基于AnyLogic的軌道交通車站站廳設(shè)備布局優(yōu)化及評價

丁波，彭瑾蓉，徐光明2，周傳鈺

基于AnyLogic的軌道交通車站站廳設(shè)備布局優(yōu)化及評價

丁波1，彭瑾蓉1，徐光明2，周傳鈺1

(1. 武漢地鐵運營有限公司，湖北 武漢 430000；2. 中南大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

針對城市軌道交通早期車站在客流持續(xù)增長的情況下，面臨的車站結(jié)構(gòu)及設(shè)備設(shè)施布置無法滿足現(xiàn)場客運組織需求的現(xiàn)狀，依據(jù)車站結(jié)構(gòu)、設(shè)備布局及客流分布特征，明確“仿真-分析-優(yōu)化-評價”的研究思路，利用AnyLogic軟件對武漢軌道交通1號線宗關(guān)站進(jìn)行仿真分析，基于客流分布密度等分析結(jié)果提出設(shè)備布局優(yōu)化方案，并設(shè)計量化評價體系，綜合評價優(yōu)化方案對車站擁堵情況和流線通暢程度的改善效果。研究結(jié)果表明：本文提出的優(yōu)化思路及方法可行有效，優(yōu)化后車站面積利用率提高，換乘瓶頸被消除，站廳客流交叉減少，站內(nèi)擁擠現(xiàn)象得到有效緩解，流線通暢程度明顯提升，對早期軌道交通線路老舊車站的布局優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

城市軌道交通；客流仿真；站廳布局優(yōu)化；緩解擁堵；客流組織

城市軌道交通站廳結(jié)構(gòu)及設(shè)備設(shè)施布置，直接決定車站客流交叉情況，所形成的通行瓶頸也會影響車站整體通暢性，從而導(dǎo)致車站站廳擁堵，乘客乘車體驗下降，影響軌道交通整體運營服務(wù)質(zhì)量。車站各建筑功能區(qū)塊、付費區(qū)面積、通道最大人流容納程度等各方面直接影響車站管理工作難度[1]。研究表明，人的走行行為會受設(shè)施的物理屬性影響[2]。早年修建的軌道交通車站受施工條件、設(shè)計思路、規(guī)劃年限等因素制約，導(dǎo)致在后期客流增大后，車站面臨站廳面積小、客流交叉嚴(yán)重、進(jìn)出站及換乘擁擠等問題。隨著時代發(fā)展，乘客對于地鐵服務(wù)質(zhì)量的要求不斷提高，站廳擁擠程度是乘客評價地鐵服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一。為了滿足乘客日益增長的出行需求，提高軌道交通客運服務(wù)質(zhì)量，如何優(yōu)化車站布局、有效疏解老舊車站站廳擁擠問題成為軌道交通地鐵站亟待解決的問題。本文明確“仿真?分析?優(yōu)化?評價”的研究思路，利用AnyLogic軟件進(jìn)行仿真，分析站內(nèi)客流組織上存在的問題，再根據(jù)仿真結(jié)果，對相應(yīng)設(shè)備布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，最后對優(yōu)化方案進(jìn)行量化評價。目前國內(nèi)外對地鐵站站廳層的設(shè)施布置相關(guān)研究主要針對換乘設(shè)施、通道、樓梯和站臺相關(guān)設(shè)備設(shè)施進(jìn)行研究，建立模型、仿真和評價[3]。傅志妍等[4]以社會力模型為基礎(chǔ)，采用Anylogic 軟件對乘客在車站的聚散過程進(jìn)行仿真，分析主要區(qū)域的行人密度和強(qiáng)度，尋找車站系統(tǒng)的瓶頸并提出相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)措施。費爽等[5]將客流密度作為評價指標(biāo)進(jìn)行了仿真分析，分析了換乘擁堵點，并通過限流、換乘設(shè)施改造等方式進(jìn)行了優(yōu)化。李智娟[6]在研究和分析城市軌道交通通道內(nèi)客流特點和規(guī)律的基礎(chǔ)上利用Anylogic仿真軟件對不同通道設(shè)施的效率及其疏散能力進(jìn)行了評估。楊森炎等[7]為提高地鐵通道內(nèi)客流的組織效果，以社會力模型為基礎(chǔ)，利用仿真研究通道內(nèi)隔離的設(shè)置條件及合理形式。本文以武漢軌道交通1號線宗關(guān)站為例，武漢軌道交通1號線于2004年7月開通試運營，運營至今已15年。宗關(guān)站作為武漢軌道交通1號線的高架站之一，具有老舊車站的典型特點。很多國外學(xué)者通過案例實踐，證明了不同動態(tài)仿真軟件在交通領(lǐng)域使用的便利性[8?9]。其中，Anylogic采用目前比較被認(rèn)可的行人動力學(xué)模型、社會力學(xué)模型[10]，具有直觀的仿真觀察模式，支持對移動對象流以及設(shè)施布局圖中發(fā)生特殊行為的區(qū)域進(jìn)行直接的定義[11]，可以更好地把控行人的微觀行為[12]，本文利用AnyLogic仿真軟件構(gòu)建1號線宗關(guān)站站廳結(jié)構(gòu)模型，基于車站實際客流分布情況確定行為建模仿真參數(shù)，獲得客流分布密度圖。根據(jù)客流分布密度圖分析1號線宗關(guān)站站廳布局存在的問題，提出相應(yīng)的改造方案并進(jìn)行優(yōu)化。以客流分布密度圖、乘客進(jìn)出站平均停留時間、流線交叉數(shù)量作為評價指標(biāo)，評價改造前后車站的擁堵情況和流線通暢程度，對比改造前后指標(biāo)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)改造方案提升了進(jìn)站流線通暢程度，有效疏解了站廳及換乘擁擠，提高了乘客出行效率，有利于提升運營服務(wù)質(zhì)量。

