武昌客運(yùn)站乘客流線優(yōu)化仿真研究

趙 亮

(中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司武昌車站，武漢 430062)

鐵路運(yùn)輸面向?qū)ο蠓譃槁每秃拓浳?，其中隨著高速鐵路建設(shè)的快速推進(jìn)，旅客運(yùn)輸已經(jīng)成為鐵路運(yùn)輸業(yè)的主要組成部分，如何保證旅客在車站及列車上的安全便利，使其能夠舒適地到達(dá)目的地，是鐵路旅客運(yùn)輸面臨的主要問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)，鐵路客運(yùn)因其安全、速度、運(yùn)量等諸多方面的優(yōu)勢(shì)而備受運(yùn)輸市場(chǎng)青睞，但與此同時(shí)帶來(lái)的龐大客流也引起了人群擁擠、設(shè)施服務(wù)不完善等一系列問(wèn)題。

我國(guó)鐵路客運(yùn)站的建設(shè)可分為3 個(gè)階段，各階段針對(duì)當(dāng)時(shí)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)條件，產(chǎn)生了不同類型的客流流線特征，如表1 所示。

表1 我國(guó)鐵路客運(yùn)站發(fā)展階段Tab.1 Passenger station development stage in China

可見(jiàn)根據(jù)旅客出行的需求，盡量減輕旅客的疲勞，營(yíng)造舒適、方便的候車及上下車條件，提供良好的服務(wù)管理等，是大型鐵路客運(yùn)站客流組織的核心問(wèn)題。作為一座城市的交通形象，大型客運(yùn)站將城市與城市連接在一起，而候車大廳是大型客運(yùn)站旅客人數(shù)最為聚集且停留時(shí)間較長(zhǎng)的地方，所以對(duì)客流進(jìn)行合理的流線分配、避免作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的擁堵和混亂將直接影響客運(yùn)作業(yè)的效率和服務(wù)水平，具有重要的研究意義。

1 大型鐵路客運(yùn)站旅客流線優(yōu)化理論

1.1 大型鐵路客運(yùn)站旅客流線分析

旅客流線是指旅客及其所攜帶的行李物品在客運(yùn)站內(nèi)進(jìn)行流動(dòng)的線路[1]。旅客流線是鐵路客運(yùn)站整體布局優(yōu)化的重要依據(jù)，對(duì)于整個(gè)客運(yùn)站來(lái)說(shuō)是不可或缺的。鐵路車站的旅客流線系統(tǒng)包括標(biāo)識(shí)、節(jié)點(diǎn)、通道和功能區(qū)，可以按照不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行劃分，如圖1 所示。

圖1 客運(yùn)站流線分類Fig.1 category of streamline in passenger stations

鐵路大型客運(yùn)站的流線具有涉及面廣、系統(tǒng)性強(qiáng)、客流量大、階段性高峰明顯、客流集散時(shí)間集中、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，由于鐵路大型客運(yùn)站的乘客以普通進(jìn)站乘客為主，一般遵循進(jìn)展購(gòu)票（取票）、行李托運(yùn)及物品購(gòu)買、進(jìn)站候車檢票上車的流程，同時(shí)根據(jù)行為需求的差異，在全過(guò)程中，部分環(huán)節(jié)可以省略，典型的旅客進(jìn)展流程如圖2 所示，其中虛線部分為可選項(xiàng)。

圖2 普通旅客進(jìn)站流線Fig.2 entrance streamline of ordinary passenger

在客流組織過(guò)程中，旅客流線布置是否合理，直接影響旅客進(jìn)站候車過(guò)程中的安全性、便捷性和舒適性，一般來(lái)說(shuō)，旅客站內(nèi)流線的組織工作應(yīng)遵循如下原則[2]。

