城軌站行人流線網(wǎng)絡(luò)客流分配算法與軟件實(shí)現(xiàn)

何 彬， 顧保南

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

城市軌道交通車站站內(nèi)的行人設(shè)施包括出入口通道、換乘通道、安檢儀、檢票閘機(jī)、樓梯、自動(dòng)扶梯以及可供行人走行的站廳、站臺(tái)空間，上述行人設(shè)施的要素(布置數(shù)量、放置位置、擺放角度、設(shè)施種類等)的任一變化就會(huì)形成一個(gè)行人設(shè)施布置方案.在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，這些要素存在許多變化可能性，因而可形成很多可能的行人設(shè)施布置方案.

為了評價(jià)行人設(shè)施布置方案的優(yōu)劣，目前廣泛使用的是微觀仿真法.該方法采用微觀行人流仿真軟件對軌道交通車站內(nèi)部行人集散情況進(jìn)行微觀仿真，并利用輸出的時(shí)間、飽和度等參數(shù)對車站行人設(shè)施布置方案進(jìn)行評價(jià).文獻(xiàn)[1]利用NOMAD系統(tǒng)評價(jià)里斯本3個(gè)火車站的檢票閘機(jī)布置方案.文獻(xiàn)[2]利用其開發(fā)的SRAIL系統(tǒng)評估以鐵路客運(yùn)站為核心的綜合交通樞紐設(shè)施.文獻(xiàn)[3-6]分別利用Legion、MassMotion、VISSIM、AnyLogic等微觀行人流仿真平臺(tái)對不同的軌道交通車站的行人設(shè)施布置方案進(jìn)行了仿真評價(jià).盡管這類主流仿真平臺(tái)的運(yùn)行效率已有顯著提高，但是，一旦方案需要調(diào)整，設(shè)計(jì)人員必須返回設(shè)計(jì)軟件修改并重新建立仿真場景，這一過程耗費(fèi)了設(shè)計(jì)人員大量的時(shí)間和精力.由于規(guī)劃設(shè)計(jì)階段存在著大量變化方案需要評價(jià)分析，繁瑣的仿真場景構(gòu)建過程依然是微觀仿真法用于軌道交通車站行人設(shè)施布置方案規(guī)劃設(shè)計(jì)的瓶頸，即微觀仿真法并不適用于規(guī)劃設(shè)計(jì)階段大量變化方案的快速評價(jià).

國內(nèi)部分研究人員提出了“網(wǎng)絡(luò)法”[7-12]，即：首先將車站可供行人走行的區(qū)域內(nèi)抽象為行人網(wǎng)絡(luò)，然后通過網(wǎng)絡(luò)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)，最終結(jié)合流線交織情況來評價(jià)方案.與微觀仿真法不同，該方法采用行人網(wǎng)絡(luò)抽象表達(dá)包括行人設(shè)施在內(nèi)的行人走行環(huán)境，通過改變邊屬性(能力、長度、自由走行時(shí)間等)賦值能夠模擬大量行人設(shè)施布置變化方案；將行人流視為整體，通過網(wǎng)絡(luò)交通分配得到相關(guān)指標(biāo)，能夠節(jié)省方案分析時(shí)間，提高方案分析效率.可見，“網(wǎng)絡(luò)法”能夠適應(yīng)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段大量變化方案的快速評價(jià).文獻(xiàn)[7]提出了客運(yùn)樞紐網(wǎng)絡(luò)配流的基本思路，并基于單路徑分配構(gòu)建了樞紐站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的旅客流量分配模型.文獻(xiàn)[8-10]提出了多種站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，但是普適性較差.文獻(xiàn)[9]提出了基于系統(tǒng)最優(yōu)的站內(nèi)疏散網(wǎng)絡(luò)客流分配模型，由于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中不可能出現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)原則所描述的情況[13]，因此，該模型得到的分配結(jié)果不符合實(shí)際情況.

目前最具可操作性的“網(wǎng)絡(luò)法”是文獻(xiàn)[11-12]中提出的行人流線網(wǎng)絡(luò)法.該方法把安檢通道、閘機(jī)組、樓梯、自動(dòng)扶梯等行人設(shè)施以及設(shè)施間的各股行人流抽象為邊，把站內(nèi)易擁堵區(qū)域抽象為實(shí)結(jié)點(diǎn)；將不考慮結(jié)點(diǎn)阻抗的用戶均衡分配與實(shí)結(jié)點(diǎn)阻抗計(jì)算模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)行人流線網(wǎng)絡(luò)分配.但是在分配算法及實(shí)現(xiàn)工具上仍然存在以下問題：

(1)由于代表自動(dòng)扶梯、閘機(jī)組及安檢儀的邊的時(shí)間阻抗與其流量無關(guān)，同時(shí)實(shí)結(jié)點(diǎn)阻抗與流量間的關(guān)系尚未確定，故不具備使用用戶均衡分配的條件.即使用戶均衡分配可以使用，既有算法也未將上述實(shí)結(jié)點(diǎn)時(shí)間模型真正加入分配迭代，并未起到與邊阻抗相同的作用.

