基于MassMotion的城市軌道交通車站交通組織優(yōu)化仿真研究

穆禮彬 吳改選

摘 要：城市軌道交通是城市公共交通的重要組成部分，有效緩解了地面交通擁堵的現(xiàn)狀。由于軌道站內(nèi)存在流線交叉等問題，高峰時期極易出現(xiàn)交通擁堵現(xiàn)象，因此對車站的交通組織進行優(yōu)化顯得很有必要。本文分析了MassMotion仿真平臺的特點及仿真實現(xiàn)的具體步驟，確定了可用的評價指標，并總結了軌道站交通組織優(yōu)化的基本方法。運用優(yōu)化方法中的空間分離優(yōu)化，以重慶軌道交通兩路口站為研究對象，結合單日高峰時間段17：30-19：30的實際客流情況，利用MassMotion仿真軟件實現(xiàn)了兩路口站的物理設施和乘客運行動態(tài)的模擬重現(xiàn)，依據(jù)平均密度等指標評價交通組織現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)車站系統(tǒng)存在的問題，提出優(yōu)化方案，并評價優(yōu)化后的效果。通過文中提出的方案進行交通組織優(yōu)化后，站廳站臺交通擁堵得到一定緩解。

關鍵詞：城市軌道交通車站;行人仿真;交通組織優(yōu)化;MassMotion軟件

0 引言

城市軌道交通是一種快捷、舒適、大運量的交通方式。而軌道交通車站作為城市軌道交通運營的重要運營節(jié)點，是乘客完成城市內(nèi)部出行的主要場所，與旅客有關的進出站服務、站內(nèi)的流線引導，都是在軌道交通車站內(nèi)完成的[1]。因此，做好軌道車站交通組織優(yōu)化，有利于提高車站的工作效率，緩解高峰期車站內(nèi)部的交通擁堵現(xiàn)象。

目前城市軌道交通車站交通組織優(yōu)化的研究主要采用兩種手段。一是基于傳統(tǒng)的預測方法進行流線預測，如周楠、殷守革利用時間序列理論對乘客在站廳內(nèi)的分形規(guī)則進行分析， 再基于隨機均衡的客流動態(tài)分配完成流向軌道交通車站組織的策略[2];陳慧等人從系統(tǒng)動力學角度出發(fā)研究車站客流控制策略優(yōu)化方法，對車站客流流動及控制進行研究，引入客流控制系數(shù)，構建車站客流控制模型[3]。二是基于仿真軟件平臺的使用進行預測，如傅志妍等人基于 Anylogic 軟件平臺，提出行人自組織行為、行李攜帶狀況和服務與等待過程模擬的實現(xiàn)方法，并對重慶軌道交通南坪站進行仿真建模，尋找車站系統(tǒng)的瓶頸點并提出改進措施[4];李景瑞基于行人交通特性、軌道交通換乘車站建筑結構以及高峰時段客流特點，結合大型換乘車站實際運營情況，提出分區(qū)換乘的大客流疏運組織方法，提出并建立了基于LEGION仿真技術的高峰時段大客流疏運組織仿真模型[5] ;高龍、繆立新等人以北京地鐵四號線北京南站為例，運用Vissim仿真軟件搭建站臺客流集散仿真環(huán)境，探討了高峰時段內(nèi)基于不同發(fā)車間隔和不同上下行時間差的站臺客流集散變化規(guī)律[6]。

綜合上述學者的研究可看出，軌道交通車站的交通優(yōu)化組織仿真已成為車站優(yōu)化研究的熱點。但學者既有的研究大多僅呈現(xiàn)出不同客流在宏觀或微觀的控制方案下的效果，缺乏建立車站中聯(lián)合行人運動微觀模型和空間宏觀的模型。因此，本文選用物理環(huán)境真實且功能齊全的MassMotion仿真軟件，通過對軌道交通兩路口站進行實地調(diào)查，模擬乘客行為;基于仿真指標對軌道站交通組織現(xiàn)狀進行評價，并提出優(yōu)化方案。

1 MassMotion仿真平臺簡述

1.1 仿真軟件對比分析

目前與MassMotion仿真平臺方面有關的研究較少，國外主要是對該軟件的簡要介紹、功能驗證和評估網(wǎng)格建立[7];國內(nèi)利用MassMotion進行客流仿真分析，得出在軌道交通環(huán)境中，行人行為受客觀環(huán)境因素的影響。

該模擬軟件采用宏觀與微觀相結合的模型模擬疏散過程。在交通流動態(tài)仿真中，微觀模型能更接近現(xiàn)實世界中單個旅客的行為特征，更準確的反映空間內(nèi)高密度旅客的交通流線。通過仿真軟件的對比，不難發(fā)現(xiàn)，MassMotion軟件相較于其他仿真軟件更能夠解決多事件多路徑下復雜流線交叉的問題，其原理常應用于社會力模型，最終呈現(xiàn)出三維動畫圖像。但其研究成果偏少，只適用于簡單的建筑模型。城市軌道交通車站交通組織優(yōu)化仿真的對象通常涉及到站內(nèi)的建筑設施布置，同時需要模擬出不同環(huán)境下站內(nèi)人員流動的流線問題，根據(jù)動態(tài)流向最終確定站內(nèi)的疏散過程，在交通流動態(tài)仿真中更接近現(xiàn)實世界地去描述旅客的行為特征，是一種處理城市軌道交通車站人員流線組織優(yōu)化的辦法。

