李得偉 孫宇星 黃建玲

(1.北京交通大學(xué)交通運輸學(xué)院 北京 100044;2.北京市交通委員會 北京 100161)

1 地鐵客流預(yù)警技術(shù)概況

我國城市軌道交通已經(jīng)進入網(wǎng)絡(luò)化運營時代，截至2011年底，內(nèi)地共有北京、上海、廣州、深圳、重慶5個城市的運營線網(wǎng)規(guī)模超過3條線，其總里程達到1310 km，占已全部開通運營地鐵里程的76.43%［1］。已經(jīng)成網(wǎng)的軌道交通共同表現(xiàn)出兩個突出的特點:一是大規(guī)模的客流量，以北京地鐵為例，2012年9月6日的地鐵全網(wǎng)客流達到736.89人次，高峰時段有13個斷面的列車滿載率超過1.0，在這種情況下，如何動態(tài)監(jiān)測地鐵內(nèi)的客流，確保安全運行，成為地鐵運營的核心問題;二是出行路徑多元化，在網(wǎng)絡(luò)化條件下，乘客在起終點之間的路徑選擇出現(xiàn)多元化趨勢，如何通過科學(xué)的運輸組織手段，引導(dǎo)乘客出行，最終達到城市軌道交通系統(tǒng)盡可能均衡及效益最優(yōu)，是地鐵運營部門面臨的另一個難題。

在這一背景下，2012年，北京市交通委組織開展了“軌道交通安全防范物聯(lián)網(wǎng)示范工程”項目，該項目的目的是通過在北京地鐵布設(shè)物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備，研究開發(fā)先進的客流動態(tài)監(jiān)控、預(yù)警和誘導(dǎo)系統(tǒng)，為地鐵運營、應(yīng)急等提供重要決策支持。本文結(jié)合該工程項目，針對其中的客流預(yù)警問題進行探索研究。該問題的研究成果，將對北京市地鐵物聯(lián)網(wǎng)工程提供依據(jù)，對國內(nèi)其他城市的地鐵運營起到重要的示范和指導(dǎo)作用。

目前，我國在地鐵客流預(yù)警這一領(lǐng)域的研究還不成熟，有關(guān)的量化標準尚未完全建立，既有客流預(yù)警的研究主要有上海世博會、西安地鐵、北京西客站［2-4］等特定場景大客流預(yù)警的經(jīng)驗分析和手段探討，但絕大多數(shù)仍然是依靠人工經(jīng)驗，方法還不系統(tǒng)。潘羅敏［5］等對地鐵客流預(yù)測方法進行了研究，并在預(yù)測基礎(chǔ)上進行預(yù)警，丁蕾［6］對南京地鐵換乘站的客流預(yù)警進行了一定理論研究。這些研究為人們深入了解地鐵客流預(yù)警提供了重要基礎(chǔ)，然而對結(jié)合實際的監(jiān)測工程，以整個地鐵系統(tǒng)為研究對象、系統(tǒng)地開展地鐵預(yù)警研究的資料目前還很缺乏。筆者旨在前人的研究基礎(chǔ)上進一步明確預(yù)警的框架、提出地鐵預(yù)警指標體系，為北京市地鐵物聯(lián)網(wǎng)工程的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2 地鐵客流預(yù)警的層次與框架

2.1 地鐵客流預(yù)警的涵義

有關(guān)地鐵客流預(yù)警尚無成熟的定義，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)資料和實際工程經(jīng)驗的總結(jié)，將地鐵客流預(yù)警的定義為:通過一定的技術(shù)手段監(jiān)測或預(yù)測客流的關(guān)鍵指標，通過分析指標，并與設(shè)計或歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)對比，預(yù)知異于常態(tài)的信息并通過圖形、聲音等多媒體信息方式呈現(xiàn)和報警，以期達到對決策管理人員進行提示和警告的技術(shù)。通過技術(shù)手段對區(qū)域進行直接監(jiān)測并進行預(yù)警的技術(shù)是直接預(yù)警;通過數(shù)學(xué)計算、計算機模擬等方式計算、預(yù)測、推演等的預(yù)警則為間接預(yù)警。

地鐵客流預(yù)警按照預(yù)警的對象包含網(wǎng)絡(luò)預(yù)警、線路預(yù)警、車站預(yù)警和車站管理對象(設(shè)備設(shè)施)預(yù)警等4個層次，線路預(yù)警進一步可以分解為若干斷面預(yù)警組合。所有預(yù)警均可以歸結(jié)為列車預(yù)警和車站管理對象預(yù)警兩種基本類型，因為它們可以通過直接監(jiān)測獲取對象上的客流數(shù)據(jù)，屬于直接預(yù)警，其他均為間接預(yù)警。以軌道交通安全防范物聯(lián)網(wǎng)示范工程為例，北京地鐵客流預(yù)警示例如圖1所示。

