城市軌道交通同站臺換乘設(shè)計與應(yīng)用研究

孫 銘，趙興東，方志偉，張 超

（1.交控科技股份有限公司，北京 100070；2.北京軌道交通路網(wǎng)管理有限公司，北京 100101）

換乘是城市軌道交通運營組織中不可忽視的一環(huán)，換乘的安全性、舒適性、便捷性和高效性直接影響著城市軌道交通的服務(wù)水平和運營效率，如何提高換乘的效率和舒適度是公共交通領(lǐng)域研究的熱點課題之一。

1 城市軌道交通換乘方式及優(yōu)缺點

城市軌道交通的換乘方式豐富多樣[1]，各種換乘方式均有其優(yōu)缺點和適用場景，在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。

目前，城市軌道交通的主要換乘方式如下（圖1）。

圖1 換乘方式示意圖

（1）同站臺換乘。同站臺換乘也稱“零距離換乘”，是指使2 個軌道系統(tǒng)的4 條線路分別兩兩合用1 個島式站臺，以便2 個軌道系統(tǒng)的部分乘客能夠在同一站臺上實現(xiàn)換乘。

（2）節(jié)點換乘。節(jié)點換乘是指通過樓梯、上下扶梯或電梯等設(shè)施，直接連接2 個軌道系統(tǒng)分屬的2 個站臺，使乘客實現(xiàn)換乘。

（3）通道換乘。通道換乘是指通過地下或地上的專用通道，直接連接2 個軌道系統(tǒng)分屬的2 個站臺，使乘客能夠通過在通道內(nèi)步行一段距離實現(xiàn)換乘。

（4）站廳換乘。站廳換乘是指通過一個需要經(jīng)樓梯、上下扶梯或電梯與站臺進(jìn)行連接的公共站廳，使乘客實現(xiàn)換乘。

（5）混合換乘?；旌蠐Q乘是指通過對同站臺換乘、節(jié)點換乘、通道換乘或站廳換乘等不同方式進(jìn)行組合，使乘客實現(xiàn)換乘。

（6）站外換乘。站外換乘也稱“虛擬換乘”，與前面5 種換乘方式在車站內(nèi)部換乘不同，這種方式需要乘客出站，以步行或乘車的方式到達(dá)另一車站，并再次進(jìn)站乘車，以實現(xiàn)換乘。

表1 展示了不同換乘方式的優(yōu)缺點。

表1 不同換乘方式優(yōu)缺點列表

2 同站臺換乘應(yīng)用價值及相關(guān)技術(shù)研究綜述

2.1 應(yīng)用價值

同站臺換乘作為一種較為優(yōu)越的城市軌道交通換乘方式，在近年來備受青睞，其應(yīng)用價值如下。

（1）提升乘客出行效率。在眾多換乘方式中，同站臺換乘方式最為高效。通過對軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行精心設(shè)計和建造，允許不同線路的列車在同一站臺停靠，使乘客可在同一站臺上實現(xiàn)換乘，從而大幅縮短了其換乘走行距離和時間。

（2）減少車站客流交叉干擾。傳統(tǒng)的換乘方式需要乘客在不同站臺進(jìn)行換乘，因此經(jīng)常導(dǎo)致乘客在站臺上的通道口、樓梯或扶梯口發(fā)生擁堵。同站臺換乘避免了乘客在不同站臺間游走，有助于減少車站客流交叉干擾現(xiàn)象。

（3）適度節(jié)約建設(shè)和運營成本。同站臺換乘無需額外的換乘設(shè)備和換乘引導(dǎo)工作人員，對于車站而言，所需的建設(shè)和運營成本更低。

2.2 相關(guān)技術(shù)研究綜述

同站臺換乘可大幅縮短乘客的換乘時間，并在理想狀態(tài)下使列車運輸效率、乘客換乘效率以及站臺客流疏散能力均達(dá)到最佳。這種理想狀態(tài)對技術(shù)提出了嚴(yán)格的要求，包括列車時刻表的合理制定、換乘客流的精準(zhǔn)預(yù)測等。目前，已有許多學(xué)者對上述內(nèi)容進(jìn)行了研究。

