長沙地鐵萬家麗廣場站廳仿真及客流優(yōu)化研究

謝建平，楊坤，張譯顥，張海峰，謝宜斌

(1.中南大學(xué)，交通運輸工程學(xué)院，長沙410075；2.長沙市軌道交通集團有限公司，長沙410000)

0 引言

城市軌道交通設(shè)備設(shè)施是影響大客流的關(guān)鍵因素，國內(nèi)外學(xué)者對此做了很多研究，文獻[1]基于客流特征的城市軌道交通對車站閘機配置方案進行研究，根據(jù)車站客流量，給出進站、出站、雙向閘機數(shù)量配置要點。文獻[2]等針對閘機的布置，測算實際通過能力，比較不同布局下乘客行走時間、距離等指標，給出優(yōu)化布局方案，解決檢票閘機對客流的制約問題。文獻[3]利用攝像機逐幀回放的方法統(tǒng)計分析地鐵檢票閘機處乘客屬性，結(jié)合統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息計算檢票閘機通過能力。也有學(xué)者認為閘機位置的不合理布局會導(dǎo)致乘客在閘機前擁堵，影響乘車的集散效率[4-6]。站內(nèi)常規(guī)設(shè)施布局除了直接影響行人流線效率，也會通過與車站物理結(jié)構(gòu)間接影響行人走行效率。文獻[7]基于社會力模型對行人在地鐵車站通道走行效率進行模擬，認為當通道拐角角度小于120°時，行人走行速度會受到影響，建議在車站通道加裝指示牌或者隔欄使乘客有序走行，以提高行人在車站通道的走行效率。針對換乘站，文獻[8-9]提出多線換乘應(yīng)預(yù)留充足空間以便于未來客流組織。文獻[10-11]表明，合理優(yōu)化樞紐設(shè)施布局，可提高車站面積利用率，減少客流交叉，最終提高乘客在站走行效率。

上述文獻僅在車站設(shè)計初期，依據(jù)車站規(guī)模、設(shè)施的相互影響進行研究和布局，對在計劃中的車站建設(shè)具有指導(dǎo)意義。但是作為已經(jīng)開通運營的換乘車站，在建筑面積已經(jīng)固定的情況下，大面積進行重新改變布置存在一定難度，只能綜合已有研究成果，根據(jù)實際的站型內(nèi)既有設(shè)備設(shè)施的布局進行微小調(diào)整，并結(jié)合客流組織方案，達到減少乘客站內(nèi)沖突點，縮減乘客在站時間的目的。本文以長沙市軌道交通2、5 號線換乘站萬家麗廣場站為實際案例，基于設(shè)計初期和近期客流預(yù)測結(jié)果，對客流進行仿真模擬，找出車站的客流瓶頸所在，對比不同方案，得到優(yōu)化解決方案，為未來客流組織方案提供依據(jù)。

1 萬家麗站仿真建模

1.1 現(xiàn)狀問題分析

長沙市軌道2 號線車站于2014年4月29日開通，萬家麗廣場站為2 號線的第17 個車站，同時也是5號線與2號線十字換乘車站，共地下三層站，分別為站廳層(地下一層)、2號線站臺層(地下二層)、5號線站臺層(地下三層)。圖1為萬家麗廣場站站廳層現(xiàn)階段設(shè)施布局圖，南北方向為5 號線走向，東西方向為2號線走向。根據(jù)現(xiàn)階段實際運營情況，萬家麗廣場站2、5號線進站閘機、安檢設(shè)備位置以及2號線進站扶梯和出站扶梯的位置，很大程度上制約了站廳層的換乘能力；加之近期客流持續(xù)增長，對未來運營組織、導(dǎo)向指引等會帶來很大隱患，因此優(yōu)化2、5號線站廳層的進出站流線、換乘流線尤為迫切。

