邵遠忠 邵巍躍 張 寧 徐 文

(1.無錫市軌道交通發(fā)展有限公司 江蘇無錫 214131;2.東南大學(xué)教育部ITS工程研究中心 南京 210096;3.北京城建設(shè)計研究總院有限責(zé)任公司 北京 100037)

利用行人路阻函數(shù)評估地鐵站內(nèi)AFC設(shè)備運營狀況

邵遠忠1邵巍躍2張 寧2徐 文3

(1.無錫市軌道交通發(fā)展有限公司 江蘇無錫 214131;2.東南大學(xué)教育部ITS工程研究中心 南京 210096;3.北京城建設(shè)計研究總院有限責(zé)任公司 北京 100037)

地鐵站內(nèi)AFC設(shè)備作為整個車站客流疏散的通行瓶頸，其運營狀況關(guān)系到地鐵線路乃至整個線網(wǎng)的運營狀況。將BPR函數(shù)移植于地鐵站內(nèi)的行人交通流并對其進行線性改進，通過實際調(diào)研獲取不同類型地鐵站內(nèi)與AFC設(shè)備處行人流相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并進一步通過統(tǒng)計軟件對調(diào)研數(shù)據(jù)進行擬合分析。研究表明，車站類型、設(shè)備數(shù)量以及設(shè)備布局對AFC設(shè)備運營狀況具有重要影響，相關(guān)研究分析可為地鐵站內(nèi)AFC設(shè)備運營狀況的分析與評估提供依據(jù)。

城市軌道交通;地鐵站;AFC設(shè)備;行人路阻函數(shù);BPR

隨著信息技術(shù)的進步和人們生活方式的改變，乘客對軌道交通的服務(wù)需求也發(fā)生了變化，使得以往一些技術(shù)模式和操作方案難以適應(yīng)。因此，在城市主導(dǎo)交通方式——城市軌道交通中引進自動售檢票系統(tǒng)(automatic fare collection system，AFC)具有必然性。目前，我國城市軌道交通站點已大量引進AFC終端設(shè)備，主要包括自動售票機(ticket vending machine，TVM)和自動檢票機(automatic gate machine，AGM)［1］。這些設(shè)備作為車站內(nèi)部通行的瓶頸，其通過能力是影響車站運輸能力的決定性因素之一，甚至影響到線路乃至整個線網(wǎng)的運輸能力。以往對地鐵站內(nèi)行人通行能力的研究主要集中于站點內(nèi)部布局、行人通道設(shè)計、線路客流預(yù)測［2-4］等方面，而對站內(nèi)通行設(shè)施的通過能力，尤其是AFC終端設(shè)備通行能力與乘客交通流特征兩者之間的匹配問題研究甚少。為了能夠更有效地緩解地面交通的壓力、更充分地發(fā)揮城市軌道交通的優(yōu)勢，城市軌道交通通行能力研究需更多地注重站內(nèi)通行的瓶頸設(shè)備與乘客流之間的制約關(guān)系。

1 行人路阻函數(shù)簡介

路阻函數(shù)(BPR函數(shù))［5］用于研究路段行程時間(或車速)與交通負荷之間的函數(shù)關(guān)系，是由美國公路局(U.S.Bureau of Public Roads，BPR)在對大量路段機動車流進行調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過回歸分析得到的一個公式，具有通用性好的特點。為了提高乘客在城市軌道交通站內(nèi)的通行效率，國外許多專家和學(xué)者作了較為詳細的研究［6-9］，運用BPR函數(shù)擬合評估的方法較為常用，但是多應(yīng)用于站內(nèi)樓梯、自動扶梯、通道等方面的行人通行。

地鐵站內(nèi)AFC設(shè)備處客流從出通道、經(jīng)過行人走廊、到TVM(或人工售票亭)處購票或直接刷卡進入付費區(qū)，這一過程從宏觀的角度表現(xiàn)出交通流的方向性、被引導(dǎo)性、自主選擇性，尤其是在大客流情形下，存在行人流渠化特征，這些特性與道路交通流的宏觀特性相似，因此通過對BPR函數(shù)參數(shù)的重新定義，可將其移植運用于站內(nèi)AFC設(shè)備布局的分析評估。對原本BPR函數(shù)式中各值的定義做相應(yīng)的修改，使其更加適用于站內(nèi)行人交通流，有

