軌道交通車站十字沖突區(qū)域優(yōu)化研究

向紅艷，石統(tǒng)洲

(重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074)

1 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，選擇乘坐城市軌道交通出行的乘客越來(lái)越多。在出行高峰時(shí)段，城市軌道交通換乘站客流密度高、行人速度慢、換乘通道容易產(chǎn)生瓶頸、擁擠問(wèn)題嚴(yán)重，具有一定的安全隱患。因此，解決通道擁堵問(wèn)題，提高車站內(nèi)客流換乘效率，對(duì)城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)管理水平的提升具有重要意義。

在上述成果基礎(chǔ)上，嘗試進(jìn)一步研究軌道車站內(nèi)的十字換乘沖突區(qū)域，分析沖突區(qū)域的行人行為。提出該區(qū)域的行人交流組織方案，并比較優(yōu)化前后的效果。

2 十字換乘區(qū)域沖突問(wèn)題

2.1 瓶頸競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題

在平峰時(shí)段，行人在軌道車站的換乘空間充足，行人用較快的速度通過(guò)換乘通道，實(shí)際速度接近期望速度，行人流整體速度較快，通過(guò)效率高，瓶頸不易產(chǎn)生；在早、晚高峰時(shí)段，行人在換乘通道內(nèi)個(gè)人空間進(jìn)一步縮小，當(dāng)行人實(shí)際速度小于期望速度時(shí)，換乘進(jìn)出口產(chǎn)生擁擠，行人之間存在空間競(jìng)爭(zhēng)，速度下降，由此產(chǎn)生瓶頸，進(jìn)而影響行人的通過(guò)效率。在發(fā)生特殊事件或緊急情況時(shí)，行人的緊張程度等心理因素會(huì)使期望速度大幅提高，產(chǎn)生的競(jìng)爭(zhēng)行為更加嚴(yán)重，瓶頸處更加難以引導(dǎo)。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，當(dāng)行人密度為10.5人/m2時(shí)，行人受到平均作用力為1100N；行人密度為7.5人/m2時(shí)，行人所受平均作用力為400N。這種作用力導(dǎo)致行人在瓶頸的速度降低，產(chǎn)生了瓶頸口處的“擁堵傳播”現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 瓶頸口“擁堵傳播”現(xiàn)象

行人期望速度在一定時(shí)間內(nèi)難以滿足時(shí)，部分行人撤離該區(qū)域，受到撤離行人影響，越來(lái)越多的行人撤離，原本行人間產(chǎn)生的平衡作用力被打破，但接著又有新的行人和撤離行人復(fù)返后，又會(huì)形成更嚴(yán)重?fù)矶卢F(xiàn)象。所以當(dāng)行人的期望速度越大，通行能力越低，出現(xiàn)“擁堵傳播”現(xiàn)象。

2.2 十字沖突問(wèn)題

城市軌道交通內(nèi)部換乘主要有4種方式[9]：平行換乘、通道換乘、T字換乘及十字換乘。平行換乘方式繞行距離短，但平行換乘會(huì)失去同站臺(tái)一半的換乘量。通道換乘方式占地多、繞行距離長(zhǎng)，一般情況下，作為車站間沒(méi)有同期施工時(shí)的替代方法。T字換乘及十字換乘方式，相對(duì)平行換乘及通道換乘來(lái)說(shuō)，繞行距離短、方向性強(qiáng)、占地面積小，節(jié)約成本，在實(shí)際中大量應(yīng)用。

十字沖突發(fā)生區(qū)域一般具有封閉性、多向性特征。根據(jù)行人運(yùn)動(dòng)方向不同，行人流線相互交織，空間競(jìng)爭(zhēng)加劇，嚴(yán)重時(shí)行人會(huì)發(fā)生停止、穿插、超越等現(xiàn)象，即發(fā)生沖突。如圖2所示，當(dāng)兩個(gè)不同方向的行人流相遇時(shí)，流量越大產(chǎn)生的沖突強(qiáng)度較，沖突區(qū)域的面積隨之變大，效率隨著降低，安全隱患增加。

圖2 十字沖突

3 建立行人沖突行為模型

3.1 基于Massmotion的建模過(guò)程

MassMotion是新一代用于行人模擬和人群分析的微觀仿真軟件，該軟件核心算法為社會(huì)力模型，主要用于預(yù)測(cè)人群與周圍建筑環(huán)境的交互行為。