1.2 MassMotion仿真平臺特點分析

MassMotion是一種基于代理的高級行人模擬和人群分析軟件，具有強大的統(tǒng)計分析功能和離散事件仿真功能，應用范圍非常廣泛。

MassMotion中使用的3D環(huán)境可以在軟件中直接創(chuàng)建或者從行業(yè)標準CAD和BIM工具導入，再在scene里建筑內(nèi)部環(huán)境，通過設置組件的屬性，可以使它們達到與仿真對象在真實場景中所具有的功能。使用activities中的事件發(fā)生工具，輸入根據(jù)計劃時間在其位置中的每個活動區(qū)域隨機生成的旅客代理的數(shù)量，可以執(zhí)行建筑元素和活動之間的關聯(lián)過程。

1.3 仿真建模步驟

MassMotion項目的建模過程主要有三個階段：創(chuàng)建場景和代理、運行模型和數(shù)據(jù)分析。其仿真實現(xiàn)流程。

2 軌道車站交通組織優(yōu)化方法

軌道車站的交通組織優(yōu)化需要從整體線網(wǎng)與車站設施布局的角度分析，并通過改進站內(nèi)流線布局與站外路線調(diào)度等交通組織方式措施來增加軌道車站通行能力，以改善組織秩序。

交通優(yōu)化方案和交通措施的制定主要通過模擬仿真以說明方案的必要性、可行性和有效性?；镜膬?yōu)化方法有以下幾種：

2.1 交通分離組織優(yōu)化

軌道站內(nèi)有不同種類、不同流向的交通流混合在一起，易產(chǎn)生交叉沖突。主要通過空間分離和時間分離處理人流沖突。

2.1.1 空間分離

通過對行人流線組織的優(yōu)化，減少交通流的交叉沖突。常見的方法是設置導向線、導流欄桿等。

2.1.2 時間分離

軌道站的時間分離主要靠列車到發(fā)時間的安排，將不同人流的行動時間錯開?？梢酝ㄟ^編排更加合理的列車到發(fā)時刻表等實現(xiàn)。

2.2 交通信息組織優(yōu)化

交通信息的基本要求是及時、有效、準確和全面。需要對軌道站的引導標志進行優(yōu)化，使其更加準確、全面。

2.3 潮汐交通組織優(yōu)化

潮汐交通組織，是指在不同的時間段變換某些路段的流線方向和流線種類。需要對現(xiàn)狀客流、交通組織方式進行分析，找到更合理的潮汐交通組織。

3 現(xiàn)狀分析

3.1 重慶軌道交通兩路口站概況

兩路口站位于重慶市渝中區(qū)兩路口長江一路、中山三路交匯處，北接兩路口環(huán)道，南鄰菜園壩大橋、菜園壩火車站。該站于2011年7月28日投入使用，是重慶地鐵1號線，重慶單軌3號線的一座重要換乘車站，同時也是重慶軌道交通日均換乘客流量最大的車站。

車站共有三層，負一層為站廳層，乘客在此完成購票、安檢、進出站;負二層為地鐵1號線的站臺層，負三層為單軌3號線的站臺層，站臺類型均為島式站臺，主要功能是完成乘客上下車作業(yè)。

3.2 兩路口站現(xiàn)狀流線分析

兩路口站乘客流線可以分為三類：進站流線、出站流線和換乘流線。

3.3 兩路口站基礎數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)狀調(diào)查的主要內(nèi)容是站廳站臺層的物理參數(shù)，以及主要設施設備的位置和數(shù)量，還有進出站、換乘的乘客流量、乘客流線等。

3.3.1 站廳站臺層的物理參數(shù)

現(xiàn)場測得了站廳站臺層的長度和寬度、三個樓層之間的高度及主要設施設備的位置和數(shù)量。

3.3.2 晚高峰小時客流量

調(diào)查車站晚高峰小時的客流量主要是為構建行人事件時設置不同流線和不同區(qū)域的“agent total”提供依據(jù)。高峰小時客流量大小決定了站臺最大的客流量承載能力，研究此環(huán)境下的客流量能夠為最復雜的組織流線優(yōu)化提供重要的依據(jù)。詳細數(shù)據(jù)見表3.1。

3.3.3 列車到發(fā)時間

為設置“vehicle”對象里的車門開閉時間，需調(diào)查各站臺各方向的列車到發(fā)時刻，以此來控制乘客的上下車行為。根據(jù)調(diào)查得出，乘客的安檢比例為70%，購票比例為20%。乘客在車站的平均走行速度約為1.45 m/s。

4 仿真模型建立

4.1 現(xiàn)狀交通組織仿真建模

在進行車站優(yōu)化方案前需用MassMotion軟件運行出當前狀況下兩路口站的交通組織效果，通過環(huán)境建模、創(chuàng)建行人事件、創(chuàng)建車輛事件以及對應的參數(shù)設置，分別得到兩路口站仿真開始后0 s、2 min、30 min現(xiàn)狀交通組織仿真結果如下：

