吳嬌蓉， 劉學麗

(1. 同濟大學 道路與交通工程教育部重點試驗室，上海 201804；2. 山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院，山東 濟南 250013)

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行人交織區(qū)運行狀態(tài)分級方法與調控流程

吳嬌蓉1， 劉學麗2

(1. 同濟大學 道路與交通工程教育部重點試驗室，上海 201804；2. 山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院，山東 濟南 250013)

摘要：行人換乘通道、換乘站廳常常出現不同方向人流交織，由于行人之間的交織行為會產生穩(wěn)定的交織區(qū)，交織區(qū)對于步行設施的正常運行產生消極影響，導致通行能力、舒適度和安全性降低.采用實地調查數據建立簡化交織區(qū)負效應模型，提出行人交織區(qū)運行狀態(tài)變化的負效應閾值，將行人交織區(qū)劃分為舒適、一般舒適和擁擠三級運行狀態(tài)，結合HCM2010人行步道服務水平分級，定量分析行人交織區(qū)運行狀態(tài)為一般舒適或擁擠、處于HCM2010 E級服務水平時，不同隔離欄桿設置形式發(fā)揮的作用，并提出交織區(qū)運行狀態(tài)調節(jié)流程，為步行設施交織區(qū)運營管理提供依據.

關鍵詞：行人交織區(qū)；負效應模型；運行狀態(tài)分級；欄桿設置形式；設置有效性

行人換乘通道、換乘站廳常常出現不同方向人流交織，交織行為可能使有序的人流短時間內轉為無序，在流量大、密度高，行人流線交織復雜的區(qū)域，無序會降低整個步行設施的服務水平，并增加安全隱患.目前，國內外研究基本集中于高速公路與城市道路的機動交織區(qū)，較少關注行人交織區(qū)的研究；另一方面，行人交織行為發(fā)生需要具備一定的條件，且人流運行軌跡變化復雜性使得行人交織區(qū)的運行特征明顯區(qū)別于機動車交織區(qū).面對步行設施的高密度人流交織情況，缺少定量分析研究支撐的管理措施，常常存在一定的盲目性、混亂性，筆者以欄桿設置是否促進交織區(qū)人群行走有序性和是否發(fā)揮限流效果作為交織區(qū)欄桿設置有效性評價標準，提出了欄桿設置有效性初步判斷方法[1].但是在實地調研過程中，發(fā)現行人交織區(qū)處于不同流量條件、不同服務水平時，同樣的欄桿設置形式發(fā)揮效用有一定差異；處于相同流量和交織比條件下，交織區(qū)不同欄桿設置形式發(fā)揮效用也有差異.因此，很有必要探索行人交織區(qū)運行負效應模型，確定交織區(qū)運行狀態(tài)變化閾值,建立行人交織區(qū)運行狀態(tài)分級方法；然后定量分析交織區(qū)處于不同運行狀態(tài)時欄桿設置形式及其有效性，并在此基礎上面向實際運營，提出基于運行狀態(tài)分級的行人交織區(qū)控制和調節(jié)流程，為步行設施交織區(qū)運行控制與管理提供依據.

1文獻綜述

在交織區(qū)運行狀態(tài)分析方面，國外學者從舒適度及干擾性角度來評價行人交織區(qū)的運行狀態(tài)[2]；林廉凱、朱宸佐等學者以臺北捷運站的行人交織區(qū)為研究對象，采用偏移率及干擾熵作為評價指標研究行人受干擾的反應和干擾評價方式，其中，偏移率衡量行人在通道中受干擾所產生偏移的程度[3]；干擾熵衡量行人在通道中受干擾速率的變化程度[4].筆者以提高交織區(qū)行人的感知服務水平為目標，以交織強度、偏移率和交織點分布密度系數三項指標來分析評價交織區(qū)的運行狀況[5].

在行人步道服務水平分級研究方面，美國HCM2010以流率、速度和飽和度作為評價指標，得出步行道的行人服務水平[6]；葉建紅根據流率、速度提出單向步行通道的服務水平分級方法[7]；文雅等提出采用人均空間作為評價指標分析軌道站步行道的服務水平[8]；筆者以人均空間指標研究場館參觀人流的服務水平[9]，對照情況見表1.目前沒有找到交織區(qū)運行狀態(tài)分級研究成果.

