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        基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的城市軌道交通車站客流控制仿真與優(yōu)化

        2020-10-17 13:41:48陳慧汪波朱江斌
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化模型

        陳慧,汪波,朱江斌

        (1.閩江學(xué)院 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,福建 福州 350108;2.北京市交通信息中心,北京 100044;3.福州地鐵集團(tuán)有限公司,福建 福州 350009)*

        隨著城市軌道交通線網(wǎng)的不斷擴(kuò)增,客流規(guī)模逐年攀升,車站大客流逐漸成為常態(tài).目前我國(guó)大部分車站在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中客流控制方案制定仍然依靠人工經(jīng)驗(yàn)[1],迫切需要從系統(tǒng)化、定量化、易操作、直觀角度對(duì)客流控制策略優(yōu)化進(jìn)行研究,為車站運(yùn)營(yíng)管理提供決策支持.

        目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)城市軌道交通客流控制的研究主要集中在以下方面:周云娣[1]對(duì)南京地鐵進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)后的車站級(jí)、線路級(jí)和線網(wǎng)級(jí)三個(gè)層次的客流控制措施進(jìn)行了研究.部分學(xué)者分別以客流聚集預(yù)警值最小和乘客等待時(shí)間最小為目標(biāo)[2],以人均延誤最小和各區(qū)間運(yùn)力滿載率之和最大為目標(biāo)[3]建立多目標(biāo)規(guī)劃模型來(lái)構(gòu)建線網(wǎng)客流控制模型.陳波等[4]以車站三級(jí)客流控制為依據(jù),對(duì)大客流組織原則、影響因素和應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行探討.蔡琦瑋等[5]以空間分區(qū)間控制節(jié)點(diǎn)的通過(guò)能力與客流需求相匹配和資源節(jié)約為目標(biāo)建立多目標(biāo)整數(shù)規(guī)劃模型.鄭雪梅等[6]通過(guò)構(gòu)建車站系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)車站客流進(jìn)行仿真,并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)不同的限流方案效果進(jìn)行驗(yàn)證.薛霏等[7]提出了軌道交通換乘站客流流動(dòng)模型,并對(duì)車站客流的動(dòng)態(tài)演變算法及其實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究.Xu Xinyue[8]等對(duì)不確定需求下的車站客流組織研究,就不同客流場(chǎng)景提出3種模型,并提出基于仿真的求解算法.總結(jié)以上學(xué)者,既有的基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法的車站客流控制研究大多僅呈現(xiàn)不同客流控制方案效果,缺乏對(duì)控制策略的優(yōu)化研究.因此,本文根據(jù)現(xiàn)行廣泛應(yīng)用的車站三級(jí)客流控制理論及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),提出了基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的車站客流控制模型,并對(duì)車站客流控制策略優(yōu)化進(jìn)行研究.

        1 客流控制模型構(gòu)建

        1.1 系統(tǒng)要素

        城市軌道交通車站建模主要包括車站設(shè)施、客流及運(yùn)營(yíng)組織三要素[6].本文引入客流控制系數(shù)Ri來(lái)構(gòu)建車站客流控制模型.通過(guò)對(duì)系統(tǒng)各要素間相互作用及因果關(guān)系分析,建立基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的車站客流控制模型混合圖[9],如圖1所示,模型中定義的相關(guān)變量如表1所示.

        圖1 車站客流控制模型混合圖

        表1 變量說(shuō)明表

        1.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程構(gòu)建

        依據(jù)車站客流在各設(shè)備間的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律及車站客流控制措施,建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程如下:

        (1)狀態(tài)變量計(jì)算方程

        (1)

        式中:Qi為車站客流承載區(qū)域i在t時(shí)刻的客流量.Fiin(t)為t時(shí)刻客流流入客流承載區(qū)域i的速率;Fiout(t)為t時(shí)刻客流流出客流承載區(qū)域i的速率.

        (2)速率變量計(jì)算方程

        ①連接設(shè)備處客流流動(dòng)方程

        i=3,1;j=1,4

        (2)

        ② 銜接節(jié)點(diǎn)處客流流動(dòng)方

        (3)

        (4)

        ③進(jìn)出站客流流動(dòng)方程

        (5)

        F6in=min{RQ6,RF6in,Fin}

        (6)

        ④上下車客流流動(dòng)方程

        F1in=min{FS1in+FX1in,RQ1}

        (7)

        (8)

        (3)輔助變量計(jì)算方程

        ①設(shè)施剩余承載力

        RQi=RQi+1=CQi(i+1)-Qi-Qi+1,

        i=1,3,5

        (9)

        ②客流控制系數(shù)Ri

        車站客流控制措施是影響車站客流分布的關(guān)鍵因素之一,當(dāng)某監(jiān)測(cè)區(qū)域客流承載量超過(guò)預(yù)警值時(shí),運(yùn)營(yíng)管理者通常會(huì)在與其關(guān)聯(lián)設(shè)施上采取疏導(dǎo)或限流措施來(lái)控制客流流動(dòng),如改變電扶梯運(yùn)行方向、在雙向通行通道設(shè)置隔離欄對(duì)進(jìn)出站客流進(jìn)行分離等.本模型引入客流控制系數(shù)Ri來(lái)表示車站客流控制措施.