在列車時刻表的合理制定方面，楊震等[2]以避免或減少換乘客流對沖為前提，以減少乘客總換乘時間為優(yōu)化目標(biāo)，建立地鐵列車到站時刻協(xié)調(diào)優(yōu)化的混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）模型。馬超云[3]針對同站臺換乘方式，將列車的周期性到達(dá)定義為列車到達(dá)方波脈沖，使波動學(xué)與列車運行相匹配，提出時刻表協(xié)調(diào)優(yōu)化模型。寧潤姣[4]在單個換乘站的基礎(chǔ)上，考慮網(wǎng)絡(luò)化運營條件，建立多條線路、多個換乘站點的綜合時刻表優(yōu)化模型，并設(shè)計算法求解這一優(yōu)化問題。

在換乘客流的精準(zhǔn)預(yù)測方面，對路徑分配方法或預(yù)測算法進(jìn)行優(yōu)化都有利于改善預(yù)測效果。李強強[5]基于方向梯度直方圖（HOG）特征和線性支持向量機（SVM）構(gòu)建行人檢測模型，并利用連續(xù)自適應(yīng)均值漂移（CamShift）跟蹤算法統(tǒng)計換乘乘客數(shù)量、客流密度及客流通過速度等指標(biāo)。熊洋[6]利用列文伯格-馬夸爾特（LM）算法和遺傳（GA）算法對反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行算法效率的優(yōu)化，構(gòu)建短時換乘客流預(yù)測模型。朱丹[7]利用魯棒局部加權(quán)回歸（LOESS）算法對換乘客流進(jìn)行時間序列分解，進(jìn)而利用深度學(xué)習(xí)算法構(gòu)建門控循環(huán)單元結(jié)構(gòu)（GRU）模型，對分解后的換乘客流分量分別進(jìn)行預(yù)測，以此提升模型預(yù)測精度。

通過精確的列車時刻表安排和換乘客流預(yù)測，可以合理確定列車的發(fā)車間隔和容納能力，以應(yīng)對換乘高峰期的客流需求。利用這些技術(shù)手段可以提前識別換乘瓶頸，優(yōu)化運營調(diào)度，最大程度地減少換乘時的擁堵和安全風(fēng)險，確保乘客的出行安全和順暢，提高同站臺換乘效率。

3 同站臺換乘車站設(shè)計形式及優(yōu)缺點

同站臺換乘通常適用于雙線平行交織的島式站臺（其中雙島站臺比較常見）[8-9]。在這種設(shè)計形式下，2 個軌道系統(tǒng)的2 條線路分別兩兩合用1 個島式站臺，站臺分別服務(wù)不同線路、不同方向的列車，乘客可以在同一站臺上換乘另一線路列車。

3.1 車站設(shè)計形式

3.1.1 雙島 4 線/ 5 線方案

雙島4 線方案的車站設(shè)計采用水平布置2 個島式站臺的形式，利用交叉連接通道及換乘平臺連接2 個島式站臺（圖2）。對于一側(cè)的島式站臺而言，2 條分屬于不同線路的軌道位于其兩側(cè)；對于某條線路而言，其上下行方向的2 條軌道分別位于不同島式站臺旁。因此，換乘某一方向的乘客在換乘站下車后即可在當(dāng)前站臺換乘，而換乘另一方向的乘客則需要通過通道和換乘平臺換乘，換乘距離和時間較長。