圖1 北京地鐵客流預(yù)警示例

地鐵客流預(yù)警按照預(yù)警目的，可以分為交通預(yù)警和安全預(yù)警;按照預(yù)警數(shù)據(jù)來源，可以分為實時預(yù)警和預(yù)測預(yù)警;按照預(yù)警報警值的參照標準，可以分為以設(shè)計標準為依據(jù)和以歷史同期值為依據(jù)的預(yù)警。采用不同類型的客流預(yù)警，其預(yù)警的目的、特點及適應(yīng)條件都不同，具體如表1所示。

表1 不同類型的地鐵客流預(yù)警對比分析

地鐵客流預(yù)警的技術(shù)流程如圖2所示。為了實現(xiàn)客流預(yù)警，首先需要在地鐵列車、車站等位置安裝視頻、激光等檢測設(shè)備，進行客流信息的采集，通過對有效信息的采集、編碼、傳輸、加工和抽取，綜合運用信息分析技術(shù)，獲取地鐵客流的檢測值如流量、密度、速度等;其次，根據(jù)預(yù)警目的構(gòu)建客流預(yù)警指標體系，并利用客流的檢測值或預(yù)測值進行計算，劃分合適的預(yù)警標準，對客流狀態(tài)進行評估。將評估結(jié)果輸入決策支持系統(tǒng)，為運營部門提供客流疏導(dǎo)、行車組織、應(yīng)急救援等方面的措施，同時利用乘客信息系統(tǒng)PIS向乘客發(fā)布誘導(dǎo)信息，進而影響客流分布;最后，通過客流信息采集對方案實施后的效果進行分析和評估。整個過程是一個閉環(huán)的過程。

圖2 地鐵客流預(yù)警技術(shù)流程

2.2 地鐵客流預(yù)警的級別

地鐵客流預(yù)警的級別劃分應(yīng)以不同級別導(dǎo)致的客傷風(fēng)險(用客傷事件發(fā)生概率表示)以及報警后應(yīng)當采取的措施為依據(jù)，與已有的相關(guān)技術(shù)標準相統(tǒng)一，并滿足各級別之間易區(qū)分易記憶的要求。按照上海世博會、西安地鐵等客流預(yù)警的一般經(jīng)驗，地鐵客流預(yù)警可以采取3級(紅、橙、黃)或4級(紅、橙、黃、綠)標準。

客流預(yù)警的定級標準因監(jiān)控預(yù)警對象的不同而應(yīng)有所區(qū)分。客流規(guī)模、客流擁擠的覆蓋范圍(一般用局部、大面積等表示)、客流滯留比例、客流流動速度等4個標準可以作為地鐵客流預(yù)警級別的劃分參考依據(jù)。對單個設(shè)備(如站臺)的預(yù)警可以用一個或若干個指示進行定級;對整體的預(yù)警(如車站)則需要不同設(shè)備和不同指標之間的配合，例如對于地鐵車站，盡管站臺擁擠程度一般，但站廳和進站通道的滯留超過一定標準時，該車站仍具有較高的擁擠風(fēng)險，報警級別應(yīng)適當提高。對于換乘車站，還需考慮上游車站的站臺客流狀態(tài)，當上游車站達到了一定級別的預(yù)警，換乘車站也應(yīng)根據(jù)情況產(chǎn)生報警。

借鑒國內(nèi)外客流預(yù)警相關(guān)的經(jīng)驗，將地鐵客流預(yù)警級別劃分為4級，其中第4級為一般性預(yù)警，剩余3級為操作性預(yù)警，具體級別的判定標準則根據(jù)預(yù)警對象不同劃分。

2.2.1 車站客流預(yù)警的級別

車站客流預(yù)警級別主要根據(jù)進站口、站廳、站臺3級客流的總體狀態(tài)進行劃分，如表2所示。

表2 地鐵車站客流預(yù)警建議級別

2.2.2 列車客流預(yù)警的級別

列車客流預(yù)警主要根據(jù)列車的滿載率作為依據(jù)進行級別劃分，考慮到實際運營情況，將列車預(yù)警劃分為4個級別，如表3所示。

表3 列車客流預(yù)警級別劃分

2.3 地鐵客流預(yù)警的監(jiān)測位置

隨著監(jiān)測技術(shù)的日益成熟，視頻、激光、紅外等監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)被用于地鐵客流監(jiān)測，既有的工程技術(shù)人員主要關(guān)注監(jiān)測手段的先進性。實際上，監(jiān)測地點的選擇同樣重要。根據(jù)以上客流預(yù)警的層次，確定監(jiān)測位置。