1）盡量避免不同流線之間的相互干擾。

2）通過(guò)優(yōu)化組織，盡量縮短旅客在站內(nèi)的走行距離，從而降低擁擠度，避免流線迂回。

3）考慮出站客流集中性特點(diǎn)，盡量設(shè)置多的出站口，便利出站旅客疏散、減少擁擠。

4）流線應(yīng)考慮其便利性，過(guò)程簡(jiǎn)潔明了并提供足夠的引導(dǎo)信息。

5）合理規(guī)劃?rùn)z票資源，避免不同車次檢票作業(yè)的相互干擾。

1.2 大型鐵路客運(yùn)站旅客流線優(yōu)化方法

1）交叉點(diǎn)優(yōu)化法

大型鐵路客運(yùn)站內(nèi)的客流交叉是由旅客在客運(yùn)站內(nèi)的活動(dòng)產(chǎn)生的，旅客在站內(nèi)點(diǎn)與點(diǎn)之間的流動(dòng)形成了不同的濾鏡，當(dāng)某兩種（或多種）客流在客運(yùn)站內(nèi)發(fā)生流動(dòng)是，在某一個(gè)區(qū)域內(nèi)可能存在客流交叉的地點(diǎn)，被稱為該區(qū)域內(nèi)的可能交叉點(diǎn)[3]。對(duì)客流而言，交叉點(diǎn)的形式多種多樣，從而引起交叉點(diǎn)布局的不規(guī)范特征，對(duì)于由客流流線引起的交叉點(diǎn)，可以采用如表2 所示的辦法進(jìn)行消除。

表2 減少客流交叉點(diǎn)方法及途徑Tab.2 Methods and ways to reduce intersections of passenger streamline

2）流線進(jìn)程優(yōu)化法

通過(guò)對(duì)流線上的設(shè)備屬性進(jìn)行改變，從而對(duì)流線進(jìn)行優(yōu)化，主要可以通過(guò)提高車流、人流的行走速度，包括提高流速法、引導(dǎo)法等，各方法的特點(diǎn)如表3 所示。

表3 流線設(shè)備優(yōu)化方法及途徑Tab.3 Methods and ways of passenger streamline equipment optimization

3）調(diào)整設(shè)備屬性法

調(diào)整流線上的設(shè)備基礎(chǔ)屬性，如數(shù)量、運(yùn)行速度等，減少局部客流的流線停留時(shí)間，增加客流的運(yùn)動(dòng)速度，主要有增加設(shè)備數(shù)量法、調(diào)整電扶梯的運(yùn)行速度等措施。

2 大型鐵路客運(yùn)站旅客流線動(dòng)態(tài)仿真和評(píng)價(jià)方法

2.1 系統(tǒng)仿真概論

人類對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的理解和分析思維十分有限，根據(jù)西蒙的研究[4]，他認(rèn)為人的理性受到自身認(rèn)知能力的限制，是有限度的（the principle of bounded rationality），與復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界相比，人類所擁有的對(duì)于IR 題的思考和解決能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要。為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，學(xué)者們進(jìn)行了大量常識(shí)，提出了諸如試錯(cuò)、線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、排隊(duì)論、決策論等各種數(shù)學(xué)模型和方法[5-6]，但面對(duì)復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題時(shí)均存在一定的局限性。近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、信息處理技術(shù)的發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)逐漸成熟，并在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的抽象建模，調(diào)整各類參數(shù)，可以對(duì)系統(tǒng)的行為有一個(gè)更加全面、深刻的理解，同時(shí)可以對(duì)各種策略可能帶來(lái)的影響進(jìn)行虛擬，從而對(duì)各類問(wèn)題對(duì)策的提出提供信息支持。

