李成剛， 王武宏， 蔣曉蓓， 姚麗亞

(北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院， 北京 100081)

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基于交通量匹配性的軌道交通樞紐站換乘效率分析

李成剛， 王武宏， 蔣曉蓓， 姚麗亞

(北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院， 北京 100081)

城市軌道交通樞紐是城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點，其運營效率的高低直接決定整個軌道交通網(wǎng)絡(luò)的運輸效率. 乘客換乘效率不僅與樞紐場站的選址和設(shè)計有關(guān)，同時還與換乘設(shè)施的服務(wù)能力和服務(wù)水平有著密切的關(guān)系. 本文以北京地鐵西直門站換乘設(shè)施為研究對象，經(jīng)過調(diào)查預(yù)測目標(biāo)年地鐵西直門站的交通量，并進行換乘設(shè)施服務(wù)能力和交通需求之間的匹配性研究，判斷設(shè)施利用率，從換乘便利性等角度進行換乘效率分析與評價，最終實現(xiàn)換乘設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計.

城市軌道交通； 交通量匹配性； 換乘設(shè)施； 優(yōu)化設(shè)計

0 引言

截至2014年，北京市運營的地鐵線路總里程已經(jīng)超過440 km，換乘車站數(shù)量超過40個. 而北京市城市軌道交通2020年規(guī)劃總里程將超過1 000 km，車站數(shù)和換乘車站數(shù)還會有較大的增幅，因此，對于新建車站尤其是換乘車站的設(shè)計具有非常重要的意義.

國內(nèi)外學(xué)者在換乘設(shè)施方面進行了比較深入的研究. Bates Jr E G[1]闡述了乘客換乘設(shè)施對于乘客運輸系統(tǒng)的重要作用，給出了換乘設(shè)施的分類，解釋了脈動系統(tǒng)和非脈動系統(tǒng)的差異. Seneviratne P N等[2]系統(tǒng)地介紹了換乘設(shè)施的服務(wù)水平，聚焦于現(xiàn)有的步行設(shè)施的評價方法論并且討論這些方法在設(shè)計過程中的有效性和有用性. 紐約大學(xué)的Zhan Guo等[3]以倫敦地鐵為例進行了公共運輸系統(tǒng)換乘不方便性成本的評估，研究了換乘設(shè)施投資和使用中的成本，以及如何降低這部分成本. Trozzi Valentina等[4]研究了排隊長度、時間對乘客換乘路線選擇的影響，建立了一個修改現(xiàn)有算法的模型來進行軌道交通內(nèi)部的交通分配. 德國德累斯頓科技大學(xué)的Dirk Helbing等[5]提出行人交通流中的自組織理論，建立行人交通流模型，并通過在走廊、瓶頸處和交叉處的調(diào)查實驗驗證模型的正確性. Cheung等[6]在香港MTR地鐵系統(tǒng)進行了關(guān)于行人在自動扶梯和樓梯之間選擇的交通行為調(diào)查，運用縮時攝影技術(shù)獲得交通量信息，研究發(fā)現(xiàn)行人對縱向行人交通設(shè)施下行的延誤更為敏感. 北京交通大學(xué)的朱競爭[7]基于對軌道換乘站的特點、形式、軌道內(nèi)部乘客特性和客流影響因素的分析，研究換乘站內(nèi)部乘客特性和換乘客流特征. 北京交通大學(xué)的吳丹等[8]研究內(nèi)容集中在地鐵車站乘客導(dǎo)向標(biāo)志的設(shè)計. 吳昊靈等[9]針對北京地鐵西直門站的換乘方案進行了研究，主要是對換乘的流線、換乘組織進行了研究，總結(jié)了西直門站在乘客換乘組織方面的問題，并給出了解決問題的設(shè)計方案，并且對不同方案進行了評價.

前人對于軌道交通換乘設(shè)施的研究在運輸組織、流線優(yōu)化、交通流特性以及運用模型對客流特性進行仿真等方面取得了較多的成果. 但是，很多研究集中在宏觀的場站設(shè)計、流線設(shè)計和運輸組織方案設(shè)計等，針對城市軌道交通樞紐站換乘設(shè)施(通道、樓梯和扶梯)的設(shè)計較少. 本文以北京地鐵西直門樞紐站換乘設(shè)施為例，通過研究換乘設(shè)施服務(wù)能力與換乘需求之間的匹配性，最終形成一般的地鐵樞紐站換乘設(shè)施優(yōu)化設(shè)計方法.

