基于離散螢火蟲(chóng)算法的軌道交通車站建筑內(nèi)部空間設(shè)計(jì)優(yōu)化

黃 騫

(上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院, 上海 200235)

近年來(lái),軌道交通在城市交通網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)時(shí),不同軌道交通線路之間的換乘節(jié)點(diǎn)建設(shè)越來(lái)越重要[1]。作為城市軌道交通站點(diǎn)的重要客流集散地,直接影響周邊的交通方式,對(duì)于優(yōu)化城市空間位置、提升城市功能具有重要作用[2]。軌道交通建設(shè)的優(yōu)化趨勢(shì)已成為車站的推進(jìn)和周邊土地的更緊密整合,以及通過(guò)車站建設(shè)對(duì)周邊土地綜合開(kāi)發(fā)利用的重要趨勢(shì)[3]。這一趨勢(shì)表現(xiàn)在利用交通車站來(lái)確保更大的客流,促進(jìn)周圍土地的開(kāi)發(fā),從而促進(jìn)城市空間的集約利用。周邊地區(qū)三維城市的建設(shè)也有助于擴(kuò)大交通車站的客流,加強(qiáng)軌道交通運(yùn)營(yíng)收支平衡,調(diào)整交通車站與周邊土地的良好互動(dòng)[4]?？土骺刂茖?duì)現(xiàn)有車站、新舊結(jié)構(gòu)之間的連接以及現(xiàn)有結(jié)構(gòu)更新的影響已成為此類項(xiàng)目的主要問(wèn)題。交通車站與周圍土地緊密結(jié)合的方式不僅取決于車站的類型和位置,還取決于連接方式的選擇。車站的總類型為地面車站,主體結(jié)構(gòu)與交通車站入口和周圍區(qū)域出口之間的距離已固定[5]。傳統(tǒng)通道的連接類型已在結(jié)構(gòu)安全、消防安全結(jié)構(gòu)、交通組織等方面進(jìn)行了優(yōu)化。方形連接等連接地下過(guò)渡區(qū)作為一種綜合連接方式,正日益成為交通車站與大型商業(yè)基地之間綜合連接的有效方法。

周陽(yáng)[6]提出優(yōu)先考慮換乘效率,根據(jù)換乘空間的特點(diǎn),優(yōu)化換乘空間形態(tài)合理流線組織,建立單相通行機(jī)制,增加自動(dòng)扶梯,實(shí)現(xiàn)地鐵車站換乘空間優(yōu)化設(shè)計(jì)。許乙弘和李曉況[7]提出考慮車站空間特點(diǎn),分析該車站客流量情況,總結(jié)出現(xiàn)有車站換乘空間實(shí)際存在的問(wèn)題,并提出對(duì)策進(jìn)行解決,實(shí)現(xiàn)換乘站換乘空間優(yōu)化設(shè)計(jì)。雖然上述方法對(duì)車站客流量情況均有所分析,但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中忽略了客流量分布以及停留的情況,導(dǎo)致客流量增加的情況下煙霧時(shí)間也有所增加,降低了乘車效率。

螢火蟲(chóng)算法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好的特點(diǎn),適用于函數(shù)優(yōu)化、中性網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。螢火蟲(chóng)算法是生物仿射離散螢火蟲(chóng)算法領(lǐng)域的最新算法。經(jīng)驗(yàn)表明,這比遺傳算法(genetic algorithm,GA)和粒子群優(yōu)化算法(particle swarm optimization,PSO)更有效,可以尋找各種全局最優(yōu)解,收斂速度快,成功率高[8],是解決困難的空間優(yōu)化問(wèn)題的主要方法。譚彬彬[9]提出離散螢火蟲(chóng)算法。在短短幾年內(nèi),算法包括管道規(guī)劃問(wèn)題、車間規(guī)劃問(wèn)題、集成微分控制器設(shè)置參數(shù)的比例問(wèn)題、非線性優(yōu)化問(wèn)題。成功解決了無(wú)數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。將離散螢火蟲(chóng)算法成功地應(yīng)用于空間序列規(guī)劃,結(jié)果表明,離散螢火蟲(chóng)算法在解決空間優(yōu)化難題方面是有效的。根據(jù)軌道交通車站內(nèi)部空間設(shè)計(jì)的優(yōu)化參數(shù),將空間內(nèi)部的客流量問(wèn)題描述為一個(gè)限制性問(wèn)題,以最大限度地?cái)U(kuò)大可用面積,做到空間合理規(guī)劃。提出基于離散螢火蟲(chóng)算法的軌道交通車站建筑內(nèi)部空間設(shè)計(jì)優(yōu)化,使用離散螢火蟲(chóng)算法來(lái)解決優(yōu)化問(wèn)題,并研究了最短行程算法。與微粒交換的優(yōu)化算法相比,該方案有效地解決了軌道交通車站內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問(wèn)題。

