李得偉,周瑋騰

(1.北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點實驗室,北京 100044; 2.北京交通大學(xué)交通運輸學(xué)院,北京 100044)

城市軌道交通樞紐客流仿真輔助決策技術(shù)與實踐研究

李得偉1,周瑋騰2

(1.北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點實驗室,北京 100044; 2.北京交通大學(xué)交通運輸學(xué)院,北京 100044)

客流仿真已經(jīng)成為輔助城市軌道交通設(shè)施布局評估的重要手段。然而,由于缺乏相關(guān)技術(shù)規(guī)范,利用客流仿真技術(shù)解決實際問題仍然存在許多困難。結(jié)合客流仿真的全過程,設(shè)計提出了城市軌道交通客流仿真的輸入、輸出、模型標定內(nèi)容以及標定方法,以期對未來的客流仿真相關(guān)標準規(guī)范的制定提供借鑒意義。最后,利用自主開發(fā)的SRail系統(tǒng),以北京城市軌道交通西二旗站為例進行了案例研究。

城市軌道交通;客流仿真;標準;可靠性;設(shè)計

1 概述

當(dāng)前,城市軌道交通建設(shè)和運營的安全性受到了各界廣泛的關(guān)注。為了提高城市軌道交通車站的設(shè)計和運營水平,解決設(shè)計和運營之間關(guān)聯(lián)性弱的問題,國內(nèi)一些城市引入了客流仿真技術(shù)進行城市軌道交通車站設(shè)計、運營、改建等各階段的評估,這在一定程度上提高了城市軌道交通項目決策的科學(xué)性和合理性,彌補了相關(guān)設(shè)計和運營規(guī)范中部分因素?zé)o法量化和動態(tài)化的不足。然而,由于在客流仿真方面,我國的基礎(chǔ)研究相對較為薄弱,缺乏整套理論體系,并且缺乏相關(guān)的技術(shù)標準規(guī)范,許多細節(jié)性工作存在很大隨意性,例如:參數(shù)如何獲取、模型如何標定、哪些是必須的輸入和輸出,結(jié)論應(yīng)當(dāng)如何分級等。這使得客流仿真在實際應(yīng)用時面臨許多困難,其結(jié)果的可靠性和準確性無法得到充分的保證,所獲得結(jié)論的可信度也相對較低。國外也有倫敦、悉尼等城市將客流仿真作為大型基礎(chǔ)設(shè)施運營前的必須工作,也開發(fā)了一些仿真工具[1]。但是,由于國外的城市軌道交通無論是從運營特點、客流規(guī)模,還是從乘客行為等方面都與國內(nèi)城市存在很大的不同,因此,城市軌道交通客流仿真技術(shù)不能簡單地采用“拿來主義”。盡管國內(nèi)一些企業(yè)直接購買國外軟件進行簡單建模就進行工程使用,但建模的難易程度及應(yīng)用效果仍然很難令人滿意。實際上,迄今為止,尚未有一個工具或系統(tǒng)完全通過完整的系統(tǒng)化校驗,其原因是缺乏相關(guān)的標準規(guī)范和充分翔實的數(shù)據(jù)。因此,有必要對城市軌道交通客流仿真過程中如何保證可靠性和準確性進行研究。

2 客流仿真的用途

城市軌道交通客流仿真是利用計算機仿真技術(shù)通過對未來某個運營場景進行模擬從而獲得該場景下的運營指標,進而指導(dǎo)城市軌道交通車站設(shè)計或運營的一項專門技術(shù)。它可以用來解決車站設(shè)計方案、運營方案以及應(yīng)急預(yù)案的評估和動態(tài)優(yōu)化問題。

