交通樞紐換乘系統(tǒng)有效承載力仿真研究

陳 偉，李宗平

(1.西南交通大學交通運輸與物流學院，四川 成都 611756；2.西南交通大學綜合交通運輸智能化國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川 成都 611756；3.西南交通大學綜合運輸四川省重點實驗室，四川 成都 611756)

1 引言

隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展、城市化水平的不斷提高，我國軌道交通正處于大發(fā)展、大建設(shè)階段，交通樞紐作為大客流集散地，其換乘系統(tǒng)有效承載力研究也逐漸成為規(guī)劃建設(shè)和運營管理的焦點。一旦交通樞紐換乘系統(tǒng)發(fā)生擁堵，不但會影響換乘效率導致客流無法有效疏解，甚至會導致乘客之間發(fā)生推搡、踩踏等沖突事件，對乘客的人身安全產(chǎn)生危害。因此，開展交通樞紐換乘系統(tǒng)有效承載力研究具有重要意義。

陳春安[1]構(gòu)建北京西站樞紐內(nèi)部換乘系統(tǒng)運能匹配系統(tǒng)動力學模型，對換乘系統(tǒng)瓶頸提出改善措施建議。薛霏[2]利用系統(tǒng)動力學建立軌道交通車站客流的演變模型及演變算法，通過實例與仿真軟件legion的仿真結(jié)果進行對比驗證該客流演變算法的可信性。馬語佳[3]利用Anylogic軟件對成都地鐵換站乘效率進行評價，找出效率較為低下的車站并給出相關(guān)建議。陳建宇[4]運用Anylogic軟件對成都北站進行仿真研究，指出了換乘空間布局和設(shè)施設(shè)備能力上的不足，提出了優(yōu)化方案并驗證了方案的可行性。李文新[5]通過改進社會力模型，對成都某城市綜合客運樞紐內(nèi)不同換乘場景下的旅客換乘進行仿真研究。

綜上可以發(fā)現(xiàn)，已有研究成果大多集中在行人活動規(guī)律微觀層面，較少考慮換乘系統(tǒng)各種元素及其之間復雜的關(guān)系和系統(tǒng)動態(tài)變化的規(guī)律。由于高鐵設(shè)施設(shè)備的服務能力遠大于地鐵設(shè)施設(shè)備服務能力，因此本文重點研究高鐵換乘地鐵客流。考慮乘客對服務水平的耐受性要求，結(jié)合樞紐車站攜帶大件行李乘客較多的客流特征，建立客流流動系統(tǒng)動力學模型，并利用Vensim進行仿真，計算車站現(xiàn)有換乘設(shè)施設(shè)備配置數(shù)量與布局結(jié)構(gòu)下的換乘系統(tǒng)客流有效承載力，從而為交通樞紐換乘系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)和運營管理提出合理的建議和依據(jù)。

2 有效承載力定義及計算方法

2.1 有效承載力定義及耐受性分析

承載能力本意是指“某個區(qū)域在一定時期內(nèi)，在確保資源合理開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的條件下，資源環(huán)境能夠承載的人口數(shù)量”。結(jié)合該詞條，對軌道交通車站有效承載力進行如下定義：可通過計算在一定的基礎(chǔ)設(shè)施、固定設(shè)備、移動設(shè)備、人力投入和運輸組織水平下，車站區(qū)域服務水平持續(xù)維持在乘客耐受閾值以內(nèi)，車站在單位時間內(nèi)(小時(h)，天(d))的車站辦理旅客數(shù)。

當乘客在出行過程的耐受感知逼近自身可以承受的極限，生理和心理都會處于崩潰的邊緣，帶來的出行體驗也是極差的。為了評估乘客對客流密度的耐受性，在調(diào)查問卷中使用了實景圖像，對各交通設(shè)施出現(xiàn)的不同乘客密度狀況進行記錄，選取相應的車站設(shè)施場景圖，并進行編號。乘客在接受問卷調(diào)查時，選取最貼合本次出行的場景圖組合，并分別進行耐受性評價。對調(diào)查結(jié)果進行非線性擬合得到乘客耐受性與客流密度的關(guān)系

β=f(ρ)

(1)

式中，β代表當前區(qū)域客流密度(人/m2)，β代表耐受評價值。在數(shù)據(jù)預處理中，本文發(fā)現(xiàn)乘客的耐受感知值一般都位于低于極限值(βc?P(β≤βc)=0.8)的某個區(qū)間范圍內(nèi)。在交通行為理論研究中，大多數(shù)交通行為閾值都設(shè)置在其行為樣本總量的70%～80%之間[6]。本文結(jié)合人體功效學定義，取耐受感知值得累積分布的0.8處(即相應樣本值累積分布的80%處)為耐受閾值βc?P(β≤βc)=0.8

βc?P(β≤βc)=0.8

(2)

將式(2)代入式(1)，可以得到通道內(nèi)乘客耐受感知閾值處的乘客密度為1.21人/m2，同理可以求得站臺和樓梯區(qū)域內(nèi)耐受感知閾值處的乘客密度為1.83人/m2和1.77人/m2。