        (10)

        (11)

        (12)

        2 客流控制策略優(yōu)化

        2.1 車站大客流類型

        由于通勤、旅游以及節(jié)假日等因素影響[10],車站客流將呈現(xiàn)波動(dòng),因此,根據(jù)車站客流控制措施特點(diǎn),分為以下兩種類型進(jìn)行討論:

        (1)客流類型一:下車出站客流持續(xù)較大或下車出站客流與進(jìn)站乘車客流同時(shí)持續(xù)較大的情況.

        (2)客流類型二:進(jìn)站乘車客流持續(xù)較大且下車出站客流較小的情況.

        2.2 車站大客流控制策略優(yōu)化

        2.2.1 車站大客流控制基本思路

        目前,我國(guó)大部分車站客流控制秉持“加快出站速度、限制進(jìn)站客流”等基本原則[4],應(yīng)對(duì)大客流時(shí)常采用自內(nèi)而外的三級(jí)客流控制原則, 當(dāng)站臺(tái)候車乘客達(dá)到擁擠時(shí)控制站臺(tái)站廳間的樓梯和扶梯;當(dāng)付費(fèi)區(qū)乘客達(dá)到擁擠時(shí)控制閘機(jī)的開(kāi)啟數(shù)量,延緩乘客進(jìn)入付費(fèi)區(qū)的速率;當(dāng)非付費(fèi)區(qū)達(dá)到擁擠時(shí)控制出入口處設(shè)備,減緩進(jìn)站客流速率[5].

        2.2.2 車站客流控制系數(shù)優(yōu)化

        本文引入客流控制系數(shù)Ri及站外限流數(shù)值Φ建立車站客流控制模型,從系統(tǒng)角度出發(fā),研究車站各設(shè)施客流控制協(xié)調(diào)性,分類型客控措施優(yōu)化步驟如表2、表3所示;分類型大客流的客控系數(shù)Ri及Φ優(yōu)化流程如圖2、圖3所示.

        表3 車站大客流客控措施優(yōu)化步驟(客流類型二)

        圖2 大客流類型一客控系數(shù)Ri及Φ優(yōu)化流程 圖3 大客流類型二客控系數(shù)Ri及Φ優(yōu)化流程

        2.2.3 車站大客流控制總體方案優(yōu)化流程

        在上述理論基礎(chǔ)上,制定車站大客流總體方案優(yōu)化流程,具體如下:

        Step1 判斷車站大客流類型及初始客流預(yù)警位置;

        Step1.1 加載客流,利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型推演客流在車站內(nèi)的時(shí)空分布;

        Step1.2 判斷車站大客流類型;

        Step1.3 記錄初始客流預(yù)警位置;

        Step 2 根據(jù)車站大客流類型及初始客流預(yù)警位置,按照2.2.2所述方法進(jìn)行客流控制系數(shù)優(yōu)化;

        Step 3 按照時(shí)間序列生成最優(yōu)客流控制策略,加載原客流進(jìn)行仿真推演,對(duì)該策略客流控制效果進(jìn)行分析.

        3 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

        本文選取福州市某地鐵車站為原型搭建車站仿真模型,選取17∶00~20∶00晚高峰時(shí)段進(jìn)站客流調(diào)查數(shù)據(jù)作為輸入.仿真設(shè)定車站各區(qū)域預(yù)警啟動(dòng)條件為當(dāng)該區(qū)域客流承載量超過(guò)承載能力70%且持續(xù)5 min及以上;有效客控措施判定標(biāo)準(zhǔn)為采取該措施后5 min內(nèi)能夠使該區(qū)域承載客流量降到安全范圍(承載能力80%及以下).主要模型參數(shù)設(shè)置如表4所示.

        表4 主要模型參數(shù)設(shè)置

        3.1 車站大客流類型一客流控制方案優(yōu)化

        該方案仿真場(chǎng)景模擬下車出站客流與進(jìn)站乘車客流同時(shí)持續(xù)較大的情況,參數(shù)初始化設(shè)置如表5所示,客流控制系數(shù)初始值設(shè)定為R1=R2=R3=0.6,加載進(jìn)站客流數(shù)據(jù),車站各預(yù)警區(qū)域客流承載量如圖4所示.

