地鐵換乘效率仿真優(yōu)化模擬分析

張海波，張馨，李正中，紀(jì)柯柯

（1.天津三號(hào)線軌道交通運(yùn)營有限公司，天津 300380；2.天津市交通科學(xué)研究院，天津 300074）

隨著線網(wǎng)規(guī)模拓展和客流量的快速增加，城市軌道交通高峰時(shí)段供需矛盾越來越突出，車站擁堵情況嚴(yán)重，乘客在車站集散耗時(shí)急劇增加，不僅加大運(yùn)營難度，更帶來較大安全風(fēng)險(xiǎn)。為提高乘客換乘效率，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了較多研究：王雪鑫等[1]基于AnyLogic對(duì)蘭州西站與軌道交通1號(hào)線換乘銜接問題進(jìn)行仿真研究，提出優(yōu)化導(dǎo)向標(biāo)識(shí)、增設(shè)隔離設(shè)施分流及工作人員組織引導(dǎo)等改善措施；費(fèi)爽等[2]以北京地鐵2號(hào)線與4號(hào)線換乘站為例，構(gòu)建了換乘系統(tǒng)客流組織的行人仿真模型，提出了增大限流力度、加強(qiáng)客流引導(dǎo)、設(shè)置導(dǎo)流桿、去掉折角設(shè)計(jì)等優(yōu)化措施；于寶霏[3]等人利用AnyLogic仿真模擬軟件對(duì)大型高鐵站旅客出站換乘情況模擬，從換乘銜接布局、換乘銜接空間位置、換乘銜接數(shù)量及換乘銜接設(shè)施等方面提出優(yōu)化措施；吳昊靈[4]提出了優(yōu)化換乘流線及工程改造兩個(gè)方案并通過VC++和VISSIM仿真驗(yàn)證了工程改造方案可以提高換乘效率；朱清波等[5]利用AnyLogic仿真找出換乘客流瓶頸部位，通過增加安檢口服務(wù)數(shù)量、改變扶梯方向及位置，使換乘客流密度及換乘速度得到改善。

以上的仿真模擬研究可有效發(fā)現(xiàn)問題并提出優(yōu)化措施，但普遍缺乏優(yōu)化效果分析且不同車站擁堵情況不一，需進(jìn)行針對(duì)性研究。本文以天津地鐵營口道站為例，運(yùn)用AnyLogic仿真軟件對(duì)乘客換乘行為進(jìn)行仿真模擬，分析換乘站存在的問題，提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，為城市軌道交通車站的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與運(yùn)營管理提供相應(yīng)的理論和方法依據(jù)。

1 研究方法及對(duì)象

地鐵站人流密集，換乘流線復(fù)雜，換乘方向與目的各異，社會(huì)力模型可以反映復(fù)雜行人走行的連續(xù)行為過程，真實(shí)反映行人行為，精確描述行人自驅(qū)動(dòng)力、行人間的相互作用力、與周邊環(huán)境的排斥力[6～7]。而基于此種模型的Anylogic仿真軟件技術(shù)成熟、應(yīng)用普遍，具有行人庫和軌道庫等專用插件庫，能根據(jù)當(dāng)前環(huán)境選擇最短路徑且實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)可視化，可實(shí)時(shí)掌握站內(nèi)的擁堵情況，通過定量指標(biāo)反映仿真結(jié)果[8～9]。因此，本研究利用Anylogic仿真軟件建立仿真模型，以天津地鐵營口道站為例，設(shè)置仿真流程圖的相應(yīng)參數(shù)，對(duì)換乘情況進(jìn)行模擬并利用平均換乘時(shí)間、換乘速度、區(qū)域客流密度分析問題，提出優(yōu)化措施并對(duì)改進(jìn)前后的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

營口道站位于天津的金融中心、購物中心、商業(yè)和旅游中心，是市內(nèi)核心樞紐站點(diǎn)地鐵1號(hào)線和3號(hào)線的換乘站，現(xiàn)有7個(gè)出入口，地下一層為站廳及地鐵1號(hào)線側(cè)式站臺(tái)，地下二層為3號(hào)線島式站臺(tái)。

營口道站是天津地鐵客流量最大車站之一，達(dá)到13萬人次/d。隨著客流量逐年提升，容量瓶頸趨于明顯，尤其在客流高峰時(shí)段擁堵嚴(yán)重，安全形勢(shì)不容樂觀，需及時(shí)采取優(yōu)化措施提升其通行能力。

2 模型的建立

2.1 環(huán)境模擬

模型由高度不同的2個(gè)面層組成，分別代表1號(hào)線站臺(tái)層、3號(hào)線站臺(tái)層；各層的空間轉(zhuǎn)換通過連接各層的樓梯和自動(dòng)扶梯實(shí)現(xiàn)；付費(fèi)區(qū)設(shè)有5組樓梯連接站廳與1號(hào)線站臺(tái)，3組雙向樓扶梯連接站廳與3號(hào)線站臺(tái)。由于研究重點(diǎn)為乘客的換乘行為，因此構(gòu)建場景模型時(shí)對(duì)各出入口進(jìn)行了簡化。見圖1。