式中:tv——當(dāng)行人流量為v時，行人經(jīng)過調(diào)研范圍所用的行程時間，s;t0——當(dāng)行人流自由通行時，行人經(jīng)過調(diào)研范圍所用的行程時間，s;

v——調(diào)研測定的行人流量，人/(min·m);

C——設(shè)備的容量或通行能力，人/(min·m);α，β——待定參數(shù)。

在實際應(yīng)用中，為了簡化計算，將式(1)的非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系［10］，但不改變 BPR應(yīng)用的本質(zhì)，有

2 地鐵站內(nèi)AFC設(shè)備運營的影響因素

2.1 站點類型

影響地鐵站點客流運動的因素較多，不同類型的車站其客流運動特性有著顯著的差異。普通小型站點的客流運動規(guī)律相對簡單，而大型換乘站、大型商業(yè)站點等位于鬧市區(qū)的大型地鐵站，因客流密集、人流運動規(guī)律復(fù)雜，其客運組織也比較復(fù)雜。從分析站內(nèi)AFC設(shè)備通行能力的角度出發(fā)，根據(jù)客流運行特征及站點性質(zhì)，將城市軌道交通車站分為火車站點、商業(yè)娛樂中心站點、換乘站點和普通站點四類。

2.2 AFC設(shè)備數(shù)量

城市軌道交通站內(nèi)AFC設(shè)備的數(shù)量配置不僅與地鐵建設(shè)成本、運營成本以及通信設(shè)備的服務(wù)水平有關(guān)，而且還與地鐵站點和客流組織效率密切相關(guān)。由于每個類型的地鐵車站都有其特有的客流類型和客流運動方式，并且客流數(shù)據(jù)都具有一定的時效性，因此地鐵站內(nèi)AFC設(shè)備的數(shù)量配置必須依據(jù)已有的或預(yù)測的客流數(shù)據(jù)。站內(nèi)AFC設(shè)備數(shù)量配置的研究主要是以進出站客流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)客流量配置合理的設(shè)備數(shù)量。在數(shù)量配置過程中，地鐵站的AFC設(shè)備總數(shù)和合理分配各出入口的配置比例是兩個核心點。

2.3 AFC設(shè)備布局

國內(nèi)城市軌道交通站內(nèi)設(shè)備空間布局趨于模式化、簡單化，AFC設(shè)備布局由于受到車站結(jié)構(gòu)的影響，經(jīng)常出現(xiàn)機組利用不均衡的現(xiàn)象，造成某些機組設(shè)備使用率較低的現(xiàn)象。良好的地鐵站內(nèi)AFC設(shè)備布局具有如下幾方面的特點:

1)可以使地鐵車站的站廳面積得到充分的利用;

2)有利于合理配置AFC設(shè)備與裝置數(shù)量，節(jié)省投資;

3)合理的布局使得地鐵站廳井然有序，有利于改善地鐵站內(nèi)環(huán)境;

4)減少站內(nèi)乘客的交織程度，提高通行效率，為乘客節(jié)約寶貴時間;

5)使得AFC設(shè)備的空間利用不均衡度減小，提高設(shè)備利用率。

AGM與TVM的相對布局關(guān)系:站內(nèi)AGM與TVM的布局一方面要求設(shè)備布局與乘客的功能需求順序相符合;另一方面要求有效防止在客流高峰時期，持有儲值卡進站的客流、購買單程票進站的客流、TVM排隊的客流以及AGM排隊的客流發(fā)生交織沖突。

AGM的布置方式主要分為垂直于客流行走方向布置和平行于客流行走方向布置(見圖1)。

圖1 AGM布置方式

AGM的布置方式主要受軌道交通車站的設(shè)備空間布局和乘客路徑選擇行為特征的影響。在狹長的車站內(nèi)，AGM組會采取以垂直于客流行走方向的方式布置。在這種情況下，由于乘客選擇心理的因素，往往近端AGM的使用率要遠高于遠端AGM的使用率，這樣就造成設(shè)備空間利用率與時間使用率的不均衡現(xiàn)象。

