軌道交通換乘站方案設計與仿真分析

楊莉莉

摘要：以西安地鐵8號線的第16座車站為研究對象，對城市地下軌道站點交通換乘方案進行了分析，并對方案進行了仿真優(yōu)化設計，基于用戶均衡理論分配地鐵車站內(nèi)客流，并結(jié)合排隊論，構(gòu)建車站動態(tài)瓶頸分析模型，結(jié)合幸福林帶管委會意見，將換乘通道設置在長樂中路北側(cè)作為推薦方案。1號線改造可實現(xiàn)幸福林帶、銀泰中心與地鐵三者間的互聯(lián)互通，1號線與8號線換乘流線與進出站流線清晰，相互干擾較少?？土鞣抡婺M表明：從萬壽路站1號線站臺服務水平占比表明，站臺擁堵水平占比39%。從仿真初始階段至仿真結(jié)束階段，客流密度由1人/m增至3人/m;行人平均走行時間由50 s增加至120 s;行人平均走行速度由1.3 m/s降低至0.1 m/s。建議1號線萬壽路站適時啟動改造工程，改造站廳與站臺之間樓扶梯組，增大樓扶梯組能力;8號線車站樓扶梯及設備設置布置合理。

關(guān)鍵詞：客流分配方案;換乘站;地下軌道;仿真

中圖分類號：U231.4 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）07-0119-07

Scheme design and simulation analysis of rail transit transfer station

YANG Lili

（China Railway First Survey & Design & Research Institute Group Co.， Ltd.， Xian 710045， China）

Abstract：Taking the 16th station of Xian metro Line 8 as the research object， this paper analyzes the traffic replacement scheme of urban underground rail stations， simulates and optimizes the design of the scheme， allocates the passenger flow in the subway station based on the user equilibrium theory， and combines the queuing theory to construct the dynamic bottleneck analysis model of the station， combined with the opinions of the Happy Forest Belt Management Committee， the transfer channel is set on the north side of Changle Middle Road as a recommended scheme， and the transformation of Line 1 can realize the interconnection between the Happy Forest Belt， Yintai Center and the subway. The interchange flow line and the entry and exit station flow lines of Line 1 and Line 8 are clear and have less mutual interference. Passenger flow simulation simulation shows that the proportion of service levels on the platforms of Line 1 from Wanshou road station indicates that the level of platform congestion accounts for 49%. From the initial stage of the simulation to the end， the passenger flow density increased from 1 person/m to 3 person/m， the average walking time of pedestrians increased from 50 s to 120 s， and the average walking speed of pedestrians decreased from 1.3 m/s to 0.1 m/s. It is recommended that the Wanshou Road Station of Line 1 start the renovation project in a timely manner， renovate the escalator group between the station hall and the platform， and increase the capacity of the escalator group of the building; the escalator and equipment setting of the station building of Line 8 are reasonably arranged.

Key words：passenger flow distribution scheme; transfer station; underground orbits; simulation

城市軌道交通換乘站是作為線網(wǎng)交叉樞紐點存在的，實現(xiàn)了聯(lián)通地鐵網(wǎng)的需求，乘客通過換乘站也能夠進行轉(zhuǎn)線、換乘，因此地鐵線路的運營質(zhì)量與換乘站設計的合理性直接相關(guān)[1-3]。對于每條地鐵線路來說，換乘站都是重點和難點工程，也是線路規(guī)劃的錨固點，對于線路起到控制走向的作用，線網(wǎng)的運量、運能與換乘點、換乘方式都息息相關(guān)，深入研究換乘站的設計，能夠大大提高線網(wǎng)規(guī)劃的科學性[4]。在新建地鐵線路的換乘功能中，還存在很多難點，比如可能無法滿足未來的客流需求，要對顧客的行走路線非常清晰，提高對乘客的服務水平等[5]。使用交通仿真技術(shù)研究復雜性較高的交通問題，可在不參與真實系統(tǒng)的基礎上對不同規(guī)劃方案進行對比，所以能夠基于交通仿真技術(shù)對城市交通換乘站進行模擬，發(fā)現(xiàn)問題并及時優(yōu)化改善[6]。