表1　以流率、速度、飽和度和人均空間作為評價指標

行人在行走的過程中由于行人之間的交織和沖突行為會導致行人行走時間增加、行走路徑偏移增加、行人之間避讓沖突情況發(fā)生概率增大等，這些現象統(tǒng)稱為行走負效應.當負效應達到一定程度，運行狀態(tài)會隨之變化，但是，國內外對行人行走負效應模型和行人交織區(qū)運行狀態(tài)變化臨界閾值的研究很少.研究交織區(qū)的運行特征，建立行人行走負效應模型，明確行人交織區(qū)運行機理及分級方法，有助于從交織區(qū)狀態(tài)演變的角度對行人交織區(qū)的管理、控制提出定量評價方法，明確給出有針對性指導性建議.

2數據采集方法與分級評價指標

2.1數據采集方法

采取實地拍攝視頻方法獲取數據.同濟大學嘉定校區(qū)新天地生活區(qū)通道和一食堂門口的行人通道在上午和下午放學時間由于不同行走流線沖突，行人之間產生明顯交織現象，如圖1所示.同濟大學嘉定校區(qū)的下午放學時間為17:05，為了能夠獲得平峰和高峰的人流量，將拍攝時間確定為工作日的16:30～17:30.

當兩個行人流線交叉或交織趨近于一點時，此點即為交織點.單個或零散孤立的少量交織只能形成幾個交織點，如果單位面積內交織點數量較多且位置集中于一個相對穩(wěn)定的區(qū)域，那么將這個區(qū)域定義為交織區(qū).

a 同濟大學嘉定校區(qū)一食堂入口

b 同濟大學嘉定校區(qū)新天地生活區(qū)通道

采用同濟快通行人軌跡分析軟件分析已拍攝的實地交織區(qū)視頻文件，獲取行人個體位置坐標、速度、以及運動軌跡、當前時刻的流量、密度等數據.然后在CAD圖中，描繪每對行人的交織位置，用圓圈代表一對行人的交織點.文獻[4]指出，存在明顯交織區(qū)的情況下，交織區(qū)的形狀都可以近似為一個矩形，如圖2.圖中，L指的是行人交織區(qū)的長，W指的是行人交織區(qū)的寬.

圖2　行人交織區(qū)

2.2行人交織區(qū)運行分級評價指標

導致行人交織區(qū)運行狀態(tài)變差的三個主要因素是：受挫性、不方便性和不舒適性.其中，受挫性的產生是由于行人在擁擠沖突的地方需要降低步行速度，行走速度的影響采用行走速度的變化率來衡量，本文采用交織強度這一指標；而個人步行空間的缺少使行走不舒適性增加，空間舒適性的影響采用交織區(qū)交織點的分布密度來衡量；不方便性表現在行人由于遇到干擾而改變原本的行走軌跡，行人需要消耗更多的體力完成同樣的位移，采用行人行走偏移率來衡量.

行人交織區(qū)的交織強度描述的是交織現象對行人速度的影響，文獻[1]通過對交織區(qū)和非交織區(qū)行人速度的變化來計算交織區(qū)交織強度，見式(1)與式(2)；交織點密度為單位面積交織點數量，見式(3)，且交織點越聚集，交織區(qū)內行人行走的舒適性越差；采用行人實際行走路徑和行人兩點之間的最短路徑的差值與行人實際行走路程的比值描述行人行走偏移率，見式(4)與式(5).

(1)

(2)

式中：W為交織區(qū)的交織強度；Wi為每個行人的速度變化；N為交織區(qū)行人個數；Viw為行人i在交織區(qū)內的速度；Vinw為行人i在非交織區(qū)的速度.

(3)

式中：K為交織區(qū)內的交織點密度，個·m-2；n為交織區(qū)內的交織點個數；S為交織區(qū)面積，m2.

(4)

(5)

式中：D為行人行走偏移率；di為第i個行人的行人行走偏移率；di0為第i個行人起點到終點的直線距離，m；diw為第i個行人起點到終點的實際行走距離，m；d0為行人起點到終點的直線距離，m.

3行人交織區(qū)運行狀態(tài)分級方法

行人行走負效應模型描述行人在步行過程中產生的行走負效應變化,負效應是因為交織和沖突降低了行人的行走質量使行人的生理和心理因素產生影響引起的.導致行人產生行走負效應的主要因素是受挫性、不方便性和不舒適性，如圖3.