1 交通量預(yù)測和目標(biāo)年設(shè)施匹配性研究

1.1 交通量調(diào)查

本文以北京市地鐵西直門站為調(diào)查對象，獲取地鐵2號線、4號線、13號線之間的換乘客流以及進出口A1、A2、B、C、D、E、F的高峰客流量. 調(diào)查時間選擇晚高峰17:00—18:00. 高峰時段的發(fā)車周期3條線路都能控制在2 min內(nèi)，考慮到下車及步行到觀測點的時間間隔，本次調(diào)查采用3 min為周期，每個觀測位置統(tǒng)計20組數(shù)據(jù)，獲取該位置處的高峰小時流率. 根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)可得2013年地鐵西直門站換乘OD矩陣如表1.

表1 2013年地鐵西直門站換乘OD矩陣

OD矩陣中的數(shù)據(jù)均是高峰小時流率. 數(shù)字0表示沒有客流量或者客流量在3 min內(nèi)小于5. 由表1可知，2號線、4號線和13號線之間的客流量非常大，對于換乘設(shè)施的沖擊也最大，因此在對換乘設(shè)施服務(wù)能力與交通需求之間匹配性研究時應(yīng)當(dāng)著重考慮. A2口出站量很大，需要較多的閘機配合.

1.2 現(xiàn)有交通量匹配性研究

將西直門地鐵站內(nèi)的換乘設(shè)施總結(jié)到平面圖上，結(jié)合線路的換乘客流量，形象直觀地反映設(shè)施的客流負(fù)擔(dān)情況.

樓梯和自動扶梯在乘客換乘過程中具有特殊的作用，能幫助乘客實現(xiàn)空間內(nèi)的移動. 表2中列出了樓梯和自動扶梯的屬性和利用率.

設(shè)施利用率高于70%的設(shè)施有4處，已經(jīng)出現(xiàn)擁擠、排隊情況，設(shè)施利用率較高，但是效率會降低. 同時還有一些設(shè)施的利用率不足30%，未能充分發(fā)揮換乘設(shè)施的效用.

圖1 通行類換乘設(shè)施布局圖

序號12345678設(shè)施樓梯自動自動樓梯自動樓梯自動樓梯自動樓梯樓梯規(guī)格/m12112511125123數(shù)量521//211221222客流量141801000034004820136401418035803100設(shè)計流量210001620081001735024600254501480014800利用率068062042028055056024021序號9101112131415161718設(shè)施樓梯樓梯樓梯樓梯樓梯樓梯樓梯樓梯自動樓梯樓梯規(guī)格/m42525255222122數(shù)量22221211224客流量584013060732097601864011850574084401606017560設(shè)計流量1480018500185001850018400168008400155001680033600利用率039071040053101071068054096052

通道連接了不同線路，在換乘路線中發(fā)揮著重要的作用，通道內(nèi)有樓梯和自動扶梯實現(xiàn)不同平面的移動. 通道能緩沖換乘客流，降低客流量的波動性，減少對設(shè)施的瞬時沖擊. 通道的屬性和利用率如表3所示.

序號1表示4號線換乘2號線的環(huán)形通道，其規(guī)格相同都是4 m通道；序號2表示13號線通往2號和13號線的客流量換乘區(qū)域，大量客流在此分流；序號3和4分別指13號線換乘4號和2號的專用通道.

由表3可知，通道的利用率普遍偏低，均不足50%，所以，目前情況下，瓶頸位置不出現(xiàn)在通道內(nèi)，尤其是不出現(xiàn)在通道段上. 而通道的端點多是站臺端點或者出站口，對于出站口，客流交叉，但是由于進出站乘客客流量較小且分散，所以沒有出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象. 對于站臺端點，由于換乘客流量巨大，且呈現(xiàn)波動性，波峰到來時2個方向的換乘客流會交叉，通道的客流量劇增.

表3 通道屬性和利用率

北京交通大學(xué)的張慧慧等[10]在對北京地鐵進出站設(shè)施通行瓶頸問題的定量分析中得出，當(dāng)設(shè)施利用率超過70%時，開始出現(xiàn)排隊、擁擠現(xiàn)象. 本文就以設(shè)施服務(wù)能力的70%作為評價設(shè)施是否能有效提供服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn). 樓梯和自動扶梯設(shè)施利用率超過70%的設(shè)施如表4所示.

表4 利用率超過70%的換乘設(shè)施

數(shù)據(jù)反映出來的4個位置分別為4號線東廳樓梯、2號線南廳樓梯、2號線到4號線樓梯和通往13號線站臺的樓梯. 這4個位置的高峰小時客流量都超過了10 000，對設(shè)施的需求最大. 這與實際換乘感受是一致的，這些位置出現(xiàn)了明顯的擁擠和排隊現(xiàn)象.