圖1 站廳層設(shè)施布局原方案Fig.1 Original facility layout of station hall

有鑒于此，從萬家麗廣場站的實際站型出發(fā)，采用“BIM模型+仿真”的方法提出優(yōu)化站廳層設(shè)備布局的方案，使客流組織方案與站內(nèi)空間布局相協(xié)調(diào)，減少乘客站內(nèi)沖突點、縮減乘客在站時間。

1.2 行人源參數(shù)設(shè)置

采用MassMotion 軟件進行仿真模擬，可實現(xiàn)在BIM 模型框架下最大程度還原車站物理結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)行人走行偏好行為規(guī)劃。

行人源參數(shù)設(shè)置主要包括乘客到達率、乘客走行速度兩個方面。乘客到達率指單位時間內(nèi)到達的乘客數(shù)量，結(jié)合實際調(diào)研結(jié)果、長沙市城市整體發(fā)展規(guī)劃和預(yù)測客流對車站各組閘機乘客到達率做相應(yīng)設(shè)置，1、4、6 號閘機進站客流到達率近初期分別如表1所示。

表1 閘機到達率Table 1 Arriving rate of entrance gate

乘客走行速度指在車站內(nèi)平均走行速度，參考實際調(diào)研結(jié)果，具體取值滿足下限0.7 m·s-1、上限1.8 m·s-1，均值1.25 m·s-1，方差0.2的截斷正態(tài)分布。

2 萬家麗站客流分析

萬家麗廣場位于長沙市市中心偏東，西邊距長沙火車站直線距離約1.6 km，南邊距芙蓉區(qū)政府直線距離約700 m，周圍有萬家麗國際購物廣場、萬家麗家具建材廣場等重要建筑，是重要的客流吸引源。結(jié)合車站歷史客流數(shù)據(jù)、初期(2023年)、近期(2030年)線網(wǎng)、車站規(guī)劃和長沙市城市整體發(fā)展規(guī)劃換乘客流預(yù)測數(shù)據(jù)如表2所示。初期2號線進出站客流為5號線進出站客流的7.408倍，近期2號線進站客流僅比出站客流多129 人次，相比于初期1160人次更小，意味2號線出站客流矛盾進一步增大，尋求2號線進出站客流之間的平衡至關(guān)重要。

表2 進出站客流預(yù)測Table 2 Passenger flow forecast

由表3可知，近期換乘客流猛增，5號線上行換2號線的客流、2號線上行換5號線的客流均為初期的1.9倍，運營單位需要在有限的空間內(nèi)、快速疏散客流，這將給未來運營組織、導(dǎo)向指引帶來巨大壓力。同時，2號線總體客流量比5號線高出幾倍，說明換乘客流與進出站客流之間的矛盾主要集中在2號線。

表3 換乘客流預(yù)測Table 3 Forecast results of transfer passenger

3 萬家麗廣場站客流仿真分析及改進

3.1 萬家麗廣場現(xiàn)狀初、近期仿真分析

初期，假設(shè)列車到站間隔為3 min；近期，列車到站間隔為2 min?；诔跗?、近期的客流預(yù)測數(shù)據(jù)，對原方案進行客流仿真，得到結(jié)果如下。

(1)初期

在原設(shè)計方案下，當客流較大時，在2 號線站廳層和站臺層扶梯進站處出站客流稍微出現(xiàn)客流擁堵，如圖2所示，客流主要集中在2號線進出站樓扶梯位置，同時影響到1號組閘機的進站。

圖2 初期站廳原方案仿真結(jié)果Fig.2 Simulation result of original station hall in early stage

(2)近期

隨著客流量增加，如圖3所示，2號線站廳層進出站客流擁擠情況加劇，客流擁堵影響主要集中在進出站的樓扶梯和1、3、4 號閘機組位置；同時5 號線進出站樓扶梯的進站處也形成客流擁堵，出站通道不能滿足乘客出站，在站廳形成客流積壓，且隨著時間的推移越積越多，導(dǎo)致整個站廳擁堵。因此，采取有效措施解決擁堵情況成為焦點。

圖3 近期站廳原方案仿真結(jié)果Fig.3 Simulation result of original station hall during recent period

