地鐵站客流仿真模擬研究

□文/楊 鑫 楊 力

（安徽理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院 安徽·淮南）

［提要］ 由于我國(guó)城市軌道交通建設(shè)和城市規(guī)劃范圍的不斷擴(kuò)展，為形成合理的車站點(diǎn)與仿真模型以及對(duì)于城市軌道交通客流路線規(guī)模及其相應(yīng)設(shè)備布置方式的進(jìn)一步改良。本文以合肥城市軌道交通某一車站為例，基于Anylogic 軟件平臺(tái)進(jìn)行仿真模型建設(shè)，并從物理模型結(jié)構(gòu)和社會(huì)力建模邏輯思想兩方面，介紹模擬建設(shè)的要點(diǎn)。通過對(duì)仿真模擬的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和數(shù)據(jù)分析，給出相應(yīng)優(yōu)化方案，并輔助以圖表的形式體現(xiàn)優(yōu)化前后比較。

隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的迅速發(fā)展，更多的省市建設(shè)了地鐵線路系統(tǒng)，由于城市地鐵擁有運(yùn)能大、車速快、安全準(zhǔn)時(shí)、成本低、節(jié)約能源、換乘舒適方便，以及可減少城市地面交通的擁堵和利于環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，常被稱之為“綠色交通”。

合肥軌道交通網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建規(guī)劃中第一條線路2016 年12 月26 日正式開通運(yùn)營(yíng)。截至2021 年6 月24 日，合肥軌道交通線網(wǎng)總客運(yùn)量首次突破7 億人次。隨著線路的增加，城市軌道交通的初步成型，使得客運(yùn)量愈加龐大，一些問題必須得到重視。在城市軌道交通這種復(fù)雜的社會(huì)環(huán)境中，客流乘車行為的安全性、舒適性、效率性以及結(jié)節(jié)瓶頸區(qū)域的通行速率引起愈來愈多的關(guān)注。

一、地鐵站仿真物理模型構(gòu)建

（一）仿真軟件選擇。本文選擇Anylogic 軟件平臺(tái)進(jìn)行對(duì)“合肥火車站”地鐵站的仿真模型構(gòu)建。相較于其他仿真軟件，Aanylogic 不僅支持智能體組合建模，而且是唯一支持多Agent共同調(diào)用的仿真商業(yè)軟件。具備對(duì)混合系統(tǒng)、離散性時(shí)間和連續(xù)行為進(jìn)行仿真模擬功能。Anylogic 以設(shè)計(jì)方法論為理論基礎(chǔ)，來源于極其新穎的復(fù)雜系統(tǒng)，能夠支持企業(yè)庫(kù)、軌道庫(kù)、交通庫(kù)混合仿真。本文主要基于Aanylogic 中行人庫(kù)的社會(huì)力模型來構(gòu)建形象客流的仿真模擬，在此基礎(chǔ)之上提供高自由度的開發(fā)環(huán)境，以迎合不同情況的發(fā)生以及多元素的影響。

（二）地鐵站空間分析。本文以合肥市廬陽區(qū)某一城市軌道交通站點(diǎn)為例進(jìn)行仿真模型構(gòu)建。由于地鐵站建筑圖紙屬于軌道集團(tuán)官方資料，所以本文采用預(yù)估法來確定其空間結(jié)構(gòu)，先通過bing 地圖、谷歌地圖等在線地圖，以俯瞰角度確定其外觀，再用線上測(cè)量工具測(cè)量距離并等比例確定其大概尺寸。最后，親自向“合肥火車站”地鐵站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，查看相關(guān)示意圖，確定整體三維立體物理模型的結(jié)構(gòu)。

（三）地鐵站物理模型構(gòu)建。在Anylogic 軟件平臺(tái)進(jìn)行物理模型的建立，首先設(shè)定比例尺，1 像素對(duì)應(yīng)25 米，其次設(shè)置好三維參數(shù)，X、Y 體現(xiàn)其車站的大小。參數(shù)Z 的大小代表地鐵站的層數(shù)位置，設(shè)定一層為5 米。本模型設(shè)置三層，地面層、B1 層以及B2 層。其中，B1 層代表地鐵站廳層，B2 層代表站臺(tái)層。模型中符合基本建筑邏輯，線條、墻體閉合，智能體行人不會(huì)出現(xiàn)不符合社會(huì)力學(xué)的行走路徑、穿模等非現(xiàn)實(shí)現(xiàn)象。并且添置安檢門、閘機(jī)、自動(dòng)售票機(jī)、自動(dòng)扶梯、柵欄、路徑指示牌等設(shè)施。樓層間的“開口”只能通過扶梯來實(shí)現(xiàn)，只有通過“扶梯”才可進(jìn)行上下層行為。行人進(jìn)出站需通過“目標(biāo)線”，行走路徑遵行正常社會(huì)學(xué)規(guī)律，B1、B2 層平面圖如圖 1、圖 2 所示。（圖 1、圖 2）