圖2 雙島4 線方案車站布局示意圖

雙島5 線方案的車站布局與雙島4 線方案相似。在某些情況下，由于工程籌劃問題，雙島4 線車站可能需要采用盾構(gòu)過站的方式，這會導(dǎo)致中間兩條線的線間距增大。為避免浪費工程資源，實現(xiàn)對車站資源的充分利用，可以在中間兩條線之間增設(shè)1 條停車線，原本的雙島4 線車站則因增設(shè)的配線變成了雙島5 線車站（圖3）。雙島5 線方案可以在有限的空間內(nèi)提高線路容納能力，并且避免對車站整體布局的大規(guī)模改動。通過增設(shè)停車線，車站可以更好地滿足線路列車的?？啃枨螅岣咝熊嚱M織調(diào)整的靈活性。但同時，對于這種變化需要在工程籌劃和設(shè)計階段加以充分考慮，以確保車站的布局和配線符合安全標(biāo)準(zhǔn)和運營要求。

圖3 雙島5 線方案車站布局示意圖

為確保同站臺換乘的效率和安全性，交叉連接通道需要滿足特定的設(shè)計要求。例如，通道應(yīng)具備足夠的寬度以容納高峰期的大量換乘客流，并允許乘客在通道內(nèi)自由流動；應(yīng)提供充足的照明和適當(dāng)?shù)臉?biāo)識，以方便乘客找到換乘通道入口和目標(biāo)線路方向。

3.1.2 單島 4 線方案

單島4 線方案也稱疊島4 線方案，其車站設(shè)計采用垂直布置兩個島式站臺的形式，兩站臺利用樓梯、電梯、扶梯相連接（圖4）。在軌道的布局上，單島4 線方案與雙島4 線方案相同。

圖4 單島4 線方案車站布局示意圖

在單島4 線方案中，電梯、扶梯是站臺上的重要基礎(chǔ)設(shè)施，可為乘客提供便捷的上下交通。其安全可靠性對于保障乘客安全高效出行至關(guān)重要。此外，為維持同站臺換乘的效率和安全性，其他各環(huán)節(jié)還需要通力協(xié)作、共同保障。

3.2 不同車站設(shè)計形式優(yōu)缺點

表2 展示了雙島4 線/5 線方案、單島4 線方案2 種車站設(shè)計形式的優(yōu)缺點。

表2 同站臺換乘不同車站設(shè)計形式優(yōu)缺點列表

4 同站臺換乘面臨的挑戰(zhàn)

同站臺換乘作為一種熱門的城市軌道交通換乘方式，具有許多優(yōu)勢，然而在實踐中卻存在以下困難和挑戰(zhàn)需要克服。

（1）站臺面積有限。同站臺換乘的換乘區(qū)域（即站臺）面積受限。在高峰大客流時段，列車停站時站臺客流密度激增，會導(dǎo)致站臺客流集散能力暫時性飽和[10]，因此同站臺換乘對站臺的客流承載及疏散能力提出了挑戰(zhàn)。尤其是在站臺兩側(cè)列車同時停站時，容易出現(xiàn)客流對沖現(xiàn)象[11]，存在一定安全隱患，運營安全問題需要重點關(guān)注。

（2）高峰時期客運組織難度大。同站臺換乘在高峰時期的客運組織將變得更加復(fù)雜和困難，需要對不同線路的運營計劃和時刻表進(jìn)行協(xié)調(diào)，以確保換乘流程的順暢。此外，高峰時期的乘客需求變化快速，若發(fā)生應(yīng)急事件，在處置空間受限、缺少空間換時間條件的情況下，行車調(diào)度和車站值班人員需要快速響應(yīng)，靈活調(diào)整，以滿足安全、高效的乘客服務(wù)需求。

（3）對城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)的要求提高。同站臺換乘需要在線網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)階段進(jìn)行充分考慮。合理的線網(wǎng)規(guī)劃應(yīng)考慮不同線路之間的連接和換乘關(guān)系，以實現(xiàn)高效的同站臺換乘，同時需要考慮站臺的擴建、車站設(shè)施的合理配置以及行車組織的協(xié)調(diào)等問題。在建設(shè)階段需要滿足同站臺換乘的技術(shù)和工程要求，包括電梯、扶梯等設(shè)施和換乘平臺的設(shè)計。這要求規(guī)劃者和設(shè)計者具備豐富的專業(yè)知識和經(jīng)驗，以確保同站臺換乘的順利實施。

