劉善維，張 楊,2

（1. 西南交通大學(xué),交通運輸與物流學(xué)院，成都 611756；2. 綜合交通運輸智能化國家地方聯(lián)合工程實驗室，成都 611756）

0 引 言

隨著我國軌道交通行業(yè)的大力發(fā)展，各大城市的地鐵線路已逐漸進(jìn)入成網(wǎng)階段，大量換乘站隨之出現(xiàn)。換乘站是城市軌道交通系統(tǒng)的錨固點，承擔(dān)乘客的交通集散與中轉(zhuǎn)功能[1]。換乘站設(shè)施設(shè)備的布局對安全、高效運轉(zhuǎn)起著重要作用。陳偉等[2]充分考慮了行人年齡、步速、體積等對行人運動干擾，使用平均排隊長度、平均逗留時間、行人密度等指標(biāo)描述了成都地鐵天府廣場站設(shè)施設(shè)備布局、規(guī)模對站廳客流組織的影響并提出優(yōu)化措施，但沒有分析設(shè)施設(shè)備對換乘系統(tǒng)的影響，也沒有考慮結(jié)伴行人之間的交叉干擾。譚宇[3]、康兆然等[4]通過換乘的順暢性和換乘系統(tǒng)運行效率、服務(wù)水平，分析了兩線換乘站設(shè)施布局對換乘效果的影響。晏小波[5]歸納了三線換乘的常用站型，仿真分析了各站型的特點及適用性，并從適用性角度提出了優(yōu)化措施，但僅討論了換乘客流之間的交叉影響，并未考慮進(jìn)出站客流對換乘效率的影響。楊天陽等[6]使用AnyLogic 對成都地鐵非遺博覽園站進(jìn)行仿真，有效地識別了車站擁堵點，并提出了改變行人流線、增加安檢通道、調(diào)整車站設(shè)施位置等優(yōu)化方案；費爽等[7]發(fā)現(xiàn)設(shè)置隔離設(shè)施、路徑引導(dǎo)等措施使客流分布更加均勻，有效緩解車站擁堵，但沒有考慮通過縮短發(fā)車間隔減少乘客在站臺的聚集時間，進(jìn)而緩解站臺擁堵。Robert 等[8]發(fā)現(xiàn)發(fā)車間隔與平均隊長呈單調(diào)遞增關(guān)系，且隨發(fā)車間隔的增大，平均隊長增加的幅度也更大。王嬋嬋等[9]認(rèn)為在一定行車密度下，列車疏散能力不能匹配進(jìn)站及換乘流量時，隨時間的推移會加重站臺擁堵情況；劉東曉等[10]證明了提高線路的運營效率可以有效緩解站臺擁堵，但只分析了縮短發(fā)車間隔對本線站臺的影響，沒有分析對他線換乘客流的影響。

以往研究多根據(jù)站廳或站臺客流的相關(guān)指標(biāo)對車站進(jìn)行評價，客流性質(zhì)較為單一，對不同性質(zhì)客流的交叉影響討論較少；優(yōu)化措施主要從車站設(shè)施設(shè)備角度考慮，對車流組織討論較少。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮換乘客流和進(jìn)出站客流的交叉影響，模擬擁堵點產(chǎn)生位置，并分析其原因，從設(shè)施設(shè)備和車流組織兩方面提出措施，為優(yōu)化三線換乘站設(shè)計及運營提供建議。

1 仿真過程

1.1 模型選擇

行人流模型可分為宏觀模型、中觀模型、微觀模型。宏觀模型難以詳細(xì)地刻畫復(fù)雜的行人行為，中觀模型僅能簡單描述行人間的相互作用，但微觀模型不僅能宏觀反映行人行為，又能詳細(xì)刻畫行人復(fù)雜運動。目前，在計算機(jī)模擬行人行為的微觀模型中，社會力模型與元胞自動機(jī)模型應(yīng)用最廣泛[11]。但元胞自動機(jī)模型的規(guī)則過于簡單，行人速度、步行方向受到網(wǎng)格尺寸限制，不能十分精確地反映行人行為[12]。社會力模型認(rèn)為，行人運動受內(nèi)在和外界兩方面社會力的影響。內(nèi)在社會力即驅(qū)動力，反映人的主觀意識。外在社會力包括行人間和行人與邊界、障礙物之間的作用力。Helbing[13]最先通過仿真證明了社會力模型在描述行人行為時的準(zhǔn)確性。Anvari[14]認(rèn)為社會力模型提供了將車輛和行人運動相統(tǒng)一的可能，同時提出構(gòu)建社會力模型需要額外的參數(shù)以確保模型真實可靠。Lakoba[15]認(rèn)為社會力模型可以真實反映行人不與障礙物發(fā)生碰撞的意圖，也反映了行人運動時的特定方向。Ji[16]、Zeng等[17]驗證了社會力模型在描述行人相互作用時的準(zhǔn)確性，因此本文選用社會力模型作為行人流模型。具體方程表示如下：

