況與之相同。

3.3 站臺區(qū)域分析

1號線站臺區(qū)域整體平均密度為0.85人/m2。站臺總體客流分布不均勻，表現(xiàn)為乘降區(qū)及樓扶梯等候區(qū)密度大，其他區(qū)域密度小。站臺乘降區(qū)域處于D級以下服務(wù)水平(大于1.54人/m2)的乘客占比為33%，服務(wù)水平適中。站臺中部及東西兩端的等候區(qū)域客流密度較低，尚未充分利用，建議可考慮適當(dāng)增加該區(qū)域的空間利用率。

2號線站臺區(qū)域整體密度較大，平均密度達(dá)到1.26人/m2。站臺區(qū)域處于D級及D級服務(wù)水平以下(大于1.54人/m2)的乘客占比為51%，服務(wù)水平一般。站臺兩端的過軌樓扶梯(一樓一扶)客流密度低，且減小了2號線站臺兩端乘降區(qū)域?qū)挾龋档土嗽搮^(qū)域的服務(wù)水平。

表4為站臺容納能力的計算結(jié)果，可以看出，1號線站臺乘降區(qū)處于飽和狀態(tài)，但由于1號線為島式站臺，高峰時上下行乘客可以共用站臺等候區(qū)域，且該區(qū)域的能力利用率低，因此1號線站臺整體能力還有一定富余；2號線站臺區(qū)域已經(jīng)接近飽和狀態(tài)，且為側(cè)式站臺，沒有多余可利用的空間，容納能力比較緊張，在乘客上下車時有較大的客流風(fēng)險。

表4 站臺容納能力計算結(jié)果Table 4 Calculation results of the capacity of platforms

3.4 樓扶梯排隊區(qū)域分析

西側(cè)站廳樓扶梯平均密度1.16人/m2，最高密度3.03人/m2；東側(cè)站廳樓扶梯平均密度1.17人/m2，最高密度2.99人/m2。站廳東、西側(cè)樓扶梯的服務(wù)水平均較差，服務(wù)水平處于E級以下(大于1.54人/m2)乘客占總?cè)藬?shù)的67.5%，尤其是下行扶梯及其排隊區(qū)域以及其側(cè)前方立柱與圍欄之間的狹窄區(qū)域，高峰時排隊較為嚴(yán)重，易造成擁擠。

1號線換乘2號線樓梯中，西側(cè)樓梯平均密度1.20 人/m2，最高密度3.08 人/m2；東側(cè)樓梯平均密度1.38 人/m2，最高密度3.36 人/m2；最大密度均超過了3 人/m2，排隊嚴(yán)重，安全隱患較大。兩部樓梯的服務(wù)水平均較差，服務(wù)水平處于E級以下(大于1.54 人/m2)乘客占總?cè)藬?shù)的80%。

相比于站廳樓扶梯和1號線換乘2號線樓梯，2號線站臺四部過軌樓梯的客流密度較低，服務(wù)水平均在C級，空間利用率較低。

各換乘樓扶梯的通過能力計算結(jié)果如表5所示，可以看出，幾組樓扶梯的超高峰飽和度較高，平均在50%以上，尤其是M1換M2的兩組樓梯，飽和度達(dá)到了65%左右?？土魇杞鈺r間較長，平均都在200 s以上，但小于列車的最小發(fā)車間隔(255 s)，能夠隨時間周期性消散，不存在客流滯留積聚的風(fēng)險。

表5 換乘樓扶梯通過能力計算結(jié)果Table 5 Calculation results of the carrying capacity of transfer stairs and escalators

3.5 換乘通道區(qū)域分析

1號(東北角)、3號(西南角)換乘通道的平均客流密度約為0.6人/m2，最大客流密度達(dá)到2.5人/m2左右；2號(西北角)、4號(東南角)換乘通道的平均客流密度小于0.4人/m2，最大客流密度小于1.75人/m2，比1、3號換乘通道密度小。通道服務(wù)水平處于E級以下(大于1.08人/m2)的乘客均占60%左右，服務(wù)水平一般。

換乘通道的通過能力計算結(jié)果如表6所示，換乘通道的總體能力基本滿足高峰客流的需求，尤其是2、4號換乘通道的能力利用率較低，平均在31%以下；通道內(nèi)客流能夠隨時間周期性疏散，疏解時間在2 min以內(nèi)，不存在累加積聚的危險。因此換乘通道存在一定的能力富余空間，并非青年大街站的換乘瓶頸點。