（4）大客流疏解難度大。在特殊活動、節(jié)假日或緊急情況下，可能發(fā)生大客流聚集現(xiàn)象，客運組織壓力會激增。同站臺換乘的換乘過程簡單，乘客換乘路徑較短，面臨著如何快速疏解大客流的挑戰(zhàn)。如果無法及時調(diào)整列車開行方案，則需要結(jié)合當(dāng)前的行車組織情況，采取協(xié)同限流等分流措施，緩解客流沖擊壓力，也可以考慮采用部分車次跳停等手段加以應(yīng)對。

5 同站臺換乘典型案例分析

在世界范圍內(nèi)的城市軌道交通系統(tǒng)中，香港地鐵的同站臺換乘頗具代表性，在可靠性、安全性及效率等方面均保持國際先進(jìn)水平。因此，下面將以香港地鐵為例，列舉典型的單向同站臺換乘和組合式雙向同站臺換乘案例進(jìn)行分析[9，11]。

5.1 單向同站臺換乘案例——荔景站

香港地鐵荔景站實現(xiàn)了荃灣線與東涌線之間的換乘。荃灣線于1982 年建成通車，其連接香港島的中環(huán)和新界的荃灣，是香港地鐵系統(tǒng)中的一條重要線路。東涌線于1998 年通車，分流了往返于香港站以東及荔景站以北的客流。圖5 為荃灣線與東涌線換乘示意圖。

圖5 荃灣線與東涌線換乘示意圖

荔景站的設(shè)計采用單島4 線方案，單個島兩側(cè)分別是荃灣線上行（或下行）與東涌線上行（或下行）軌道，允許乘客在同一個站臺快速換乘順向列車，這種換乘站設(shè)計方式叫做單向同站臺換乘（圖6）。

圖6 單向同站臺換乘示意圖

單向同站臺換乘過程涉及的軌道扭轉(zhuǎn)過程為垂直方向2 次，水平方向4 次。由于單島4 線方案無法避免軌道在垂直方向上的扭轉(zhuǎn)，因此在實現(xiàn)單向同站臺換乘時，可不對兩條線路的上行（或下行）軌道進(jìn)行垂直扭轉(zhuǎn)，從水平方向修建至島式站臺兩側(cè)即可，而僅對兩條下行（或上行）軌道實施提前垂直扭轉(zhuǎn)，避免過晚扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致軌道坡度大，與節(jié)能坡的設(shè)計相悖。

5.2 組合式雙向同站臺換乘案例——油塘站與調(diào)景嶺站

香港地鐵油塘站與調(diào)景嶺站為兩個相鄰車站，均可實現(xiàn)觀塘線與將軍澳線之間的換乘。觀塘線于1982 年正式通車，連接九龍東部的觀塘區(qū)和新界的葵芳區(qū)。將軍澳線于2002 年正式開通，用于服務(wù)日益發(fā)展的將軍澳區(qū)域，連接九龍的牛池灣和新界的將軍澳，是香港地鐵系統(tǒng)中的一條重要線路。圖7 為觀塘線與將軍澳線換乘示意圖。

圖7 觀塘線與將軍澳線換乘示意圖

油塘站的設(shè)計采用單島4 線方案，可實現(xiàn)乘客的同站臺逆向換乘，而其相鄰車站調(diào)景嶺站的設(shè)計同樣采用單島4 線方案，可實現(xiàn)乘客的同站臺順向換乘，兩者組合即可實現(xiàn)乘客的同站臺全方向換乘。這種換乘站設(shè)計方式叫做組合式雙向同站臺換乘（圖8）。從施工上來講，此設(shè)計方式中兩條線路的軌道線要經(jīng)歷比單個單向同站臺換乘方式更復(fù)雜的移動。