圖3　行人行走負效應

行人對交織區(qū)的負效應感知是行人對比有無交織行為的行走效應得出的，通常分為速度影響(受挫性)、行走區(qū)域人均空間影響(不舒適性)、行走距離影響(不方便性)，因此，可根據這三個方面的影響因素建立行人行走負效應模型，評價行人交織區(qū)的負效應.由上文可知交織強度越大，受挫性越大；交織點分布越密集，空間舒適度越差；行走偏移率越大，不方便性越大，且該指標能夠描述行人行走的有序性.以上三個交織區(qū)評價指標值與行人行走負效應均呈現正相關，三個指標值越大，行人行走負效應模型值越大，行人交織區(qū)的運行狀態(tài)越差.因此可建立簡化負效應模型，即

(6)

實地拍攝的視頻數據以20 s為一個場景樣本，分隔出180個場景樣本.當行人流量過小時，只能生成散亂的交織點，無法形成穩(wěn)定的行人交織區(qū).剔除無法形成穩(wěn)定交織區(qū)的42個場景樣本，共得到138個有效場景樣本.將選定的交織區(qū)的交織強度、交織點密度、行人行走偏移率等三個評價指標記為xik(i=l，2，3)，k為場景樣本的序號.138個場景樣本形成的交織強度、交織點密度、行人行走偏移率等指標值的論域為：X={x1,x2,x3,…x138}，數據如表2所示.式(6)中，交織強度、交織點密度、行人行走偏移率均需要消除量綱影響.使得數據處于相近的數量級水平同時又不改變數據之間的相關性質，本文采用平移·級差標準化公式處理數據，

(7)

經過量綱為一標準化處理后得到數據表3.k場景樣本的負效應值為k場景消除量綱的交織強度、交織點密度、行人行走偏移率等三個評價指標之和，計算公式為

(8)

式中:UNk為行人交織區(qū)負效應值；Wk為消除量綱后的交織強度；kk為消除量綱后的交織區(qū)內的交織點密度，個·m-2；Dk為消除量綱后的行人行走偏移率；k為場景樣本的序號，k=1,2,……m.

表2　評價指標數據

表3　量綱為一處理后的指標數據

由式(8)算得138個場景樣本的UNk值為UN(1，2，3，……，136，137，138)=(1.022，1.466，2.292，……，0.229，0.956，0.239).將138個負效應UNk值由小到大排列后作成散點圖，如圖4所示.

由圖4可以看出，負效應值在場景樣本序號35附近和場景樣本序號100附近發(fā)生突變.發(fā)生突變處的場景樣本序號對應的負效應值分別為0.874和1.547.將散點圖進行區(qū)域劃分，以負效應值0.874和1.547為界，將所有的場景樣本負效應值排序散點圖劃分成三級，如圖5，分別用白色(舒適)、淺灰色(一般舒適)、深灰色(擁擠)來表示一級運行狀態(tài)、二級運行狀態(tài)、三級運行狀態(tài).

圖4　138個場景樣本的負效應值排序散點圖

Fig.4The negative effect value sorted scatter diagram of the 138 scene samples

圖5　行人交織區(qū)運行狀態(tài)演變分級及閾值

Fig.5Evolution classification and the threshold of pedestrian weaving zone running state

由負效應閾值回溯到平均流量，找到不同運行狀態(tài)對應的平均流量范圍，從而實現通過調整控制平均流量的大小，把握行人交織區(qū)運行狀態(tài)轉化規(guī)律的目的.當一級運行狀態(tài)負效應小閾值U=0.874時，對應場景樣本35號，35號場景樣本中的平均流量V≈26人·(m·min)-1；當二級運行狀態(tài)負效應閾值U=1.547時，對應場景樣本100，100號場景樣本中的平均流量V≈65人·(m·min)-1.

將交織區(qū)三級狀態(tài)流量閾值與HCM2010的人行步道服務水平分級的流量閾值相比，見表4，行人交織區(qū)的運行狀態(tài)為二級(一般舒適)時，平均流量為26～6人·(m·min)-1，負效應值為0.874～1.547，對應HCM2010中的C級～E級；行人交織區(qū)的運行狀態(tài)為三級(擁擠)時，對應HCM2010中的E級～F級.根據上海軌道站通道實拍視頻數據分析，達到F級服務水平(平均流量高于75.5人·(m·min)-1)后，由于擁擠程度高，對行人產生嚴重的約束和限制，此時交織行為僅零星發(fā)生，形成群體性移動的行人流，交織區(qū)名存實亡[10].因此F級水平以下，已不屬于本文交織區(qū)行為研究范圍.