社會(huì)力模型(Helbing，1995)從經(jīng)典力學(xué)角度分析行人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力問(wèn)題，該運(yùn)動(dòng)力由行人在移動(dòng)過(guò)程中受到自身產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力、行人之間作用力、行人與障礙物間的作用力等3部分組成[10]。社會(huì)力模型如式(1)(2)所示

圖5可看出:在不同節(jié)點(diǎn)密度情況下,RPL-FAHP平均存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)大于0.8×ETX+0.2×RE和0.6×HC+0.4×RE。表明RPL-FAHP綜合考慮各個(gè)路由度量,全面綜合評(píng)價(jià)候選父節(jié)點(diǎn),從而選擇最優(yōu)節(jié)點(diǎn)為偏好父節(jié)點(diǎn),改善網(wǎng)絡(luò)性能。

Fall=Fai+∑Fij+∑Fio

(1)

(2)

3.2 仿真環(huán)境

運(yùn)用Massmotion仿真軟件對(duì)原始十字沖突區(qū)和改造后的十字沖突區(qū)進(jìn)行模擬仿真，得到十字沖突區(qū)域行人滯留數(shù)量、行人進(jìn)出口速度和行人密度的仿真結(jié)果并對(duì)比分析。其中，行人類別分為16種情況如表1所示。

表1 行人分類

如圖3所示，在十字沖突區(qū)周圍設(shè)置4組檢測(cè)線及1個(gè)行人滯留檢測(cè)區(qū)，其中，1號(hào)及3號(hào)檢測(cè)線對(duì)十字沖突區(qū)入口處進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集將要進(jìn)入十字沖突區(qū)的行人；十字沖突區(qū)出口處放置2號(hào)及4號(hào)檢測(cè)線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集離開十字沖突區(qū)的行人數(shù)據(jù)；檢測(cè)區(qū)用來(lái)檢測(cè)十字沖突區(qū)的行人滯留數(shù)量。

圖3 仿真檢測(cè)器設(shè)置

3.3 仿真結(jié)果分析

對(duì)某軌道交通車站早晚高峰時(shí)段進(jìn)行了客流量及行人速度統(tǒng)計(jì)，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)輸入。其中，由西向東高峰客流量為4558人/h，由北向南客流量為4321人/h，通道寬度設(shè)置為4m，仿真時(shí)間900s。

如圖4所示，仿真運(yùn)行后，在十字沖突區(qū)域產(chǎn)生了擁堵傳播現(xiàn)象，兩股行人流產(chǎn)生交替穿過(guò)、避讓、停頓的現(xiàn)象，其中年齡較小且未攜帶行李的男性通過(guò)速度最快、年齡較大攜帶行李的女性通過(guò)速度最慢。

圖4 某軌道交通車站十字沖突區(qū)域現(xiàn)狀仿真

如圖5可知，檢測(cè)區(qū)滯留行人數(shù)量從仿真起始階段逐漸上升，5分鐘后到達(dá)最大數(shù)量，之后穩(wěn)定在50人左右直至仿真結(jié)束。

圖5 行人滯留量

由圖6的行人速度比率圖可以發(fā)現(xiàn)，仿真起始階段，十字沖突區(qū)域入口處沒(méi)有產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象，檢測(cè)線采集的行人速度在0.56-0.96m/s以上的比例較大，仿真運(yùn)行一段時(shí)間后，由于行人在瓶頸口的擁堵，檢測(cè)得到的速度快速下降，0.56m/s以下占比超過(guò)70%。在出口處，行人剛穿過(guò)十字沖突區(qū)時(shí)的速度在0.56-0.96 m/s以上的比例較大，隨著仿真的繼續(xù)，行人的速度產(chǎn)生了較大的波動(dòng)，但整體趨勢(shì)顯示行人的速度依舊在0.56m/s以下。

在本次仿真中，行人服務(wù)水平采用Fruin服務(wù)水平評(píng)價(jià)指標(biāo)，將中的行人服務(wù)水平分為 6 個(gè)等級(jí)，如表2所示。

表2 Fruin評(píng)價(jià)等級(jí)

圖6 行人速度比率

如圖7可知，在仿真起始階段顯示，十字沖突區(qū)域行人密度較小，服務(wù)水平在D級(jí)以上，整體處在較高的水平，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，行人服務(wù)水平迅速下降并且產(chǎn)生較大波動(dòng)，最終總體上在F級(jí)。

圖7 行人服務(wù)水平變化

4 優(yōu)化方案

4.1 方案一：增加沖突區(qū)域面積

4.1.1 方案說(shuō)明

十字沖突區(qū)域的空間不足是導(dǎo)致出現(xiàn)瓶頸的原因之一。通過(guò)將十字區(qū)域擴(kuò)建，增大該區(qū)域面積，來(lái)提高承載能力，減小沖突。如圖8所示在將十字沖突區(qū)域往東西南北四個(gè)方向各延伸2m寬。