(2)TransCAD、VISUM等客流分配軟件雖然能夠通過二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)行人流線網(wǎng)絡(luò)客流分配，但是開發(fā)成果僅能在該種客流分配軟件中應(yīng)用，普遍適用性較差.另外，構(gòu)建交通小區(qū)及小區(qū)與網(wǎng)絡(luò)連接對于客流起訖點(diǎn)皆為網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的行人流線網(wǎng)絡(luò)而言屬無用步驟，利用TransCAD、VISUM等開發(fā)的軟件實(shí)際上降低了工作效率.

本文以連續(xù)平均法作為行人網(wǎng)絡(luò)客流分配方法的基本框架，考慮邊阻抗與實(shí)結(jié)點(diǎn)阻抗的共同作用，提出適用于城市軌道交通車站行人流線網(wǎng)絡(luò)的站內(nèi)客流分配算法，并利用C#與Matlab混合編程開發(fā)相應(yīng)工具，實(shí)現(xiàn)基于行人流線網(wǎng)絡(luò)的城市軌道交通車站行人設(shè)施客流分配.

1 站內(nèi)行人流線網(wǎng)絡(luò)客流分配算法

行人站內(nèi)走行時(shí)間包括在各個(gè)行人設(shè)施的通過時(shí)間以及在通過諸如閘機(jī)組前、自動(dòng)扶梯前、流線交織區(qū)等易擁堵區(qū)域(實(shí)結(jié)點(diǎn))耗費(fèi)的時(shí)間.一般地，不同乘客通過閘機(jī)組本身耗費(fèi)的時(shí)間相差不大[14-15]，通過自動(dòng)扶梯對于任一乘客而言均相同，二者不會(huì)對路徑分配結(jié)果產(chǎn)生影響；通過安檢設(shè)備的時(shí)間雖然差別較大[16]，但是由于乘客會(huì)選擇與自己經(jīng)過的進(jìn)站口相對應(yīng)的安檢儀進(jìn)站，故乘客的安檢時(shí)間也不能作為影響客流分配的時(shí)間因素.因此，行人站內(nèi)走行時(shí)間的變化取決于擁堵區(qū)域及各類通道的通過時(shí)間.因此，站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)客流分配必須加入行人通過擁堵區(qū)域所耗費(fèi)的時(shí)間，即把實(shí)結(jié)點(diǎn)時(shí)間阻抗加入路徑阻抗.

當(dāng)某實(shí)結(jié)點(diǎn)處進(jìn)入邊與離開邊同時(shí)存在且數(shù)量之和大于2時(shí)，該實(shí)結(jié)點(diǎn)處存在著多個(gè)方向的行人流.為了區(qū)分多方向行人流在同一實(shí)結(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生的時(shí)間阻抗，本文定義分方向?qū)嵔Y(jié)點(diǎn)時(shí)間阻抗為行人流由上游結(jié)點(diǎn)iu經(jīng)過當(dāng)前結(jié)點(diǎn)i到達(dá)下游結(jié)點(diǎn)id時(shí)在當(dāng)前結(jié)點(diǎn)i處所耗費(fèi)的時(shí)間，并用t(iu,i,id)表示分方向?qū)嵔Y(jié)點(diǎn)阻抗，其中，iu為實(shí)結(jié)點(diǎn)i的上游結(jié)點(diǎn)編號，id為實(shí)結(jié)點(diǎn)的下游結(jié)點(diǎn)編號.(iu,i,id)表示行人流可以由上游結(jié)點(diǎn)iu經(jīng)過當(dāng)前結(jié)點(diǎn)i到達(dá)下游結(jié)點(diǎn)id，稱為結(jié)點(diǎn)客流方向.