現(xiàn)階段我國正處于軌道交通事業(yè)的快速發(fā)展階段，城市軌道交通需求也在不斷提高。在此背景下亟需設計出合理高效的線網(wǎng)規(guī)劃，一些大型城市發(fā)展節(jié)奏顯著提升，而軌道線網(wǎng)規(guī)劃卻不能滿足其客運需求，因此會出現(xiàn)部分標準車站被動的改造成為換乘站等問題[7]。由此可見，編制合理而有遠見的線網(wǎng)規(guī)劃是非常關(guān)鍵的。萬壽路站為線網(wǎng)規(guī)劃修編及第3期建設規(guī)劃落實以后，規(guī)劃新增了地鐵8號線換乘站，上版線網(wǎng)實際上不包含該換乘站，因此在設計實施過程中，其站臺寬度為12.0 m，沒有換乘需要的接口與條件。考慮到車站周邊換乘的復雜性及既有站改造的復雜性，為提高換乘站方案的可實施性與合理性，并優(yōu)化其功能。本文選取西安地鐵8號線的第16座車站作為研究對象，對城市地下軌道交通換成站客流分配方案進行分析，并對方案進行了仿真優(yōu)化設計。

1城市軌道交通網(wǎng)絡客流特性分析

在軌道交通線路交織成網(wǎng)運輸體系下，客流分布與變化特征比單一線路更復雜，一是線網(wǎng)客流密度不是單一變化趨勢;二是屬于一種多維多層次變化。軌道線網(wǎng)中換乘站能實現(xiàn)線網(wǎng)體系內(nèi)各條線路間客流交換，使各條線路客流、客運量分布不同于單一線路。分析網(wǎng)絡客流特性是合理、科學編制列車運輸計劃的基礎。在網(wǎng)絡化條件下，列車運行組織方案在保證有序、安全輸送客流基礎上，使換乘站銜接更有效。

1.1客流時間分布不均衡

城市軌道交通具備運行準點率高、網(wǎng)絡可達性高、快速、安全等優(yōu)勢[8]。其主要吸引群體為通勤、通學城市居民，通勤客流出行時間多在早、晚高峰集中，以娛樂、休閑等目的出行居民根據(jù)個體出行費用、時間價值、舒適度等在非高峰時段會選擇軌道交通以外方式出行，因而軌道交通網(wǎng)絡客流時間分布不均衡。城市軌道交通線網(wǎng)客流時間分布不均衡主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡進出站客流量、換乘客流量較大的時間段集中在早晚高峰，造成站臺乘客擁擠、車廂滿載率高、換乘時間長。

1.2客流空間分布不均衡

在城市交通早高峰期間，大量上學、通勤客流出行使學習辦公區(qū)出站客流、居住區(qū)進站客流量明顯比其他覆蓋區(qū)域車站要高，晚高峰因返程客流量大，除辦公區(qū)、居住區(qū)周邊車站客流集中，城市商業(yè)購物區(qū)周邊車站有客流擁擠現(xiàn)象存在。在城市各功能區(qū)日趨完善、成熟情況下，城市各類用地功能區(qū)根據(jù)總體規(guī)劃在不同片區(qū)布局，因乘客出行個體情況差異，造成城市軌道網(wǎng)絡客流空間具有不均衡性分布。客流空間分布不均衡性表現(xiàn)在各軌道站點客流乘降量分布不均衡、線網(wǎng)各斷面客流分布不均衡。

1.3斷面客流不均衡

網(wǎng)絡客流斷面分布不均衡性包括不同線路區(qū)段斷面客流差異、線路上下行方向的斷面客流差異。因軌道線網(wǎng)中各條地鐵線路運營管理相對獨立，線路差異所導致的客流空間分布特征也有顯著不同[9]。城市中心區(qū)域被直徑線穿越，能快速輸送市郊客流至城市中央?yún)^(qū)域，發(fā)揮城市中心區(qū)集聚作用且能滿足換乘需求。線路全日客流斷面呈中間高、兩端低分布，根據(jù)換乘站所處區(qū)位不同，在換乘站相交線路方向不同，不同線路運行方向客流交換量不同。優(yōu)化各線路方向到站列車、車站客流銜接、匹配，確定高效合理行車計劃，對既有換乘站客流流量流向分析可用于優(yōu)化各向客流換乘流線，提高組織效率，減少沖突。

