地鐵車(chē)站客流疏導(dǎo)優(yōu)化

詹銀霞, 李曉雷, 楊斌, 李欣雨

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

地鐵車(chē)站是軌道交通運(yùn)行的重要部分,為市民的基本生活提供了一定保障。但在高峰時(shí)期,地鐵站由于突發(fā)客流易產(chǎn)生擁堵,同時(shí)缺乏相應(yīng)的疏導(dǎo)措施,導(dǎo)致車(chē)站通行能力與乘客乘車(chē)需求不匹配,車(chē)站運(yùn)行效率降低,影響乘客的乘車(chē)體驗(yàn)。

面對(duì)軌道交通發(fā)展帶來(lái)的行人擁堵及疏散問(wèn)題,不少學(xué)者陸續(xù)開(kāi)展了相關(guān)研究。林靜等[1]利用AnyLogic軟件對(duì)地鐵大客流進(jìn)行建模與分析,發(fā)現(xiàn)影響地鐵站疏散能力的關(guān)鍵因素是行人密度,其次是出入口選擇策略和行人親屬關(guān)系。厲志強(qiáng)等[2]利用MassMotion仿真軟件對(duì)地鐵站進(jìn)行疏散模擬研究,發(fā)現(xiàn)疏散出口的流量及有效性是影響疏散過(guò)程和總時(shí)間的關(guān)鍵因素。陶桂東等[3]使用實(shí)際演練和MassMotion仿真模擬兩種方法,研究火災(zāi)情況下列車(chē)人員的疏散行為,發(fā)現(xiàn)此時(shí)影響疏散效率的因素主要有:車(chē)廂出口數(shù)量、乘客是否攜帶行李和攜帶行李比例。李晨霖[4]使用MassMotion軟件對(duì)車(chē)站站臺(tái)上煙氣擴(kuò)散條件下的人員疏散進(jìn)行了模擬分析。王月[5]使用SPSS軟件對(duì)客流相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析,從乘客自身、站點(diǎn)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向標(biāo)識(shí)以及列車(chē)運(yùn)行情況這4個(gè)角度提出樞紐站點(diǎn)對(duì)大客流的疏散需求。徐慧智等[6]研究表明地鐵的盲從型、慌亂型、自主型和沖動(dòng)型乘客比例差異對(duì)疏散效率有顯著影響。段力偉等[7]通過(guò)AnyLogic仿真平臺(tái)分析老年乘客比例對(duì)軌道交通站點(diǎn)內(nèi)行人運(yùn)動(dòng)的影響。熊?chē)?guó)強(qiáng)等[8]利用元細(xì)胞自動(dòng)機(jī)理論建立地鐵站客流疏散組合模型,利用AnyLogic軟件進(jìn)行疏散模擬分析,發(fā)現(xiàn)緊急疏散時(shí)掌握出入口及路徑信息是避免擁擠的要點(diǎn)。聶佳瑩[9]用改進(jìn)社會(huì)力模型分析高峰時(shí)期工作人員和鐵馬欄桿這兩種客流控制措施對(duì)乘客的影響。姚自俊[10]結(jié)合現(xiàn)有復(fù)雜場(chǎng)所行人疏散空間建模方法的特點(diǎn),考慮到乘客疏散路徑?jīng)Q策信息不完備,建立了客流路徑分配模型。黃聰?shù)萚11]結(jié)合洪水漫延對(duì)行人移動(dòng)速度和前進(jìn)方向的影響,建立地鐵站在洪水漫延下行人疏散分析模型。馮濤[12]通過(guò)改進(jìn)社會(huì)力模型來(lái)建立突發(fā)情況下地鐵疏散模型,從行人疏散風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域和風(fēng)險(xiǎn)防范責(zé)任主體兩個(gè)角度提出相應(yīng)的管控措施。車(chē)怡雯[13]從安全檢查和乘客通行效率兩個(gè)角度分析大客流下安檢存在的問(wèn)題,并提出既能確保安檢安全與效果,又能加快安檢速度,提高安檢通過(guò)率的對(duì)策建議。丁小兵等[14]建立了地鐵安檢智能引導(dǎo)分流系統(tǒng),提出基于該系統(tǒng)的客流組織措施。周百靈等[15]利用數(shù)值模擬方法,分析了不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的疏散特征,得出疏散瓶頸區(qū)為站臺(tái)層疏散口,并提出優(yōu)化措施。張強(qiáng)[16]分析了某地鐵站現(xiàn)行系統(tǒng)運(yùn)能和客流組織,基于A(yíng)nyLogic仿真結(jié)果得出突發(fā)大客流時(shí)的擁堵點(diǎn),并提出針對(duì)性措施。楊靜等[17]分析了大型活動(dòng)散場(chǎng)期間的客流規(guī)律,提出了短時(shí)客流預(yù)測(cè)模型。李建華等[18]從地鐵站內(nèi)外兩方面系統(tǒng)分析了客流增多原因,應(yīng)用工業(yè)工程方法提出優(yōu)化思維和再優(yōu)化原則。劉秋成等[19]從客流疏導(dǎo)流線(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)和站內(nèi)組織管理優(yōu)化角度提出優(yōu)化方案。Lei等[20]提出了基于回溯算法的兩階段集成1客流分配來(lái)進(jìn)行客流引導(dǎo)。Yin等[21]認(rèn)為客流引導(dǎo)信息的發(fā)布是緩解擁堵的有效策略,并提出優(yōu)化模型來(lái)優(yōu)化引導(dǎo)信息發(fā)布。Zhou等[22]在分析客流分布情況和以往采取措施的基礎(chǔ)上,從地鐵站節(jié)點(diǎn)布局和客流兩個(gè)角度提出優(yōu)化方案。Zhu等[23]提出了一種新型計(jì)數(shù)方法以生成高質(zhì)量的密度圖,進(jìn)而準(zhǔn)確估計(jì)高度擁擠的地鐵場(chǎng)景中的乘客數(shù)量。