在文獻(xiàn)[12]所構(gòu)建的實(shí)結(jié)點(diǎn)模型下，兩股客流通過相同實(shí)結(jié)點(diǎn)區(qū)域所耗費(fèi)的時(shí)間相等，并未考慮分方向?qū)嵔Y(jié)點(diǎn)時(shí)間阻抗的差異.而既有的排隊(duì)模型則是將多個(gè)上游設(shè)施的輸出率之和作為下游設(shè)施的輸入率[17-18]，效果與文獻(xiàn)[12]相同.對于同一實(shí)結(jié)點(diǎn)，路徑阻抗中只能包含一個(gè)方向的時(shí)間阻抗.因此，將實(shí)結(jié)點(diǎn)延誤模型加入客流分配實(shí)際上就是將分方向?qū)嵔Y(jié)點(diǎn)阻抗及結(jié)點(diǎn)客流方向加入給定OD對間最短路徑識(shí)別過程.文獻(xiàn)[12，17-18]的做法會(huì)對給定OD對間最短路徑識(shí)別產(chǎn)生不利影響，可能導(dǎo)致分配結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤.

為了在客流分配中考慮分方向?qū)嵔Y(jié)點(diǎn)時(shí)間阻抗的差異性，本文將結(jié)點(diǎn)客流方向與分方向?qū)嵔Y(jié)點(diǎn)時(shí)間阻抗引入最短路徑識(shí)別過程.由于站內(nèi)流線情況復(fù)雜，最短路徑中可能包含不可行的結(jié)點(diǎn)客流方向，從而導(dǎo)致客流分配結(jié)果出錯(cuò)，因此，還需要識(shí)別最短路徑是否可行.綜上，最短路徑識(shí)別過程具體步驟如下：①遍歷給定OD對間的所有非成環(huán)路徑.②每一路徑與結(jié)點(diǎn)客流方向比較，若存在不符合結(jié)點(diǎn)客流方向的情況，則將該路徑剔除出路徑集.③取剩余路徑中阻抗最小的路徑作為最短路徑.

行人流線網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)階段并不具備建立用戶均衡分配模型的條件，而增量分配法目前并沒有適用于實(shí)結(jié)點(diǎn)時(shí)間阻抗的OD矩陣拆分比例，因此，本文采用簡單實(shí)用卻又最接近平衡分配法的連續(xù)平均法[13]作為行人流線網(wǎng)絡(luò)交通分配方法的基本架構(gòu)，將上述最短路徑識(shí)別過程嵌入連續(xù)平均法的算法流程，提出城市軌道交通車站站內(nèi)客流分配方法，具體步驟如下：

(1)初始化.行人流線網(wǎng)絡(luò)中任一邊a的阻抗函數(shù)ta,k=ta(xa,k)，非交叉結(jié)點(diǎn)阻抗tk(iu,i,id)，交叉結(jié)點(diǎn)阻抗tk(ju,j,jd).令k=1，ta,1=ta(0)，t1(iu,i,id)=0，t1(ju,j,jd)=0,i,j∈N，執(zhí)行一次全有全無分配，得到各邊的分配交通量[xa,1].

(2)更新阻抗矩陣.更新邊阻抗矩陣[ta,k]、交叉結(jié)點(diǎn)阻抗[tk(ju,j,jd)]及分方向非交叉結(jié)點(diǎn)阻抗[tk(iu,i,id)].

(3)綜合上述3個(gè)阻抗矩陣，得到邊綜合阻抗[tZ,k].

(4)按照(1)中得到的邊綜合阻抗[tZ,k]，根據(jù)基于結(jié)點(diǎn)客流方向的最短路徑識(shí)別結(jié)果，執(zhí)行一次全有全無分配，得到一組附加交通量[ya,k].

(6)如果[xa,k+1]與[xa,k]滿足下式(K取0.001)時(shí)，則停止計(jì)算，[xa,k+1]為最終結(jié)果；否則，令k=k+1，轉(zhuǎn)(1).

2 算法的軟件實(shí)現(xiàn)

TransCAD等軟件除了在客流分配的工作流程上與行人流線網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn)存在矛盾外，還存在以下問題：

在路徑識(shí)別過程中，沒有考慮結(jié)點(diǎn)客流方向；網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時(shí)添加虛擬邊，用邊阻抗代替分方向結(jié)點(diǎn)阻抗，該做法大大增加了建模工作量，并且還存在“分方向結(jié)點(diǎn)阻抗轉(zhuǎn)化為邊阻抗”這一難題；不能夠?qū)⒎峙浣Y(jié)果直觀體現(xiàn)于設(shè)計(jì)圖紙或BIM模型；利用軟件提供的二次開發(fā)函數(shù)實(shí)現(xiàn)站內(nèi)客流分配方法難度較大.