2案例分析

2.1工程概況

西安市地鐵8號線第16座車站為地下軌道萬壽路站，換乘軌道為既有地鐵1號線。地鐵8號線從南到北沿林帶靠西敷設，與林帶同期建設，西側(cè)為綜合管廊和萬壽路，東側(cè)為規(guī)劃林帶商業(yè)，地鐵與商業(yè)緊密銜接，使此區(qū)域公共建設更為完善，同時提升地鐵和商業(yè)價值。同時8號線在此區(qū)域與其他線路形成換乘，地鐵7號線為規(guī)劃線路，在華清路至長纓路段從場地斜穿越，與本線在王家墳站形成換乘;地鐵1號線為運營線路從長樂路地下穿越，與本線在萬壽路站形成換乘，地鐵6號線處于開工階段從咸寧路地下穿越，與本線在萬壽南路站形成換乘。萬壽路規(guī)劃道路30 m，長樂中路規(guī)劃道路60 m，路口西側(cè)已實現(xiàn)規(guī)劃，東側(cè)待改建中。萬壽路靠近林帶紅線處規(guī)劃有14.5 m寬下沉隧道，路面最低點為7.5 m左右，結(jié)構(gòu)底埋深為9.5 m。本站站位西北象限為左右里購物中心、西光花卉市場;西南象限為黃河14街坊小區(qū);東南、東北象限為幸福林帶工程待建用地。圖1為車站周邊現(xiàn)狀衛(wèi)星圖。

在西安市地鐵8號線西影路至華清東路段萬壽路車站，主要是以第4系黃土類土和人工填土作為淺部土層，有很深的地下水位，穩(wěn)定埋深為24.6～28.1 m，高程為394.60～399.90 m。氣候、季節(jié)、補給、地下水賦存等都會對地下水位產(chǎn)生直接影響，在高水位時期，將會提高地下水位;在旱季期間，將會降低地下水位，年變化幅度約為2.0～3.0 m。本站與地鐵1號線換乘，地鐵1號線屬既有線，于2013年9月通車運營，萬壽路站為地鐵1號線1期工程的中間站，西安地鐵初期、近期線網(wǎng)規(guī)劃中無地鐵8號線，故1號線萬壽路站建設時未預留換乘條件，車站規(guī)模按照一般站設計，為地下4層12.0 m單柱島式站臺車站。西安地鐵第3期規(guī)劃中，地鐵8號線為環(huán)線，與地鐵1號線東邊的換乘站為萬壽路站，因此，8號線的設計需要考慮換乘及1號線的改造設計。

2.2設計客流

2.2.1地鐵8號線萬壽路站預測客流

根據(jù)表1所示的西安地鐵8號線早中晚期客流數(shù)據(jù)對比，計算對比初、近、遠期早晚高峰客流數(shù)據(jù)，明確控制期客流。

車站設計客流：（3 605+3 922+3 533+10 815）×1.41/28=1 102人/h。

通過計算對比初、近、遠期早高峰客流數(shù)據(jù)，明確遠期客流為控制期客流。8號線換乘客流示意圖，如圖2所示。

總設計客流：（3 605+3 922+3 533+10 815）×1.41=30 844人/h;

8號線換1號線：（2 325+845+1 162+904）×1.41=7 383人/h;

1號線換8號線：（1 893+844+1 170+1 164）×1.41=7 151人/h;

總換乘客流：7 383+7 151=14 534 人/h;

分析客流資料，總設計客流30 844人/h，總換乘客流14 534人/h，本站總體換乘客流偏大，換乘比例47%。

2.2.2地鐵1號線萬壽路站預測客流

西安地鐵1號線全線沒有小交路，根據(jù)客流數(shù)據(jù)對比，初、近、遠期早高峰客流均分別大于其相應的晚高峰客流，計算對比初、近、遠期早高峰客流數(shù)據(jù)，明確控制期客流，結(jié)果如表2所示。