通過分析兩路口站的現(xiàn)狀仿真結果可知，站廳層北側通往3號線站臺的樓梯口存在進出流線交叉，引起小面積擁堵;南側樓梯口的大部分乘客會選擇最短路徑導致南北側樓梯口客流分布不均。具體表現(xiàn)為3號線站臺左側樓梯平均密度小于右側，同時右側樓梯口的流線交叉復雜，擁堵情況嚴重。1號線站臺的中間樓梯處人流過于集中，形成了站內(nèi)的交通擁堵。

4.2 優(yōu)化建模

現(xiàn)針對以上問題，基于站內(nèi)交通組織的空間分離、潮汐交通組織等優(yōu)化原則和優(yōu)化方法，首先對旅客的邏輯流線進行設置，設置好行人邏輯流線圖后，對兩路口站的站臺站廳作出如下優(yōu)化方案：

4.2.1 站廳層

北側樓梯處的導流欄桿增長至梯口處，完全隔離進出客流。西側樓梯處的導流欄桿向東延長數(shù)米，南側樓梯處增設導流欄桿，提高乘客前往北側樓梯處的通行難度，以此引導乘客由西側樓梯前往3號線站臺。

4.2.2 1號線站臺

在中間樓梯處增設長短不一的兩個導流欄桿，實現(xiàn)進出站臺的客流和從西側換乘通道前往東側車門的客流與出站臺客流的分離;將中間樓梯設為高峰時期僅上行。右側樓梯處增設兩個導流欄桿。

4.2.3 3號線站臺

右側樓梯處增設“L”形導流欄桿，將扶梯全部設為在高峰時期僅上行。

4.3 效果評價

4.3.1 站廳層優(yōu)化

由圖4.6可以發(fā)現(xiàn)，增長北側和西側樓梯處的導流欄桿，在南側樓梯處增設導流欄桿后，不僅分離了進出客流，還使西、北側樓梯的人流分布均勻。

4.3.2 1號線與3號線站臺優(yōu)化

由圖4.7可知，1號線站臺兩樓梯口處增加導流欄桿后，流線交叉減少，出站臺的速率提高，交通擁堵情況得到進一步緩解;3號線站臺右側樓梯處的進站臺區(qū)域部分客流導向了左側樓梯通道;出站臺區(qū)域由于增設了導流欄桿，減少了乘客沖突。

5 總結與改進

本文以重慶軌道交通具有代表性的換乘站點兩路口站為研究對象，通過實地調(diào)查數(shù)據(jù)，利用MassMotion仿真軟件模擬了兩路口站的物理設施和乘客運行動態(tài)，依據(jù)平均密度等指標評價交通組織現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)車站存在的問題，提出優(yōu)化方案，并分析優(yōu)化前后的交通組織，發(fā)現(xiàn)MassMotion仿真軟件能較好地實現(xiàn)微觀行人運動的模擬，建立的模型能夠推廣到其它對應的換乘車站中，為軌道集團提供有效的車站流線組織優(yōu)化方案。

但根據(jù)實際情況可知，旅客的換乘路徑往往是不一致的，站內(nèi)的流線還對乘客的心理進行摸查，并結合旅客的便捷性、準時性等影響站內(nèi)路徑選擇行為的心理因素，從中建立乘客的路徑選擇模型，在MassMotion仿真軟件中設置好對應的選擇參數(shù)。同時本文僅研究了工作日晚高峰小時段車站的仿真模擬情況，具有一定的局限性，應當分析工作日一整天的三個高峰時段：早高峰時段（07： 30-08： 30）、午高峰時段 （12： 30-13： 30）及晚高峰時段（18： 30-19： 30）客流量的值，根據(jù)最高峰時段的客流量制定相應的仿真模型與優(yōu)化方案。希望以上提出的問題在接下來的研究中得以完善。

參考文獻：

[1]陳堅.城市軌道交通概論[M].長沙：中南大學出版社，2014.

[2]周楠，殷守革.基于時間序列的軌道交通客流動態(tài)分配仿真[J].計算機仿真，2020，37（1）：105-108+238.

[3]陳慧，汪波，朱江斌.基于系統(tǒng)動力學的城市軌道交通車站客流控制仿真與優(yōu)化[J].大連交通大學學報，2020，41（5）：1-7.

[4]傅志妍，陳堅，李武，等.城市軌道交通車站乘客聚散行為仿真及優(yōu)化[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2018（2）：100-104+ 110.

[5]李景瑞.基于LEGION仿真技術的城市軌道交通換乘車站大客流疏運組織研究[D].華北科技學院，2020.

[6]高龍，繆立新，徐忠平，等.城市軌道交通車站站臺客流集散模型與仿真[J].城市軌道交通研究，2019，22（12）：105-109+113.

[7]Marin Dubroca-Voisina，Bachar Kabalana，F(xiàn)abien Leurent.On pedestrian traffic management in railway stations：simulation needs and model assessment[J]. Transportation Research Procedia，2019（37）：3-10.