1 工程實(shí)例

以上海市域鐵路示范區(qū)線芳樂(lè)路車站為例,對(duì)該車站建筑內(nèi)部空間設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。芳樂(lè)路站位于華漕鎮(zhèn)聯(lián)友路與芳樂(lè)路交叉口,沿芳樂(lè)路東西向敷設(shè),為地下三層雙島四線車站,車站總長(zhǎng)約632.2 m。與在建地鐵13號(hào)線西延伸工程芳樂(lè)路站、規(guī)劃地鐵25號(hào)線呈l型換乘。與13、25號(hào)線站呈交叉布置,通道換乘。由于該車站位置位于南北向城市功能發(fā)展主軸,隨著前灣地區(qū)軌交13號(hào)線西延伸、上海示范區(qū)線的建設(shè)及軌交25號(hào)線的規(guī)劃,芳樂(lè)路站未來(lái)將實(shí)現(xiàn)3線換乘。因此,對(duì)于芳樂(lè)路站內(nèi)部空間設(shè)計(jì),需要考慮的因素較多,對(duì)建筑空間進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)有助于提高換乘客流及進(jìn)出站客流的效率,避免造成高峰期客流擁擠。

2 基于離散螢火蟲(chóng)算法的建筑內(nèi)部空間設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 車站內(nèi)部功能分區(qū)

車站的內(nèi)部功能分區(qū)涉及其內(nèi)部功能的使用,以確保特定類型的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的開(kāi)發(fā)區(qū)域及其積極變化的適用性[10]。車站的功能分區(qū)是空間面積和優(yōu)化的先決條件。根據(jù)城市活動(dòng)基地的分布,車站內(nèi)部功能分區(qū)可分為地面步行區(qū)、地下步行區(qū)和垂直轉(zhuǎn)換區(qū),如表1所示。

表1 車站分區(qū)類型

地面步行區(qū)是所有橫向連接的方式中最早、最成熟的。將最具功能的空間連接到城市,支持軌道和地面交通是它們存在的基礎(chǔ)[11]。

地下步行區(qū)是解決高密度中心城區(qū)客貨混合交通問(wèn)題的主要方法。連接的主要方法是通過(guò)道路或公共活動(dòng)空間間接連接的建筑區(qū)域。起初,過(guò)馬路有一種通行方式,但逐漸建立了一定規(guī)模的地面步行網(wǎng)絡(luò),連接了不同的土地空間和建筑。乘客的出行方式主要是通過(guò)交通網(wǎng)連接和組合的方式融入不同的城市活動(dòng)中。結(jié)合的方式則主要是地下街道在起到步行聯(lián)系作用的同時(shí),還結(jié)合了其他功能[12]。

垂直轉(zhuǎn)換區(qū)是連接不同層次的地下站臺(tái)與地面或地上層之間的區(qū)域。能夠方便乘客在地鐵站內(nèi)進(jìn)行上下行交通轉(zhuǎn)換,扮演著連接不同交通層次的橋梁作用。垂直轉(zhuǎn)換區(qū)由一系列設(shè)施和設(shè)備組成,包括樓梯、電梯、扶手電梯(自動(dòng)扶梯)、坡道、人行通道等,以便乘客能夠方便快捷地從地下層到地上層或相反。垂直轉(zhuǎn)換區(qū)設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一是確保乘客能夠順暢且高效地在不同層次之間流動(dòng)。為此,需要提供足夠數(shù)量和合理布局的樓梯、電梯等設(shè)備,確保乘客能夠迅速、安全地到達(dá)目的地。并且必須要提供無(wú)障礙通行,設(shè)置導(dǎo)向和標(biāo)識(shí)系統(tǒng),是車站內(nèi)的緊急疏散通道之一,應(yīng)設(shè)置避難點(diǎn)、防煙設(shè)施、緊急廣播系統(tǒng)等,并確保通道暢通無(wú)阻。