3.2 萬家麗廣場改進措施及結(jié)果分析

可以采取以下幾點措施改變站廳層的擁堵情況：①改變閘機的進出站方式，如采取雙向進出站閘機等；②增加站廳面積；③步行樓梯設(shè)計成上下雙行樓梯等。但萬家麗廣場站為已建成車站，目前使用的閘機為單向舊閘機，考慮成本和時間問題，無法完成雙向閘機改造；如圖4所示，步梯在原設(shè)計中僅為1.2 m寬，除去扶手等空間寬約1 m，中間無法通過鐵馬護欄等方式隔開進出站行人，只能采取人為組織客流引導(dǎo)的方式改變進出站方式。鑒于擴大站廳存在局限性，根據(jù)現(xiàn)場情況考慮改變5、6號組閘機進出方式，以減少客流沖突。

圖4 萬家麗地鐵站扶梯現(xiàn)狀Fig.4 Optimized facility layout of station hall

提出如下優(yōu)化設(shè)計方案：

(1)南側(cè)5 號線樓扶梯的進出站由原來的2 進站1 出站，改為2 出站1 進站模式，將閘機、安檢機位置重新布局，即5 號閘機組和6 號閘機組位置互換，使客流進出站位置調(diào)換，減少1 號閘機進站客流與原5號閘機出站客流的沖突。

(2)將東側(cè)2 號線樓扶梯的進出站由原來的2進站1出站，改為2出站1進站模式，對上下兩側(cè)進出站閘機的方向進行調(diào)換，即3 號閘機組和4 號閘機組位置互換。具體變化如圖5所示。由于2號線扶梯寬度小，將其由進站改為出站方式，通過人為引導(dǎo)，增加標識的方式解決。

圖5 站廳層設(shè)施布局優(yōu)化方案Fig.5 Optimized facility layout of station hall

采用MassMotion 軟件對優(yōu)化方案進行仿真模擬，結(jié)果顯示：

(1)根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果，初期優(yōu)化方案中站廳層的擁堵情況改善明顯，未形成客流擁堵情況。說明調(diào)換2 號線進站扶梯和出站扶梯的位置和方向，可以有效改善2 號線方向擁堵情況，具體如圖6所示。

圖6 初期站廳優(yōu)化方案仿真結(jié)果Fig.6 Simulation result of optimized station hall in early stage

對比原方案和優(yōu)化方案的客流平均進出站時間，結(jié)果如表4所示。可以看出5號線、2號線方向：進站乘客從驗票道離開的平均時間分別縮短了0.21 min，0.39 min；出站乘客耗時分別縮短了0.26 min，0.28 min。說明優(yōu)化設(shè)計方案有效地縮減了乘客在站時間，且改善效果顯著。

表4 乘客進出站平均時間(初期)Table 4 Average time of passengers entering and leaving station(early stage)

(2)近期

相較于原方案，更換2號線進站扶梯和出站扶梯的位置，有效減少了進站客流與出站客流之間的流線沖突，方便了2號線出站客流的走行。優(yōu)化方案中進出站位置的擁堵現(xiàn)象明顯減輕，具體如圖7所示?？梢钥闯?，閘機進出方向的變化對站廳層客流疏解可以起到一定的改善作用。

圖7 近期站廳優(yōu)化方案仿真結(jié)果Fig.7 Simulation result of optimized station hall during recent period

對比客流平均進出站時間，近期優(yōu)化方案的通過能力明顯優(yōu)于原方案，結(jié)果如表5所示。可以看出5號線、2號線方向：進站乘客從驗票道離開的平均時間分別縮短了0.2 min，0.22 min；出站乘客耗時分別縮短了0.31 min，1.19 min。雖然優(yōu)化方案沒有辦法完全解決進出站擁堵情況，但是在很大程度上降低了擁堵程度，縮短了乘客擁堵時間。

表5 乘客進出站平均時間(近期)Table 5 Average time of passengers entering and leaving station(recent period)

