軌道交通車站內(nèi)通道設(shè)施的行人流特性研究

婁永梅 張炳森 張 寧 王 健

(1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；

2.東南大學(xué)智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心軌道交通研究所，南京 210096；3.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，南京 210024）

1 概述

城市軌道交通作為城市公共交通系統(tǒng)的重要組成部分已成為緩解交通擁堵的重要手段，也因其具有舒適、安全、整潔、準(zhǔn)點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)使得越來(lái)越多的居民選擇軌道交通出行[1]。

通道是城市軌道交通車站基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，作為連接車站內(nèi)不同功能設(shè)施的緩沖地帶，提供了乘客集散和換乘的走行空間，是軌道交通整體性能發(fā)揮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。由于城市軌道交通工程實(shí)施難度大、造價(jià)高，建成后很難再進(jìn)行較大規(guī)模的改造，因此在設(shè)計(jì)階段及建成后運(yùn)營(yíng)使用階段，確保車站設(shè)施與乘客的交通需求匹配就顯得尤為重要[3]；通道設(shè)施的設(shè)計(jì)必須以行人在通道環(huán)境下的行為特征及行人流移動(dòng)規(guī)律為基礎(chǔ)，只有通過(guò)對(duì)行人流交通的深入研究，才能獲取通道設(shè)施的服務(wù)水平與相應(yīng)通行能力等規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)[4]。地鐵通道內(nèi)行人流特性與其他設(shè)施內(nèi)的行人流特性有明顯區(qū)別[5]，如：1）行人目的性較強(qiáng)，尤其是單向通道內(nèi)行人的行為呈現(xiàn)出較強(qiáng)一致性；2）間歇性的客流脈沖，由于列車到站的時(shí)間間隔，通道內(nèi)的行人往往呈現(xiàn)出脈沖式的分布規(guī)律；3）時(shí)間不均衡性，由于乘客出行時(shí)間的不均衡，客流一般呈現(xiàn)明顯的早晚高峰特性；4）方向不均衡性，車站周邊土地性質(zhì)不同，各個(gè)出入口的客流會(huì)不均勻，換乘站尤其明顯。目前，軌道交通車站內(nèi)通道的設(shè)計(jì)大多借鑒國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)、依賴客流預(yù)測(cè)以及經(jīng)驗(yàn)公式等，存在諸多不合理性[6]；另外，近來(lái)頻發(fā)的大客流安全事故，除了一些客觀因素外，很大程度上是由于對(duì)通道內(nèi)行人交通特性等基礎(chǔ)理論的研究不足導(dǎo)致的。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)行人流的研究可以看出，行人流特性具有非常強(qiáng)的“場(chǎng)所-區(qū)域”特征，不存在通用的行人流交通模型可適用于所有類型的步行設(shè)施?；谝陨媳尘埃疚膶?duì)軌道交通單、雙向水平通道內(nèi)的行人流交通特性進(jìn)行研究，通過(guò)行人流參數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的關(guān)系模型，為車站內(nèi)行人流線組織、設(shè)施布局優(yōu)化以及設(shè)施服務(wù)水平（Level Of Service，LOS）評(píng)價(jià)提供理論指導(dǎo)。

2 數(shù)據(jù)采集與參數(shù)提取

行人交通數(shù)據(jù)采集是進(jìn)行行人流統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)，獲取大樣本量、高準(zhǔn)確度的原始數(shù)據(jù)對(duì)建立可信的行人流交通模型具有決定性意義。行人交通數(shù)據(jù)采集常用人工觀測(cè)、攝像記錄觀測(cè)等方法[7]。人工現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)機(jī)動(dòng)靈活，易于操作，所需的測(cè)量工具較為簡(jiǎn)單，但不易直接測(cè)量密度，要觀測(cè)足夠的速度樣本，需要消耗大量的人力；攝像記錄可提供永久記錄、可采取逐幀播放方式統(tǒng)計(jì)行人流參數(shù)，準(zhǔn)確性較高，但參數(shù)提取過(guò)程比較繁瑣。

在從視頻錄像中獲取行人參數(shù)時(shí)，有2種方法：一是人工統(tǒng)計(jì)，二是借助專業(yè)的圖像識(shí)別軟件自動(dòng)獲取。但由于圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)中的個(gè)體不宜準(zhǔn)確判別，易形成較大誤差，所以本文采取人工統(tǒng)計(jì)的方式從視頻錄像中提取行人流參數(shù)。在行人流數(shù)據(jù)實(shí)際獲取過(guò)程中，首先進(jìn)行實(shí)地考察，選取固定設(shè)施物邊界、地面磚體接縫等作為標(biāo)記，劃定考察的區(qū)域，并測(cè)量劃定區(qū)域的邊界尺寸；然后將攝像機(jī)架設(shè)在觀測(cè)區(qū)域的上方，采用俯視角度進(jìn)行觀測(cè)，方便清晰的觀測(cè)行人。