1)對站內(nèi)客流監(jiān)測，監(jiān)測地點主要包括出入口、站廳重點區(qū)域、站臺等候區(qū)、上行樓扶梯、自動售檢票機以及換乘通道始末端等位置。

2)對斷面客流監(jiān)測，監(jiān)測地點可以選擇列車上和車門處。

由于地下空間的結(jié)構(gòu)問題，并不是以上所有的地點都適合安裝監(jiān)測設(shè)備，此時應(yīng)當注意運用科學(xué)的方法彌補盲點的客流狀態(tài)。

3 地鐵客流預(yù)警指標

地鐵客流預(yù)警指標的設(shè)計應(yīng)考慮以下因素。

1)指標的設(shè)計應(yīng)與預(yù)警的目的相結(jié)合，針對安全的預(yù)警和針對擁擠的預(yù)警指標應(yīng)有所區(qū)別。

2)需要考慮指標計算所涉及的原始數(shù)據(jù)能夠通過設(shè)備方便采集和獲取，例如:利用AFC設(shè)備采集實時客流進行實時預(yù)警的做法雖然理論上可行，但由于數(shù)據(jù)海量、傳輸效果不穩(wěn)定等原因，在技術(shù)上尚不可行。

3)需要結(jié)合既有的相關(guān)標準考慮指標閾值確定的可行性。如果既有的標準規(guī)范存在某類指標的極值建議標準，這類指標應(yīng)當優(yōu)先考慮。

3.1 指標體系

3.1.1 物聯(lián)網(wǎng)直接監(jiān)測指標

對于客流，面向擁擠的監(jiān)測指標主要是客流流量、速度、密度。單點地鐵客流物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以直接檢測的值主要是瞬間客流密度，通過一定的技術(shù)處理可以獲得進入和離開檢測區(qū)域的客流流量。兩個激光監(jiān)測設(shè)備同時連續(xù)布置于地鐵的通道等位置，可以監(jiān)測到客流的流速值。此外，通過視頻設(shè)備的輔助，運用數(shù)字圖像處理技術(shù)，可以獲取客流中每個個體的行人軌跡，對踩踏事故視頻的研究發(fā)現(xiàn)，在極度擁擠條件下，踩踏事故發(fā)生前，擁擠人群中每個個體的頭部運動出現(xiàn)橫向運動，這是重要的踩踏征兆，通過獲取乘客軌跡，分析軌跡運動，可以作為面向安全的監(jiān)測指標。

3.1.2 地鐵客流預(yù)警指標體系

根據(jù)地鐵客流預(yù)警的應(yīng)用范圍、適應(yīng)條件及指標的特征，將地鐵客流預(yù)警指標劃分為承載能力指標、設(shè)備能力指標、安全性指標和波動性指標4類。具體如表4所示。

1)承載能力指標屬于地鐵車站整體擁擠水平或安全水平的指標，它反映了地鐵車站的乘客聚集量，由于站臺上下車處監(jiān)測困難，實際很難獲得準確的車站乘客聚集量，因此該指標適用于預(yù)測性預(yù)警。

2)設(shè)備能力指標反映了單個設(shè)備上的客流狀態(tài)，過高的密度、過低的速度均反映了客流的異常狀態(tài)，流量指標反映了單個設(shè)備的能力利用情況，對設(shè)備設(shè)施流量的監(jiān)測，不僅要考慮入口斷面流量，還要考慮出口斷面流量，二者的差值可以反映設(shè)備的實際客流占用狀況。由于瞬間高密度和持續(xù)高密度對地鐵設(shè)備的影響有很大區(qū)別，因此，筆者亦將高密度持續(xù)時間作為監(jiān)測指標，同時，該指標也能夠支持決策人員對瞬間高密度報警是否需要處置進行進一步確認。通行效率反映潛在的乘客擁擠，其定義是乘客實際速度與期望速度的比值，其取值范圍為［0，1］，該值越接近1表明通行效率越高。