樓梯13、14和10位于站臺的兩端，擁擠和排隊現(xiàn)象會占用大量站臺空間，這給換乘和上下車帶來了很大的壓力，在晚高峰時段，2號線站臺擁擠現(xiàn)象嚴(yán)重. 樓梯13是混行樓梯，經(jīng)過其客流主要有2號線出D口和C口客流、2號線轉(zhuǎn)13號線部分客流、13號線轉(zhuǎn)2號線所有客流客流量巨大，超過了設(shè)施能提供的服務(wù)能力，所以該樓梯周期性的出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象. 樓梯17位于13號線站臺下，用于將2號線和13號線客流輸送至13號線站臺，由于該樓梯只有2個2 m樓梯組成，服務(wù)能力有限，所以樓梯上乘客行走速度緩慢，排隊現(xiàn)象嚴(yán)重. 樓梯14是由2個方向，2個通道共同組成，是地鐵西直門站最小的樓梯，也是換乘距離最短的通道. 該樓梯位于地鐵2號線站臺的中央，承擔(dān)了幾乎所有2號線轉(zhuǎn)4號線的客流. 其位置本身就占據(jù)了2號線站臺的大片區(qū)域，使得2號線南廳和北廳被分隔開，中間通行的通道僅1 m有余. 這樣的設(shè)計為換乘乘客帶來巨大便利的同時也給本已十分狹小的站臺帶來了巨大的壓力.

1.3 交通量預(yù)測和目標(biāo)年設(shè)施匹配性研究

由于本文只是對北京地鐵西直門站客流量進行預(yù)測，數(shù)據(jù)較小而且換乘流線較簡單，所以本文采用經(jīng)典的Fratar法對換乘數(shù)據(jù)進行預(yù)測. 假設(shè)地鐵西直門站3條線路的換乘客流量和進出站流量增長幅度與北京地鐵2號線、4號線、13號線3條線路總交通量增長幅度一致. 同時，各線路客流量的增長情況等價于地鐵西直門站各線路之間的交通發(fā)生量. 因此如果能夠獲取近10年來北京地鐵2號線、4號線和13號線的年客流量數(shù)據(jù)，便可以預(yù)測2020年各線路的客流量數(shù)據(jù)，然后比較目標(biāo)年和基礎(chǔ)年的客流量數(shù)據(jù)便可以得到增長率. 圖2展現(xiàn)了2003—2012年3條線路客流量變化情況.

圖2 2號線、4號線和13號線在2003—2012年 客流量變化情況

2020年在不進行大規(guī)模建設(shè)的前提下，換乘設(shè)施的服務(wù)能力沒有太大變化. 但是各電梯承載的客流量發(fā)生了較大的變化，如表5中的預(yù)測客流量，以設(shè)施利用率為標(biāo)準(zhǔn)判斷哪些設(shè)施服務(wù)能力不足，便于后期的設(shè)計.

由于2020年客流量的增加，有一些換乘設(shè)施將無法滿足使用要求. 因此，將不符合要求的設(shè)施總結(jié)如表6.

各個設(shè)施的位置如圖3所示，圖中黑色樓梯即為不符合要求的設(shè)施.

表5 2020年通行類換乘設(shè)施屬性和利用率數(shù)據(jù)

表6 2020年不符合要求的通行類換乘設(shè)施

圖3 2020年不符合要求的通行類換乘設(shè)施

由表6可知，1號樓梯、13號樓梯、15號樓梯和17號樓梯的設(shè)施利用率都超過了1.0，設(shè)施的服務(wù)能力將出現(xiàn)很大的不足. 3號自動扶梯1∥2指的是，目前運行1臺自動扶梯，另有一臺正在建設(shè)，等到2020年其服務(wù)能力會是16 200，利用率為91%. 而17號樓梯承擔(dān)了所有進站口和2號線及4號線通往13號線站臺的客流量，但該樓梯只有2個2 m樓梯，觀測顯示該樓梯客流行動緩慢，往往是上一個高峰還沒結(jié)束下一個高峰就又到來，設(shè)施負(fù)擔(dān)非常重，因此此處應(yīng)當(dāng)增加1部自動扶梯或者增加2個2 m樓梯. 1號樓梯共有6組，每組1.2 m，目前使用中的只有5組，該組樓梯共有8級，坡度較緩，因此雖然客流量較大，但是并不一定會出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象.

2 瓶頸設(shè)施優(yōu)化設(shè)計方案

由于地鐵西直門站建成較早，基本的換乘設(shè)施已經(jīng)建設(shè)完成，因此在進行換乘設(shè)施的改善設(shè)計中盡量避免大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè). 為達到標(biāo)志標(biāo)線引導(dǎo)、交通管理與控制和設(shè)施建設(shè)相結(jié)合，同時盡可能引導(dǎo)客流單向組織，避免雙向混行的目的，設(shè)計方案如下.