綜上,目前的行人疏散問(wèn)題研究大多是基于仿真軟件進(jìn)行,這是因?yàn)榉抡孳浖?shí)驗(yàn)成本低、實(shí)驗(yàn)安全性高。此外,既有研究主要針對(duì)突發(fā)客流、緊急情況下的客流疏散問(wèn)題,缺乏對(duì)日常軌道交通的擁堵、疏散研究。

為解決地鐵站平日期間的擁堵疏散問(wèn)題,現(xiàn)以青島薛家島地鐵站為例,采用AnyLogic仿真軟件進(jìn)行建模,針對(duì)間歇性到達(dá)的大客流進(jìn)行模擬仿真,識(shí)別站內(nèi)客流疏散瓶頸點(diǎn),根據(jù)站內(nèi)行人擁堵特點(diǎn)及其規(guī)律,設(shè)施設(shè)備布局情況,考慮縮小成本和提高通行能力兩方面因素,提出彈性增加安檢設(shè)施及科學(xué)安排工作人員引導(dǎo)交織客流的優(yōu)化措施。

1 軟件選擇

仿真建模是一種對(duì)不同假設(shè)情景進(jìn)行測(cè)試和探索的安全方式,與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相比,仿真實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)成本更低安全性更高。行人交通仿真主要有宏觀(guān)模型、中觀(guān)模型和微觀(guān)模型,由于微觀(guān)仿真具有靈活和與實(shí)際高吻合的特點(diǎn),能夠反映復(fù)雜的行人運(yùn)動(dòng)行為,因此成為分析行人運(yùn)動(dòng)行為的主流模型。微觀(guān)模型有兩大類(lèi),分別是元胞自動(dòng)機(jī)模型和社會(huì)力模型。目前常用的行人仿真軟件主要有AnyLogic、Legion、Steps、MassMotion、SimWalk,5款仿真軟件的對(duì)比簡(jiǎn)況如表1所示。

表1 5款軟件技術(shù)性能對(duì)比Table 1 Comparison of technical performance of 5 softwares

行人交通仿真建模軟件在使用方法和功能上大致相同, AnyLogic軟件是一款集系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、多智能體和混合系統(tǒng)建模與仿真的工具。AnyLogic具有豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)和案例模型,可以通過(guò)案例模型學(xué)習(xí)其使用方法,并且可以自定義智能體,輸出各種數(shù)據(jù),如時(shí)間直方圖、流量圖、密度圖,速度圖等?；谝陨咸攸c(diǎn),選取AnyLogic作為仿真軟件。

AnyLogic是基于社會(huì)力模型驅(qū)動(dòng)乘客運(yùn)動(dòng)的行人模擬和仿真軟件,能真實(shí)地反映行人的決策。社會(huì)力模型是以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ),假設(shè)行人受到社會(huì)力的作用,從而驅(qū)動(dòng)行人運(yùn)動(dòng)。行人在行走過(guò)程中受到行人與行人間的作用力、行人與障礙物之間的作用力和驅(qū)動(dòng)力的影響。社會(huì)力模型如式(1)所示。

(1)