車站設計客流：（391+3 480+5 409+536）×1.24/30=18 051×1.41/30=461人;

通過計算對比初、近、遠期早高峰客流數(shù)據(jù)，明確遠期早高峰客流為控制期客流。其中，

上車設計客流量：（391+5 409）×1.41=8 178 人/h;

下車設計客流量：（3 480+536）×1.41=5 663 人/h。

2.3應急處置方案

2.3.1換乘設計思路

設計思路1：換乘通道的布置應結(jié)合既有1號線站廳層流線統(tǒng)籌考慮，避免換乘客流與進出站客流相互交叉。

設計思路2：換乘通道的布置應考慮便捷，通道宜短，盡量避免引起多余的拆遷量。

2.3.2換乘形式分析

萬壽路站與既有地鐵1號線進行換乘，地鐵1號線屬既有線，已運營多年，地鐵1號線萬壽路站建設時未預留換乘條件，為地下4層12.0 m雙柱島式站臺車站，綜合考慮現(xiàn)狀條件，因此，地鐵1號線萬壽路站未跨路口，設置在交叉路口西側(cè)道路下方，車站和公共區(qū)域路口距離較遠，垂直電梯和公共區(qū)2組樓扶梯布局緊湊，車站規(guī)模較小，節(jié)點換乘難度顯著提高。在設計8號線車站時，要與周邊的車站站位與條件充分結(jié)合，通過換乘通道連接兩線車站，實現(xiàn)付費區(qū)的換乘;地鐵1號線萬壽路站西端區(qū)間與8號線線路交叉，為減小對地鐵1號線西端盾構(gòu)區(qū)間的影響，使用車站跨路口的設計模式。

3方案比選

1號線是從長樂路東西敷設，且為2013年9月開通運營的已建成車站，8號線是從萬壽北路南北敷設。1號線上版線網(wǎng)規(guī)劃中沒有考慮該點換乘，其站臺寬度為12 m，且沒有換乘接口。本次研究考慮采用通道換乘的形式，以減少對1號線車站的影響。以減小對1號線車站的影響。通過換乘通道連接1號線，通過雙向向循環(huán)客流的方式提高換乘安全性水平。通過改造1號線站廳公共區(qū)，在1號線站廳層側(cè)墻上開洞，增設換乘大廳，在8號線站廳層使用樓扶梯引入換乘通道，實現(xiàn)雙向客流換乘。使用同期明挖的方式進行施工，在原1號線Ⅰ號口南側(cè)位置設計8號線Ⅳ號出入口，在1號線Ⅲ號出入口北側(cè)設置8號線的換乘通道。通過樓扶梯在1號線站廳層與8號線站臺層進行換乘通道的接入，并實現(xiàn)換乘。圖3為換乘通道縱剖面圖。

3.1車站方案研究

原南側(cè)的換乘通道調(diào)整到北側(cè)及對1號線萬壽路站及左右里綜合出入口的改造。南側(cè)換乘通道移至北側(cè)的優(yōu)點是縮短換乘通道長度，減少拆遷;與銀泰中心、幸福林帶商業(yè)的互聯(lián)互通。

3.1.1方案1：換乘通道北側(cè)設置方案

萬壽路站換乘通道北側(cè)布置圖，如圖4所示。

由圖4可知，將換乘通道設置于長樂中路北側(cè)，利用銀泰中心改造后的左右里商業(yè)地下既有結(jié)構(gòu)，與既有1號線銜接，形成付費區(qū)換乘通道，同時在換乘通道設置出站閘機，可直接進入銀泰中心，與銀泰中心互聯(lián)互通。該方案優(yōu)點：利用改造的左右里既有結(jié)構(gòu)部分作換乘通道，節(jié)約工程投資，拆遷量較少;利用換乘通道與銀泰中心銜接，加強幸福林帶與銀泰中心間的互聯(lián)互通;換乘距離相對南側(cè)方案短，相對便捷。該方案缺點：受1號線站廳層布置影響，對既有1號線改造量較大，改造期間1號線萬壽路站需停運。