基于上述問題，同時(shí)，行人流線網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)階段均在AutoCAD中構(gòu)建，因此，本文選擇AutoCAD作為環(huán)境平臺(tái)，利用C#與Matlab語言混合開發(fā)城市軌道交通車站行人設(shè)施客流分配軟件，軟件實(shí)現(xiàn)過程如圖1所示.

圖1 城市軌道交通車站行人設(shè)施客流分配軟件實(shí)現(xiàn)流程

與TransCAD相比，為匹配分方向?qū)嵔Y(jié)點(diǎn)時(shí)間阻抗的表示方法，軟件專門使用結(jié)點(diǎn)對表示網(wǎng)絡(luò)各邊；增加了交叉點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取、結(jié)點(diǎn)客流方向獲取兩個(gè)模塊，用于獲取網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點(diǎn)的客流方向，包括非交叉結(jié)點(diǎn)客流方向和交叉結(jié)點(diǎn)客流方向.

下面將主要說明交叉點(diǎn)坐標(biāo)、結(jié)點(diǎn)客流方向的獲取方法以及客流分配中最短路徑識(shí)別的實(shí)現(xiàn)方法，并簡述流線數(shù)據(jù)獲取、網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)標(biāo)號等必要過程的實(shí)現(xiàn)方法，圖中BPR參數(shù)即美國聯(lián)邦公路局函數(shù)中的α和β.

2.1 行人網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)提取

2.1.1流線數(shù)據(jù)提取

利用AutoCAD的.NET程序開發(fā)接口AutoCAD.NET API從AutoCAD圖形文件(DWG文件)中獲取構(gòu)成行人網(wǎng)絡(luò)的各直線(Line)屬性，包括句柄、起點(diǎn)三維坐標(biāo)、終點(diǎn)三維坐標(biāo)以及長度.另外，流線類型則通過流線所在圖層獲取，即：各條流線根據(jù)邊的拓?fù)浞较蚣翱土鹘M成被分別存儲(chǔ)于單向進(jìn)站圖層、單向出站圖層、單向換乘圖層、單向復(fù)合圖層或雙向復(fù)合圖層中，因此，每條流線的流線類型屬性與圖層名稱存在一一對應(yīng)的關(guān)系，例如，若流線屬于單向出站圖層，則其類型就是單向出站流線.

2.1.2交叉點(diǎn)坐標(biāo)提取

AutoCAD.NET API提供Line.IntersectWith()函數(shù)用于獲取兩兩相交線段的交點(diǎn)坐標(biāo)，若只采用上述函數(shù)遍歷線段交點(diǎn)，限于AutoCAD本身性能，交點(diǎn)坐標(biāo)提取效率較低.

判斷任意兩邊是否相交，實(shí)際上首先應(yīng)該判斷兩邊相交的可能性，當(dāng)同一平面上任意兩線段在x軸和y軸上的投影同時(shí)存在交集時(shí)，兩線段具有相交的可能性[19].當(dāng)兩邊具有相交可能性時(shí)，再利用API提供的函數(shù)獲取交點(diǎn)坐標(biāo).

行人流線網(wǎng)絡(luò)交叉點(diǎn)坐標(biāo)提取算法如下：

(1)初始化.設(shè)流線Lm的x區(qū)間和y區(qū)間分別表示為[xm,min,xm,max]和[ym,min,ym,max]，流線Ln的x區(qū)間和y區(qū)間分別表示為[xn,min,xn,max]和[yn,min,yn,max].令m=0,n=m+1，j=0.

(3)當(dāng)n

(4)利用Line.IntersectWith()獲取并記錄交點(diǎn)坐標(biāo)，記錄交叉結(jié)點(diǎn)順序號j=j+1，記錄Lm與Ln的句柄.轉(zhuǎn)(3).

2.2 結(jié)點(diǎn)標(biāo)號

在2.1.2中已經(jīng)獲取了交叉結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)并且進(jìn)行了排序，這里從1開始按照當(dāng)前的順序?qū)徊娼Y(jié)點(diǎn)連續(xù)編號.

非交叉結(jié)點(diǎn)的標(biāo)號方法如下：

首先將行人流線網(wǎng)絡(luò)中各流線的起點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)放入同一集合內(nèi)，并去除集合中的重復(fù)元素，然后對非交叉結(jié)點(diǎn)按以下規(guī)則排序：優(yōu)先按照非交叉結(jié)點(diǎn)橫坐標(biāo)從小到大的順序排序，當(dāng)多個(gè)非交叉結(jié)點(diǎn)的橫坐標(biāo)相同時(shí)，則按照縱坐標(biāo)從小到大的順序排序.當(dāng)排序完成后，按照上述順序，從1開始連續(xù)對每個(gè)非交叉結(jié)點(diǎn)標(biāo)號.