方案1：在2號線站臺中段換乘4號線的樓梯處增加引導(dǎo)標(biāo)志，將部分2號線換乘13號線的乘客引導(dǎo)至4號線站臺，與4號線客流匯合，沿11號和4號樓梯進入13號線換乘通道. 合理調(diào)整高峰時段的發(fā)車間隔，錯開2號線雙向列車的到站時間，另外，還需要在2號線南廳處增設(shè)可變信息電子引導(dǎo)標(biāo)志，可以將高峰時段部分2號線轉(zhuǎn)4號線乘客引導(dǎo)至2號線南端，通過環(huán)形換乘通道換乘至4號線.

本方案減少了由2號線北端換乘13號線的乘客，降低了6號、2號和12號樓梯的負(fù)荷，同時提高了3號、4號樓梯的設(shè)施利用率，提高了其通行效率. 但是本方案也增加了14號樓梯和11號樓梯的壓力，增加了4號線站臺的客流量. 所以還需要2號線和4號線列車的發(fā)車間隔相協(xié)調(diào).

方案2：13號線換乘2號線和4號線的通道中增加2個設(shè)施，其一位于1號線和4號線分流處，增加1處通道通往2號線北廳樓梯. 其二位于13號線換乘2號線中段，增加1處樓梯直接通往4號線. 同時，12號樓梯應(yīng)當(dāng)增加引導(dǎo)標(biāo)志，將其樓梯1.5 m設(shè)為自北向南單向通行，專為13號線轉(zhuǎn)2號線設(shè)計. 2號線增加引導(dǎo)標(biāo)志，將2號線換乘13號線客流引導(dǎo)至南廳通過環(huán)形換乘通道與4號線換乘客流匯合，換乘到13號線. 其位置如圖4所示.

圖4 新增設(shè)施位置立體圖

設(shè)置這一通道的目的在于緩解16號樓梯、自動扶梯和13號樓梯、11號和15號樓梯的壓力，提高西南換乘通道設(shè)施利用率，同時提高4號樓梯和3號自動扶梯的效率.

方案3：開通西北環(huán)形換乘通道，在2號線換乘13號線合流位置增加引導(dǎo)標(biāo)志，將部分換乘13號線客流引導(dǎo)至4號樓梯，與4號線換乘13號線乘客合流. 這樣不僅可以增加4號線換乘2號線的路線選擇，又能分擔(dān)2號線換乘13號線客流，減小6號樓梯和2號樓梯的壓力.

以上3條方案不是相互獨立的，應(yīng)當(dāng)組合使用.

現(xiàn)有設(shè)施和設(shè)計后的設(shè)施布局圖如圖5和圖6所示.

圖5 現(xiàn)有換乘設(shè)施布局圖

圖6 設(shè)計換乘設(shè)施布局圖

3 結(jié)論

本文以北京地鐵西直門站的換乘設(shè)施為研究對象，經(jīng)過調(diào)查判斷設(shè)施利用率，進行換乘設(shè)施服務(wù)能力和交通需求之間的匹配性研究，最后實現(xiàn)換乘設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計. 本文在對西直門站換乘設(shè)施的設(shè)計中增加了1段通道和1個樓梯，配以各線路的管控手段，對于解決部分設(shè)施服務(wù)能力不足的問題具有明顯的作用. 同時，本文中調(diào)查數(shù)據(jù)不夠充實，可能導(dǎo)致較大的隨機誤差. 今后的研究可以對設(shè)計方案進行仿真，更好地觀察優(yōu)化設(shè)計對換乘設(shè)施的改善程度.

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Analyzing the Efficiency of Transfer Facilities in Subway Station Based on the Compatibility of Traffic Volume

LI Cheng-gang, WANG Wu-hong, JIANG Xiao-bei, YAO Li-ya

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081，China)

Transfer stations are the nodes of the urban rail transport network, which directly determines the efficiency of the system. Passengers transfer efficiency is related not only to hub station siting but also related to transfer facilities service capacity and the level of service. This research used the data from the Beijing Xizhimen subway station transfer facilities; the projected traffic volume in the target year was used to research the compatibility of transfer facilities service capacity and the traffic demand, estimate the transfer efficiency in terms of convenience, and optimize the design of transfer facilities.

urban rail transit; the compatibility of traffic volume; transfer facilities; optimal design

10.13986/j.cnki.jote.2015.03.010

2014- 10-30.

李成剛(1990—)， 男， 碩士研究生， 研究方向為交通安全. E-mail: elane100@163.com

U 231+.4

A

1008-2522(2015)03-45-07