乘客停留時(shí)間變化對(duì)地鐵車站空調(diào)負(fù)荷影響分析

徐國強(qiáng) 王冠 張童

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

目前，乘客停留時(shí)間的研究方法主要有實(shí)地調(diào)研，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析和行人仿真模擬等，實(shí)地調(diào)研方法[1]的適用性較強(qiáng)，但公式中的參數(shù)選取較為復(fù)雜，所需工作量較大。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析[2]利用客流數(shù)據(jù)，結(jié)果精度較高，但其難以得到站內(nèi)各區(qū)域的負(fù)荷?？土鞣抡娣椒╗3]是通過模擬乘客在站內(nèi)的走行過程獲得其停留時(shí)間。隨著行人仿真模型研究的不斷深入以及計(jì)算機(jī)性能的提高，此方法更為準(zhǔn)確和便捷。因此本研究通過行人仿真獲得動(dòng)態(tài)乘客停留時(shí)間，并與基于傳統(tǒng)靜態(tài)乘客停留時(shí)間的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，探究動(dòng)態(tài)乘客停留時(shí)間對(duì)負(fù)荷結(jié)果精度的影響。

1 乘客在站停留時(shí)間分析

1.1 行人運(yùn)動(dòng)物理模型建立

行人的運(yùn)動(dòng)行為復(fù)雜且隨意，受個(gè)人的年齡、性別、攜帶行李情況等自身因素和車站的結(jié)構(gòu)、站內(nèi)設(shè)施及布置方式等環(huán)境因素影響?？赏ㄟ^設(shè)定行人運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力或?qū)⑦\(yùn)動(dòng)區(qū)域劃分成有限網(wǎng)格等方式對(duì)人的活動(dòng)進(jìn)行模擬。其中社會(huì)力模型[4]是假設(shè)人與人、墻體間的斥力，人與目標(biāo)的引力的合力共同作用促使行人產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。該模型在行人交通中能較好地展現(xiàn)行人的自組織、超越、擁擠聚集和避讓等行為，能較好的展現(xiàn)乘客的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此選擇基于社會(huì)力模型原理的仿真軟件AnyLogic[5]，通過其內(nèi)置的行人庫和智能體模塊建立模型，模擬乘客在站內(nèi)的走行過程。

行人模擬時(shí)，先在軟件中搭建一個(gè)與實(shí)際地鐵車站相同尺寸的空間，用于指定行人的運(yùn)動(dòng)范圍以及各服務(wù)設(shè)施的位置。地鐵車站的類型多樣，但對(duì)于島式車站，其設(shè)施的布置方式大體相同，且在國內(nèi)應(yīng)用較多。因此，選擇西安地鐵2 號(hào)線某島式車站為研究對(duì)象，其周邊建筑發(fā)展較為成熟，客流量較為穩(wěn)定且平時(shí)不會(huì)出現(xiàn)較為擁擠的現(xiàn)象，便于現(xiàn)場實(shí)測(cè)。根據(jù)其平面圖紙，在軟件中建立的安檢機(jī)，閘機(jī)，樓梯和扶梯等服務(wù)設(shè)施，地鐵站模型如圖1 所示。

圖1 Anylogic 地鐵站三維模型圖

然后，根據(jù)乘客的在站內(nèi)的活動(dòng)流程，如圖2 所示，建立行人運(yùn)動(dòng)邏輯流程圖?？土鬟\(yùn)動(dòng)狀態(tài)通過軟件內(nèi)置的模塊組成。利用“Event”和“參數(shù)”控件對(duì)列車發(fā)車時(shí)間和乘客年齡，性別等進(jìn)行設(shè)定，利用Java 語言[6]實(shí)現(xiàn)乘客上、下車等情景。