表4 地鐵客流預(yù)警指標及適應(yīng)條件

3)安全性指標主要反映擁擠造成踩踏事故的可能性。在擁擠的人群中出現(xiàn)速度的突變，極易引起踩踏事故，這主要由速度變化率來描述。高密度輻射范圍則從擁擠的規(guī)模上反映了人群的安全性，大規(guī)模的高密度人群比小規(guī)模的高密度人群更易引起事故的發(fā)生。為了更加準確地監(jiān)測踩踏事故發(fā)生的可能性，筆者借鑒德國社會學(xué)家Helbing提出的人群壓力［7］的概念，并將其引入到踩踏預(yù)警指標體系中，其基本定義如下:

式中，ρ(t)表示 t時刻監(jiān)測區(qū)域的人群密度，vart()表示監(jiān)測時段監(jiān)測區(qū)域人流速度的方差，計算公式為vart()=［V(，t) － V()］2。

既有研究發(fā)現(xiàn)，當該值超過0.2人/s2時，人群中出現(xiàn)“湍流”現(xiàn)象;當達到0.4人/s2時，踩踏事故隨時有可能發(fā)生。

4)波動性指標反映了客流規(guī)模隨時間的變化情況，持續(xù)監(jiān)測地鐵出入口等區(qū)域的密度變化率，可以比較準確及時地判斷突發(fā)大客流的產(chǎn)生，從而觸發(fā)突發(fā)大客流預(yù)警，這對啟動大客流預(yù)案，保證地鐵的安全運營具有重要意義。

3.2 地鐵客流預(yù)警閾值的建議

地鐵客流預(yù)警目前在國內(nèi)外尚無公認的閾值定義。研究最為廣泛的是客流密度值，一般認為在通道內(nèi)當密度接近或大于5人/m2時極易發(fā)生踩踏事故［8］，因此，該值可以作為安全預(yù)警的重要依據(jù)。對擁擠預(yù)警，當通道內(nèi)密度達到2人/m2時，人立即產(chǎn)生擁擠的感覺［9］，筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn)2人/m2作為擁擠預(yù)警的閾值是合理的。然而，由于車站內(nèi)的地鐵客流屬于行人流預(yù)警的一個分支，因此，行人流方面的一些研究成果可以作為參考，由于不同國家、同一國家不同的發(fā)展時期所制定的劃分標準與指標不盡相同。如美國A級標準的行人空間同日本A級標準行人空間相差達3.7倍之多;美國1971年與1985年制定的標準也相差很大。因此，我國地鐵客流預(yù)警無法直接照搬國外的相關(guān)數(shù)據(jù)，在對地鐵車站不同設(shè)備上的客流進行大量基礎(chǔ)研究后，劃分了人行通道、樓扶梯、排隊區(qū)、檢票區(qū)、安檢區(qū)、站臺等設(shè)施的服務(wù)水平，確定了其實際的通過能力(小于設(shè)計通過能力［10］)，可以為地鐵客流預(yù)警標準的制定提供參考，具體可見文獻［11］。實際上不同車站由于服務(wù)的人群不同，車站對下游車站的影響程度不同，預(yù)警的閾值不宜完全一致，需要根據(jù)實際情況調(diào)研確定。

對于地鐵列車的客流預(yù)警，我國目前采用的地鐵車輛一般按照額定立席人數(shù)6人/m2計算，(超員)人數(shù)按8人/m2計［12］，該值可以作為客流預(yù)警的參考依據(jù)。考慮到地鐵線路的行車間隔，可以比較容易地將其轉(zhuǎn)化為斷面能力預(yù)警指標。

4 結(jié)語

本文在北京市軌道交通物聯(lián)網(wǎng)工程的應(yīng)用背景下，針對地鐵客流預(yù)警問題，從預(yù)警的層次、監(jiān)測位置、預(yù)警指標體系及閾值建議等方面進行了比較基礎(chǔ)性的探討。通過實踐得出如下結(jié)論:客流預(yù)警與服務(wù)水平不同，預(yù)警要從視頻、AFC、售票、激光等設(shè)備以及歷史數(shù)據(jù)庫等平臺多個方面收集大量信息;地鐵系統(tǒng)的預(yù)警宜組合分析預(yù)警，即充分考慮監(jiān)測指標的組合和監(jiān)測地點組合，否則容易發(fā)生虛報警;客流預(yù)警分級宜根據(jù)影響范圍、預(yù)警指標值等綜合確定;客流預(yù)警的閾值宜按照預(yù)警的目標慎重選擇，不同車站由于客流構(gòu)成不同，對下游的影響不同，預(yù)警閾值不宜相同;預(yù)警宜按照實際采集值進行預(yù)警。地鐵客流預(yù)警是一個復(fù)雜的問題，涉及不同專業(yè)的知識，應(yīng)從預(yù)警的標準、執(zhí)行和解除等方面開展專門研究。

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