在得出乘客密度耐受閾值后，利用“密度-速度”關(guān)系式可以求出相應的乘客移動速度值。采用文獻[7]對中國軌道交通乘客進行調(diào)查分析得到的行人“ρ-v”關(guān)系進行計算，如通道區(qū)域內(nèi)乘客的“速度-密度”關(guān)系式為

v=-0.1183ρ3+0.6388ρ2-1.3428ρ+1.5869

(3)

將代入式(3)即可求得通道區(qū)域內(nèi)乘客耐受閾值處的速度取值為0.69 m/s，同理求得樓梯區(qū)域內(nèi)乘客耐受閾值處的上行速度為0.49 m/s，下行速度為0.58 m/s。

2.2 有效承載力計算方法

本文主要針對交通樞紐換乘系統(tǒng)付費區(qū)內(nèi)的軌道交通設(shè)施設(shè)備有效承載力進行建模計算，因此影響客流有效承載力的因素包括乘客、列車、站臺、樓梯、站廳、閘機、通道等。運用系統(tǒng)動力學方法構(gòu)建交通樞紐換乘系統(tǒng)模型，以推演客流在交通樞紐內(nèi)的分布及其動態(tài)變化過程。基于該模型，結(jié)合乘客耐受閾值計算結(jié)果，對交通樞紐換乘系統(tǒng)現(xiàn)狀進行仿真，并通過逐步遞增客流量，監(jiān)測各關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備負荷度的變化情況和是否達到耐受閾值，以明確目前交通樞紐換乘系統(tǒng)產(chǎn)生客流瓶頸位置及有效承載力大小。由此，本文運用系統(tǒng)動力學模型計算交通樞紐換乘系統(tǒng)有效承載力的計算步驟如圖1 所示。

圖1 交通樞紐換乘系統(tǒng)有效承載力計算步驟

3 系統(tǒng)動力學模型構(gòu)建

3.1 系統(tǒng)動力學

系統(tǒng)動力學(System Dynamics，簡寫SD)是基于系統(tǒng)科學和計算機仿真，用于解決動態(tài)復雜系統(tǒng)問題的工具和系統(tǒng)思維方式，也是一門認識系統(tǒng)問題和解決系統(tǒng)問題的交叉綜合學科[8]。交通樞紐換乘系統(tǒng)是多元素相互交融的復雜系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的乘客群體之間也存在著相互影響、相互滲透的交互作用，因而交通樞紐換乘系統(tǒng)客流管理問題是一個復雜的系統(tǒng)工程問題，其本身也是一個復雜系統(tǒng)[9]。為了認識該系統(tǒng)中的各種元素及其之間復雜的關(guān)系和系統(tǒng)動態(tài)變化的規(guī)律，為交通樞紐換乘系統(tǒng)客流管理提供決策依據(jù)，本文引入系統(tǒng)動力學的方法來計算交通樞紐換乘系統(tǒng)的有效承載力。

3.2 承載客流的因果循環(huán)邏輯構(gòu)架

通過對交通樞紐換乘系統(tǒng)承載客流的因果分析，對因果循環(huán)圖中幾個關(guān)鍵變量進行因果連接架構(gòu)分析，以樹形圖顯示變量與工作變量的因果關(guān)系，更直觀地獲取每個變量之間的關(guān)系，便于系統(tǒng)動力學的定性分析。交通樞紐地鐵站通常為換乘地鐵站，其站廳及站臺客流原因樹構(gòu)架分別如圖2和圖3所示。

3.3 系統(tǒng)動力學建模

基于上述因果邏輯圖建立系統(tǒng)動力學方程，這里以成都東站客運樞紐作為仿真研究分析對象。成都東站的高鐵出站檢票口與成都地鐵2 號線和 7 號線站廳位于同一平面，旅客出站后通過換乘通道即可換乘成都地鐵2號線和7 號線，不需要重復安檢，換乘距離小，換乘效率高。7號線站臺換乘2號線站臺，可以通過7號線內(nèi)環(huán)方向車頭處通過換乘樓梯上到2號線站臺，或上至共用站廳后下到2號線站臺；2號線換乘7號線，需要先到達共用站廳，再從站廳到7號線站臺。以車站的通行樓梯扶梯、換乘通道、進出閘機、站廳和站臺等為模型構(gòu)件，建立系統(tǒng)動力學方程，其中站廳和兩個站臺方程如下

圖2 地鐵換乘站站廳客流原因樹

圖3 地鐵換乘站站臺客流原因樹

Flow2fout(t)-Flow2lout(t)-Flow7fout(t)-Flow7lout(t)]dt

(4)

(5)

(6)