圖8 擴(kuò)大優(yōu)化后十字沖突區(qū)

4.1.2 仿真結(jié)果分析

如圖9及圖1所示，在增加沖突區(qū)域的面積后，行人在十字沖突區(qū)數(shù)量在仿真剛開始時(shí)迅速提高，接近50人，但行人速度維持在較高水平，行人迅速通過(guò)該區(qū)域，停留人數(shù)迅速減小，始終未達(dá)到承載上限，行人流平均強(qiáng)度降低13.1%。如圖11所示，行人服務(wù)水平大部分分布在C、D間，行人的密度控制在可接受范圍內(nèi)，行人平均密度下降21%。

圖9 擴(kuò)大優(yōu)化后十字沖突區(qū)行人數(shù)量變化

圖10 擴(kuò)大優(yōu)化后行人總體速度比率

圖11 擴(kuò)大優(yōu)化后行人服務(wù)水平變化

4.2 方案二：增加面積+設(shè)置環(huán)島

4.2.1 方案說(shuō)明

如圖12所示，以十字沖突區(qū)中心點(diǎn)處為圓心，設(shè)置寬度為2m的環(huán)島，對(duì)行人流進(jìn)行提前分流。左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)行人可通過(guò)環(huán)島直接轉(zhuǎn)向，避免進(jìn)入十字沖突區(qū)域，減小了發(fā)生擁堵的概率；直行行人流通過(guò)對(duì)前方行人數(shù)量的判斷，可以選擇進(jìn)入十字區(qū)域或者環(huán)島區(qū)域，避免產(chǎn)生擁堵。

圖12 環(huán)島優(yōu)化十字沖突區(qū)

4.2.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)立環(huán)島后，進(jìn)一步進(jìn)行仿真可以發(fā)現(xiàn)，如圖13及圖14所示，行人在十字沖突區(qū)數(shù)量不會(huì)超過(guò)20人，遠(yuǎn)小于該區(qū)域承載能力上限，行人流平均密度下降27.1%，環(huán)島交通組織方案對(duì)行人分流有明顯的效果。如圖15及圖16所示，行人的整體速度和服務(wù)水平都有極大提高，行人密度得到良好的控制，行人平均密度下降27%。

圖13 環(huán)島優(yōu)化后十字沖突區(qū)行人數(shù)量變化

圖14 環(huán)島優(yōu)化后環(huán)島行人數(shù)量變化

圖15 環(huán)島優(yōu)化后行人總體速度比率

圖16 環(huán)島優(yōu)化后行人服務(wù)水平變化

4.3 兩種優(yōu)化方案的比較

以軌道車站的實(shí)際客流量作為輸入，進(jìn)行多次模擬仿真后發(fā)現(xiàn)，增加沖突區(qū)域面積和設(shè)置環(huán)島均有利于提高十字沖突區(qū)域的通行能力。對(duì)不同客流量條件下，兩種優(yōu)化方案的實(shí)施效果進(jìn)行進(jìn)一步比較，結(jié)果如表3所示。當(dāng)客流量低于4500人/h，兩種方案的行人滯留量均較??；客流量大于4500人/h小于5500人/h，兩種方案的行人滯留量開始增加，方案一增長(zhǎng)速度高于方案二；當(dāng)客流量大于5500人/h，方案一的行人滯留量較高，服務(wù)水平低，方案二行人滯留量仍然在可接受水平。

表3 不同方法十字沖突區(qū)行人滯留量對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

以某軌道交通車站十字沖突區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)分析交通瓶頸的產(chǎn)生過(guò)程，提出增加沖突區(qū)域面積和設(shè)置環(huán)島兩種優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)合理分流，減輕擁堵。運(yùn)用Massmotion軟件構(gòu)建仿真環(huán)境，對(duì)上述兩種方案的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：

1)擴(kuò)大十字區(qū)域的面積可以有效增加行人通行空間，行人流平均強(qiáng)度降低13.1%，行人平均密度降低21%；

2)建設(shè)環(huán)島對(duì)行人提前分流，有效提高行人速度，行人流平均強(qiáng)度降低27.1%，行人平均密度降低27%。

3)客流量過(guò)大時(shí)，方案一的行人滯留量較高，服務(wù)水平低，方案二行人滯留量仍然在可接受水平。