圖2 進(jìn)出站乘客運(yùn)動(dòng)流程圖

1.2 軟件輸入?yún)?shù)設(shè)置

根據(jù)車站實(shí)地調(diào)研的結(jié)果及相關(guān)文獻(xiàn)的整理，對(duì)模擬中人員的舒適速度，服務(wù)設(shè)施的服務(wù)時(shí)間以及服務(wù)的人員類型等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。人員舒適速度是指人員在不受阻礙時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度。受到乘客的性別，年齡，負(fù)重情況的影響。乘客攜帶行李狀況決定行人身體尺寸大小。根據(jù)相關(guān)研究[7]，將乘客速度分為0.9 m/s 和1.2 m/s 兩類，且假設(shè)人數(shù)比例為1:1。站內(nèi)攜帶與非攜帶乘客的比例約為7:3，乘客身體直徑分別取為0.4 和0.6 m。乘客在閘機(jī)的等待時(shí)間受到刷卡方式等的影響。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)一般使用乘車碼的乘客等待時(shí)間較使用磁卡的長，且易出現(xiàn)操作不當(dāng)?shù)葐栴}。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[8]，確定閘機(jī)服務(wù)時(shí)間服從0.5～1 s 的均勻概率分布。站內(nèi)安檢設(shè)施有行李和行人安檢機(jī)，乘客通過兩者的等待時(shí)間不同，行人和行李安檢機(jī)的服務(wù)時(shí)間分別服從三角和均勻概率分布。該站樓梯為雙向混合行走模式，扶梯為上行模式，通過調(diào)研，在客流高峰時(shí)段，較為著急的乘客會(huì)選擇樓梯出站，且行走速度和自動(dòng)扶梯相當(dāng)。本研究中行人在樓扶梯的行走速度取值為0.65 m/s。

為了避免出站客流聚集，一般正反向列車不會(huì)同時(shí)到站。模擬時(shí)假設(shè)正反向列車交替到站且所有在站臺(tái)等候的乘客都能上車。模擬時(shí)不考慮乘客購票（乘車碼的普及）、購物、原路返回等特殊行為。

2 空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

將模擬得到的乘客停留時(shí)間參數(shù)用于車站空調(diào)負(fù)荷的計(jì)算。站內(nèi)空調(diào)負(fù)荷的主要有圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷，設(shè)備負(fù)荷，滲透風(fēng)負(fù)荷和人員負(fù)荷。其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要有土壤，排熱風(fēng)道和屏蔽門，這部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)受室外輻射等氣象參數(shù)影響較少，且在車站運(yùn)營前期主要表現(xiàn)為逆向傳熱[9]，所以這里不做考慮。屏蔽門開啟漏風(fēng)量取值為每輛列車30 m3/h，屏蔽門關(guān)閉時(shí)滲透風(fēng)量為屏蔽門開啟時(shí)的7%[10]。隧道空氣溫度采用相關(guān)學(xué)者對(duì)西安地鐵隧道環(huán)境的測(cè)量結(jié)果28 ℃[11]進(jìn)行計(jì)算。出入口滲透風(fēng)量取平均值6.25 m3/s[12]。新風(fēng)負(fù)荷的新風(fēng)量依據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[13]取每人12.6 m3/h。人員負(fù)荷按照人體的散熱標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

地鐵車站屬于過渡區(qū)間，所以室內(nèi)目標(biāo)溫度值的確定方式應(yīng)與辦公類建筑不同。本研究室內(nèi)目標(biāo)溫度采用動(dòng)態(tài)相對(duì)熱指標(biāo)（RWI）法進(jìn)行計(jì)算[14]，RWI 主要用于過渡區(qū)域的熱環(huán)境的評(píng)價(jià)，基于此方法下，站內(nèi)溫度隨室外溫度變化而變化，更為合理。

空調(diào)負(fù)荷計(jì)算所需的室外氣象參數(shù)主要通過中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)站獲得，選用陜西涇河氣象站的地面逐時(shí)氣象資料。站內(nèi)客流變化以及發(fā)車間隔參數(shù)通過對(duì)西安某地鐵站的某工作日客流進(jìn)行實(shí)地調(diào)研獲得。在站臺(tái)樓梯處，通過拍照與錄像的方式記錄6 min 內(nèi)的上、下樓梯客流量作為1 h 時(shí)間段內(nèi)的平均客流量（假設(shè)兩側(cè)樓梯的客流量相同），記錄每趟列車的發(fā)車間隔以及在站停留時(shí)間。如表1 所示。

表1 夏季某日地鐵站室外氣象及客流量參數(shù)

3 結(jié)果分析

對(duì)各時(shí)段下，乘客在站內(nèi)的走行狀況進(jìn)行模擬，部分工況如圖3 所示，進(jìn)出站乘客按照?qǐng)D2 所示流線分布。

圖3 17 點(diǎn)時(shí)刻乘客在站內(nèi)的走行狀態(tài)

對(duì)各時(shí)段乘客在站停留時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2 所示，τa1和τb1分別為進(jìn)站乘客在站廳和站臺(tái)停留時(shí)間，τa2和τb2分別為出站乘客在站廳和站臺(tái)停留時(shí)間。