2.1 車站設(shè)計方案評估

我國的《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB50157—2003)是基于前蘇聯(lián)的地鐵設(shè)計經(jīng)驗發(fā)展而來的,雖然在車站的建設(shè)規(guī)模確定、敷設(shè)形式選擇、總平面布置、運營管理等一些問題上作了細致的規(guī)定。然而,經(jīng)過我國地鐵多年運營實踐發(fā)現(xiàn),規(guī)范中一些設(shè)備的最大通過能力明顯過大[2]。另一方面,設(shè)備的布局、換乘形式如何選擇等方面的問題由于很難量化,規(guī)范中只是給出一些原則性建議。在這個前提下,只要設(shè)備規(guī)模確定,無論換乘形式如何選擇,設(shè)備位置如何確定,其疏散能力是相同的,這與實際情況有較大差異。此外,由于城市軌道交通的不斷發(fā)展,許多新的設(shè)備(如:AFC設(shè)備、PIS設(shè)備、屏蔽門等)對乘客行為的影響認識不深,規(guī)范中亦不完善?？土鞣抡嫱ㄟ^對車站的設(shè)備、乘客及運營組織手段進行系統(tǒng)建模,能夠較為方便地為規(guī)范中無法深入考慮的設(shè)備規(guī)模、位置、能力匹配等問題提供解決手段,從而為優(yōu)化設(shè)計方案提供直接建議。通過與客流預(yù)測結(jié)合進行動態(tài)模擬,還可以為車站的使用年限、新線開通對既有站的影響等問題提供有益的評估結(jié)果。

2.2 運營方案評估

城市軌道交通運營的核心是如何安全、快速、高效地疏解客流的問題。客流仿真技術(shù)可以為不同時段下車站客流組織(流線組織、隔離設(shè)置、引導(dǎo)員配置、乘降組織)、行車組織(過站、加車、間隔控制)、車站售檢票設(shè)備的動態(tài)開放、站間及線間的客流協(xié)同控制等提供評估和優(yōu)化手段。同時,通過客流仿真還可以進行車站的客流壓力試驗,可以確定車站的極限客流吞吐能力,可以為大客流條件下不同等級限流的時機、方案、持續(xù)時間、效果等進行有效評價。

2.3 應(yīng)急預(yù)案評估

當(dāng)有應(yīng)急事件發(fā)生時,乘客的安全疏散問題非常突出,應(yīng)急預(yù)案的合理性直接關(guān)系到乘客的生命和財產(chǎn)安全。然而,應(yīng)急事件無法通過真實試驗?zāi)M還原,因此,應(yīng)急預(yù)案的合理性檢驗具有一定的難度。通過與火災(zāi)煙氣模擬、地震災(zāi)害模擬等相結(jié)合,客流仿真技術(shù)可以有效解決這一問題,實現(xiàn)對應(yīng)急預(yù)案尤其是其中量化內(nèi)容的準確評估,確保預(yù)案的可行性。

3 模型框架

城市軌道交通客流仿真可以有宏觀、中觀、微觀等層次的建模方式。由于客流的集散具有復(fù)雜涌現(xiàn)和非線性動力學(xué)特性,利用宏觀和中觀仿真技術(shù)無法準確模擬運營場景,因此,目前國際上較為認可的方法為利用微觀仿真技術(shù)對乘客個體進行建模,并進行仿真。微觀仿真由于涉及參數(shù)繁多,其輸入和輸出需要有嚴格的邊界控制。

3.1 模型輸入

客流仿真模型的輸入在一定程度上決定了模型所能夠輔助決策的程度,但它又受到模型計算復(fù)雜度的影響。因此,合理的模型輸入應(yīng)當(dāng)根據(jù)所評估的目的、對象和內(nèi)容確定。綜合模型構(gòu)建的難易程度、運算速度、輔助決策目標等3個方面,城市軌道交通客流仿真模型的輸入至少應(yīng)包含如下幾個方面的內(nèi)容。