表6 換乘通道通過能力計算結(jié)果Table 6 Calculation results of the carrying capacity of the transfer channels

3.6 車站流線組織分析

目前，該站的客流流線組織比較合理，沖突點較少。1號線換2號線客流采用站臺中部樓梯換乘；2號線換1號線客流通過站廳進(jìn)行換乘，換乘客流不存在交叉對沖。通過在站廳設(shè)置限流圍欄進(jìn)行客流緩沖，一定程度上緩解2號線換1號線客流對站廳的樓扶梯客流沖擊，延緩換乘客流對1號線站臺的沖擊。但高峰期，由于1號線換2號線通過樓扶梯直接換乘，缺乏緩沖區(qū)域，容易在樓梯口處形成客流堆積，形成高密度區(qū)域(圖8)；對于1號線站臺存在一定的安全隱患。目前2號線的部分進(jìn)站客流，與2號線換1號線及出站客流需共用換乘通道，會造成短時的客流對向沖突；現(xiàn)若將部分1號線換2號線客流引導(dǎo)至站廳換乘，則會加劇對沖客流的沖突，導(dǎo)致通道能力的下降(圖9)。由于換乘通道的能力較為富裕，因此可在通道內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流護(hù)欄，該措施能夠避免對向行人沖突，提高通行效率[15]。

圖8 M1站臺換乘樓梯客流堆積現(xiàn)象Fig.8 Passenger flow accumulation on transfer stairs of M1 platform

圖9 換乘通道內(nèi)的客流沖突Fig.9 Passenger flow conflicts in transfer corridors

4 車站擁擠成因分析

4.1 設(shè)計階段預(yù)測換乘量偏低，而實際換乘壓力巨大

目前沈陽地鐵線網(wǎng)運營的僅有2條線，且1號線及2號線僅有唯一的換乘站，線網(wǎng)結(jié)構(gòu)尚未成熟。該站設(shè)計初的遠(yuǎn)期(2035年)早高峰預(yù)測換乘量只有2 000多人次，全日換乘客流約2.5萬人次；而現(xiàn)狀(2017年4月17日)僅早高峰小時的換乘量為2.6萬人次，是設(shè)計初預(yù)測的遠(yuǎn)期早高峰換乘量的12.5倍，甚至高于北京最擁擠的兩線換乘站——國貿(mào)站的換乘量(2.2萬人次)，換乘壓力巨大。由于該站總體的設(shè)計依據(jù)為當(dāng)時的客流預(yù)測數(shù)據(jù)，因此車站的規(guī)模并不大，只有上下兩層，兩條線路共用站廳，且采用島側(cè)式十字節(jié)點換乘方式，難以適應(yīng)大客流沖擊，導(dǎo)致目前站臺及設(shè)施設(shè)備能力緊張的情況。

4.2 發(fā)車間隔大，高峰運能略顯不足

目前沈陽地鐵1號線的最小發(fā)車間隔是255 s，2號線的最小發(fā)車間隔是280 s。線路設(shè)計階段，1、2號線的初、近、遠(yuǎn)期采用大小交路套跑的方式分別開行12、18、30對列車。目前青年大街站的運營客流已達(dá)遠(yuǎn)期設(shè)計客流規(guī)模，但行車方案仍采用初期的規(guī)模配置，兩條線路均采用單一大交路運行，早高峰1號線實際發(fā)車14對，2號線發(fā)車11對，因此導(dǎo)致高峰期運力緊張，站臺客流壓力大。

4.3 車站換乘設(shè)施等瓶頸區(qū)域空間緊張

由于青年大街站2號線為側(cè)式站臺，且站臺寬度有限(兩側(cè)均為6 m，最窄處僅有2.4 m)，因此導(dǎo)致站臺容納能力有限(按2人/m2計算能容納1 329人)。大量候車乘客進(jìn)入站臺導(dǎo)致整體密度偏大，尤其是在列車到達(dá)后、乘客上下車的瞬間，站臺的最大瞬時客流飽和度接近100%，幾乎沒有多余的容納空間，具有一定的客流風(fēng)險。