3.3 理論計算與仿真模擬差異比較

為進一步驗證仿真結(jié)果的有效性，還原乘客在車站內(nèi)走行全過程，以分析外界因素對乘客走行影響程度，期望總結(jié)得到外界因素與客流集散規(guī)律，因此需區(qū)分仿真模擬與理論計算的差異。

表4和表5中提到的乘客“從驗票到離開”進站全過程包含檢票閘機通過、站內(nèi)走行、站臺等待。建立乘客站內(nèi)走行全過程理論模型為

式中：tin為進站總時間；tout為出站總時間；t1為檢票閘機等待時間，該過程假設(shè)乘客到達滿足泊松分布，閘機服務(wù)時間滿足負指數(shù)分布；λ為乘客到達率；μ為閘機服務(wù)時間；ρ為閘機服務(wù)強度；n為顧客數(shù)，C為閘機數(shù)量；P0為無人使用閘機的概率；t2為乘客站內(nèi)走行時間；L為乘客走行距離；vˉ為乘客走行平均速度；t3為乘客站臺平均等待時間；h為列車發(fā)車間隔。

理論與仿真結(jié)果如表6所示。

表6 理論與仿真結(jié)果對比Table 6 Comparison of theoretical results and simulation results

鑒于近期列車發(fā)車頻率較初期發(fā)車頻率更大，因此近期“從驗票到離開理論平均時間”均比初期的更?。粺o論初期還是近期，“從驗票到離開仿真平均時間”均比“從驗票到離開理論平均時間”更大，原因在于理論計算過程中未考慮行人之間的相互影響，而仿真軟件考慮了行人間的相互影響。結(jié)合近、初期進站客流量，得到進站客流量與行人走行時間增加量關(guān)系，如圖8所示。可知，不同進站客流量對行人走行時間增加的影響程度不同，且有兩個極值點。進站客流量從500 人次·h-1增加到1000人次·h-1時，進站客流量對行人走行時間增加的影響程度呈正相關(guān)，可解釋為客流量的增加提高了行人在站內(nèi)的尋路成本，故延長了行人走行時間；隨著進站客流量從1000 人次·h-1增加到6000 人次·h-1，進站客流量對行人走行時間增加的影響呈負相關(guān)，可解釋為隨著客流量的增加，可以在站內(nèi)形成穩(wěn)定的行人流，行人的追隨行為可在一定程度上降低行人走行時間的增加量；隨著進站客流量從6000 人次·h-1增加到7000 人次·h-1時，進站客流量對行人走行時間增加的影響程度呈正相關(guān)，可解釋為由于車站面積的限制，激增的客流量降低了行人走行自由流的流速，一定程度上增加了行人走行的延誤時間。

圖8 進站客流量與行人走行時間增加量關(guān)系Fig.8 Relationship between inbound passenger volume and passenger's walking time increment

4 結(jié)論

本文基于萬家麗廣場站的客流數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場實際環(huán)境，提出一種減少乘客擁堵的方案，并采用MassMotion 軟件進行仿真模擬，仿真實驗結(jié)果進一步驗證了參考文獻中“不同站建筑結(jié)構(gòu)不同、各關(guān)鍵設(shè)備布置位置不同會對客流走向產(chǎn)生較大影響”的說法。同時表明優(yōu)化方案通過調(diào)換2號線進站扶梯和出站扶梯的位置，可以減少進站客流與出站客流之間的流線沖突，使得大部分2號線出站客流不與2號線的進站客流產(chǎn)生交織，大大減少了沖突點數(shù)量，提高了2號線出站客流的走行效率。在對比理論結(jié)果和仿真結(jié)果之后發(fā)現(xiàn)，進站客流量對增加乘客站內(nèi)走行時間有一定影響，表現(xiàn)為進站客流量對增加乘客站內(nèi)走行時間的增加呈現(xiàn)先增后減再增的規(guī)律，且以進站客流量1000 人次·h-1和6000人次·h-1為兩個極點，該結(jié)果可為未來進站走行時間預(yù)估提供一定的理論支撐。