1.2 仿真對象

（1）車站介紹

根據(jù)成都地鐵13 號線一期初步設(shè)計階段的設(shè)計方案可知，新南門站為成都地鐵3 號線、13號線與16 號線換乘站。新南門站位于致民路與新南路交叉路口處東側(cè)且沿致民路車站東西向布置，站位周邊客流吸引范圍內(nèi)用地規(guī)劃以居住和教育服務(wù)用地為主。新南門站車站示意如圖1 所示。

圖1 新南門車站示意

（2）換乘設(shè)施設(shè)備的布置

新南門站采用“H 型”三線換乘站設(shè)計，3條線均為島式站臺，各站臺設(shè)施設(shè)備見表1。

表1 新南門站換乘設(shè)施設(shè)備

（3）換乘方式

新南門站各線換乘方式見表2。

表2 各線換乘方式

（4）客流數(shù)據(jù)

遠(yuǎn)期（2048 年）新南門站早高峰換乘客流及進(jìn)出站數(shù)據(jù)分別見表3、4。

表3 遠(yuǎn)期新南門站早高峰換乘客流（人/h）

表4 遠(yuǎn)期新南門站早高峰進(jìn)、出站客流（人/h）

1.3 仿真參數(shù)

已建成的3 號線采用現(xiàn)行早高峰實際發(fā)車間隔，建設(shè)中的13 號線采用設(shè)計階段的計劃發(fā)車間隔。根據(jù)《成都市城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃修編》，規(guī)劃16 號線與13 號線性質(zhì)相似，因此發(fā)車間隔設(shè)置與13 號線相同。各線發(fā)車間隔及制式見表5。

表5 各線發(fā)車間隔及制式

根據(jù)《中國2019 年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》將男女比例設(shè)為1.04∶1。根據(jù)《中國成年人人體尺寸》[18]、《中國未成年人人體尺寸》[19]本文擬將行人的尺寸設(shè)為服從（271，375，415）（單位：mm）的三角分布，將客流設(shè)置為1～3 人的小組。

根據(jù)王洪臣[20]、賈洪飛[21]等對地鐵行人步速的研究，本文擬將該部分的參數(shù)設(shè)置做如下處理：年齡大于18 歲男性的步速設(shè)為1.1～1.3 m/s、年齡小于18 歲的男性步速設(shè)為0.9～1.1 m/s、年齡大于18 歲的女性步速設(shè)為1.0～1.2 m/s、年齡小于18 歲的女性步速設(shè)為0.8～1.0 m/s。樓梯上行人的速度設(shè)為正常步速的0.5 倍，扶梯的速度為0.65m/s，上下車時間設(shè)置為1.6 s/人。

1.4 邏輯模型

列車邏輯如圖2 所示。

圖2 列車邏輯

行人邏輯模型如圖3 至圖6 所示。

圖5 節(jié)點換乘行人邏輯

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 仿真結(jié)果

仿真進(jìn)行15min，取5 次仿真結(jié)果計算各指標(biāo)的平均值、方差、95%的置信區(qū)間。各站廳、站臺的平均密度見表6，平均換乘距離、平均換乘時間見表7。

新南門站主要擁堵區(qū)域出現(xiàn)在中部站廳及各站臺。中部站廳擁堵區(qū)域為圖6 中A、B 兩處，3 號線站臺擁堵區(qū)域為圖7 中C、D 兩處，13 號線站臺擁堵區(qū)域為圖8 中E、F、G 三處，16 號線站臺擁堵區(qū)域為圖9 中H、I 兩處。