2.2 基于離散螢火蟲(chóng)算法計(jì)算客流量分布

根據(jù)上述軌道交通車站分區(qū),進(jìn)行進(jìn)一步的離散螢火蟲(chóng)客流量定位,離散螢火蟲(chóng)算法是一種基于離散螢火蟲(chóng)的算法,初始螢火蟲(chóng)飛行意外分布在搜索區(qū)域。規(guī)劃探測(cè)客流量問(wèn)題上,因?yàn)槊總€(gè)螢火蟲(chóng)飛行位置都對(duì)應(yīng)于測(cè)量序列,所以螢火蟲(chóng)飛行位置被初始化為n維向量,用公式表示為

Xi=[xi,1,xi,2,…,xi,j]n

(1)

式中:xi,j為測(cè)量點(diǎn)的尺寸;i和j為螢火蟲(chóng)的任意的元素。由于每個(gè)測(cè)量點(diǎn)必須快速向前移動(dòng),并且只能快速移動(dòng)一次,因此Xi矢量的所有兩個(gè)元素都不相等。提高算法的全局搜索能力,保證種群的多樣性,對(duì)初始測(cè)量序列進(jìn)行了隨機(jī)處理。隨機(jī)軌道車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)離散耦合優(yōu)化問(wèn)題[13]。若使用相對(duì)簡(jiǎn)單的距離公式來(lái)計(jì)算螢火蟲(chóng)個(gè)體之間的距離,則解向量的變量?jī)H為0或1,即兩個(gè)解之間的距離。具體客流量分布計(jì)算步驟如下。

步驟1：初始化參數(shù)。分別將單個(gè)螢火蟲(chóng)i和螢火蟲(chóng)j位置定義為xi和xj,并將其距離確定為

d(xi,xj)=e(xi,xj)li(u)Xi(σ)

(2)

式中:e為初始光強(qiáng)度;u為光吸收系數(shù);Ii為螢火蟲(chóng)i自身的絕對(duì)亮度;σ為亮度吸引力。

步驟2：結(jié)合離散螢火蟲(chóng)算法。當(dāng)螢火蟲(chóng)j被螢火蟲(chóng)i亮度吸引后,螢火蟲(chóng)j向螢火蟲(chóng)i移動(dòng)的過(guò)程中就必須不斷地更新位置,螢火蟲(chóng)j的位置經(jīng)過(guò)多次迭代最終會(huì)與螢火蟲(chóng)i位置相同,螢火蟲(chóng)j位置更新的計(jì)算公式為

(3)

式中:Dj(t)為t時(shí)間螢火蟲(chóng)j的更新位置;f為熒光素值;γ為位置偏移,為常數(shù)γ∈[0,1]。

步驟3：結(jié)合式(2)計(jì)算出的螢火蟲(chóng)個(gè)體之間的距離,并且對(duì)螢火蟲(chóng)i位置更新結(jié)果進(jìn)行離散化處理,計(jì)算螢火蟲(chóng) 位置更新結(jié)果為

(4)

式中:Di(t)為螢火蟲(chóng)i位置更新結(jié)果;li為引火蟲(chóng)i的移動(dòng)方向。

為了在下一次迭代開(kāi)始后保持種群的規(guī)模和多樣性,使用公式(4)之前,應(yīng)重新計(jì)算未處理的解。在更新某些螢火蟲(chóng)的位置后重新進(jìn)行算法迭代過(guò)程中,邊界以上的情況會(huì)出現(xiàn)越界問(wèn)題,提高搜索速度確保每次都能找到可能的解決方案。

步驟4：計(jì)算單個(gè)螢火蟲(chóng)個(gè)體接近其他單個(gè)個(gè)體的可能性。

步驟5：隨機(jī)生成變量r,在更新過(guò)程中,設(shè)螢火蟲(chóng)i進(jìn)行位置更新的時(shí)間為T,那么在T時(shí)間內(nèi),在螢火蟲(chóng)j到達(dá)螢火蟲(chóng)i位置時(shí),螢火蟲(chóng)i的熒光素更新結(jié)果為

(5)

式中:β為熒光更新速度;vi為螢火蟲(chóng)i動(dòng)態(tài)更新速度;μ為熒光素濃度;ε為熒光素?fù)]發(fā)系數(shù);α為感知半徑。