另外，由于1號線換2號線的方式為“臺-梯-臺”的節(jié)點換乘，換乘環(huán)節(jié)中唯一的換乘樓梯寬度有限(3.2 m)，缺少客流緩沖區(qū)域，容易造成換乘設(shè)施起點處人員堆積密度較大，且需要較長時間(210 s左右)才能消散完畢。若2號線站臺乘客數(shù)量飽和，則換乘的乘客只能站在樓梯上排隊等待換乘，不利于疏導(dǎo)客流，存在安全隱患。

5 改進(jìn)措施

5.1 線路運營調(diào)節(jié)方面

壓縮1、2號線高峰小時發(fā)車間隔。由于沈陽地鐵1、2號線的換乘客流需求巨大，而線路運能卻明顯不足，運力與運能間的不匹配導(dǎo)致了換乘節(jié)點上的乘客滯留，是造成青年大街站內(nèi)整體客流密度大、服務(wù)水平低的根本原因。因此，通過壓縮發(fā)車間隔來提高線路運能，是降低青年大街站客流密度、提高站內(nèi)設(shè)施服務(wù)水平的最有效手段。

壓縮發(fā)車間隔的可用措施包括實行大小交路套跑、增配車輛等，具體措施的可行性需結(jié)合線路運營條件深入分析，本文中不作具體分析。

5.2 車站土建改造方面

若短期內(nèi)無法提高1、2號線的運能，則可以考慮青年大街站的土建改造措施，以達(dá)到提高站內(nèi)瓶頸設(shè)施能力、一定程度上緩解客流風(fēng)險的目的。具體的改造建議包括以下幾點：

(1)適當(dāng)擴(kuò)大東西兩側(cè)站廳付費區(qū)的面積。在有條件的情況下可將原非付費區(qū)改為付費區(qū)，同時增加外擴(kuò)廳作為非付費區(qū)，這樣付費區(qū)可增加近2/5的面積；同時通過重新設(shè)計站廳的限流圍欄，合理組織進(jìn)、出站和換乘流線，提高站廳的空間利用率和均衡性。

(2)適當(dāng)增加2號線站臺的局部寬度，增加其容納面積。例如，站臺南北兩側(cè)的4組過軌樓扶梯，由于通過客流量小、客流密度低、空間利用率低，將一樓一扶組合改成一部樓梯后，該處站臺寬度可增加1.875 m，面積可增加15.8 m2左右，4組樓扶梯共可增加126人的容納能力；還可以取消站臺中部的換乘樓梯，該處站臺寬度可增加2.3 m，面積可增加15.6 m2,4部樓梯共可增加125人的容納能力，但該措施同時需要措施(3)共同配合。

(3)增大乘客的換乘走行距離。取消1號線換2號線的換乘節(jié)點樓梯后，將換乘客流從1號線站臺引導(dǎo)至站廳，再將客流從站廳引導(dǎo)至換乘通道進(jìn)行換乘，減緩客流對換乘設(shè)施的短時客流沖擊，減緩客流對站臺的客流沖擊。但該措施提高了站廳兩側(cè)樓扶梯的壓力，因此可在措施(1)的基礎(chǔ)上在新付費區(qū)新增一組通向1號線站臺的樓扶梯，既緩解原樓扶梯的壓力，同時可增加1號線換2號線的換乘能力。

6 結(jié)語

通過行人仿真對城市軌道換乘站客流組織及設(shè)施設(shè)備布局現(xiàn)狀進(jìn)行評價，有助于優(yōu)化換乘站與線路的客運組織方案，同時為換乘站升級改造提供客流依據(jù)。本文運用Legion行人仿真軟件對沈陽地鐵青年大街站的客運組織和設(shè)施布局現(xiàn)狀進(jìn)行了仿真實例評價分析研究。評價結(jié)果表明，青年大街站早高峰整體服務(wù)水平較低，其客流瓶頸區(qū)域集中在四部換乘樓扶梯和站臺區(qū)域。

本研究采用了服務(wù)水平、設(shè)施能力和客流疏解時間等指標(biāo)進(jìn)行評價，但這些指標(biāo)并不能完全反映城市軌道交通換乘站的客運現(xiàn)狀，還需要結(jié)合行人仿真之外的方法和工具，從換乘站的能力適應(yīng)性、短時沖擊性、舒適便捷性、疏散安全性、運營經(jīng)濟(jì)性等方面入手，形成完整的換乘站運營評價指標(biāo)體系，對換乘站進(jìn)行全面、客觀的評價，這也是今后研究的改進(jìn)方向。