1 基本情況

武漢軌道交通1號線宗關(guān)站與3號線通過站廳付費區(qū)換乘扶梯實現(xiàn)換乘，為高架3層車站。地面層共設(shè)有A1，A2，A3和B2 4個出入口，A出口(含A1，A2和A3)進(jìn)出站客流量約占車站集散量的80%；B2進(jìn)出站客流量約占車站集散量的20%。地上2層為站廳層，B2出口和南側(cè)付費區(qū)可與3號線換乘。地上3層為站臺層。設(shè)備設(shè)置情況及站廳結(jié)構(gòu)如圖1(左)所示。

車站周邊主要有居民社區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院、商場等，均為日?？土骷Ⅻc。1號線宗關(guān)站日均集散量約7 000人次，最高集散量約1萬人次，換乘客流約4.2萬人次，整體客流量較大，換乘客流量遠(yuǎn)高于集散量。站廳有效面積僅463.5 m2，其中站廳付費區(qū)僅80.25 m2，換乘通道與站廳相連且銜接處狹窄，具有站廳換乘面積小而客流量大的特點。換乘通道是影響換乘效率的重要因素，也因其易產(chǎn)生瓶頸而備受關(guān)注。從大廳或站臺進(jìn)入通道是一個空間突然縮小的過程[13]，在地鐵站內(nèi)出現(xiàn)突發(fā)情況或者客流較大時，乘客在走行空間急劇減小的情況下都希望用預(yù)期的速度通過收縮口，從而產(chǎn)生競爭通過行為，造成行人流速度急劇下降，產(chǎn)生瓶頸[14]。此外，受站廳結(jié)構(gòu)及設(shè)備設(shè)施設(shè)置影響，車站非付費區(qū)過街通道將付費區(qū)劃分為獨立的2部分，換乘與進(jìn)出站客流均集中在站廳付費區(qū)內(nèi)進(jìn)出閘處，造成站廳付費區(qū)及其換乘銜接處擁擠嚴(yán)重、進(jìn)出站及換乘客流對沖明顯且集中等問題，非付費區(qū)的過街功能，還可能造成安檢漏檢問題。

圖1 武漢軌道交通1號線宗關(guān)站站廳設(shè)備布局圖(從左至右依次為改造前、改造后)