式(1)中:mα為行人的質(zhì)量,kg;wα為期望速度,m/s;Fα(t)為行人受到的合力,N;ε為擾動(dòng)力,N。

該軟件還具有功能集,使用戶(hù)能夠模擬使用BIM或其他3D建模工具定義的環(huán)境。個(gè)體可以在環(huán)境中自由選擇路線(xiàn),也可以通過(guò)設(shè)定路徑選擇特定路線(xiàn)。

2 模型構(gòu)建

仿真建模首先需要獲取建模對(duì)象的尺寸、布局等數(shù)據(jù),然后建立三維模型,設(shè)置活動(dòng)場(chǎng)景,分析行人運(yùn)動(dòng)流程,最后進(jìn)行仿真模擬和結(jié)果分析。地鐵車(chē)站仿真建模流程圖如圖1所示。

圖1 仿真建模流程圖Fig.1 Flow chart of simulation modeling

地鐵站一般有站廳層和站臺(tái)層兩層,站廳層可分為付費(fèi)區(qū)和非付費(fèi)區(qū)。根據(jù)行人前進(jìn)方向與目的地,可以把行人流線(xiàn)分為進(jìn)站流線(xiàn)、出站流線(xiàn)、循環(huán)流線(xiàn)、換乘流線(xiàn)。地鐵站模型主要由行人上下樓梯、扶梯、直梯、通道、自動(dòng)售票機(jī)組(ticket vending machine,TVM)、安檢系統(tǒng)、檢票機(jī)組、站臺(tái)及相應(yīng)服務(wù)設(shè)施構(gòu)成。通過(guò)邏輯設(shè)定和路徑選擇表現(xiàn)乘客乘車(chē)行為,乘客乘車(chē)流程圖如圖2所示。

圖2 乘車(chē)流程圖Fig.2 Flow chart of ride

薛家島站是典型“辦公+居住”型軌道站點(diǎn),在工作日早晚高峰時(shí)段進(jìn)出站客流很大,因此選取薛家島地鐵車(chē)站作為研究對(duì)象。站點(diǎn)基本情況:深埋型地鐵站,從上往下依次為B1地面層、B2站廳層、1號(hào)線(xiàn)站臺(tái)層。1號(hào)線(xiàn)為東西走向。站廳層總共設(shè)置18個(gè)檢票口,北側(cè)共8個(gè)進(jìn)站檢票口,對(duì)應(yīng)A、C安檢口,東西側(cè)各5個(gè)出站檢票口,對(duì)應(yīng)A、C出入口。薛家島地鐵站模型圖如圖3示。

圖3 薛家島地鐵站模型圖及流線(xiàn)圖Fig.3 The model and flow diagram of Xuejiadao subway station

3 擁堵瓶頸點(diǎn)分析及優(yōu)化方法

3.1 擁堵瓶頸點(diǎn)分析

3.1.1 行人最大密度分析

基于Fruin和國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)(International Air Transport Association,IATA)提出的服務(wù)水平,結(jié)合行人密度圖,可以確定不同服務(wù)設(shè)施對(duì)應(yīng)的擁堵瓶頸的密度最大值與空間最小值。擁堵瓶頸點(diǎn)參考值如表2所示。站廳層和站臺(tái)層行人密度圖如圖4(a)和圖4(b)所示,當(dāng)服務(wù)水平達(dá)到F等級(jí)時(shí),可判斷為嚴(yán)重?fù)矶?確定為擁堵瓶頸點(diǎn)。

A～F分別表示不同擁堵程度下對(duì)應(yīng)的服務(wù)水平

表2 擁堵瓶頸點(diǎn)參考值Table 2 Reference value of congestion bottleneck point

由圖4觀(guān)察可知,站廳層A安檢區(qū)和扶梯出口區(qū)域擁堵最為嚴(yán)重;入口閘機(jī)組、出口閘機(jī)組使用率非常不均勻;站臺(tái)層扶梯出口和靠近兩扶梯口的車(chē)門(mén)明顯擁堵,乘客傾向就近乘車(chē)。