表2 夏季某工作日測(cè)試車站客流量調(diào)研結(jié)果

由表2 可見，隨客流的變化，進(jìn)站乘客在站廳的停留時(shí)間在60-680 s 之間。這主要是因?yàn)榭土髁吭龃髸r(shí)乘客在安檢機(jī)處的排隊(duì)等待時(shí)間較長。進(jìn)站乘客在站臺(tái)停留時(shí)間主要受列車發(fā)車間隔影響在75-180 s 之間變化。當(dāng)客流量減小時(shí)，列車發(fā)車間隔變長，乘客走行受其他乘客影響較小，走行速度較快，在站停留時(shí)間也越接近發(fā)車間隔。出站乘客在站臺(tái)和站廳的停留時(shí)間隨客流量的變化范圍相對(duì)較小。這是由于乘客出站時(shí)，只在扶梯處出現(xiàn)短暫的無規(guī)則擁擠聚集現(xiàn)象。

4 地鐵站空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果對(duì)比

對(duì)基于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)乘客停留時(shí)間的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。其中靜態(tài)乘客在站停留時(shí)間的取值為：進(jìn)站乘客在站廳和站臺(tái)的停留時(shí)間分別為3 min 和2 min、出站乘客在站廳和站臺(tái)停留時(shí)間均為1 min[15]。動(dòng)態(tài)乘客在站停留時(shí)間采用前面行人模擬得到。計(jì)算得到兩者站廳和站臺(tái)的空調(diào)冷負(fù)荷結(jié)果繪制具體如圖4 所示。

圖4 站內(nèi)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

由圖4（a）可見，基于動(dòng)態(tài)乘客停留時(shí)間的站廳層空調(diào)負(fù)荷波動(dòng)性更強(qiáng)。最大負(fù)荷差值發(fā)生在客流高峰時(shí)刻，差值達(dá)到96.1 kW，相對(duì)差值為29.97%，在客流平峰時(shí)刻兩者負(fù)荷差距較小。主要因?yàn)樵诳土鬏^大的時(shí)間段，乘客在站停留時(shí)間較長導(dǎo)致負(fù)荷更大。這是因?yàn)檫M(jìn)站乘客在站廳停留的時(shí)間受到客流量的影響較大。這是由于進(jìn)站乘客站臺(tái)乘客的停留時(shí)間主要受到列車發(fā)車間隔的影響，且當(dāng)客流量較大時(shí)列車發(fā)車班次增加，發(fā)車間隔減小，進(jìn)站乘客在站臺(tái)的等待時(shí)間縮短，計(jì)算空調(diào)人數(shù)的增幅較緩。人員負(fù)荷的波動(dòng)不明顯。

由圖4（b）可見，由于靜態(tài)的乘客停留時(shí)間估計(jì)較大，因此基于靜態(tài)的乘客停留時(shí)間的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果較大。隨著客流量增加，列車發(fā)車間隔縮短，導(dǎo)致乘客在站臺(tái)停留時(shí)間減小。站臺(tái)空調(diào)負(fù)荷波動(dòng)反而較為平緩。最大負(fù)荷差值也發(fā)生在晚高峰時(shí)刻，差值為-14.5 kW，相對(duì)差值為-11.16%，相對(duì)站廳較小。

5 結(jié)論與展望

本文通過對(duì)西安某地鐵站乘客運(yùn)動(dòng)行為的調(diào)研和模擬得到在不同客流量及列車發(fā)車班次情況下的乘客在站停留時(shí)間。結(jié)果表明，隨著進(jìn)站客流量的增多，乘客在安檢設(shè)施處的排隊(duì)時(shí)間增加，導(dǎo)致進(jìn)站乘客在站臺(tái)停留時(shí)間在1 min 到10 min 之間變化。隨著發(fā)車間隔減小，乘客在站臺(tái)的停留時(shí)間縮短，在6 min到2 min 之間變化。出站乘客走行阻礙較弱，停留時(shí)間隨客流量的變化較小。

對(duì)比基于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的乘客在站停留時(shí)間的空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果表明，基于動(dòng)態(tài)乘客在站停留時(shí)間的站廳空調(diào)負(fù)荷波動(dòng)性較強(qiáng)，最大負(fù)荷差值達(dá)到96.1 kW，相對(duì)差值達(dá)到29.97%。站臺(tái)層負(fù)荷波動(dòng)較為平緩，最大負(fù)荷差值為-14.5 kW，相對(duì)差值為-11.16%。建議當(dāng)對(duì)地鐵車站空調(diào)負(fù)荷結(jié)果精度要求較高時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用基于動(dòng)態(tài)的乘客停留時(shí)間的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。