當(dāng)所有標(biāo)號過程完成后，使用非交叉結(jié)點(diǎn)標(biāo)號代替非交叉結(jié)點(diǎn)的平面坐標(biāo)，使用非交叉結(jié)點(diǎn)對表示拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的邊.

2.3 結(jié)點(diǎn)客流方向及獲取方法

結(jié)點(diǎn)客流方向指的是某一結(jié)點(diǎn)處客流的可能流向，以一組結(jié)點(diǎn)標(biāo)號(iu,i,id)或(ju,j,jd)表示，前者表示非交叉結(jié)點(diǎn)的客流方向，后者表示交叉結(jié)點(diǎn)的客流方向.(iu,i,id)表示客流可以通過上游結(jié)點(diǎn)iu經(jīng)過當(dāng)前結(jié)點(diǎn)i到達(dá)下游結(jié)點(diǎn)id，此時(shí)(iu,i)稱為進(jìn)入邊，(i,id)稱為離開邊.(ju,j,jd)表示客流從ju流向jd時(shí)途徑兩流線交點(diǎn)j，在交點(diǎn)j處客流不會(huì)改變前進(jìn)方向.

當(dāng)結(jié)點(diǎn)i處存在多組結(jié)點(diǎn)客流方向(特別是多條進(jìn)入邊與一條離開邊相連接的情況)時(shí)，每組結(jié)點(diǎn)客流方向所對應(yīng)的結(jié)點(diǎn)阻抗一般不同，不能采用統(tǒng)一的結(jié)點(diǎn)阻抗表示各進(jìn)入邊客流在相同結(jié)點(diǎn)處的結(jié)點(diǎn)阻抗，這時(shí)采用由結(jié)點(diǎn)客流方向構(gòu)成的三維矩陣就可以存儲(chǔ)相同結(jié)點(diǎn)處的不同結(jié)點(diǎn)阻抗.

2.3.1非交叉結(jié)點(diǎn)客流方向獲取

非交叉結(jié)點(diǎn)按其進(jìn)入邊和離開邊的存在性，可分為3類：第1類結(jié)點(diǎn)：進(jìn)入邊和離開邊同時(shí)存在.第2類結(jié)點(diǎn)：只有離開邊，沒有進(jìn)入邊.第3類結(jié)點(diǎn)：只有進(jìn)入邊，沒有離開邊.

采用以下規(guī)則判斷任一非交叉結(jié)點(diǎn)i∈I(I為非交叉結(jié)點(diǎn)集合)的類型，設(shè)U為起點(diǎn)集合、V為終點(diǎn)集合，則有：

當(dāng)i∈U且i∈V時(shí)，則該結(jié)點(diǎn)為第1類結(jié)點(diǎn).當(dāng)i∈U且i?V時(shí)，則該結(jié)點(diǎn)為第2類結(jié)點(diǎn).當(dāng)i?U且i∈V時(shí)，則該結(jié)點(diǎn)為第3類結(jié)點(diǎn).

行人流線網(wǎng)絡(luò)上的任一邊具有雙重性，既是現(xiàn)實(shí)層面的一條起終點(diǎn)固定的線段，又是拓?fù)鋵用嫔系囊粭l有向邊或無向邊，因此，獲取非交叉結(jié)點(diǎn)客流方向時(shí)需要同時(shí)考慮與結(jié)點(diǎn)相連的任意兩邊的實(shí)際方向與拓?fù)浞较?，分類討論如下?/p>

設(shè)邊a1、a2分別與i相連接.另設(shè)點(diǎn)對(u,v)表示點(diǎn)u與點(diǎn)v相連的邊，邊的實(shí)際起點(diǎn)為u、實(shí)際終點(diǎn)為v.

(1)當(dāng)結(jié)點(diǎn)i為第一類結(jié)點(diǎn)時(shí)，同一結(jié)點(diǎn)的鄰接兩邊組合，可分為圖2所示的3種情況.

按照兩邊單雙向組合，可分為表1所示的4種情況.

表1 第1類結(jié)點(diǎn)相鄰兩邊方向組合

綜合圖2與表1所示類別，第1類結(jié)點(diǎn)的可行客流方向共有9種，如圖3所示，具體情況見表2.