2 仿真分析

2.1 仿真建模

2.1.1 環(huán)境建模

將仿真區(qū)域中的建筑物、各類設(shè)備設(shè)施及其排隊區(qū)域、行人的等待區(qū)域、走行目標(biāo)線等進(jìn)行模型構(gòu)建，設(shè)定環(huán)境建模中各模塊對應(yīng)設(shè)施的相關(guān)參數(shù)。根據(jù)實際情況和乘客行為規(guī)律，假定安檢、進(jìn)出站、購票時乘客將選擇最短隊列等候。結(jié)合實地調(diào)研獲得的數(shù)據(jù)，確定安檢、進(jìn)出站、購票時的延遲時間分布函數(shù)。具體的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 環(huán)境建模參數(shù)

2.1.2 行為建模

根據(jù)實際客流的產(chǎn)生、走行與消失，選擇相應(yīng)的行為模塊，并將各模塊按客流行程相連，再將其與之對應(yīng)的環(huán)境模塊進(jìn)行關(guān)聯(lián)。基于實際調(diào)研情況，確定各模塊屬性的行人參數(shù)，并根據(jù)現(xiàn)場客流分布規(guī)律確定客流的分流比例。

2.2 仿真結(jié)果及分析

Anylogic仿真成果可以很好地還原現(xiàn)實客流情況，行人流參數(shù)是瓶頸點風(fēng)險判斷最重要的指標(biāo)，人流密度和行人流量通常直接被作為瓶頸判斷標(biāo)準(zhǔn)[15]。通過Anylogic仿真得出的行人密度圖可以反映車站的瓶頸位置。通道的客流高峰情況主要出現(xiàn)在下車出站和換乘時，大量客流在同一時間釋放，涌入通道[16]。

由于3月份客流相對于一年之中其他月份整體較少且平穩(wěn)，具有一定的普適性。以2019年3月客流為樣本，取各客流數(shù)據(jù)指標(biāo)的平均值作為研究數(shù)據(jù)。通過分析1號線宗關(guān)日常小時進(jìn)出站及換乘客流數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：早高峰時擁堵時段為7:30~8:30，進(jìn)站人數(shù)與出站人數(shù)比例為1.2:1；晚高峰時擁堵時段為17:30~18:30，進(jìn)出站人數(shù)比例約為1.5:1。3月份1號線宗關(guān)站高峰小時日均進(jìn)站客流量為555人/h，高峰小時日均出站客流量為449人/h；日均換乘人數(shù)為41 176人、日均集散量7 333人。結(jié)合實地調(diào)研，早晚高峰時，換乘客流與集散客流之比約為6:1。仿真1 h后，客流分布變化趨于穩(wěn)定，仿真結(jié)果如圖2(左)所示。

圖2 改造前后仿真結(jié)果對比(從左至右依次為改造前、改造后)

3 問題分析及改造方案

3.1 問題分析

根據(jù)客流分布密度圖分析可知，1號線宗關(guān)站主要存在問題及原因如下：

1) 1號線宗關(guān)站日均換乘客流量遠(yuǎn)高于集散量，但站廳付費區(qū)面積小、兩側(cè)換乘通道銜接處狹窄，在高峰期人流密度較大，易造成擁堵，成為換乘客流通行的瓶頸，嚴(yán)重降低換乘客流通行效率。

2) 站廳付費區(qū)內(nèi)部進(jìn)出站客流、換乘客流之間交叉嚴(yán)重，站廳付費區(qū)客流分布密度大，擁擠嚴(yán)重。

3) 非付費區(qū)過街通道需設(shè)置2個安檢點，該站點每班至少需配備4名安檢人員，安檢成本高。且過街行人與乘客無法辨別，存在漏檢風(fēng)險。

4) 整體布局付費區(qū)面積較小、非付費區(qū)面積較大，換乘乘客較多時，空間無法充分利用，不利于車站日常管理。

3.2 改造方案

針對站廳付費區(qū)與換乘通道狹窄且擁擠，空間無法充分利用的問題：

1) 拆除4個舊的客服中心以及16組三桿式閘機(jī)，在滿足進(jìn)出站需求的前提下，設(shè)置12組扇門式閘機(jī)(包含3個寬閘)，將12組閘機(jī)以“V”字型設(shè)置于靠近A1和A2出口的站廳結(jié)構(gòu)瓶頸處，合理利用通行瓶頸，拓寬站廳付費區(qū)面積。