2.2 仿真軟件選取

在構(gòu)建仿真平臺(tái)時(shí)，需針對(duì)仿真需求選擇一款合適的仿真軟件。目前市面上的主流仿真軟件主要包括Vissim、Simwalk、Arena、Flexsim 等，上述軟件的基本功能非常相似，進(jìn)過(guò)比選，最終選擇AnyLogic 軟件對(duì)大寫(xiě)鐵路客運(yùn)站的旅客流線進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，與其他軟件相比，Vissim 具有專門(mén)用于行人仿真的數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠提供物理層面建模支持，精確刻畫(huà)行人和運(yùn)輸流程，具備從“物理空間”到“數(shù)據(jù)空間”的多維數(shù)據(jù)處理分析能力，對(duì)個(gè)體個(gè)性差異，如每個(gè)對(duì)象的大小、加減速能力、視野范圍等進(jìn)行個(gè)性描述，同時(shí)能夠?qū)Ψ抡嫖锢憝h(huán)境，如墻壁、障礙物、樓梯的空間位置，系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)則，如駕駛規(guī)則、優(yōu)先次序等進(jìn)行考慮，在公路、交通樞紐、地鐵站等交通系統(tǒng)仿真領(lǐng)域應(yīng)用更廣泛，并且具備能力計(jì)算功能，便于對(duì)不同交通優(yōu)化管理算法進(jìn)行對(duì)比分析，以求解標(biāo)志牌的最優(yōu)設(shè)置地點(diǎn)。

2.3 建模過(guò)程

考慮大型鐵路客運(yùn)站站內(nèi)的旅客分布以及流線的布置特點(diǎn)，結(jié)合在站旅客流量，以及根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出的到達(dá)規(guī)律，根據(jù)行人行走路線、售票口服務(wù)時(shí)間分布等要素，進(jìn)行系統(tǒng)的仿真建模。設(shè)定參數(shù)，生成模擬環(huán)境對(duì)客流進(jìn)行模擬，根據(jù)所求得的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)和再調(diào)整，然后重復(fù)仿真分析過(guò)程，直到得到滿意結(jié)果，其流程如圖3 所示。

圖3 AnyLogic建模仿真流程圖Fig.3 Flow diagram of AnyLogic Modeling and simulating

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 武昌站簡(jiǎn)介

以武昌站為例進(jìn)行客流流線仿真。武昌站隸屬于中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司，為武漢三大特等站之一，是武漢鐵路樞紐規(guī)劃中“四主兩輔”客站布局的“四主”之一，始建于1917 年，2008 年完成改造投入使用，建筑面積4.9 萬(wàn)m2，最多可同時(shí)容納8 000 人，設(shè)有9 座站臺(tái)。武昌站經(jīng)過(guò)改造后，客流流線基本實(shí)現(xiàn)立體交叉，其中進(jìn)站客流（包括步行、地鐵、公交車和長(zhǎng)途車到達(dá)車站的旅客），可經(jīng)由各種豎向交通到達(dá)站臺(tái)層高架平臺(tái)，經(jīng)多個(gè)檢票口進(jìn)入車站中央大廳（同時(shí)部分旅客可直接在地面層選擇快速進(jìn)站通道進(jìn)站）。在車輛流線方面，出租車和社會(huì)車輛可直達(dá)車站的高架下客平臺(tái)，旅客在下客平臺(tái)下車后，經(jīng)由檢票口進(jìn)入中央大廳。中央大廳的流線分流方面，旅客可在中央大廳根據(jù)乘車候車室分配信息，選擇進(jìn)入對(duì)應(yīng)的候車室，在此候車等待進(jìn)入站臺(tái)。出站客流方面，旅客可在站臺(tái)下車后經(jīng)由電梯或樓梯下行至出站大廳，在出站后經(jīng)由架空層出站廣場(chǎng)，根據(jù)不同交通方式的集散信息（地鐵、公交車、長(zhǎng)途汽車、出租車上客點(diǎn)、社會(huì)車停車場(chǎng)等），迅速疏散離站。

3.2 客流流線組織評(píng)價(jià)指標(biāo)

客流流線組織方案的績(jī)效可以通過(guò)旅客流線的流暢性和效率進(jìn)行評(píng)價(jià)。旅客流線流暢性評(píng)價(jià)各流線是否存在滯留，體現(xiàn)在平均排隊(duì)長(zhǎng)度、最大排隊(duì)長(zhǎng)度和總排隊(duì)人數(shù)等指標(biāo)；效率則主要體現(xiàn)在流線中每個(gè)個(gè)體的平均延誤時(shí)間、停止時(shí)間和停止次數(shù)等指標(biāo)。