(2)當(dāng)結(jié)點(diǎn)i為第2類結(jié)點(diǎn)時(shí)，根據(jù)流線單雙向使用方向及流線數(shù)量可以分為以下情況：①所有流線均為單向，實(shí)際上沒有上游結(jié)點(diǎn)，則設(shè)上游結(jié)點(diǎn)等于當(dāng)前結(jié)點(diǎn)，即iu=i.②所有流線不全為單向，則此時(shí)的各種結(jié)點(diǎn)客流方向如圖4所示，具體情況見表3.

(3)當(dāng)結(jié)點(diǎn)i為第3類結(jié)點(diǎn)時(shí)，根據(jù)流線單雙向可以分為以下情況：①所有流線均為單向，實(shí)際上沒

表2 第1類結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)客流方向

表3 第2類結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)客流方向

有下游結(jié)點(diǎn)，則設(shè)下游結(jié)點(diǎn)等于當(dāng)前結(jié)點(diǎn)，即id=i.②所有流線不全為單向，則此時(shí)的各種結(jié)點(diǎn)客流方向如圖5所示，具體情況見表4.

Fig.5Nodepassengerflowdirectionofthethirdclassnodes

表4 第3類結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)客流方向

(4)不可行結(jié)點(diǎn)客流方向識(shí)別

根據(jù)上述方法獲得的非交叉結(jié)點(diǎn)客流方向仍存在一些不可行的記錄.由于城市軌道交通車站行人設(shè)施布局的多樣性，行人流線網(wǎng)絡(luò)也相應(yīng)地復(fù)雜多變，除了“使單向進(jìn)站流線、單向出站流線、單向換乘流線相互貫通的”這一類不可行結(jié)點(diǎn)客流方向可以準(zhǔn)確判斷外，其余不可行的結(jié)點(diǎn)客流方向準(zhǔn)確識(shí)別的難度較大.這里提供一種粗略的識(shí)別方法，準(zhǔn)確識(shí)別及剔除工作仍需要人工完成，即：

由于行人一般不會(huì)在站內(nèi)折返走行，一旦結(jié)點(diǎn)i的某個(gè)客流方向使行人產(chǎn)生折返，則應(yīng)高度懷疑該結(jié)點(diǎn)客流方向不可行.設(shè)結(jié)點(diǎn)ii及其上游結(jié)點(diǎn)iu、下游結(jié)點(diǎn)id的平面坐標(biāo)分別為(xi,yi)、(xu,yu)和(xd,yd)，當(dāng)三者滿足下式時(shí)，認(rèn)為行人流產(chǎn)生折返，即該結(jié)點(diǎn)客流方向可能不可行.

2.3.2交叉結(jié)點(diǎn)客流方向

交叉結(jié)點(diǎn)客流方向的獲取主要是判斷任意兩邊ap=(up,vp)和aq=(uq,vq)(p≠q)是否相交，若兩邊相交于任一點(diǎn)j∈J(J為交叉結(jié)點(diǎn)集)時(shí)，記錄交叉結(jié)點(diǎn)的客流方向數(shù)組[up,j,vp]和[uq,j,vq].也就是說，在完成交叉點(diǎn)數(shù)據(jù)提取及交叉結(jié)點(diǎn)標(biāo)號的過程中，已經(jīng)隱含了交叉結(jié)點(diǎn)客流方向.這里只需要對重復(fù)記錄作剔除并重新排序，不再贅述.

需要注意的是，節(jié)2.1.2中獲取的交叉點(diǎn)坐標(biāo)包含有輔助流線與其余類型(通道、自動(dòng)扶梯、樓梯、閘機(jī)組、安檢通道)流線的交叉點(diǎn).

在分配完成之前，從站廳進(jìn)入站臺(tái)的進(jìn)站或換乘流量在各組樓梯和自動(dòng)扶梯間的分配比例是未知的.為了得到各梯組的分配流量，需要將多個(gè)梯組站臺(tái)端連接到同一點(diǎn)，該點(diǎn)是本線站臺(tái)的拓?fù)涑橄?，是進(jìn)站客流的終點(diǎn).該終點(diǎn)與各進(jìn)站梯組站臺(tái)端的連線稱為輔助流線.

輔助流線在CAD環(huán)境中幾乎不可避免地與其余類型(通道、自動(dòng)扶梯、樓梯、閘機(jī)組、安檢通道)流線存在交叉，這些交叉點(diǎn)應(yīng)在交叉結(jié)點(diǎn)客流方向獲取過程中予以剔除.