(1)客流模型。客流模型包括了客流分布和客流結(jié)構(gòu)兩部分內(nèi)容。前者主要體現(xiàn)車站運營時間內(nèi)分時段、分出入口、分去向的客流分布以及客流到達規(guī)律;后者包括不同生理屬性(如性別、年齡等)、交通屬性(如:出行類型、目的等)和社會屬性(如收入、受教育程度等)的乘客構(gòu)成參數(shù)。在評估未來場景時,客流模型還應(yīng)具有根據(jù)已知的部分數(shù)據(jù)推斷完整客流數(shù)據(jù)的能力。

(2)設(shè)備模型。車站的設(shè)備模型通常包括物理設(shè)備模型和服務(wù)設(shè)備模型。物理設(shè)備模型包括車站內(nèi)的通道、樓扶梯等通行設(shè)施、站臺、活動空間等容納設(shè)施以及一些固定障礙物,其本身具有一定的尺寸,能夠輔助或者引導(dǎo)乘客行走。服務(wù)設(shè)備模型包含售票窗口、檢票閘機、屏蔽門、引導(dǎo)、廣播等,對于服務(wù)設(shè)備,由于運營過程中會經(jīng)常調(diào)整設(shè)備狀態(tài)(例如關(guān)閉部分進站檢票閘機以限流、列車到達停穩(wěn)后開啟屏蔽門等),因此,還需要有相應(yīng)的設(shè)備運行控制模型相匹配。

(3)客流流線模型?？土髁骶€是整個車站內(nèi)不同目的的客流的移動路線,它反映了旅客在站內(nèi)的移動過程和運動軌跡,必須根據(jù)客流類型分出入口分別輸入。流線通常由路由節(jié)點和節(jié)點關(guān)系確定,通過構(gòu)建流線模型,有助于靈活設(shè)計和有效控制旅客站內(nèi)的整體流程。

(4)運營場景模型。主要包括行車組織方案和客運組織方案,城市軌道交通運營組織較為簡單,其方案構(gòu)成包括運營時長、行車間隔、技術(shù)作業(yè)時間等,客運組織方案含上下車組織、引導(dǎo)、廣播等內(nèi)容。

(5)旅客活動及行為模型。旅客活動模型規(guī)定了不同類型旅客在站內(nèi)的活動內(nèi)容,如進站旅客的購票、檢票、候車等活動。旅客的行為模型則反映了不同旅客由于個體特性不同在活動時出現(xiàn)差異性,這既體現(xiàn)在宏觀方面的路徑選擇、設(shè)備使用偏好等方面,也體現(xiàn)在微觀的移動、加速、減速、障礙規(guī)避、排隊等行為上。

(6)系統(tǒng)參數(shù)。包括以上各模型中涉及的技術(shù)參數(shù)以及仿真控制參數(shù)如仿真起止時間、仿真時鐘、仿真輸出路徑等。

此外,對于火災(zāi)等應(yīng)急條件下的輸入還應(yīng)當(dāng)包括其他輔助模型,例如火災(zāi)煙氣傳播模型等。

3.2 模型輸出

客流仿真的輸出主要取決于需要解決的問題及用戶需求,但對于城市軌道交通車站的客流仿真,一般性輸出應(yīng)至少包含如下2個方面。

(1)原始輸出:通過仿真應(yīng)能夠輸出直接用于標定和評估的原始數(shù)據(jù),主要包括分時段斷面流量、分時段車站或分區(qū)域人數(shù)及密度、平均速度、速度改變次數(shù)、不同目的旅客在各環(huán)節(jié)耗費的時間、旅客的站內(nèi)等待時間、旅客的換乘時間、應(yīng)急疏散時間、設(shè)備全日服務(wù)水平時間分布等。

(2)導(dǎo)出輸出:仿真還應(yīng)輸出面向用戶需求的關(guān)鍵導(dǎo)出數(shù)據(jù),通常含有反映系統(tǒng)安全性、通暢性、協(xié)調(diào)性及舒適性等4個方面的指標,具體包括:車站總體疏散能力、設(shè)備能力與客流需求的適應(yīng)性、設(shè)備利用的均衡程度、車站設(shè)備瓶頸位置、排隊系統(tǒng)平均排隊長度、服務(wù)臺忙期、旅客逗留時間、旅客延誤時間等。