2) 拆除換乘通道的欄桿，拓寬換乘區(qū)域面積。

3) 將7臺TVM整體往北移至A2和A3出入口附近，增加站廳非付費區(qū)可用面積。

針對安檢存在漏檢隱患，且成本較高的問題：

1) 在符合設(shè)計規(guī)范的前提下，將B2出入口改造為應(yīng)急疏散出口。

2) 將A出入口的安檢門改為安檢機(jī)。

針對站廳付費區(qū)內(nèi)部進(jìn)、出站客流、換乘客流相互之間交叉嚴(yán)重的問題，將進(jìn)、出站閘機(jī)分片區(qū)相互獨立設(shè)置，分離進(jìn)、出站客流。

改造后站廳結(jié)構(gòu)如圖1(右)所示，改造前后站廳設(shè)備設(shè)置情況如表2所示。

表2 武漢軌道交通1號線宗關(guān)站站廳改造前后設(shè)備設(shè)置情況

4 改造方案效果評價

4.1 評價指標(biāo)

將客流密度分布圖、乘客進(jìn)出站平均停留時間和流線交叉數(shù)量作為評價指標(biāo)，從擁堵情況和流線通暢程度2個方面評價改造方案的效果。通過客流密度分布圖分析車站擁堵情況；通過乘客進(jìn)出站平均停留時間和客流流線交叉數(shù)量，同時從時間和結(jié)構(gòu)上評價車站進(jìn)出站流線的通暢程度。其中客流密度分布圖和乘客進(jìn)出站平均停留時間由AnyLogic仿真獲得。

1) 客流密度分布圖

分析各時段站內(nèi)客流密度分布情況，及客流擁堵點。

2) 平均停留時間

平均停留時間是指一段時間內(nèi)若干乘客在車站內(nèi)花費時間的平均值[17]，在距離相同的情況下，其值越大說明在該車站設(shè)置方案下乘客走行越不通暢。通過仿真分別得到乘客進(jìn)、出站的平均停留時間，分析乘客進(jìn)出站通暢程度。

其中：T為某位乘客在車站的停留時間；為在某一時段內(nèi)站內(nèi)的乘客總數(shù)。

3) 流線交叉數(shù)量

流線的組織與設(shè)計合理與否，對提高整個車站的運營效率和服務(wù)水平至關(guān)重要[18]。站內(nèi)客流流線交叉將直接阻礙乘客走行，影響流線通暢，降低出行效率。客流量較大時，客流對沖也存在嚴(yán)重安全隱患。交叉數(shù)量越小，客流流線通暢性越好。

4.2 改造前后指標(biāo)對比

4.2.1 客流密度分布圖

對比發(fā)現(xiàn)，改造后，換乘銜接處的瓶頸現(xiàn)象得到明顯緩解(由于換乘比例較高，換乘通道內(nèi)的客流密度依舊較大)，通道內(nèi)客流分布更加均衡；站廳付費區(qū)面積增大，進(jìn)、出站與換乘客流之間的沖突減小，站廳空間利用率增加。

分析可知，改造利用站廳結(jié)構(gòu)特點，在原站廳結(jié)構(gòu)瓶頸處設(shè)置進(jìn)出閘機(jī)，在使用面積浪費最小的情況下擴(kuò)充了付費區(qū)面積；乘客進(jìn)、出站閘機(jī)分片區(qū)對稱相互獨立設(shè)置，將進(jìn)、出站客流進(jìn)行了合理分離；且進(jìn)出站閘機(jī)整體北移，拉大進(jìn)出站客流與換乘客流之間的距離，減少了進(jìn)、出站及換乘客流之間的沖突和干擾，故改造后站廳付費區(qū)客流密度明顯降低。此外，改造后換乘通道得到了明顯拓寬，原有的換乘瓶頸被消除，使得換乘區(qū)域的擁擠現(xiàn)象得到改善。