        表5 車站大客流類型一客流控制方案參數(shù)初始化設(shè)置

        由圖4可知,若未采取客流控制方案,該車站站臺(tái)區(qū)域、站廳非付費(fèi)區(qū)及站廳付費(fèi)區(qū)將依次于第36 min、第100 min及第120 min啟動(dòng)預(yù)警,并將長(zhǎng)時(shí)間處于客流預(yù)警狀態(tài),其中三個(gè)區(qū)域均有超過(guò)30 min時(shí)間客流量持續(xù)達(dá)到承載能力極限,嚴(yán)重影響站內(nèi)客流流動(dòng).根據(jù)上文2.2所述客流控制方案優(yōu)化方法及流程,按照時(shí)間序列生成客流控制優(yōu)化策略:在第36 min站臺(tái)啟動(dòng)預(yù)警時(shí),將站廳付費(fèi)區(qū)與站臺(tái)連接處客流控制系數(shù)R1由初始值0.6調(diào)整為0.8,在第99 min站廳非付費(fèi)區(qū)啟動(dòng)預(yù)警時(shí),實(shí)行站外限流,最大進(jìn)站流量控制在55 人/min.客流控制效果如圖5所示.

        圖4 未采取客流控制措施前車站各預(yù)警區(qū)域客流承載量

        圖5 采取客流控制措施后車站各預(yù)警區(qū)域客流承載量

        由仿真結(jié)果可知,當(dāng)采取相應(yīng)客流控制方案后,站臺(tái)及站廳非付費(fèi)區(qū)客流承載量均分別達(dá)到相應(yīng)預(yù)警值后回落至安全范圍,客流得到有效控制的同時(shí)確保進(jìn)站上車總乘客數(shù)量最多,車站設(shè)施能力得到最大利用.

        3.2 車站大客流類型二客流控制方案優(yōu)化

        該方案仿真場(chǎng)景模擬進(jìn)站客流較大,出站客流較小的情況,參數(shù)初始化設(shè)置如表6所示,客流控制系數(shù)初始值設(shè)定為R1=R2=R3=0.6,該車站安檢設(shè)備保有量為4臺(tái),加載進(jìn)站客流數(shù)據(jù),車站各預(yù)警區(qū)域客流承載量如圖6所示.

        表6 車站大客流類型二客流控制方案參數(shù)初始化設(shè)置

        圖6 未采取客流控制措施前車站各預(yù)警區(qū)域客流承載量

        由圖6可知,若未采取客流控制方案,該車站站廳非付費(fèi)區(qū)將于第105 min啟動(dòng)預(yù)警,并將較長(zhǎng)時(shí)間處于客流預(yù)警狀態(tài),其中有超過(guò)30 min時(shí)間客流量持續(xù)達(dá)到承載能力極限,嚴(yán)重影響站廳非付費(fèi)區(qū)域客流流動(dòng).根據(jù)上文2.2所述客流控制方案優(yōu)化方法及流程,按照時(shí)間序列生成客流控制優(yōu)化策略:在第105 min站廳非付費(fèi)區(qū)啟動(dòng)預(yù)警時(shí),將安檢數(shù)量由3臺(tái)調(diào)整為車站最大值4臺(tái),在第107 min時(shí),實(shí)行站外限流,最大進(jìn)站流量控制在75 人/min.其客流控制效果如圖7 所示.

        圖7 采取客流控制措施后車站各預(yù)警區(qū)域客流承載量

        由仿真結(jié)果可知,當(dāng)采取相應(yīng)客流控制方案后,站廳非付費(fèi)區(qū)客流承載量在達(dá)到預(yù)警值后緩慢回落,車站各預(yù)警區(qū)域客流承載量保持在安全范圍內(nèi),同時(shí)確保下車客流不受滯留.

        4 結(jié)論

        (1)在前面學(xué)者[6-7]研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步梳理并細(xì)化了影響車站客流流動(dòng)的關(guān)鍵要素之間的因果聯(lián)系,并引入客流控制系數(shù)Ri構(gòu)建車站客流控制模型,相較以往文獻(xiàn),本文在基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的車站客流控制模型基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出了客流控制策略優(yōu)化方法,并最終生成基于時(shí)間序列的客流控制策略;

        (2)根據(jù)現(xiàn)行車站一線廣泛采用的三級(jí)客流控制基本思路,就不同類型客流提出相應(yīng)的客流控制方案優(yōu)化方法,將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論與車站工作實(shí)踐有機(jī)融合,仿真結(jié)果能夠?yàn)檐囌竟芾砣藛T進(jìn)行大客流控制提供科學(xué)決策;

        (3)采用某城市F地鐵車站數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),分別給出了不同客流類型的客流控制方案優(yōu)化案例,表明研究方法是可行的;

        (4)本文所提出的車站客流控制模型適用于普通城市軌道交通車站,由于換乘站大客流成因復(fù)雜,其客流控制方案還需結(jié)合線網(wǎng)客流控制協(xié)調(diào)優(yōu)化做進(jìn)一步深入研究.

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