3 行人路阻函數(shù)的數(shù)據(jù)調(diào)查

3.1 確定調(diào)研站點

不同類型地鐵站點的行人流具有不同的運行特征，因此在研究行人流多角度交織對地鐵站廳通行能力的影響時，首先要對地鐵車站進行分類。根據(jù)客流運行特征及站點性質(zhì)將地鐵車站分為火車站點、商業(yè)娛樂中心站點、換乘站點，普通站點4類。在已經(jīng)完成的南京地鐵線路、站點和站內(nèi)客流調(diào)研工作的基礎(chǔ)上，最終選取南京火車站、新街口站、安德門站以及興隆大街站作為實際調(diào)查的站點。

3.2 確定調(diào)研范圍

在實際應(yīng)用過程當(dāng)中，首先確定地鐵車站內(nèi)的調(diào)研范圍具有必要性。在AFC設(shè)備處，行人流往往出現(xiàn)整體的速度調(diào)整現(xiàn)象，在高峰時期、客流量嚴(yán)重飽和的情況下，甚至停滯不前。需要購買單程地鐵票的乘客，群集到TVM處，出現(xiàn)客流排隊購票的情況，此時這部分客流的行進速度為零。而使用儲值票與已經(jīng)購買單票的乘客則群集到AGM處檢票進站，通過AGM時先后經(jīng)過正常行走階段、等待/調(diào)整階段、通過AGM階段和二次調(diào)整階段四個階段，如圖2所示。此過程對行人流前進的速度有較大影響，同時也很好地體現(xiàn)了站內(nèi)AFC設(shè)備處行人流群集的特性。

圖2 行人流通過AGM的運動特征

本次地鐵站內(nèi)調(diào)研的范圍:從入站通道末端開始，包括站廳內(nèi)正常行走區(qū)域、行人等待調(diào)整區(qū)域，到過AGM組后1.8 m的范圍(二次步行調(diào)整區(qū)域)。

3.3 具體數(shù)據(jù)調(diào)查方法

由于本次數(shù)據(jù)調(diào)查的樣本量較大且處于客流高峰時段，為提高數(shù)據(jù)調(diào)查的精度并且不影響實際通行效率，最終選取視頻圖像處理的調(diào)查方法。攝像記錄的最大優(yōu)勢是可以重現(xiàn)事件，但人工視頻處理工作繁瑣［11］。運營方已經(jīng)在地鐵站內(nèi)布設(shè)視頻監(jiān)控，可以直接從南京地鐵運營方獲取調(diào)研時段內(nèi)的視頻記錄。

后期處理的方法主要是對視頻錄像內(nèi)的樣本個體進行標(biāo)號跟蹤，記錄結(jié)果包括:每個行人個體在調(diào)研范圍內(nèi)的通行時間tv;以AGM通道為截面，記錄單位時間內(nèi)通過的行人流量v。

4 實例應(yīng)用

在實際計算過程中，選取各個調(diào)研站點內(nèi)較為典型的入口，以新街口站2號口、南京站3號口、安德門站2號口和興隆大街站1號口為例，以2011年8月5日(周五)07∶00—08∶00高峰時期流量為數(shù)據(jù)依據(jù)。根據(jù)AGM組通行能力，在完全理想條件下，最大值取為1 200人/h，理論上自由走動條件下的通行時間為1 200/3 600=1/3(s/人)，但由于城市軌道交通具有地域性和時效性，且乘客組成類型和每個城市發(fā)行的票卡種類和比例不盡不同，南京地鐵在全高峰時期最大通行量約為900人/h。因此，BPR函數(shù)中的t0與C值需實際調(diào)查得出(見表1)。

表1 調(diào)研站點入口AFC設(shè)備t0與C取值

根據(jù)AFC設(shè)備處的記錄數(shù)據(jù)，以tv/t0為因變量、v/c為自變量，行人個體散點分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，但由于樣本選擇采用隨機抽樣的方式，一個流量值可能對應(yīng)不同的行程時間。由于(tv/t0)－1可能會得出負值，且筆者主要研究大客流的情形，因此在模型擬合的過程中，舍棄tv小于t0的樣本。利用統(tǒng)計分析軟件對調(diào)研數(shù)據(jù)進行線性函數(shù)和多項式函數(shù)的擬合，擬合曲線如圖3～圖6所示。