在交織區(qū)三級運行狀態(tài)分塊基礎上，標示出HCM2010的E級服務水平對應的流量、負效應值，如圖6，可見E級服務水平跨越了交織區(qū)運行狀態(tài)二級和三級.因此，如果僅針對HCM2010 E級服務水平，討論欄桿設置形式對交織區(qū)運行狀態(tài)進行調控的有效性分析時，顯然會出現不確定性.為避免不確定性，對圖6進一步按照交織區(qū)二級和三級運行狀態(tài)分界值將E級服務水平范圍細分為A區(qū)域(表4 HCM2010 E級服務水平起點～二級交織區(qū)運行狀態(tài)終點，負效應值1.252～1.547),B區(qū)域(三級交織區(qū)運行狀態(tài)起點～HCM2010 E級服務水平終點、負效應值1.547～2.093)，如圖7所示.下文將深入分析A、B區(qū)域的各種形式欄桿設置有效性差異.

表4行人交織區(qū)運行狀態(tài)分級與HCM2010人行步道服務水平分級對比

Tab.4The comparison between pedestrian weaving zone running state classification and the HCM2010 passageway level of service classification

HCM2010服務水平行人交織區(qū)運行狀態(tài)等級描述平均流量/人·(m·min)-1A<16.4B16.4～23.0C23.0～32.8D32.8～49.2E49.2～75.5F—等級描述一級運行狀態(tài)(舒適)二級運行狀態(tài)(一般舒適)三級運行狀態(tài)(擁擠)平均流量/人·(m·min)-1負效應值0～260～0.87426～49.20.874～1.25249.2～651.252～1.54765～75.51.547～2.093>75.5交織行為很難發(fā)生

圖6　　　　行人交織區(qū)運行狀態(tài)分級與HCM2010

Fig.6The pedestrian weaving zone running state classification and the HCM2010 passageway level of service E

圖7　采取控制和調節(jié)措施的區(qū)域劃分

4行人交織區(qū)運行狀態(tài)控制與調節(jié)方法

欄桿作為一種有效組織行人流的隔離設施，通常具有使人流有序、導向防止對沖、短時關閉限流等作用.如圖8所示為上海市徐家匯站1號線轉9號線換乘通道中設置的欄桿，期望欄桿具有導向作用，防止對向人流對沖；如圖9所示為上海市曹楊路地鐵站中軌道11號線轉軌道3、4號線的換乘通道中設置的欄桿，欄桿將通道空間劃分成若干小通道，期望混亂的人流有序化；如圖10所示為上海軌道2號線南京東路站2號出入口設置的欄桿，欄桿以內為出入口通道，欄桿以外為扇形小廣場，即欄桿在通行能力不匹配的連接處，期望欄桿具有對通行能力大的扇形小廣場人流有限流作用.上述三種欄桿設置簡化圖如圖11所示.

圖8　　　　上海市徐家匯站1號線轉9號線換乘通道

Fig.8The railings in the passageway of transferring from Line 1 to Line 9 in Shanghai Xujiahui Road Station guiding

圖9　　　　上海市曹楊路站11號線轉3、4號線換乘通道中的

Fig.9The railings in the passageway of transferring from Line 11 to Line 3 and Line 4 in Shanghai Caoyang Road Sation promoting order

圖10　上海軌道2號線南京東路站2號出入口的欄桿限流

Fig.10The railings in the entrance 2 of Shanghai Nanjing East Road Station current limitting

a導向b促進有序c限流

圖11欄桿設置形式簡化圖

Fig.11Simplified drawing of the railing setting way

在圖7對應的交織區(qū)運行狀態(tài)A、B分塊區(qū)域內，欄桿分別發(fā)揮哪一種作用，設置的有效性可能不同.考慮到影響交織區(qū)面積的主要因素是行人流量和交織行人流量比，隨著兩股行人流量越接近，即交織行人流量比越接近1∶1，交織區(qū)的面積越大[5].采用Legion仿真實驗進行對比分析時，分別選取運行狀態(tài)A、B區(qū)域的典型水平通道平均流量、交織區(qū)負效應值，采用最不利情況的交織流量比1∶1，對圖11的三種欄桿設置形式進行模擬分析，以交織區(qū)不設置欄桿作為對照組，圖11三種形式欄桿的負效應值變化結果如圖12～圖13所示.

表5　仿真實驗輸入數據

根據圖12和圖13可知：在運行狀態(tài)A區(qū)域，三種欄桿設置形式都能降低負效應值、交織區(qū)運行狀態(tài)向良好轉變，欄桿設置發(fā)揮作用從大到小分別是促進有序>導向>限流；在運行狀態(tài)B區(qū)域，三種欄桿設置形式都能實現交織區(qū)運行狀態(tài)從B區(qū)域轉變?yōu)锳區(qū)域，欄桿設置發(fā)揮作用從大到小分別是限流

>導向>促進有序；綜上，在不同的運行狀態(tài)區(qū)域設置不同形式的欄桿，設置有效性是不同的.隨著負效應值的增大，欄桿的限流和導向作用增強，欄桿的促進有序作用減弱.