圖1 B1 地鐵站廳層平面圖

圖2 B2 站臺(tái)層平面圖

在確定整體模型無邏輯性錯(cuò)誤之后，拖入三維窗口進(jìn)行演示，得到三維效果圖，如圖3 所示。（圖3）

圖3 車站三維立體圖

二、地鐵站客流行為邏輯模擬

（一）行人進(jìn)出站乘車行為模擬?；谛腥说某Ｒ?guī)乘車路徑模擬出行人乘車的基本流程，從A、B、C、D 四個(gè)進(jìn)口進(jìn)入站臺(tái)層，其中A、D 兩口為一端，C、B 兩口為另一端?；谥悄苁謾C(jī)的快速發(fā)展以及實(shí)地在車站進(jìn)行的考察記錄，手機(jī)掃碼通過閘機(jī)成為主流，故利用“selectout”模塊將進(jìn)入的行人設(shè)置七成為直接通過安檢用手機(jī)掃碼通過閘機(jī)，剩下三成通過自動(dòng)售票機(jī)，售票后在進(jìn)行安檢，通過閘機(jī)。行人通過扶梯進(jìn)入B2 候車層候車。

而下車出站的行人，基于社會(huì)力行為的邏輯，從下車的“目標(biāo)線”產(chǎn)出，選擇相對(duì)最近的扶梯上到B1 層，通過閘機(jī)。根據(jù)上述流程所構(gòu)建的仿真物理模型，對(duì)客流乘車出站行走路徑與物理設(shè)施之間的相關(guān)邏輯關(guān)系進(jìn)行模擬分析，依據(jù)于每層模型的邏輯關(guān)系將各個(gè)設(shè)備設(shè)施之間進(jìn)行連接，最終考慮樓層之間的邏輯聯(lián)系，以此構(gòu)建成該地鐵車站仿真模型完整的邏輯框架圖，乘客乘車邏輯框架圖與出站邏輯框架圖分別如圖4 和圖5所示。（圖 4、圖 5）

趨成熟，在新型電網(wǎng)規(guī)劃體系中運(yùn)用這些技術(shù)可以提高地理環(huán)境信息數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。另外，在外部數(shù)據(jù)中存在大量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)非常容易被忽視，針對(duì)這一問題，新型電網(wǎng)規(guī)劃體系一般是對(duì)每類非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并通過提取數(shù)據(jù)特征等方法來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)去掉非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中的冗余部分，再對(duì)優(yōu)化的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理。

圖4 乘車邏輯框架圖

圖5 出站邏輯框架圖

（二）仿真模擬邏輯思路內(nèi)涵。為了真實(shí)模擬客流，新建智能體“person”，其中設(shè)置參數(shù)“gender”，可使新生成的男女概率均為50%。而所有新生成的乘客，都從A、B、C、D 四個(gè)進(jìn)出口生成，并新設(shè)兩個(gè)集合“collection”采用 randomFrom（collection）函數(shù)使得“pedSource”模塊可以正常運(yùn)行，同時(shí)添加兩個(gè)事件“event”采用inject（）函數(shù)調(diào)用，可以確定乘客的生成時(shí)間、數(shù)量，也方便根據(jù)客流量的不同，來改變生成時(shí)間間隔，達(dá)到實(shí)現(xiàn)早晚高峰的情況。

而在乘客出站行為邏輯模擬中，為實(shí)現(xiàn)就近原則找出口的社會(huì)行為。新建集合“exit”并調(diào)用nearestExit 函數(shù)，具體代碼如下：

double dshortest = infinity；

EscalatorGroup nearestexit = null；

for（EscalatorGroup exit ：exits）{

double d = ped.distanceTo（exit.getX（），exit.getY（））；

if（d ＜dshortest）{

nearestexit = exit；

}

}

return nearestexit ；

至此，地鐵站行人仿真模擬模型構(gòu)建完成，可以演示，效果如圖6 所示。（圖6）

圖6 客流仿真圖

三、地鐵站客流數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

（一）數(shù)據(jù)邏輯生成。地鐵車站仿真模型進(jìn)行演示之后生成相關(guān)數(shù)據(jù)，基本有圖與表兩種形式體現(xiàn)。本仿真模型通過Anylogic 中“直方圖”“時(shí)間折線圖”“密度圖”應(yīng)用模塊來分別統(tǒng)計(jì)出入站的“時(shí)間”“速度”以及“擁擠程度”等相關(guān)參數(shù)。并對(duì)此進(jìn)行相關(guān)分析與建議。

在“pedSource”模塊后添加“timeMeasureStart”模塊，在“pedSink”模塊前添加“timeMeasureEnd”模塊。對(duì)乘車以及落車的4 條邏輯線皆如此操作，即可統(tǒng)計(jì)到客流的進(jìn)站以及出站時(shí)間分布。

為統(tǒng)計(jì)客流的平均速度，新添參數(shù)“speed”，事件“event”并調(diào)用函數(shù)：

speed=0；

for（Person p：people）

speed=speed+p.getSpeed（）/people.size（）；

來遍歷所有行人的移動(dòng)速度并取平均值。最后，通過行人庫(kù)添加“密度圖”并選定統(tǒng)計(jì)參數(shù)為“行人”智能體。默認(rèn)情況下“臨界密度”（Critical Density）值為 1.5 個(gè)單位/m2，為貼合實(shí)際客流情況，調(diào)整為2.0 個(gè)單位/m2。

