基于Anylogic 的地鐵車站客流仿真分析

劉漢英

（1. 中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043；2. 陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室（中鐵一院），西安 710043）

隨著高峰期客流的不斷增長，許多地鐵站出現(xiàn)客流擁堵現(xiàn)象，不僅影響車站的正常秩序，也降低了運營的安全性和運輸效率。地鐵車站一旦開通運營，很難對其結(jié)構(gòu)進行改造。一種可行的方法是，通過客流仿真分析地鐵車站的客流流線交叉干擾及擁堵狀況，提出客流優(yōu)化方案，以減輕高峰期地鐵車站的負荷。

國內(nèi)不少專家、學(xué)者使用Anylogic 軟件進行車站仿真。文獻[1]建立車站2D、3D 模型，對北京地鐵宣武門站進行研究；文獻[2]借助Anylogic 仿真軟件，采用流暢性等3 個指標(biāo)對天府廣場站進行仿真分析；文獻[3]對北京動物園站站廳層的客流流線及設(shè)施布局進行研究；文獻[4]對北京南站地下一層客流進行仿真分析；文獻[5]聚焦鐵路與城市軌道的客流換乘，對成都北站進行研究分析，提出客流優(yōu)化方案。文獻[6]對城市軌道換乘客流進行仿真研究，提出客流流線改進措施；文獻[7] 基于多層次行人行為模型，對地鐵大客流進行仿真研究；文獻[8] 采用Anylogic 仿真軟件，模擬沈陽地鐵1、2 號線換乘站客流，為車站改造設(shè)計研究提供依據(jù)。

在上述研究的基礎(chǔ)之上，本文建立人?車混合仿真模型，從流暢性、時效性以及舒適性3 個方面，對蘭州地鐵西站什字站客流進行仿真研究，針對瓶頸問題提出優(yōu)化措施。

1 仿真軟件選擇及建模方法

1.1 仿真軟件選擇

國內(nèi)外地鐵車站仿真軟件主要有AnyLogic、Legion、STEPS、SimWalk 等。在建模方法方面，Legion 和STEPS 采用元胞自動機模型[1]，AnyLogic和SimWalk 采用社會力學(xué)模型。這幾款仿真軟件中，只有AnyLogic 支持二次開發(fā)，且能同時實現(xiàn)人?車混合仿真，可更好地模擬行人走行特征以及列車運行狀況，并能動態(tài)地映射到3D 空間；支持2D和3D界面間自由切換，便于實時掌握地鐵站內(nèi)狀況，利用統(tǒng)計指標(biāo)對仿真結(jié)果進行分析和評價。

1.2 建模方法

AnyLogic 是一款仿真軟件，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域中連續(xù)、離散、混合系統(tǒng)的建模，可結(jié)合多種建模方法對乘客和列車進行仿真，能夠更加準(zhǔn)確地模擬現(xiàn)場實際情況。

如圖1 所示，該仿真軟件將乘客的個體行為描述為3 種社會力的共同作用：

圖1 描述乘客個體行為的3 種社會力

（1）驅(qū)動力：主觀意識對乘客個體行為產(chǎn)生的社會力；F1 為乘客的驅(qū)動力。

（2）乘客間作用力：在站內(nèi)走行過程中，乘客之間為保持適當(dāng)距離而產(chǎn)生的社會力；F2、F3 為乘客之間的作用力。

（3）人與墻之間的作用力：在走行過程中，乘客與墻（障礙物）之間為保持距離而產(chǎn)生的社會力；F4、F5 為乘客與墻之間的作用力。

2 仿真流程及評價指標(biāo)

2.1 仿真流程

乘客在地鐵車站內(nèi)走行的路線構(gòu)成客流流線，主要包括進站流線和出站流線[3]。地鐵站內(nèi)往往會出現(xiàn)進、出站流線交叉，尤其是高峰期的流線交叉會造成站內(nèi)一定程度的擁堵現(xiàn)象。

圖2 為進站流線示意圖。

圖2 進站流線

相比進站流線，出站乘客個體行為較為單一，出站流線也相對簡單，如圖3 所示。

圖3 出站流線

地鐵車站內(nèi)乘客的走行行為，可視為若干個獨立走行節(jié)點的接續(xù)。一旦當(dāng)前面節(jié)點的通行能力大于后面節(jié)點的通行能力時，車站內(nèi)會產(chǎn)生排隊或擁堵現(xiàn)象，稱為瓶頸識別方法[1]。如圖4 所示，1、2、3 分別為地鐵站內(nèi)箭頭指示方向上的3 個不同節(jié)點，其通過能力分別為c1、c2、c3；當(dāng)c1≤c2≤c3 時，站內(nèi)不會出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象；若c1>c2 或c2>c3，隨著后面節(jié)點乘客數(shù)量的不斷增加，站內(nèi)會產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象。