2.1 觀測(cè)對(duì)象

本研究以軌道交通車站通道設(shè)施為分析對(duì)象，根據(jù)乘客出行目的不同，通道可以分為出入口通道與換乘通道，根據(jù)是否存在對(duì)向行人流可以分為單向通道和雙向通道，主要起到集散、換乘與引導(dǎo)的作用。為更加明確的了解通道設(shè)施內(nèi)的行人流特性，分別對(duì)單向水平通道和雙向水平通道內(nèi)的行人流參數(shù)進(jìn)行采集，選取南京地鐵1號(hào)線三山街站1號(hào)口過(guò)道（單向水平通道）和南京站1號(hào)口通道（雙向水平通道）作為觀測(cè)對(duì)象，如圖1所示，兩類通道設(shè)施的物理參數(shù)如表1所示。觀測(cè)時(shí)間為早高峰（07:00-09:00）、 平 峰（13:00-14:00） 和 晚 高 峰（17:00-19:00）。

2.2 行人流參數(shù)獲取

圖1 觀測(cè)的具體車站Fig.1 The observed stations

表1 通道設(shè)施的物理特性Tab.1 Physical features of passageway

在獲取行人流數(shù)據(jù)前應(yīng)選取合適的統(tǒng)計(jì)時(shí)間間隔，保證在所選間隔內(nèi)得到的參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果能夠反映真實(shí)的交通流特性。統(tǒng)計(jì)間隔太短，流量的波動(dòng)性很大，顯得不穩(wěn)定。統(tǒng)計(jì)間隔太長(zhǎng)，則密度被“平均”的程度就較大，且考慮車站客流受列車時(shí)刻表的影響，選取10 s為時(shí)間間隔來(lái)統(tǒng)計(jì)客流參數(shù)。

采用人工統(tǒng)計(jì)的方式，從視頻錄像中采集行人流量、密度和速度等宏觀交通流參數(shù)指標(biāo)。當(dāng)行人流密度較低時(shí)，以正常速度播放視頻錄像進(jìn)行行人流參數(shù)統(tǒng)計(jì)；當(dāng)行人流密度較高時(shí)，采用逐幀播放視頻甚至反復(fù)逐幀播放的方法，確保所獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。下面是各參數(shù)統(tǒng)計(jì)的方法。

流量：統(tǒng)計(jì)10 s內(nèi)通過(guò)通道內(nèi)觀測(cè)區(qū)域端部橫斷面的行人數(shù)（對(duì)于雙向通道則是兩個(gè)方向行人數(shù)之和），基于通道寬度可以得到單位寬度單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)觀測(cè)斷面的行人數(shù)，即流量值。

速度：根據(jù)速度定義，應(yīng)統(tǒng)計(jì)觀測(cè)間隔內(nèi)所有經(jīng)過(guò)通道設(shè)施范圍的行人速度。即：10 s間隔內(nèi)所有人通過(guò)通道設(shè)施范圍的距離之和（L）與相應(yīng)所有人行走時(shí)間之和（T）的比值，作為行人流的空間平均速度。但為了減少人工統(tǒng)計(jì)的工作量，事先在水平通道內(nèi)做上距離標(biāo)記，選取3個(gè)有代表性的行人，即在行走過(guò)程中不超越他人、也不被他人超越，通過(guò)觀測(cè)樣本的走行時(shí)間計(jì)算得到空間平均速度。

密度：根據(jù)密度定義，計(jì)算密度應(yīng)統(tǒng)計(jì)10 s間隔內(nèi)任一瞬間觀測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)行人數(shù)?？紤]到10 s內(nèi)行人密度的波動(dòng)以及觀測(cè)誤差，在觀測(cè)間隔內(nèi)的前、中、后期隨機(jī)抽取3個(gè)瞬間，統(tǒng)計(jì)每個(gè)瞬間的行人數(shù)，然后取算術(shù)平均值作為10 s內(nèi)任一瞬間的平均行人數(shù)；最后，將此平均行人數(shù)除以觀測(cè)區(qū)面積得到密度值。

以10 s為間隔，分別統(tǒng)計(jì)得到兩類通道設(shè)施的客流、速度、密度值，通過(guò)一定數(shù)量的統(tǒng)計(jì)，即可得到兩類設(shè)施行人流參數(shù)間的關(guān)系。