圖1 營口道站仿真模型

2.2 行為模擬

模擬站內(nèi)行人的行為方式或運(yùn)行規(guī)律，應(yīng)用仿真軟件的行人庫：行人生成模塊、行人消失模塊、行人前往指定位置模塊、行人接受服務(wù)模塊、行人前往指定位置并等待指定時(shí)間段模塊、根據(jù)指定比例或條件引導(dǎo)行人到達(dá)完成流程模塊、設(shè)置行人通過扶梯傳輸模塊。為準(zhǔn)確掌握乘客換乘特性，選擇工作日早高峰7：00—8：30，對(duì)樓梯口、閘機(jī)處、站臺(tái)層進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，將各站廳的實(shí)際客流量、流向、行走速度、乘客占地面積等數(shù)據(jù)輸入模型。

2.3 換乘路徑設(shè)置

以地鐵站內(nèi)的行人為研究對(duì)象，建立換乘邏輯模型：乘客先在站廳層的自助售票機(jī)進(jìn)行購票，隨后通過安檢機(jī)、閘機(jī)，經(jīng)過樓梯或自動(dòng)扶梯到達(dá)1、3號(hào)線站臺(tái)層，等待車輛到達(dá)后，上車離開本站。對(duì)換乘客流而言，位于B1層1號(hào)線雙方向客流換乘均需經(jīng)過樓梯和自動(dòng)扶梯到達(dá)B2層。

3 仿真分析

3.1 模擬結(jié)果

沖突點(diǎn)主要發(fā)生在兩條線路換乘的樓梯口處，普遍存在較大規(guī)模排隊(duì)，尤其右一口處，高峰時(shí)期客流量大，1號(hào)線劉園方向下車客流匯入右一口處進(jìn)行下行換乘，3號(hào)線換乘1號(hào)線劉園方向客流及從A、D出站口直接出站的乘客通過右一樓梯上行，存在流線交叉干擾，導(dǎo)致此處客流積壓。右一口處周期性最大密度在1.5～4.7人/m2，處于比較擁堵和嚴(yán)重?fù)矶聽顟B(tài)；而安檢、進(jìn)出口閘機(jī)處無排隊(duì)，左一口和左二口周期性最大密度在0.3～0.8人/m2，處在順暢和一般擁堵狀態(tài)之間。見圖2和圖3。

圖2 早高峰營口道站行人密度分布

圖3 換乘通道密度變化

3.2 換乘模型優(yōu)化方案

考慮到車站空間有限，增加換乘設(shè)施數(shù)量或改變?cè)O(shè)施布局難以實(shí)現(xiàn)，因此僅對(duì)換乘路線進(jìn)行優(yōu)化，將瓶頸區(qū)域的客流壓力分流，以達(dá)到均衡設(shè)施（主要是樓扶梯）利用的目的。具體流線優(yōu)化方案：引導(dǎo)1號(hào)線劉園方向列車到達(dá)的乘客從右二、右四樓梯口沿路徑前往右一樓梯口下樓進(jìn)行換乘，右一樓梯口上行的乘客全部從右三樓梯口進(jìn)入1號(hào)線劉園方向候車區(qū)域；1號(hào)線雙橋河方向到達(dá)的乘客從左三、左四樓梯口沿著引導(dǎo)路線到達(dá)左一、左二樓梯口換乘3號(hào)線；同時(shí)，3號(hào)線換乘1號(hào)線雙橋河方向的乘客沿著相應(yīng)的引導(dǎo)路線前往1號(hào)線站臺(tái)層換乘。見圖4。

圖4 營口道站關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及路線優(yōu)化

3.3 換乘優(yōu)化效果分析

為驗(yàn)證路線優(yōu)化方案的可行性，利用Anylogic仿真軟件對(duì)方案進(jìn)模擬，時(shí)長為5 400 s。

優(yōu)化乘客路徑引導(dǎo)后，擁堵現(xiàn)象較為嚴(yán)重的左一、左二、右一樓梯口擁堵范圍和強(qiáng)度明顯減小，各樓梯利用率趨于平衡，通道內(nèi)乘客走行更為順暢。見圖5。

圖5 優(yōu)化后站內(nèi)行人密度分布

3.3.1 密度及流量指標(biāo)對(duì)比

對(duì)擁堵最嚴(yán)重的右一樓梯口進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前右一樓梯口處最大密度為4.72人/m2，優(yōu)化后最大密度僅為3.25人/m2左右，最大通行量仍然保持在1 700人左右。見圖6和圖7。

圖6 右一樓梯口處密度

圖7 右一樓梯口處人流量

3.3.2 綜合指標(biāo)對(duì)比

優(yōu)化前換乘時(shí)間為2.32 min，優(yōu)化后換乘時(shí)間為2.09 min，縮短了9.91%；流線優(yōu)化前換乘速度為0.59 m/s，優(yōu)化后換乘速度0.69 m/s，提升16.9%；優(yōu)化前最大節(jié)點(diǎn)密度為4.72人/m2，優(yōu)化后節(jié)點(diǎn)密度為3.25人/m2，減少31.14%，換乘效率得到提升，方案可以解決地鐵站內(nèi)局部擁堵的問題。

4 結(jié)論

1）營口道站早高峰沖突點(diǎn)主要發(fā)生在兩條線路換乘的樓梯口處，最擁堵的區(qū)域?yàn)锽1層右一樓梯口處。

2）在現(xiàn)有情況下，優(yōu)化路線引導(dǎo)能使換乘時(shí)間、平均速度、最大節(jié)點(diǎn)密度等綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)達(dá)到最佳狀態(tài)。