圖4 瓶頸識別方法示意

2.2 評價指標(biāo)

主要從流暢性、時效性以及舒適性3 個方面評價客流組織方案的優(yōu)劣性，對應(yīng)的評價指標(biāo)分別為乘客平均排隊人數(shù)、平均逗留時間以及區(qū)域密度[2]。

平均排隊人數(shù)L指地鐵站內(nèi)某一單位時間內(nèi)流線上平均排隊人數(shù)，表達為：

其中，Li為第i個設(shè)備的排隊人數(shù)；n為設(shè)備數(shù)量；L值越小，代表此流線上流暢性越好。

平均逗留時間T指某條流線上若干個乘客在指定范圍內(nèi)逗留時間的平均值，表達為：

其中，tj為第j個乘客在指定范圍內(nèi)的逗留時間，m為乘客數(shù)量；T越小，代表此流線上時效性越好。

區(qū)域密度D指單位面積內(nèi)的乘客數(shù)量，表達為：

其中，s為區(qū)域面積，m為乘客數(shù)量；D越小，代表該區(qū)域內(nèi)行人舒適性越好。

3 實例分析

3.1 車站基本概況

以蘭州地鐵一號線西站什字站為例進行仿真研究。西站什字站位于蘭州市七里河區(qū)西津路與敦煌路的交匯處，車站周邊商業(yè)發(fā)達，鄰近BRT 終點站，客流量較大，尤其是節(jié)假日和周末。車站為東西走向，現(xiàn)開設(shè)A、B、C 共3 個出入口。

圖5 為西站什字站廳的仿真3D 效果圖。非付費區(qū)內(nèi)設(shè)置有自動售票機、安檢等基本設(shè)施，付費區(qū)內(nèi)共設(shè)置1 部下行和2 部上行自動扶梯、1 部無障礙電梯、2 部樓梯；車站為島式站臺，站臺寬12.5 m，有效長度為140 m。

圖5 西站什字站廳的3D 效果

3.2 仿真建模流程

地鐵車站建模流程主要包括乘客的進出站流程和列車的進出站流程；乘客的進站建模流程主要指從到達進站口開始，經(jīng)過站廳購票、安檢、閘機，再通過扶梯或樓梯到達站臺候車乘車。

西站什字站建模進站流程如圖6 所示，包括A、B、C 3 個出入口。

乘客出站建模流程主要包括下車到達站臺、通過樓梯/扶梯到達站廳、出閘機到達站廳非付費區(qū)、出站。

列車建模流程如圖7 所示，主要包括列車生成（trainSource）、列車到達停車（delay）和列車退出（trainDispose）等，schedule 為列車時刻表。

圖6 西站什字站建模進站流程

圖7 西站什字站列車建模流程

3.3 仿真結(jié)果分析

對西站什字站的站內(nèi)流暢性（指標(biāo)為乘客平均排隊人數(shù)）、時效性（指標(biāo)為平均逗留時間）及舒適性（指標(biāo)為區(qū)域密度）進行仿真分析和評價。

圖8 為仿真運行過程中的實時數(shù)據(jù)，包括計數(shù)、最大值、最小值、均值等。

圖8 西站什字站仿真實時數(shù)據(jù)

3.3.1 流暢性分析

對西站什字站2019年8月30 日早高峰7：30—8：30 期間1 個小時的客流數(shù)據(jù)進行分析研究，包括售票機、安檢以及進站閘機的排隊情況；從圖9 中可知：東端售票機和進站閘機排隊人數(shù)明顯大于西端售票機和進站閘機，東、西2 端安檢排隊人數(shù)大概一致。

具體設(shè)備的排隊人數(shù)指標(biāo)見表1，東、西2 端售票機（TVM1 和TVM 2）的平均排隊人數(shù)為14～24 人，售票機平均排隊人數(shù)為3～5 人，對比最大排隊人數(shù)，東端售票機的排隊流暢性差于西端售票機。兩處安檢（SC1、SC2）排隊人數(shù)均較多，高峰時段內(nèi)平均排隊人數(shù)高達27～29 人，為車站內(nèi)負荷最重的設(shè)備，流暢性較差。2 個進站閘機（Gate1、Gate2）的平均排隊人數(shù)為2 人，流暢性較好。

圖9 設(shè)備排隊人數(shù)