（二）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析。假設(shè)模型中出站服務(wù)延遲時(shí)間均相同，自動(dòng)扶梯固定運(yùn)行速度為0.5m/s 左右，不同步速的客流呈均勻分布之勢(shì)，行人速度0.4～1.0m/s 左右，綜合統(tǒng)計(jì)客流乘車，出站密度圖效果如圖7、圖8 所示。（圖7、圖8）

圖7 出站服務(wù)延遲120s 時(shí)區(qū)域密度圖

圖8 出站服務(wù)延遲240s 時(shí)區(qū)域密度圖

由密度圖表明，該仿真模型還是存在問題。通過模型演示效果分析原因可知，B1 站廳層是所有客流進(jìn)站乘車與所有出站乘客的交匯點(diǎn)，行人數(shù)量大約為地面層以及B2 候車層的客流數(shù)量之和，而客流的到達(dá)時(shí)間間隔由D.G.Kendall 在1953 年提出的排隊(duì)論模型論證中可以得出，服從指數(shù)分布。當(dāng)客流增多時(shí)，自動(dòng)扶梯以及閘機(jī)的行人密度明顯過大，排隊(duì)路徑也顯得較為雜亂，應(yīng)考慮對(duì)安全閘機(jī)的構(gòu)建位置及數(shù)量的多少有所修繕、引導(dǎo)標(biāo)識(shí)的適當(dāng)安放也有利于客流路徑的合理化分布。

從模型B1 層物理模型來看，自動(dòng)售票機(jī)的數(shù)量并不能滿足客流增多情況下購(gòu)票安檢的流程速率，對(duì)此，A、D 側(cè)口通道處可以考慮增加自動(dòng)售票機(jī)設(shè)施的數(shù)量，同時(shí)對(duì)閘機(jī)口的位置進(jìn)行改善，在增加閘機(jī)口數(shù)量的預(yù)估前提下，將閘機(jī)口與安檢門的位置相對(duì)拉遠(yuǎn)，方便排隊(duì)路徑的優(yōu)化改善。同時(shí)，對(duì)A 口出站客流行為，通過增添連續(xù)隔離柵欄將客流引導(dǎo)至A 側(cè)通道處，對(duì)應(yīng)在模型里邏輯架構(gòu)里，即是通過添加新的“路徑”區(qū)域，來控制客流的行走路徑。方便出站行人可以順著人流正常出站，而D 口出站行人與A 口進(jìn)站行人可以通過同向?qū)?，來防止人流的交叉，使得“出站”“乘車”行為互不干涉，造成擁擠擁擠現(xiàn)象。

同時(shí)，可全程使用語音提示，提示乘客提前準(zhǔn)備好健康碼、行程碼，提高防疫工作流程效率，減輕出口閘機(jī)處的擁堵。這樣不僅可以緩解通道處與閘機(jī)出口處的擁堵現(xiàn)象，還能減少不熟悉乘客的遲疑。對(duì)于B、C 口可進(jìn)行同樣的改善措施。同時(shí)，考慮到疫情防控以及客運(yùn)安全的嚴(yán)格把控，可以增添新的安檢設(shè)備，行人自行安檢，提高排隊(duì)速率的同時(shí)，保證安檢質(zhì)量。

通過在模型中新添加閘機(jī)口的數(shù)量以及規(guī)劃行人路徑等一系列措施來改善仿真模型之后。由兩次模型演示所出的進(jìn)出站時(shí)間分布以及平均行人速度來計(jì)算出在客流主要行為的平均用時(shí)以及整體過程的平均速度對(duì)比，結(jié)果見表1。（表1）

表1 改善前后模型客流參數(shù)對(duì)比一覽表

通過表1 可以明顯看出，行人的進(jìn)出站平均用時(shí)有所減少，而平均步行速度也接近于1.3m/s 的“舒適速度”。對(duì)行人在地鐵站的乘車時(shí)間以及效率有較大提升。

綜上，本文以城市軌道交通站為例，在Aanylogic 軟件臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行仿真模型的構(gòu)建。運(yùn)用社會(huì)力學(xué)模型，貼合實(shí)際，演示出客流乘車、出站、安檢等行為流程。通過仿真模擬分析，得出了三維效果圖、客流流密度圖及各個(gè)進(jìn)出口中，行人乘車與出站行為的平均用時(shí)和平均速度表，并觀察B1 層擁堵節(jié)點(diǎn)，在不改變地鐵站整體架構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對(duì)性地提出了優(yōu)化措施，并進(jìn)行仿真優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。優(yōu)化后，新添護(hù)欄的布置更加合理，并對(duì)仿真模型的演示數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。綜合對(duì)客流特點(diǎn)的結(jié)果，提出了實(shí)際有用的優(yōu)化意見，通過三線表直觀地展現(xiàn)出優(yōu)化的效果。雖然是仿真模擬，但是與實(shí)際情況較為貼合，其中問題仍具有普遍性和代表性。期望后續(xù)研究可以對(duì)客流問題的改善更進(jìn)一步、更具有借鑒性。