3.1.2方案2：換乘通道南側(cè)設置方案

萬壽路站換乘通道南側(cè)布置圖，如圖5所示。

由圖5可知，將換乘通道設置于長樂中路南側(cè)，在1號線站廳付費區(qū)側(cè)墻開洞，增設換乘大廳連接換乘通道，構(gòu)建完善的付費區(qū)換乘通道。其具有以下優(yōu)點：對既有1號線影響較少，改造期間不影響1號線萬壽路站正常開通運營。該方案缺點：換乘通道長度較長，不便捷;引起的拆遷量較大，需拆除黃河小區(qū)2棟6層住宅樓及地鐵出入口部分商業(yè)建筑。

結(jié)合幸福林帶實際，將換乘通道設置在長樂中路北側(cè)作為推薦方案，雖然1號線存在大量改造工程，但從長遠考慮，可實現(xiàn)幸福林帶、銀泰中心與地鐵三者間的互聯(lián)互通，帶動區(qū)域經(jīng)濟增長;1號線與8號線換乘流線與進出站流線清晰，相互干擾較少，受拆遷因素影響較少，具有一定的可實施性。

4客流流線設計及仿真優(yōu)化

4.1換乘通行能力計算

本站換乘通道寬度按10.0 m凈寬設置。高峰時間段的換乘客流量為13 322 人/h;通道為1 m時，其雙向通過能力為4 000 人/h，即T=10.0×4 000=40 000人≥ 13 322 人，經(jīng)過計算，車站換乘通道寬度滿足換乘乘客通過要求。

4.2客流動態(tài)仿真

本次仿真范圍包括8號線站廳及站臺、1號線站廳及站臺、換乘通道，行人設施包括自動售票機、安檢設備、進出站閘機、樓扶梯等。行人仿真圖面、行人可通行空間示意圖分別如圖6、圖7所示。

4.3客流動態(tài)仿真優(yōu)化

車站設施適應短時大客流沖擊的情況可以表現(xiàn)為最大客流密度圖[10]，具體如圖8所示。

由圖8可知，超高峰時段，8號線站廳基本處于A～E級;進站閘機及樓扶梯組入口出現(xiàn)擁堵排隊（F級）。1號線進站廳基本處于較為舒適等級（A～C級），少數(shù)區(qū)域處于D級，在售票機、安檢、進站閘機、進站樓扶梯組入口處服務等級為E～F級，使用率高，客流密度大;出站廳樓扶梯組及其入口前部出現(xiàn)大面積擁堵排隊（F級）。2線2個方向換乘通道基本處于E級，客流密度較大。

8號線站臺候車區(qū)域處于擁擠（E級）水平，上行扶梯及北部、中部兩部樓梯入口出現(xiàn)擁堵排隊（F級）。1號線站臺候車區(qū)域及各樓扶梯組入口出現(xiàn)大面積擁堵排隊（F級）。從萬壽路站平均客流密度圖可以看出，在超高峰時段，8號線站廳基本處于較為舒適等級（A～C級）;進站閘機出現(xiàn)擁堵排隊（F級）。1號線進站廳基本處于較為舒適等級（A～C級）;在售票機、進站閘機處出現(xiàn)E級，使用率高，客流密度較大;出站廳樓扶梯組及其入口前部出現(xiàn)大面積擁堵排隊（F級）。2線2個方向換乘通道基本處于較為舒適等級（A～C級）。8號線站臺內(nèi)環(huán)方向候車區(qū)域及樓扶梯組處于D級，外環(huán)方向候車區(qū)域基本處于舒適等級（C級）。1號線站臺下行候車區(qū)域基本處于C～D級，上行候車區(qū)域及各樓扶梯組入口出現(xiàn)大面積擁堵排隊（F級）。車站最大客流密度、平均客流密度分別處于D～E級、B～C級，這表明車站可以對短時大客流沖擊有一定的抵抗性，未表現(xiàn)出大面積擁堵，且空間利用率較高;同時，在非高峰時間段，車站內(nèi)部舒適級別較高。本站本次方案8號線與該要求相符合，但根據(jù)平均客流密度與最大客流密度來看，1號線站廳及站臺樓扶梯組入口和出口出現(xiàn)大面積F等級，擁堵嚴重。