采用瓶頸識別方法分析站廳內(nèi)的整體流暢性；東、西2 端設(shè)備均未滿足c(AFC1)≤c(SC1)≤c(Gate1)以及c(AFC2)≤c(SC2)≤c(Gate2)，即站廳內(nèi)部分設(shè)備出現(xiàn)較為嚴(yán)重的排隊現(xiàn)象，尤其是在安檢設(shè)備處人數(shù)較多，影響了站廳內(nèi)整體流暢性。

表1 設(shè)備排隊人數(shù)指標(biāo)

3.3.2 時效性分析

在早高峰7：30—8：30 期間，隨機選取100 人作為樣本對站內(nèi)時效性進行研究。以進站為例，主要從乘客在站廳和站臺的2 個逗留時間進行分析。

如圖10 所示，站廳平均停留時間為T=1.9 min，乘客停留時間相差較大，其主要原因是乘客是否需要購票。據(jù)統(tǒng)計，蘭州地鐵1 號線的票種主要有一卡通、紀(jì)念票、單程票等；其中，單程票的占比將近為所有票種的1/2，導(dǎo)致乘客在站廳的停留時間相差較大，在1 min～3.1 min 之間波動。

乘客在站臺平均停留時間（不含等車時間）為T=15.7 s，波動范圍為12.6 s～19.8 s，鑒于乘客在站臺的個體行為較為單一，站臺停留時間波動幅度較小。

圖10 進站乘客站內(nèi)停留時間

綜合乘客在站廳和站臺的逗留時間，分析得出蘭州西站什字站的時效性較好。

3.3.3 舒適性分析

地鐵站內(nèi)舒適性主要指站內(nèi)的區(qū)域密度D，可通過站廳和站臺客流密度圖來揭示。

圖11 為西站什字站廳的客流密度圖，可以看出：廳內(nèi)東西端售票機、安檢以及樓梯處客流密度較大，出現(xiàn)不同程度的排隊及擁堵現(xiàn)象，站廳其余地方客流密度較低，舒適性安全性較好；同時，站廳內(nèi)只有樓梯口出現(xiàn)較為嚴(yán)重的進出站流線交叉，其余地方交叉干擾較小，未出現(xiàn)大面積擁堵現(xiàn)象。

圖11 西站什字站廳客流密度

圖12 為西站什字站臺的客流密度圖，可以看出：列車車廂門口以及東、西2 端扶梯處客流密度較大，服務(wù)等級較低，出現(xiàn)局部擁堵現(xiàn)象，其余地方客流密度較小，站臺總體舒適性和安全性較好，客流對站臺的沖擊性也較小。由于站臺面積有限，進出站客流在站臺的交叉范圍較廣，但并未造成大面積擁堵現(xiàn)象。

整體而言，西站什字站的時效性和舒適性較好，流暢性相對較差，這主要有2 個原因：（1）蘭州地鐵1 號線目前尚未開通二維碼刷碼進出站，站內(nèi)購票乘客占比較大，導(dǎo)致自助售票機在高峰時段出現(xiàn)較為嚴(yán)重的排隊擁堵現(xiàn)象，影響站廳流暢性；（2）地鐵開通初期，安檢相對較嚴(yán)，加之工作人員較少，導(dǎo)致東、西2 端安檢處在高峰期出現(xiàn)排隊較長的現(xiàn)象。

3.4 優(yōu)化建議

針對以上仿真分析結(jié)果，從設(shè)備配置和管理措施2 個方面提出優(yōu)化建議。

（1）爭取盡早開通二維碼掃碼進出站功能，降低站內(nèi)買票的乘客比例，減少排隊人數(shù)，提高站廳流暢性。

圖12 西站什字站臺客流密度示意

（2）在未實現(xiàn)掃碼進站之前，建議適當(dāng)增加自動售票機數(shù)量，減少乘客排隊時間，緩解排隊壓力。

（3）建議為未攜帶行李的乘客開通快速通道，減輕安檢壓力，提高安檢效率。

（4）在進、出站流線交叉較為嚴(yán)重的地方，加強站內(nèi)工作人員疏導(dǎo)，避免高峰期由于流線交叉造成的擁堵現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

以蘭州地鐵西站什字站為例，對早高峰期間的站廳和站臺進行仿真研究，從流暢性、時效性及舒適性3 個方面分析車站客流。仿真結(jié)果表明：車站整體的時效性、舒適性較好，流暢性相對較差，未出現(xiàn)大面積擁堵現(xiàn)象，擁堵較嚴(yán)重的地方為東、西兩端的自助售票機及安檢。

為此，提出4 項優(yōu)化車站客流的具體措施，進一步提高車站的流暢性、時效性及舒適性，提升服務(wù)質(zhì)量和旅客乘車體驗，為后期接納更大客流準(zhǔn)備良好條件。