4.2.2 平均停留時間

改造前后進(jìn)出站停留時間分布情況如表3~4 所示。

表3 改造前后進(jìn)站停留時間對比

表4 改造前后出站停留時間對比

分析可知，改造后進(jìn)出站平均停留時間顯著減小，說明改造后進(jìn)出站和換乘流線通暢程度得到了明顯提升。主要在于換乘通道銜接處的瓶頸現(xiàn)象得到緩解，站廳付費區(qū)空間增大，乘客走行空間增大，且無過街行人干擾，使得站廳和通道內(nèi)的客流密度可以更為均衡地分布，提高了乘客通行速率。

4.2.3 流線交叉數(shù)量

改造前后1號線宗關(guān)站客流流線分布如圖3 所示。

根據(jù)圖3可知，改造前過街通道內(nèi)客流流線雜亂，進(jìn)、出站、換乘客流間相互干擾嚴(yán)重?？土鹘徊纥c集中在進(jìn)、出閘機(jī)前后方，付費區(qū)內(nèi)的客流交叉同時位于站臺與站廳連接樓扶梯前方，不僅對乘客進(jìn)出車站造成嚴(yán)重干擾，在付費區(qū)內(nèi)有大量換乘乘客時，更易造成付費區(qū)擁擠，并存在嚴(yán)重安全隱患。改造后車站取消過街功能，改造B2口功能，消除了2處進(jìn)、出站客流在非付費區(qū)的交叉，以及乘車乘客與過街行人間的客流對沖，客流流線更加清晰，提高了客流流線通暢程度和乘客乘車效率，消除了安檢漏檢風(fēng)險。

圖3 武漢軌道交通1號線宗關(guān)站改造前后客流流線圖(從左至右依次為改造前、改造后)

5 結(jié)論

1) 利用站廳結(jié)構(gòu)瓶頸處，增大了付費區(qū)面積，緩解了站廳付費區(qū)擁擠，付費區(qū)內(nèi)客流分布密度更加均勻。

2) 極大程度拓寬換乘通道面積，消除換乘瓶頸，緩解換乘區(qū)域擁擠現(xiàn)象，提高了換乘通行能力。

3) 合理分流進(jìn)、出站客流，降低站廳付費區(qū)客流交叉，客流流線更加清晰通暢。

4) 改造后進(jìn)、出站閘機(jī)設(shè)置位置前移，緩解了進(jìn)出站客流與換乘客流對沖。

5) 改造后減少了一處安檢點，消除了安檢漏檢風(fēng)險的同時，節(jié)約了成本。

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Optimizing and evaluating the equipment layout of rail transit station hall based on AnyLogic

DING Bo1, PENG Jinrong1, XU Guangming2, ZHOU Chuanyu1

(1. Wuhan Metro Operation Co., Ltd, Wuhan 430000, China; 2. School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In view of the current situation that the layout of station hall structure and facilities of urban rail transit stations cannot meet the demand of increasing passenger flow organization in the later stage, especially the old station. According to the station structure, equipment layout and passenger flow distribution characteristics, this paper clarifie the research idea of “simulation-analysis-optimization-evaluation” and carried out the simulation analysis of Zongguan station of Wuhan Rail Transit Line 1 by using Anylogic. Based on the passenger flow distribution density and other simulation results, the optimization scheme of equipment layout was put forward, and the quantitative evaluation system was designed to comprehensively evaluate the improvement effect of the optimization scheme on the station congestion and streamline smoothness. The research results show that the optimization ideas and methods proposed in this paper are feasible and effective. After the optimization, the utilization rate of the station area has been improved and the transfer bottleneck has been eliminated. Meanwhile, the passenger flow crossing in the station hall has been significantly reduced, the congestion in the station has been effectively relieved, and the smoothness of the streamline has been significantly improved. It has certain guiding significance for the layout optimization of the old stations of the early rail transit lines.

urban rail transit; passenger flow simulation; station hall transformation; relieving congestion; passenger flow organization

U231.1

A

1672 ? 7029(2020)06 ? 1578 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190870

2019?10?08

國家自然科學(xué)基金資助項目(71701216)

徐光明(1986?)，男，湖南岳陽人，副教授，博士，從事軌道交通運營規(guī)劃管理研究；E?mail：xuguangming@csu.edu.cn

(編輯 陽麗霞)