2.4 最短路徑識(shí)別的實(shí)現(xiàn)

本文第1部分提出了基于行人流線網(wǎng)絡(luò)的城市軌道交通車站客流分配方法，該方法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是兩個(gè)最短路徑識(shí)別，即一般最短路徑識(shí)別和基于結(jié)點(diǎn)客流方向的最短路徑識(shí)別.

一般最短路徑識(shí)別通過Matlab內(nèi)置的函數(shù)graphshortestpath函數(shù)實(shí)現(xiàn)，這里使用的重載形式為

[～, path]=graphshortestpath(T,i,j)

式中:T為時(shí)間鄰接矩陣；path則負(fù)責(zé)按先后順序存儲(chǔ)結(jié)點(diǎn)i到結(jié)點(diǎn)j的最短路徑上的結(jié)點(diǎn)編號.

基于結(jié)點(diǎn)客流方向的最短路徑識(shí)別的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于給定結(jié)點(diǎn)間任一路徑是否符合結(jié)點(diǎn)客流方向.設(shè)給定結(jié)點(diǎn)間路徑數(shù)組path中包含N(N>2)個(gè)結(jié)點(diǎn)，按照Matlab規(guī)定，數(shù)組元素位置從1開始，設(shè)k表示路徑數(shù)組位置，則結(jié)點(diǎn)客流方向判定流程如圖6所示.

圖6 給定路徑的可行結(jié)點(diǎn)客流方向判定流程

3 算例

以上海軌道交通某非換乘站站廳層為例，對上文所述的站內(nèi)客流分配方法及工具功能進(jìn)行說明.

案例車站為兩層車站，地下二層為站臺(tái)層，島式站臺(tái)，地下一層為站廳層.車站站廳層行人設(shè)施布置方案如圖7所示.

本站共設(shè)3個(gè)出入口，其中，左側(cè)1個(gè)，右側(cè)2個(gè).進(jìn)站閘機(jī)組和出站閘機(jī)組各2組，閘機(jī)類型為門扉式.安檢設(shè)備單獨(dú)設(shè)于進(jìn)站閘機(jī)組前，并形成單獨(dú)通道.付費(fèi)區(qū)內(nèi)均勻布置3組樓扶梯，兩端為2扶1樓，2部扶梯為1部上行扶梯和1部下行扶梯，每組的樓梯位于兩扶梯之間；中部為T型樓梯，一端位于站廳層，其余兩端位于站臺(tái)層.

圖7 站廳層行人設(shè)施布置

在車站CAD圖紙上構(gòu)建的行人流線網(wǎng)絡(luò)如圖8所示.

圖8 站廳層行人流線網(wǎng)絡(luò)

本文所開發(fā)的插件PedestrianNetwork共包含4個(gè)命令，即GetLinePointData、GetNetwork Attributes、PedestrianAssignment以及Show Results，其中，GetLinePointData命令負(fù)責(zé)行人網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)提取及網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)編號，GetNetwork Attributes命令負(fù)責(zé)邊屬性賦值及結(jié)點(diǎn)客流方向獲取，PedestrianAssignment命令負(fù)責(zé)站內(nèi)客流分配及客流分配結(jié)果輸出，ShowResults則負(fù)責(zé)執(zhí)行客流分配結(jié)果分析以及結(jié)果顯示.

在準(zhǔn)備好的存有行人流線網(wǎng)絡(luò)的DWG文件中載入PedestrianNetwork插件，啟動(dòng)GetLinePoint Data命令，彈出如圖9所示窗體進(jìn)行圖層匹配選擇，然后點(diǎn)擊“確定”，進(jìn)行行人網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)提取與網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)編號，部分結(jié)點(diǎn)編號如圖10所示.

啟動(dòng)GetNetworkAttributes命令，彈出如圖11所示窗體進(jìn)行邊屬性賦值，點(diǎn)擊“確定”按鈕，執(zhí)行結(jié)點(diǎn)客流方向獲取，并將拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)邊屬性及結(jié)點(diǎn)客流方向保存于Excel表格中.

圖9 圖層匹配窗體

圖10 網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)標(biāo)號結(jié)果

本文不涉及實(shí)結(jié)點(diǎn)阻抗時(shí)間計(jì)算，故假設(shè)類型屬性為閘機(jī)組、自動(dòng)扶梯、安檢通道的各條邊的起點(diǎn)為實(shí)結(jié)點(diǎn)，每個(gè)實(shí)結(jié)點(diǎn)的時(shí)間阻抗為10 s.先后啟動(dòng)PedestrianAssignment命令和ShowResults命令，對站內(nèi)OD進(jìn)行客流分配，表5所示OD表為盡可能剔除0值行列之后的剩余OD表.如圖12所示，經(jīng)過117次迭代算法收斂，各流線飽和度如圖13所示.