3.3 模型結(jié)構(gòu)

圖1 城市軌道交通客流仿真模型結(jié)構(gòu)

綜合城市軌道交通客流仿真模型的輸入和輸出,確定模型的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。在特定場景下的應(yīng)用,其結(jié)果應(yīng)當(dāng)符合已知的行人行為規(guī)律,仿真效果能夠再現(xiàn)已知的行人集散效果。從定量到定性主要有3方面。

(1)基本圖。交通流基本圖反映了“速度-流量-密度”之間的關(guān)系規(guī)律,行人流作為交通流的一類,也有其內(nèi)在規(guī)律。美國高速公路通行能力手冊[4]中給出的平道上行人流基本圖的基本趨勢如圖2所示,對應(yīng)于不同地區(qū),不同設(shè)施,盡管該圖會有所差異,但基本趨勢一般不具有很大變化。因此,客流仿真結(jié)果應(yīng)該服從這一規(guī)律。此外,還應(yīng)當(dāng)服從“快即是慢”“沖擊波”等交通流特性。

圖2 行人交通流基本圖

4 模型標定

由于旅客行為數(shù)據(jù)的普遍缺乏,目前,世界上的客流仿真模型均未得到充分的標定和驗證[3]。作為用于指導(dǎo)實際決策的系統(tǒng),為了保證仿真結(jié)果的可用性,其模型的標定應(yīng)該從以下幾方面進行。

4.1 標定內(nèi)容

4.1.1 基礎(chǔ)標定

模型的基礎(chǔ)標定是指客流仿真作為行人微觀仿真

(2)自組織行為。行人流具有自組織特性,這是行人流與其他交通流的重要區(qū)別。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的行人流自組織特性包括自動渠化、瓶頸擺動、流動斑紋、“z”形軌跡、扇形疏散圖等,在輸入適當(dāng)?shù)膮?shù)后,客流仿真模型的結(jié)果應(yīng)當(dāng)能夠再現(xiàn)這些特性(圖3)。

圖3 行人自組織特性

(3)死鎖問題。除非在極度擁擠情況下(密度＞7人/m2),客流的疏散很少出現(xiàn)移動停滯現(xiàn)象,這主要是由于乘客個體具有很大的靈活性。因此,科學(xué)合理的模型應(yīng)當(dāng)正確反映這一客觀現(xiàn)象,避免正常仿真過程中的死鎖現(xiàn)象發(fā)生。

4.1.2 場景標定

城市軌道交通客流除具有行人仿真的一般規(guī)律外,還有許多特殊性,客流仿真結(jié)果特殊的場景需求。這主要包括2個方面。

(1)典型場景。車站模型具有一定的復(fù)雜性,但構(gòu)成車站的各部分仿真具有一定的規(guī)律。結(jié)合站內(nèi)旅客的流線及設(shè)備分布情況,可以將整個車站的標定劃分為通道場景、疏散場景、路徑選擇場景、服務(wù)場景、上下車場景等5類場景分別標定。

(2)運營場景。滿足了以上的標定,表示所構(gòu)建的客流仿真模型具有可用性。然而,以上模型僅僅是普適性標定,未考慮不同輸入條件組合下的標定。在進行實際應(yīng)用時,由于每個車站的實際輸入條件不同,仿真結(jié)果可能會有所差異。為了正確預(yù)測未來情況,對于已經(jīng)投入實際運營的車站,在進一步仿真前,首先應(yīng)做充分調(diào)研,并將現(xiàn)實模型進行一定簡化后加載到仿真系統(tǒng)中,進行參數(shù)的調(diào)整和標定,使仿真結(jié)果最大限度地接近現(xiàn)實情況。