1）平均排隊(duì)長(zhǎng)度

是指當(dāng)旅客在車站內(nèi)進(jìn)行購(gòu)票、安檢、換乘時(shí)由于客流量大、行走速度慢造成的排隊(duì)和擁擠情況時(shí)，出現(xiàn)排隊(duì)時(shí)站內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之前的旅客隊(duì)列長(zhǎng)度[7]。其計(jì)算方法為：

公式（1）中，Li表示在站內(nèi)每條主要客流流線上，所存在隊(duì)列的排隊(duì)長(zhǎng)度； n 表示在站內(nèi)存在的主要客流流線的數(shù)量。

2）最大排隊(duì)長(zhǎng)度Ul2

是指單位時(shí)間內(nèi)，站內(nèi)主要客流流線上最大排隊(duì)長(zhǎng)度的平均值，其絕對(duì)值越大說(shuō)明站內(nèi)的乘客排隊(duì)現(xiàn)象越嚴(yán)重[8]。其計(jì)算方法為：

公式（2）中，Lmaxi表示站內(nèi)每條主要客流流線上，乘客排隊(duì)的最大長(zhǎng)度；n 表示在站內(nèi)的主要客流流線數(shù)量。

3）平均逗留時(shí)間V

是指一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)某條客流流線上經(jīng)過(guò)的所有乘客，其所花費(fèi)的時(shí)間平均值，用以衡量乘客走行的順暢度。其計(jì)算方法為：

公式（3）中，Vi為站內(nèi)某條主要客流流線上，具體乘客的逗留時(shí)間；n 表示具的體客流流線上，對(duì)應(yīng)的乘客數(shù)量。

3.3 建模仿真及結(jié)果分析

根據(jù)武昌站客流流線圖及主要進(jìn)站、出站客流流向流量數(shù)據(jù)，給予AnyLogic 對(duì)武昌站客流流線進(jìn)行建模仿真。得到各入口客流流線停留時(shí)間、主要安檢口平均排隊(duì)長(zhǎng)度等仿真結(jié)果如圖4，5 所示。

圖4 入口客流流線停留時(shí)間仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results for dwell time of passenger streamline at entrance

圖5 主要安檢口平均排隊(duì)長(zhǎng)度仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of average queue length at main security checkpoints

根據(jù)仿真結(jié)果可知，乘客流線在購(gòu)票和安檢環(huán)節(jié)存在瓶頸。針對(duì)這一問(wèn)題，采取如下方案對(duì)其進(jìn)行緩解：1）增加安檢機(jī)數(shù)量，具體措施為在進(jìn)站處增加兩臺(tái)安檢機(jī)；2）對(duì)安檢設(shè)施及人員進(jìn)行擴(kuò)充，增強(qiáng)引導(dǎo)，具體措施為每?jī)蓚€(gè)安檢機(jī)增加一名安檢工作人員，增設(shè)無(wú)行李快速通道。對(duì)改進(jìn)后的方案再次進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到數(shù)據(jù)，如圖6、7 所示：

從上述數(shù)據(jù)可以看出，通過(guò)對(duì)乘客流線進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)站乘客的流線瓶頸得到了改善，同時(shí)安檢處的排隊(duì)長(zhǎng)度也得到了優(yōu)化。

圖6 改進(jìn)后入口客流流線停留時(shí)間仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of dwell time entrance passenger streamline after improvement

圖7 改進(jìn)后主要安檢口平均排隊(duì)長(zhǎng)度仿真結(jié)果Fig.7 The simulation results of average queue length of main security checkpoints after improvement

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)客流流線特征，分析不同類型流線的特點(diǎn)并提出改進(jìn)客流流線組織的方案，采用仿真軟件對(duì)大型客運(yùn)站復(fù)雜流線進(jìn)行仿真研究，以武昌站為實(shí)例，針對(duì)仿真結(jié)果采取客流流線改進(jìn)優(yōu)化措施，驗(yàn)證了所提出的方案的有效性。該方法可對(duì)大型客運(yùn)站客流流線組織提供借鑒。