上述流程若通過TransCAD完成，至少增加了導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)、交通小區(qū)構(gòu)建、連接小區(qū)形心等步驟.網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入時(shí)由于平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)，流線長度減小且程度不同，需要予以修正.更重要的是，TransCAD的網(wǎng)絡(luò)客流分配結(jié)果與圖紙分離，設(shè)計(jì)人員不能夠簡單直觀地觀察到設(shè)施情況.VISUM則需要以CAD圖紙為底圖繪制行人設(shè)施布置方案，然后再構(gòu)建行人流線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，前期準(zhǔn)備工作繁瑣程度等同于微觀仿真法.因此，TransCAD、VISUM在行人流線網(wǎng)絡(luò)客流分配這一問題上較算例所述軟件均顯不足.

圖11 邊屬性賦值窗體

表5 算例OD

Tab. 5 Table of OD

OD127505152532020 00000001240004004000021200020020000292000200200004040004004000051020 000000053020 0000000

圖12 算例收斂曲線(117次迭代)

4 算法特點(diǎn)及軟件效果

與既有分配方法相比，本文提出的基于行人流線網(wǎng)絡(luò)的城市軌道交通車站行人設(shè)施客流分配算法將結(jié)點(diǎn)阻抗細(xì)化為分方向結(jié)點(diǎn)阻抗，并將分方向結(jié)點(diǎn)阻抗加入全有全無分配，使其與邊阻抗共同影響站內(nèi)客流分配；以連續(xù)平均法為基礎(chǔ)，可以適應(yīng)多種形式的阻抗計(jì)算方法.

為逐步實(shí)現(xiàn)行人網(wǎng)絡(luò)客流分配而開發(fā)的PedestrianNetwork插件依托于AutoCAD，在不考慮結(jié)點(diǎn)時(shí)間阻抗計(jì)算準(zhǔn)確性的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)“從圖紙數(shù)據(jù)提取到分配結(jié)果可視化返回原始圖紙”這一站內(nèi)行人設(shè)施客流分配過程.與TransCAD、VISUM等商業(yè)軟件相比，減少了導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置交通小區(qū)、小區(qū)形心與網(wǎng)絡(luò)連接等兩個(gè)操作步驟，設(shè)計(jì)人員只需要對行人網(wǎng)絡(luò)各邊參數(shù)進(jìn)行賦值并檢查結(jié)點(diǎn)客流方向就可以操作軟件進(jìn)行分析，一定程度上減輕了設(shè)計(jì)人員的軟件學(xué)習(xí)及分析工作量.

圖13 行人設(shè)施飽和度

5 結(jié)論

將分方向結(jié)點(diǎn)阻抗引入最短路徑識(shí)別過程，提出了結(jié)點(diǎn)客流方向概念用于識(shí)別可行路徑以及分方向結(jié)點(diǎn)阻抗表示，并基于連續(xù)平均法構(gòu)建了考慮分方向結(jié)點(diǎn)阻抗的城市軌道交通車站行人設(shè)施客流分配算法.基于AutoCAD環(huán)境開發(fā)了城市軌道交通車站行人設(shè)施客流分配軟件，并在軟件實(shí)現(xiàn)過程中提出了結(jié)點(diǎn)客流方向的獲取及初步的有效性判別方法.

以上海軌道交通某個(gè)處于規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的車站為例，對上述分配方法及軟件進(jìn)行了測試.從分配結(jié)果看，分配算法有效，軟件能夠完成除分方向?qū)嵔Y(jié)點(diǎn)時(shí)間阻抗計(jì)算外的工作流程.但是，由于未涉及分方向?qū)嵔Y(jié)點(diǎn)時(shí)間阻抗計(jì)算方法及其特性研究，軟件的客流分配結(jié)果尚不能作為車站規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)整的依據(jù).

未來將結(jié)合分方向?qū)嵔Y(jié)點(diǎn)時(shí)間阻抗計(jì)算方法及其特性的研究成果，完善分配軟件，同時(shí)，為了符合車站設(shè)計(jì)行業(yè)趨勢，將嘗試以Autodesk Revit作為環(huán)境平臺(tái)，進(jìn)行后續(xù)的軟件開發(fā).