3 行人流交通特性分析

由于交通環(huán)境及個(gè)體特性等因素的影響，地鐵通道內(nèi)的行人流會(huì)呈現(xiàn)許多不同的宏觀現(xiàn)象。關(guān)于行人交通流模型的研究方法主要有兩種[8]，第一種是基于一定的理論假設(shè)，構(gòu)造某種型式的交通流參數(shù)理論模型，繼而通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)定理論模型中的參數(shù)；第二種是基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)分析，完全從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度建立參數(shù)間的回歸模型。由于實(shí)際行人設(shè)施條件、交通條件差別特大，行人流的隨機(jī)性又比較強(qiáng)，用理論模型建模難以標(biāo)定最終參數(shù)，所以采取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

行人流量、密度、速度三者之間的定量關(guān)系被稱為行人交通流基本模型，其變化規(guī)律反映了交通流的宏觀運(yùn)行特性[9]。在速度—密度和流量—密度關(guān)系擬合的基礎(chǔ)上，行人流三參數(shù)只需已知一個(gè)，剩下的就可以通過(guò)速度—密度和流量—密度方程確定，所以暫不對(duì)速度-流量關(guān)系進(jìn)行擬合，只繪制速度-流量散點(diǎn)圖并分析變化規(guī)律。

3.1 速度-密度關(guān)系模型的建立

行人在走行的過(guò)程中，直接感受到的狀態(tài)信息是速度和密度，總是會(huì)根據(jù)鄰近的狀況調(diào)整自身步行行為，因此從某種意義上說(shuō)，速度—密度關(guān)系是交通流三參數(shù)中最重要、最本質(zhì)的模型，刻畫了不同密度條件下個(gè)體間相互作用的強(qiáng)度。對(duì)采集到的單向與雙向水平通道行人流數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除異常數(shù)據(jù)，把個(gè)數(shù)較少的密度點(diǎn)歸到相鄰密度點(diǎn)上，繪出速度-密度兩者關(guān)系的散點(diǎn)如圖2所示。

圖2 速度-密度關(guān)系散點(diǎn)圖Fig.2 Speed-density relation scatter plots

對(duì)于單向水平通道，當(dāng)密度小于0.7 p/m2時(shí)，乘客近似保持自由流狀態(tài)的速度，約為0.8～1.6 m/s；雙向通道臨界自由流密度大約是0.3 p/m2，自由流速度約為0.9～1.3 m/s；在非自由流階段使用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS對(duì)行人流平均速度與密度的關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，得出單向水平通道的擬合方程為：V =-0.186 K2+ 0.102 K + 1.224 (K＞0.7),R2= 0.957。雙向水平通道的擬合方程為：V = -0.249 K2+0.152 K + 1.312 (K＞0.3),R2=0.964。式中：V表示速度，K表示密度，R2表示相關(guān)系數(shù)。擬合曲線在圖2顯示。

可以看出，總體上兩種設(shè)施行人流的平均速度隨密度增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但并未呈現(xiàn)完全的負(fù)相關(guān)。在行人密度較低時(shí)，速度分布的離散程度較高，隨著密度的增加，速度分布越來(lái)越趨于集中，直至速度相同。這是由于行人流是由不同運(yùn)動(dòng)能力、行為特征的個(gè)體所組成，低密度時(shí)，快速、慢速行人都可以達(dá)到其期望速度，此時(shí)行人以不同速度前進(jìn)；高密度時(shí)，由于繞越、穿插機(jī)會(huì)減少，快速行人不能達(dá)到期望速度，其行進(jìn)速度與慢速行人趨同，行人流以相對(duì)一致的速度前進(jìn)。

比較兩者自由流速度和臨界密度可知，兩類設(shè)施的自由流速度基本相同，但單向水平通道的臨界密度高于雙向水平通道。這主要與兩種設(shè)施行人交通行為特征有關(guān)：?jiǎn)蜗蛩酵ǖ佬腥诵袨橹饕懈S與繞越，雙向通道除了同向的跟隨與繞越外，還包括對(duì)向的避讓與穿越。根據(jù)個(gè)體行走效用最大化原則，雙向通道中的行人要減少?zèng)_突，最好的方法是跟隨同向行人，這也是雙向通道出現(xiàn)自組織行為的原因，自組織使得雙向通道趨近于兩個(gè)單向通道的疊加，低密度時(shí)自由流速度幾乎相同。但由于對(duì)向流沖突的存在，雙向通道臨界密度小于單向通道，行人速度的減小也顯著。

3.2 流量-密度關(guān)系模型的建立

流量-密度關(guān)系模型反映的是不同人流密度下單位寬度設(shè)施在單位時(shí)間內(nèi)的行人通過(guò)量，主要用于通道設(shè)施通行能力與服務(wù)水平分級(jí)研究[10]?；趩蜗颉㈦p向通道內(nèi)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制流量—密度關(guān)系散點(diǎn)如圖3所示。