圖3 南京站3號口路阻函數(shù)擬合曲線

由擬合結(jié)果可以推算各個調(diào)研站點典型出入口的路阻函數(shù)為

圖4 新街口站2號口路阻函數(shù)擬合曲線

圖5 安德門站2號口路阻函數(shù)擬合曲線

圖6 興隆大街站1號口路阻函數(shù)擬合曲線

由擬合曲線相關(guān)度R2值可知，得到的路阻函數(shù)線性擬合結(jié)果精度已較高，僅比二次多項式略低幾個百分點，甚至精度更高。t0新街口＞t0南京站≈t0安德門＞t0興隆大街，擬合過程中l(wèi)n α表現(xiàn)為直線與縱軸交值，β表現(xiàn)為擬合直線斜率，轉(zhuǎn)化為參數(shù)關(guān)系后，ln α值表征tv與v的線性相關(guān)度修正，而β值表征tv對v敏感性。通過數(shù)據(jù)擬合結(jié)果可知:

2)由南京站3號口行人路阻函數(shù)擬合結(jié)果α與β的值可得出，南京站tv對v敏感性次之，而線性關(guān)系最為明顯。因此，可以得出南京站3號入口的AFC設(shè)備受客流沖擊的波動性明顯，與普通地鐵站出站客流有類似特征，客流到達呈現(xiàn)脈沖特性。因此，AGM組應(yīng)當(dāng)盡量垂直于客流方向布置，以減少設(shè)備利用的不均衡度，同時AGM、TVM的布局應(yīng)當(dāng)盡量防止客流交織，以減小突發(fā)客流對設(shè)備的沖擊。

3)興隆大街站與安德門站由于是新開站點且車站規(guī)模相對較小，其敏感性、基數(shù)和線性關(guān)系相對于大客流站點均不明顯。

5 結(jié)語

通過行人路阻函數(shù)擬合計算，可進一步換算得到調(diào)研地鐵站內(nèi)各個出入口的AFC設(shè)備處行人通行時間與流量的關(guān)系式。一方面，通過選取不同的調(diào)研站點、調(diào)研時間及調(diào)研設(shè)備，可對行人路阻函數(shù)的模型參數(shù)(與AFC設(shè)備行人流相關(guān))進行微調(diào)，得出tv與v的適當(dāng)關(guān)系，為地鐵站內(nèi)AFC設(shè)備的布局、設(shè)備數(shù)量、乘客流在AFC設(shè)備處的通行狀況提供改善方案;另一方面，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，可擬合出乘客流在AFC設(shè)備處的通行時間與流量的變化關(guān)系，為地鐵站內(nèi)AFC設(shè)備的通行效率評估提供依據(jù)。

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Applying Passenger BPR Function to Assess the Operational Status of AFC Facilities in Subway Stations

Shao Yuanzhong1Shao Weiyue2Zhang Ning2Xu Wen3
(1.Wuxi Rail Transit Development Co.，Ltd.，Wuxi 214131;2.ITS Engineering Research Center，Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096;3.Beijin Urban Engineering Design ＆ Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100037)

Abstract:AFC facilities in a subway station are considered the passenger flow and evacuation bottleneck of an entire station and its operating conditions govern the operation conditions of the subway lines and even the whole line network.Authors of the paper transplanted BPR function into subway station pedestrian flow with linear improvements，acquired passenger flow statistics of AFC facilities for different types of subway stations through actual investigation，and analyzed the acquired data by using statistics software.Results showed that types of stations，number of devices and equipment layout affect the operational status of AFC equipment obviously.Relevant research and analysis provide a basis for the evaluation of operating conditions of AFC facilities in subway stations.

Key words:urban rail transit;subway station;AFC facilities;passenger BPR function;BPR

U231+.92

A

1672-6073(2013)02-0049-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2013.02.013

收稿日期:2012-05-03

2012-05-24

作者簡介:邵遠忠，男，大學(xué)本科，工程師，從事軌道交通機電工程，syz598@sina.com

(編輯:曹雪明)