圖12　　　　A區(qū)域設置不同形式的欄桿后運行狀態(tài)

Fig.12The change in the running state area after setting railings of different forms in Area A

圖13B區(qū)域設置不同形式的欄桿后運行狀態(tài)所屬區(qū)域的變化

Fig.13The change in the running state area after setting railings of different forms in Area B

因此，根據交織區(qū)運行狀態(tài)分級和不同欄桿設置形式的有效性分析，可采取分級控制的思想控制與調節(jié)交織區(qū)運行狀態(tài).當交織區(qū)運行狀態(tài)處于三級擁擠狀態(tài)，平均流量超過HCM2010 F級水平指標75.5人·(m·min)-1，可通過設置短時關閉欄桿等措施，直接控制行人流量，達到調節(jié)行人交織區(qū)運行狀態(tài)的目的.

控制和調節(jié)行人交織區(qū)運行狀態(tài)的工作流程主要分為三個步驟：①判斷運行狀態(tài)；②欄桿設置形式選擇；③調節(jié)外部交通條件.各步驟具體描述如下：①通過計算負效應值判斷行人交織區(qū)運行狀態(tài)；②若行人交織區(qū)運行狀態(tài)處于A區(qū)域，按促進有序>導向>限流的順序選取欄桿設置形式；若行人交織區(qū)運行狀態(tài)處于B區(qū)域，按限流>導向>促進有序的順序選取欄桿設置形式；③若步驟②的欄桿設置均無法有效改善行人交織區(qū)的運行狀態(tài)，則可通過直接調整行人流量這一外部交通條件控制行人交織區(qū)運行狀態(tài).流程圖如圖14所示.

圖14　基于運行狀態(tài)的行人交織區(qū)控制和調節(jié)流程

Fig.14Pedestrian weaving zone control and adjustment process based on running state

5結論

基于交織區(qū)實地調研數據，建立量綱為一標準化處理后的交織強度、交織點密度、行人行走偏移率構成的行走負效應模型，結合負效應閾值排序趨勢分析結果提出交織區(qū)運行狀態(tài)三級劃分方法.與HCM2010人行步道分級標準進行對比，在交織區(qū)三級運行狀態(tài)分塊基礎上標示出HCM2010的E級兩個上下限指標對應的流量、負效應值，得出HCM2010 E級服務水平跨越了交織區(qū)運行狀態(tài)二級和三級.為了避免欄桿設置形式對交織區(qū)運行狀態(tài)調控的有效性分析存在不確定性，將HCM2010的E級服務水平范圍按照交織區(qū)二級和三級運行狀態(tài)分界值細分為A區(qū)域和B區(qū)域，定量分析交織區(qū)運行狀態(tài)處于A、B區(qū)域時，不同形式欄桿發(fā)揮促進有序、導向、限流作用的排序情況.在此基礎上面向實際運營，提出基于運行狀態(tài)分級的行人交織區(qū)控制和調節(jié)流程.

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Running Status Classification Method of Pedestrian Weaving Zone and Adjustment Process

WU Jiaorong1, LIU Xueli2

(1.Key Laboratory of Road and Transportation Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2.Shandong Urban and Rural Planning Design Institute, Ji’nan 250013, China)

Abstract：A stable pedestrian weaving zone formed in the pedestrian transfer channels and transfer station hall, which would produce a negative impact on the pedestrian facilities, such as the reduction of the transportation capacity, safety and comfort. Based on the field investigation data, a negative effect model was established to discover negative effect threshold of the pedestrian weaving zones’ running state by statistical analysis. The pedestrian weaving zone running state was proposed to be divided into three levels (comfortable level, generally comfortable level and crowded level). Based on the division standard of level of weaving zone and HCM 2010, an analysis was made of these three weaving zone running states to understand different roles played by different railing setting ways and the adjustment process of weaving zone running state was proposed, which would contribute to the design of pedestrian facilities and operation management.

Key words：pedestrian weaving zone; negative effect model; running status classification; railing setting form; railing setting effectiveness

文獻標志碼：A

中圖分類號：TP15

基金項目：國家自然科學基金(51278363)

收稿日期：2015—05—22

第一作者： 吳嬌蓉(1973—)，女，教授，博士生導師，工學博士，主要研究方向為交通運輸規(guī)劃與管理．E-mail：wjrshtj@163.com