圖8 組合式雙向同站臺換乘示意圖

組合式雙向同站臺換乘過程涉及的軌道扭轉(zhuǎn)過程為垂直方向4 次，水平方向8 次。在經(jīng)過第一個換乘站后，一條線路的下行（或上行）軌道與另一條線路的上行及下行軌道，共3 條軌道，以“擰麻花”的形態(tài)在水平及垂直方向上同時扭轉(zhuǎn)前進(jìn)，在第二個換乘站實現(xiàn)站臺一側(cè)列車行駛方向的改變。

組合式雙向同站臺換乘為乘客提供了便利，然而這種換乘方式在運營過程中存在噪聲問題。主要的噪聲源來自列車和軌道之間的磨擦，尤其是列車在轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的噪聲，軌道曲線半徑越小，噪聲越大。為減少噪聲對乘客的影響，香港地鐵在將軍澳線上采用了隔聲效果更好的列車，這樣可以有效降低噪聲水平，提升乘客的出行體驗。

組合式雙向同站臺換乘的軌道垂直扭轉(zhuǎn)次數(shù)較多。為確保線路的平穩(wěn)、順暢運行并便于施工和維保，相鄰兩個換乘站之間的站間距不宜過小，以避免軌道線在扭轉(zhuǎn)前進(jìn)時采用過小的曲線半徑，從而保持軌道線的走向相對平穩(wěn)。此外，組合式雙向同站臺換乘對乘客服務(wù)水平的要求更高，在站內(nèi)導(dǎo)向標(biāo)志系統(tǒng)的設(shè)計上應(yīng)更加嚴(yán)格，需在乘客下車前后進(jìn)行明確引導(dǎo)，以防止乘客換乘錯誤線路或方向的列車。

6 相關(guān)建議

通過上述對同站臺換乘車站設(shè)計形式及案例的分析和闡述，本章提出同站臺換乘車站規(guī)劃和設(shè)計相關(guān)建議。

（1）考慮地理位置條件。同站臺換乘車站應(yīng)位于交通樞紐或繁忙區(qū)域，以使乘客出行的便捷度最大化。車站的布局和連接應(yīng)考慮周邊交通網(wǎng)絡(luò)和步行路徑，實現(xiàn)與其他交通方式的無縫銜接。此外，在規(guī)劃同站臺換乘車站時，要考慮車站銜接的合理性，其中，站間距是十分重要的考慮因素。

（2）考慮客流條件。在設(shè)計同站臺換乘車站之前，應(yīng)做好客流預(yù)測工作，以客流分析和預(yù)測結(jié)果作為依據(jù)進(jìn)行車站設(shè)計，以確保車站具有足夠容量并為客運組織創(chuàng)造有利條件。此外，應(yīng)考慮到高峰時段和特殊活動等因素，將合理的排隊區(qū)域和乘客引導(dǎo)措施納入設(shè)計范圍。

（3）考慮換乘保障條件。同站臺換乘雖然方便快捷，但存在乘客誤乘與目標(biāo)相反方向列車的情況。設(shè)置合理的站臺布局和標(biāo)識、充足的換乘通道和設(shè)施（如扶梯、電梯、樓梯等），以及提供準(zhǔn)確的換乘信息引導(dǎo)，是設(shè)計時必須考慮的因素。

7 結(jié)語

本文在闡述城市軌道交通換乘方式及優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，首先對同站臺換乘的應(yīng)用價值進(jìn)行介紹并對相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)行綜述；然后概述同站臺換乘車站設(shè)計形式、優(yōu)缺點以及面臨的挑戰(zhàn)，并以香港地鐵為例分析2 個同站臺換乘設(shè)計的典型案例；最后提出同站臺換乘車站規(guī)劃設(shè)計的相關(guān)建議，以期為城市軌道交通同臺換乘的研究和實踐提供參考。