3.1.2 瓶頸點(diǎn)位置及成因分析

根據(jù)仿真結(jié)果,可識(shí)別出擁堵瓶頸點(diǎn),并分析其成因,如表3所示。

表3 擁堵瓶頸點(diǎn)及成因分析Table 3 Analysis of congestion bottleneck point and reason

3.2 客流組織優(yōu)化

地鐵站客流組織優(yōu)化不僅要遵循客流組織原則,還應(yīng)考慮已建成設(shè)施設(shè)備的尺寸大小和所在位置等參數(shù)較為固定所產(chǎn)生的局限性,結(jié)合實(shí)際提出建議。薛家島地鐵站更適合采用外界引導(dǎo)行人選擇適當(dāng)路徑的客流組織方式,以及彈性增加安檢設(shè)施來(lái)提高安檢效率的方式。具體措施:高峰時(shí)段,A、C安檢處各增設(shè)一套獨(dú)立安檢設(shè)施,提高安檢速率,平峰時(shí)段關(guān)掉該設(shè)備,減少用電消耗;站廳層安排一名工作人員引導(dǎo)A安檢區(qū)交織客流,站臺(tái)層安排2名工作人員,分別引導(dǎo)出扶梯的乘客,平衡車(chē)門(mén)的使用率。優(yōu)化方法示意圖如圖5所示。此外,為優(yōu)化閘機(jī)的識(shí)別速率,減少檢票閘機(jī)的排隊(duì)時(shí)間,在檢票、手機(jī)二維碼的基礎(chǔ)上,新增人臉識(shí)別功能以減少閘機(jī)區(qū)域的排隊(duì)時(shí)間。

紅色字體內(nèi)容表示優(yōu)化措施

為驗(yàn)證優(yōu)化后效果,選取行人密度和相同時(shí)段內(nèi)通過(guò)安檢機(jī)客流量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)進(jìn)行效果評(píng)估。

3.2.1 行人密度

以行人密度為指標(biāo),觀(guān)察瓶頸點(diǎn)優(yōu)化效果。優(yōu)化后站廳層與站臺(tái)層客流密度圖如圖6所示,通過(guò)觀(guān)察可知,擁堵瓶頸點(diǎn)獲得有效疏解,各擁堵瓶頸區(qū)域密度均有減小。站廳層扶梯出口仍有小部分擁堵,這是因?yàn)樾腥说姆磻?yīng)時(shí)間是無(wú)法避免的。

A～F分別表示不同擁堵程度下對(duì)應(yīng)的服務(wù)水平

3.2.2 安檢區(qū)人流量

A安檢區(qū)是站廳層擁堵瓶頸點(diǎn),解決進(jìn)出站客流交織與安檢效率低的問(wèn)題是該區(qū)域客流組織優(yōu)化的主要目標(biāo)。優(yōu)化前后安檢區(qū)累積人流量對(duì)比圖如圖7所示,可知,相同時(shí)間段內(nèi),優(yōu)化后安檢區(qū)累積人流量總和提升,行人通行速率提高。

圖7 優(yōu)化前后安檢區(qū)累積人流量對(duì)比圖Fig.7 Comparison diagram of cumulative human plow in security inspection area before and after optimization

4 結(jié)論

(1)以青島市薛家島地鐵站為實(shí)例,在對(duì)地鐵站設(shè)施調(diào)查和行人流分析的基礎(chǔ)上,應(yīng)用AnyLogic構(gòu)建三維模型,進(jìn)行行人仿真,得到行人密度圖,分析地鐵站擁堵瓶頸點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)站廳層A安檢處進(jìn)出站行人交織復(fù)雜,服務(wù)水平為F級(jí),擁堵最為嚴(yán)重。連接站臺(tái)層與站廳層的扶梯上下出口擁堵較為嚴(yán)重。

(2)從行人路徑與設(shè)施設(shè)備布局相結(jié)合的角度分析產(chǎn)生擁堵的原因,提出優(yōu)化方案,即彈性增設(shè)獨(dú)立安檢設(shè)備,“彈性”表示高峰時(shí)期使用設(shè)備,以提高安檢效率降低擁堵,平峰、低峰時(shí)期關(guān)閉設(shè)備,以節(jié)約能耗;安排工作人員引導(dǎo)A安檢處客流和站臺(tái)層出扶梯客流同時(shí)平衡車(chē)門(mén)使用率,檢票閘機(jī)增加人臉識(shí)別功能。優(yōu)化后,服務(wù)水平上升到E級(jí)和D級(jí);相同時(shí)間段內(nèi)通過(guò)安檢處的累計(jì)人流量有所上升,驗(yàn)證了優(yōu)化措施的有效性。

(3)在客流疏導(dǎo)方面,通過(guò)分析地鐵站點(diǎn)平日期間的行人擁堵特點(diǎn)及規(guī)律,綜合考慮減小成本和提高通行能力兩方面因素,提出疏散優(yōu)化措施,該方法可為地鐵站日?？土鹘M織優(yōu)化提供參考。