圖3 流量-密度關(guān)系散點(diǎn)Fig.3 Flow-density relation scatter plots

根據(jù)單向、雙向水平通道行人流量—密度的散點(diǎn)圖，分別用多項(xiàng)式、指數(shù)、對(duì)數(shù)等模型回歸流量-密度曲線，選取赤池信息量準(zhǔn)則（Akaike’s Information Criterion, AIC）作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，AIC的值越小，表明模型最優(yōu)，結(jié)果顯示多項(xiàng)式模型擬合效果最好，得到單向水平通道流量—密度關(guān)系為：Q = 1.440 K - 0.446 K2，R2= 0.990，雙向水平通道流量-密度關(guān)系為：Q = 1.085 K - 0.038 K2，R2= 0.983。式中：Q表示流量，K表示密度，R2表示相關(guān)系數(shù)。擬合曲線在圖3顯示。

對(duì)于單向通道而言，流量隨著密度的增加而逐漸上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界密度1.5 p/m2時(shí)，流量達(dá)到最大，之后隨著密度的增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。在所觀測(cè)的密度范圍內(nèi)，雙向水平通道的流量—密度關(guān)系的變化特性與單向水平通道幾乎無(wú)差別，進(jìn)一步證實(shí)雙向水平通道在自組織條件下，趨近于兩個(gè)單向水平通道的疊加。雙向水平通道的流量—密度關(guān)系散點(diǎn)圖較單向水平通道離散，是由于雙向水平通道行人流即存在單向的跟隨超越行為，又存在對(duì)向的沖突避讓行為，導(dǎo)致同等密度下流量變化較單向水平通道離散。另外，隨著密度增加，雙向人流會(huì)呈現(xiàn)自組織現(xiàn)象，形成兩個(gè)單向行人流，每個(gè)單向行人流內(nèi)部只存在單向跟隨與超越行為，但兩個(gè)單向行人流之間的“接觸區(qū)域”存在雙向沖突避讓，因此高密度時(shí)，雙向通道的流量將比單向通道的流量有所折減。

3.3 流量-速度關(guān)系分析

流量-速度關(guān)系模型反映不同流量條件下行人流可獲得的平均行走能力，由于流量是一種固定斷面的度量，因而在本質(zhì)上行人對(duì)流量并不敏感。本文在擬合速度-密度和流量-密度關(guān)系的基礎(chǔ)上，僅對(duì)單、雙向水平通道設(shè)施的速度-流量的散點(diǎn)圖做定性討論。單、雙向水平通道的流量-速度散點(diǎn)如圖4所示。

由單向水平通道的散點(diǎn)圖可以看出，隨著流量的增加，速度總體上保持下降趨勢(shì)，但在自由流階段變化并不顯著，當(dāng)流量到達(dá)某一階段時(shí)，速度變的極不穩(wěn)定。雙向水平通道的速度隨著流量的增加平緩下降。

圖4 流量-速度關(guān)系散點(diǎn)圖Fig.4 Flow-speed relation scatter plots

反映“流-密-速”定量關(guān)系的交通流模型是分析通道設(shè)施交通運(yùn)行狀態(tài)的技術(shù)基礎(chǔ)。對(duì)通道設(shè)施不同模式（單向、雙向）下的行人流關(guān)系模型進(jìn)行分析，區(qū)分了單雙向通道中行人流特性的差異，為車站內(nèi)行人流線組織和設(shè)施布局優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。同一模式下的行人流關(guān)系模型，明確的刻畫出交通流的運(yùn)行狀態(tài)，清晰反映服務(wù)質(zhì)量的變化與差異，研究結(jié)果可以為步行設(shè)施規(guī)劃設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意義，同時(shí)為服務(wù)水平的分級(jí)提供了明確的標(biāo)準(zhǔn)。

4 總結(jié)

軌道交通車站通道設(shè)施的設(shè)置與乘客密切相關(guān)，對(duì)乘客流的交通特性研究是軌道交通建設(shè)的基礎(chǔ)。不同型式、不同區(qū)域走行設(shè)施的行人流特性是不同的。本文對(duì)軌道交通單向和雙向水平通道中行人流特性進(jìn)行研究對(duì)比，可以看出，雙向通道在人流自組織條件下，趨近于兩個(gè)單向通道的疊加；單、雙向水平通道的自由流速度基本無(wú)差別；由于沖突的存在，雙向水平通道的通行能力小于單向水平通道，但自組織行為的現(xiàn)象使得差異并不明顯；隨著客流密度的增大，雙向水平通道的行人流速度下降比單向水平通道明顯。實(shí)際行人流通常由不同年齡、不同性別、是否攜帶行李、是否結(jié)伴行走等按照各不同比例混合組成，在本文的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步分析年齡、性別等個(gè)體特征要素對(duì)軌道交通通道設(shè)施的行人最大通過(guò)量的影響，進(jìn)而為通道通行能力的修正及相應(yīng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。