4.3.18號線換乘至1號線

8號線站臺的客流密度及服務水平占比，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，從8號線站臺的客流密度及服務水平占比可以看出，8號線站臺有10%的行人處于擁堵水平，比較擁擠占44%，舒適級別（A～C級）占46%?？土鞣植记闆r隨著列車進站離站呈現(xiàn)較規(guī)則波動，客流密度主要集中在0.5～1.4 人/m。

4.3.21號線換乘至8號線

1號線換乘至8號線換乘通道服務水平占比圖，具體如圖10所示。

由圖10可知，從1號線換乘8號線換乘通道的客流密度及服務水平占比可以看出，通道內(nèi)服務水平主要處于A～C級別，占比共78%，擁擠占22%。通道內(nèi)雖然換乘客流較大，但行人密度較小且穩(wěn)定，在0.4～0.6人/m。

從萬壽路站最大客流密度圖和平均客流密度圖可以看出，1號線地下2層站廳樓扶梯組及其入口、站臺候車區(qū)域及樓扶梯組入口出現(xiàn)大面積擁堵排隊（F級）。從萬壽路站1號線站臺服務水平占比可以看出，站臺擁堵水平占比39%。隨著仿真時長的增加，站臺行人密度持續(xù)增大，行人平均走行時間逐漸增大，疏散緩慢，從仿真初始階段至仿真結(jié)束階段，客流密度由1人/m增加至3人/m;行人平均走行時間由50 s增加至120 s;行人平均走行速度由1.3 m/s降低至0.1 m/s。綜合仿真結(jié)果，建議1號線萬壽路站適時啟動改造工程，改造站廳與站臺之間樓扶梯組，增大樓扶梯組能力。根據(jù)客流仿真模擬成果，8號線車站樓扶梯及設備設置布置合理，1號線樓扶梯及設備設施布置較為合理，能基本滿足客流的需求，車站站臺局部存在擁堵，但樓扶梯組數(shù)、站臺寬度已經(jīng)成為目前設計方案能考慮的最大規(guī)模;根據(jù)客流仿真模擬成果，換乘通道寬度滿足通行要求，舒適度較好，換乘通道內(nèi)的樓扶梯數(shù)量滿足要求。

5結(jié)語

本文以西安地鐵8號線的第16座車站為研究對象，對城市地下軌道交通換成站客流分配方案進行了分析，并對方案進行了仿真優(yōu)化設計。

（1）基于用戶均衡理論分配地鐵車站內(nèi)客流，并結(jié)合排隊論，構(gòu)建車站動態(tài)瓶頸分析模型，對站內(nèi)服務臺平均排隊長度和等待時間進行計算，通過定量分析的方式獲取車站動態(tài)瓶頸點;

（2）結(jié)合幸福林帶管委會意見，將換乘通道設置在長樂中路北側(cè)作為推薦方案，從長遠考慮，1號線改造可實現(xiàn)幸福林帶、銀泰中心與地鐵三者間的互聯(lián)互通，帶動區(qū)域經(jīng)濟增長，1號線與8號線換乘流線與進出站流線清晰，相互干擾較少;

（3）客流仿真模擬表明，從萬壽路站1號線站臺服務水平占比表明，站臺擁堵水平占比39%。從仿真初始階段至仿真結(jié)束階段，客流密度由1人/m增加至3 人/m;行人平均走行時間由50 s增加至120 s;行人平均走行速度由1.3 m/s降低至0.1 m/s。建議1號線萬壽路站適時啟動改造工程，改造站廳與站臺之間樓扶梯組，增大樓扶梯組能力;8號線車站樓扶梯及設備設置布置合理，無存在問題，無需優(yōu)化設計方案。

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