4.2 標定方法

城市軌道交通車站是一個由多種服務(wù)設(shè)施組成的復(fù)雜系統(tǒng),對客流仿真的標定宜進行分段標定法。即對站臺集散、售檢票機、樓扶梯選擇等分別建立單獨的模型進行各自標定。由于大多數(shù)車站都有CCTV系統(tǒng),因此,可以利用該系統(tǒng)進行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和標定工作。在滿足所有各子系統(tǒng)標定后進行運營場景的綜合標定,從而達到準確模擬的目的。

5 實踐

5.1 SRail簡介

SRail是筆者開發(fā)的專用于軌道交通設(shè)施設(shè)計方案及運營方案仿真評估的系統(tǒng)。具有客流生成、客流仿真、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)回放、三維仿真等功能。其核心為客流仿真模型。為了驗證模型的可用性,進行了本文所提出的各項標定。基礎(chǔ)標定的相關(guān)步驟及過程見文獻[1]。本文僅對模型在西二旗站的場景標定及應(yīng)用進行案例研究。

5.2 西二旗站應(yīng)用

西二旗站是北京城市軌道交通13號線與昌平線的換乘站,是北京城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)中首條郊區(qū)線的盡頭與城區(qū)線中間站銜接的車站。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)西二旗站主要存在早、晚客流滯留擁堵情況嚴重,車站服務(wù)水平低,列車最小追蹤間隔遠大于設(shè)計間隔及部分客服設(shè)施設(shè)備設(shè)計能力不能得到有效發(fā)揮的問題。本文通過仿真實驗對西二旗站早高峰小時客流運營狀況進行評估,通過評估找出西二旗車站的站臺擁擠情況、檢票閘機開放數(shù)量及列車行車間隔之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)車站能力瓶頸,達到優(yōu)化線路列車發(fā)車間隔,降低車站擁擠程度,提高車站整體服務(wù)水平和運行效率的目的。

依據(jù)前期車站環(huán)境、物理設(shè)施設(shè)備、客流數(shù)據(jù)等調(diào)研結(jié)果進行建模,并對西二旗站仿真模型進行場景標定,主要對客流仿真的設(shè)施設(shè)備進行分段標定,從售檢機的通過情況、站臺的集散情況分別進行標定。

(1)早高峰閘機單位時間通過流量的仿真輸出數(shù)據(jù)與實際調(diào)研數(shù)據(jù)對比,誤差為4%;早高峰仿真閘機累積通過流量數(shù)據(jù)對比誤差為3%。仿真模型的系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)誤差在實際調(diào)研數(shù)據(jù)誤差范圍可信以內(nèi)(圖4)。

圖4 進站閘機單位時間通過量和累計時間通過量的仿真輸出數(shù)據(jù)與實際調(diào)研數(shù)據(jù)比較

(2)通過仿真擁擠區(qū)域和現(xiàn)實的直觀比較發(fā)現(xiàn),早高峰仿真站臺聚集人數(shù)與實際調(diào)研站臺聚集人數(shù)數(shù)據(jù)對比,誤差為5%(圖5)。早高峰仿真區(qū)域擁擠情況與實際運營中擁擠情況對比,擁擠情況基本吻合,如圖6所示。

圖5 站臺聚集人數(shù)仿真實驗輸出與實際對比

圖6 仿真區(qū)域擁擠與實際運營中擁擠情況對比

通過對模型閘機疏散場景和站臺擁擠場景的標定,驗證了模型的實際有效性和真實準確性,形成西二旗站仿真模型并進行仿真實驗,如圖7所示。最終得出以下仿真結(jié)論及建議:

圖7 西二旗站仿真模型及實驗狀況

(1)昌平線能力受到西二旗站換乘能力的限制,無法進一步提高行車密度;