式中，各參數(shù)的意義如表1所示。

表1 參數(shù)意義說明

系統(tǒng)動力學流圖是系統(tǒng)動力學的基本變量和表示符號的有機組合。根據(jù)交通樞紐換乘系統(tǒng)內(nèi)部各因素之間的關(guān)系設(shè)計系統(tǒng)流圖，其目的主要在于反映系統(tǒng)各因果關(guān)系中所沒能反映出來的不同變量的特性和特點，使系統(tǒng)內(nèi)部的作用機制更加清晰明了，然后通過流圖中關(guān)系的進一步量化，實現(xiàn)交通樞紐換乘系統(tǒng)的客流運動仿真目的。建立交通樞紐換乘系統(tǒng)通行客流流動模型，如圖4所示。模型展示了交通樞紐換乘系統(tǒng)客流承載區(qū)域、進站流線、出站流線、換乘流線、乘車過程等環(huán)節(jié)和影響要素。

圖4 交通樞紐換乘系統(tǒng)存量流量圖

4 仿真及分析

4.1 主要參數(shù)設(shè)置

4.1.1 自動檢票機通行能力

自動檢票機通行能力與乘客的類型特征緊密相關(guān)，主要表現(xiàn)為乘客是否攜帶大件行李及對設(shè)備的熟悉程度。自動檢票機通行能力計算方法為

(7)

式中，Cjp代表檢票機通行能力(人/h)，pi代表第i類乘客比例，ti代表第i類乘客通過自動檢票機所需時間(s)。

對成都東客站旅客通過自動檢票的票種、對車站熟悉情況及攜帶行李情況對乘客分為六類進行統(tǒng)計分析。乘客構(gòu)成比例如表2所示。

表2 乘客構(gòu)成比例(%)

表3 不同類型乘客通過閘機所需時間(s)

將統(tǒng)計結(jié)果帶入式(7)，得到考慮車站乘客特征的每臺自動檢票機通行能力為1330人/h。

4.1.2 樓梯通行能力

對于樞紐車站，樓梯與扶梯并行設(shè)置，旅客通常會優(yōu)先選擇扶梯，樓梯能力通常會比較富余。樓梯通行能力計算方法為

Cl=J·ω·(1-k)·(1-λ)

(8)

式中，Cl代表樓梯通行能力(人/h)，J代表單位時間單位樓梯寬度通行人數(shù)(人/m·h)，ω代表樓梯寬度(m)，k代表雙向通行樓梯行人沖突折減系數(shù)，λ代表攜帶大件行李折減系數(shù)。將調(diào)查數(shù)據(jù)代入式(8)，得到考慮車站乘客特征的1.18米寬樓梯的最大通行能力為2944人/h。

4.1.3 扶梯通行能力

對于樞紐車站，攜帶大件行李的乘客比例較高，需要對扶梯通行能力進行折減。扶梯通行能力計算方法為

Cf=αd1Cf1+(1-α)d2Cf2

(9)

式中，Cf代表扶梯通行能力(人/h)，α代表是不攜帶大件行李乘客比例，d1、d2分別代表不攜帶、攜帶大件行李時的通行能力折減系數(shù)，Cf1、Cf2分別代表不攜帶、攜帶大件行李時理論通行能力(人/h)。將調(diào)查數(shù)據(jù)代入式(8)，得到考慮車站乘客特征的1米寬扶梯的最大通行能力為7624人/h。

4.2 仿真結(jié)果分析

在設(shè)定好車站設(shè)施設(shè)備的參數(shù)及客流輸入輸出條件之后，模型可以輸出設(shè)定時間步長及范圍內(nèi)的客流變化情況，輸出結(jié)果以動態(tài)曲線及數(shù)據(jù)表的形式給出。本實例給出60分鐘內(nèi)，該車站內(nèi)的客流變化情況計算結(jié)果，并對模型運算結(jié)果進行統(tǒng)計分析。如圖5，顯示車站乘車人數(shù)的變化曲線，并給出相關(guān)影響因素的變化曲線。如圖6，顯示車站出站人數(shù)及影響因素變化曲線。則該站在60分鐘內(nèi)，有效承載乘車、出站人數(shù)分別約為21096人、5365人。

圖5 車站乘車人數(shù)及影響因素變化曲線

圖6 車站出站人數(shù)及影響因素變化曲線

根據(jù)遠期2030年預測值[10]，成都東客站一天進站人數(shù)為14.55萬人，一天內(nèi)最高峰小時客流占全天進站客流的最高數(shù)值0.14，即最高小時進站人數(shù)為2.037萬人/h，與模型計算出來的數(shù)值是比較吻合的，說明模型是合理且準確的。

5 結(jié)論

本文結(jié)合交通樞紐換乘系統(tǒng)客流特征，對設(shè)施設(shè)備能力進行修正，運用系統(tǒng)動力學方法建立車站模型并仿真，采用乘客耐受感知的閾值結(jié)果作為判斷依據(jù)，通過逐步遞增客流量，監(jiān)測各關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備負荷度的變化情況和是否達到耐受閾值，計算出車站客流有效承載力。模型計算值與預測值吻合度高，說明模型是合理且準確的，可以為城市軌道交通規(guī)劃和應急管理提供重要參考。