表6 各站廳、站臺平均密度

表7 新南門站各方向平均換乘距離和換乘時間

圖6 中部站廳擁堵區(qū)域

圖7 3 號線站臺擁堵區(qū)域

圖8 13 號線站臺擁堵區(qū)域

圖9 16 號線站臺擁堵區(qū)域

2.2 結(jié)果分析

新南門站共出現(xiàn)9 處較嚴(yán)重的擁堵點，其中站廳2 處、站臺7 處。擁堵點的位置及原因見表8。

表8 新南門站擁堵點產(chǎn)生的位置及原因

2.3 優(yōu)化措施

結(jié)合擁堵原因，提出如下措施：

（1）對于A、B，考慮在各樓扶梯端部設(shè)置隔離措施，將不同方向的流線區(qū)別開，避免交叉干擾。

（2）對于C、D，從車流組織方面考慮，綜合3 號線運營情況縮短發(fā)車間隔；從客流組織方面進(jìn)行考慮，建議安排站務(wù)人員引導(dǎo)行人均勻分布在各候車區(qū)域。尤其在靠近樓扶梯端部的候車區(qū)域，站務(wù)人員應(yīng)指揮行人快速通過，減少在此區(qū)域候車的行人。

（3）對于E、F、G，考慮在13 號線站臺小里程端以及次大里程端增設(shè)1 座樓梯。

（4）對于H、I，考慮將16 號線次大里程端1 部下行扶梯改為上行運轉(zhuǎn)。

通過調(diào)整3 號線發(fā)車間隔發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)車間隔縮短到150s 時，候車區(qū)域的擁堵情況有了初步緩解。優(yōu)化后中部站廳、各線站臺整體密度變化不大，但各擁堵點最高聚集人數(shù)有了不同程度的緩解。取5 次仿真結(jié)果并求平均值得各指標(biāo)與優(yōu)化前對比情況，如表9、10 所示。

表9 各站廳、站臺的密度對比

表10 擁堵點最高聚集人數(shù)對比

優(yōu)化后的平均換乘距離和平均換乘時間見表11。

表11 優(yōu)化后的平均換乘距離和平均換乘時間

對于換乘時間，當(dāng)3 號線發(fā)車間隔縮短20s時，13、16 換乘3 號線的時間分別縮短19s 和12s。說明當(dāng)本線發(fā)車間隔縮短時，對他線乘客換乘時間有積極影響。不斷縮短發(fā)車間隔至120s 得到3號線站臺密度、他線乘客換乘時間隨發(fā)車間隔變化關(guān)系如圖10、圖11 所示。

圖10 3 號線站臺密度隨發(fā)車間隔變化關(guān)系

圖11 換乘3 號線時間隨發(fā)車間隔變化關(guān)系

由圖10、圖11 可知，隨著發(fā)車間隔的縮短，3 號線站臺密度及13、16 換乘3 號線時間都呈下降趨勢，但趨勢逐漸放緩。選擇發(fā)車間隔120～140s 的區(qū)間進(jìn)行發(fā)車間隔對站臺密度和換乘時間變化的顯著性分析，結(jié)果見圖12、圖13、圖14。根據(jù)分析結(jié)果可得，發(fā)車間隔從140s 繼續(xù)縮短，發(fā)車間隔對客流密度和換乘時間的變化不具有顯著性。因此，考慮運營成本的同時，為滿足遠(yuǎn)期新南門三線換乘站的換乘效率，3 號線最佳發(fā)車間隔為140s。

圖12 發(fā)車間隔對站臺密度的顯著性分析

圖13 發(fā)車間隔對13 線轉(zhuǎn)3 線換乘時間的顯著性分析

圖14 發(fā)車間隔對16 線轉(zhuǎn)3 線換乘時間的顯著性分析

3 結(jié)束語

本文運用AnyLogic 對遠(yuǎn)期成都地鐵新南門站進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)了該站產(chǎn)生擁堵點的位置并分析了產(chǎn)生原因，從設(shè)施設(shè)備和車流組織兩方面提出優(yōu)化措施，驗證了增設(shè)樓扶梯設(shè)施、調(diào)整扶梯運行方向、縮短發(fā)車間隔等措施的優(yōu)化效果。通過分析發(fā)車間隔對換乘效果影響，得到了縮短發(fā)車間隔在緩解本線站臺擁堵的同時會縮短他線乘客換乘時間的結(jié)論。通過分析站臺密度、他線乘客換乘時間隨發(fā)車間隔的變化關(guān)系，結(jié)合運營成本和換乘效率，得到3 號線的最佳發(fā)車間隔。

科學(xué)地檢驗設(shè)計方案對設(shè)計者明確方案的優(yōu)缺點、驗證設(shè)計思路并進(jìn)行優(yōu)化起著重要的作用，在設(shè)計階段運用仿真方法檢驗、優(yōu)化設(shè)計方案具有應(yīng)用價值。