(2)西二旗站早高峰進出站量高,導(dǎo)致閘機短時間聚集人數(shù)較高,有大批乘客滯留現(xiàn)象,應(yīng)增設(shè)閘機數(shù)量對客流進行有效疏解。

(3)在客流高度交織的情況下,昌平線站臺因發(fā)車間隔較低存在安全隱患。在現(xiàn)有運輸組織手段條件下,適應(yīng)的昌平線發(fā)車間隔應(yīng)為6.2min。

(4)車站瓶頸設(shè)施服務(wù)水平早高峰為E級。為提高站內(nèi)服務(wù)水平,解決大客流的擁堵問題應(yīng)采用多級限流措施。

6 結(jié)論

針對目前城市軌道交通樞紐內(nèi)客流仿真缺少標準的問題,在進行多年客流仿真試驗和實踐的基礎(chǔ)上,提出了客流仿真的輸入、輸出及標定的具體方法,并在筆者開發(fā)的SRail系統(tǒng)中進行了綜合應(yīng)用。在實際車站運營過程中,由于設(shè)備動態(tài)多樣、旅客行為也隨時間、空間、客流結(jié)構(gòu)等的不同有所不同,考慮這些復(fù)雜因素的系統(tǒng)化仿真建模標準構(gòu)建,將是下一步的研究方向。

[1] 李得偉.城市軌道交通乘客集散模型及微觀仿真理論研究[D].北京:北京交通大學(xué),2007.

[2] 劉智成,史聰靈,鐘茂華,等.地鐵車站突發(fā)客流疏運能力的理論計算與分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2006,16(9):34 -39.

[3] GianlucaAntonini,MichelBierlaire,MatsWebeb.Discretechoice modelsofpedestrianwalkingbehavior[J].TransportationResearch PartB,2006(40):667 -687.

[4] NationalResearchCouncil.SpecialReport209:HighwayCapacity Manual[R].Washington,D.C.:TransportationResearchBoard ,2000.

[5] Dirk Helbing, PeterMolnar,IllesJFarkas. Self-organizing pedestrianmovement[J].EnvironmentandPlanningB:Planningand Design,2001(28):361 -383.

[6] DirkHelbing,LubosBuzna,AndersJohanssonTW.Self-Organized PedestrianCrowdDynamics:Experiments,Simulations,andDesign Solutions[J].TransportationScience,2005,39(1):1 -24.

[7] Schadschneider,A.,Klingsch,W.,Kluepfel,H.,Kretz,T., Rogsch,C.,andSeyfried,A.Evacuationdynamics:empirical results,modelingandapplications[C]∥EncyclopediaofComplexity andSystemScienceBerlin:Springer,2008:3142 -3176.

[8] Helbing,Collectivephenomenaandstatesintrafficandself-driven many-particlesystems[J].ComputationalMaterialsScience,2004 (30):180 -187.

Decision-making Technology and Application of Passenger Flow Simulation in Urban Rail Transit

LI De-wei1, ZHOU Wei-teng2
(1. State Key Lab of Rail Traffic Control and Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. Department of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Passenger flow simulation has served as an important tool to assess the layout of facilities in urban rail transit system.However,there are some difficulties in the application for solving the actual problems,due to the lack of technical standard.This article proposes the input,output,model calibration contents and calibration method of passenger flow simulation in combination with its whole process.The framework proposed could provide references for establishing the passenger flow simulation standard in the future.At last,taking the Xierqi Station of Beijing urban rail transit as an example,a case study is introduced by using the SRail system which had been developed autonomously.

urban rail transit;passenger flow simulation;reliability;design

U115;TP391.9

A

1004 -2954(2012)12 -0001 -04

2012 -04 -23

國家自然科學(xué)基金資助項目(61004105);教育部高等學(xué)校基本科研業(yè)務(wù)費(2011JBM159);國家科技支撐計劃(2009BAG12A10)

李得偉(1982—),男,副教授,博士,E-mail:lidw@bjtu. edu.cn。