步驟7：不斷在步驟1到步驟6之間進(jìn)行迭代,在最大重復(fù)次數(shù)達(dá)到或滿足最終條件便停止重復(fù),獲得客流量分布結(jié)果。

2.3 軌道交通車站建筑內(nèi)部空間布局優(yōu)化

軌道交通車站在建筑中的復(fù)雜交客流使得此類建筑的空間設(shè)計(jì)比一般建筑的空間設(shè)計(jì)更重要、更復(fù)雜,并須考慮更多的因素[14]。通過(guò)上述計(jì)算客流量分布,按照人群疏密空間分配算法設(shè)計(jì)軌道交通車站建筑內(nèi)部空間的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)經(jīng)過(guò)圖1所示的流程。

圖1 軌道空間布局優(yōu)化流程

地面步行區(qū)、空中步行區(qū)、地下步行區(qū)和垂直轉(zhuǎn)換區(qū)根據(jù)客流線路和管理需求進(jìn)行配置,以方便客流線路布設(shè)和使用,減少流線交叉和客流對(duì)沖,減少售票設(shè)備、出入境售票設(shè)備面前乘客停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng),客戶服務(wù)中心前的登記和過(guò)渡場(chǎng)所不小于2跨度。在具有過(guò)街功能的情況下,應(yīng)延長(zhǎng)其長(zhǎng)度,并確定非道路區(qū)域之間設(shè)置約4 m的連接路徑。當(dāng)售票機(jī)配置在兩端時(shí),建議安裝墻壁配置。釋放排隊(duì)空間。步行區(qū)的規(guī)模制度不僅應(yīng)滿足控制期客流控制和消防疏散計(jì)算的要求,而且應(yīng)根據(jù)各車站的實(shí)際情況盡可能確定,以防止客流突然流動(dòng),提高車站的垂直運(yùn)輸能力。

軌道交通車站的內(nèi)部空間優(yōu)化設(shè)計(jì)不能簡(jiǎn)單地遵循獨(dú)立建筑的設(shè)計(jì),可以在兩種情況下考慮:一種類型是交通流量穩(wěn)定的交通狀況;另一種是交通流量平均穩(wěn)定的狀態(tài)[15]。如果兩個(gè)內(nèi)部信號(hào)得到協(xié)調(diào)和控制,在兩種情況下實(shí)施協(xié)調(diào)優(yōu)化,基于離散螢火蟲(chóng)算法計(jì)算客流量分布,從而實(shí)現(xiàn)軌道交通車站建筑內(nèi)部空間優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于離散螢火蟲(chóng)算法的軌道交通車站建筑內(nèi)部空間設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的有效性,進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn),設(shè)置周陽(yáng)[6]基于換乘優(yōu)先的方法(傳統(tǒng)方法1)、許乙弘和李曉況[7]基于車站空間客流量的方法(傳統(tǒng)方法2)為對(duì)照組,和本文所提方法共同進(jìn)行對(duì)比。

利用德國(guó)WTO公司Vissim微型道路仿真軟件對(duì)未來(lái)年客流量進(jìn)行預(yù)測(cè),對(duì)隨機(jī)選中的兩個(gè)軌道交通車站建筑分別用三種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。得到客流量增長(zhǎng)后的延誤曲線如圖2所示。

圖2 客流量增長(zhǎng)的延誤曲線對(duì)比

由圖2可知,采用本文設(shè)計(jì)的基于離散螢火蟲(chóng)算法的軌道交通車站建筑內(nèi)部空間設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在客流量增加的情況下要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法,相比于傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)方法2延誤時(shí)間分別平均減少8 s和13 s,具有更好的軌道交通車站建筑內(nèi)部空間客流運(yùn)輸能力,具有研究意義。

4 結(jié)語(yǔ)

軌道交通車站建筑內(nèi)部空間作為一種一體化的連接方式,將軌道交通地下車站與周邊物業(yè)區(qū)域有機(jī)連接,構(gòu)建一個(gè)整體,實(shí)現(xiàn)多個(gè)水平和垂直方向的高質(zhì)量連接。本文研究軌道交通車站的土地交通建筑設(shè)計(jì),對(duì)其內(nèi)部空間進(jìn)行分區(qū),基于離散螢火蟲(chóng)算法計(jì)算客流量分布,從而實(shí)現(xiàn)軌道交通車站建筑內(nèi)部空間優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)于促進(jìn)軌道交通車站與周邊土地的緊密結(jié)合,實(shí)現(xiàn)軌道交通與周邊土地之間的良好互動(dòng)具有重要意義。