趙曉磊,肖為周
(蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院,江蘇蘇州 215000)
地鐵作為具有專有路權(quán)的公共交通方式,因準(zhǔn)時(shí)、綠色、安全、高效等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為大城市解決交通需求問題的重要手段。而車站作為地鐵集散客流的節(jié)點(diǎn),其內(nèi)部服務(wù)水平會(huì)影響乘客的整體出行體驗(yàn),因此建立合理的綜合服務(wù)水平評(píng)價(jià)方法來反映站內(nèi)行人服務(wù)水平,對(duì)車站運(yùn)營(yíng)者制定客流組織方案、提升乘客出行品質(zhì)有重要意義。
國(guó)內(nèi)外對(duì)于軌道交通車站行人服務(wù)水平評(píng)價(jià)研究已經(jīng)取得了一定成果。FRUIN[1]最早將服務(wù)水平概念引入交通樞紐站點(diǎn),用密度、速度等行人特性指標(biāo)描述區(qū)域擁擠程度,將服務(wù)水平分為A~F級(jí)。任美君等[2]深入研究換乘站的換乘設(shè)施,對(duì)每個(gè)換乘設(shè)施設(shè)計(jì)了多個(gè)指標(biāo)并根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí),用加權(quán)法得到換乘設(shè)施的綜合服務(wù)水平。周慧娟等[3]針對(duì)乘客乘車的具體環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)指標(biāo)集,然后通過重要性調(diào)查的統(tǒng)計(jì)結(jié)果篩選關(guān)鍵指標(biāo),建立基于出行全過程的服務(wù)水平評(píng)價(jià)體系。文獻(xiàn)[4—7]分別用雷達(dá)圖法、多變量回歸法、物元法、粗集多屬性決策等方法對(duì)服務(wù)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。然而上述對(duì)行人服務(wù)水平的綜合評(píng)價(jià)中,部分指標(biāo)沒有考慮時(shí)間因素的影響,常用的最大密度、平均密度等無(wú)法較好地描述一段評(píng)價(jià)時(shí)間內(nèi)的整體情況,因此建立能夠評(píng)估諸如早高峰、晚高峰時(shí)段內(nèi)整體車站服務(wù)水平的方法,定量比較不同客流組織策略對(duì)高峰期服務(wù)水平的影響效果,對(duì)于車站運(yùn)營(yíng)有重要意義。
本文利用現(xiàn)有研究的指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及方法,在指標(biāo)體系中引入低服務(wù)水平時(shí)間指標(biāo),使用可拓物元法建立某時(shí)段站內(nèi)行人服務(wù)水平的綜合評(píng)價(jià)模型,為車站管理者制定組織措施提供參考。
綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系一般由時(shí)間類指標(biāo)、密度類指標(biāo)與比例系數(shù)類指標(biāo)構(gòu)成,密度人數(shù)類指標(biāo)的選取通常為最大密度或平均密度,最大密度只能反映某時(shí)刻的密度評(píng)價(jià)且一定程度上會(huì)夸大最終結(jié)果,平均密度則無(wú)法體現(xiàn)周期性變化的客流密度特點(diǎn)。車站實(shí)際的密度服務(wù)水平每分每秒都在變化,這類指標(biāo)難以較好地描述評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)行人密度服務(wù)水平的情況,因此本文采用低服務(wù)水平時(shí)間指標(biāo)對(duì)區(qū)域擁擠度進(jìn)行評(píng)估。
低服務(wù)水平時(shí)間是指某設(shè)施處于低服務(wù)水平的持續(xù)時(shí)間,通過設(shè)定一個(gè)低服務(wù)水平閾值,累計(jì)評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)設(shè)施密度或人數(shù)超過了閾值的時(shí)刻。閾值可以基于現(xiàn)有密度分級(jí)或按需求設(shè)定。
(1)
(2)
式中:tlow,ti表示低服務(wù)水平時(shí)間以及第i秒是否為低服務(wù)水平的0~1變量,ρlow,ρi表示低服務(wù)水平閾值及第i秒的指標(biāo)數(shù)值。
使用區(qū)域低服務(wù)水平時(shí)間指標(biāo)替換常用的密度類指標(biāo),彌補(bǔ)密度類指標(biāo)未考慮時(shí)間因素的缺點(diǎn),以此來表現(xiàn)評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)車站某區(qū)域的擁擠情況。
換乘站內(nèi)行人的體驗(yàn)由多部分組成。本文參考已有研究對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的研究及構(gòu)建方法[8-9],經(jīng)過指標(biāo)初選、主客觀結(jié)合的二次篩選過程,從基本出行體驗(yàn)、走行體驗(yàn)及設(shè)備設(shè)施體驗(yàn)3方面來反映行人在站內(nèi)的體驗(yàn),建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,如表1所示?;境鲂畜w驗(yàn)反映的是乘客達(dá)成站內(nèi)出行目標(biāo)的便捷程度,走行體驗(yàn)與設(shè)備設(shè)施體驗(yàn)則是走行與設(shè)備使用部分的情況。指標(biāo)名稱后為對(duì)應(yīng)編號(hào)。
表1 地鐵換乘站服務(wù)水平綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
本文采用層次分析法確定各組指標(biāo)的權(quán)重。通過乘客問卷調(diào)查搜集各組指標(biāo)的判斷矩陣并進(jìn)行一致性檢驗(yàn),選取有效判斷矩陣,采用方根法計(jì)算權(quán)重結(jié)果,取同類矩陣權(quán)重均值作為最終結(jié)果[10-11]。
可拓物元法可以兼容多層級(jí)、多組合的指標(biāo)之間的關(guān)系并進(jìn)行綜合計(jì)算,從而能夠?qū)^為復(fù)雜、不易直接描述的問題進(jìn)行分析。物元的概念最早是由廣東工業(yè)大學(xué)的蔡文等[12]提出,其具體定義為若事物N存在一系列特征C,對(duì)應(yīng)各個(gè)特征的量值為V,那么三者組成的矩陣R=(N,C,V)就稱為物元[13]。假設(shè)特征及對(duì)應(yīng)量值有n個(gè),那么矩陣如式3所示:
(3)
可拓物元法即是將問題分為若干個(gè)物元進(jìn)行描述。對(duì)于服務(wù)水平綜合評(píng)價(jià)來說,根據(jù)建立的指標(biāo)體系,物元R=(N,C,V)內(nèi),N為待評(píng)價(jià)的各個(gè)站內(nèi)體驗(yàn);ci(i=1,2,…,n)為站內(nèi)體驗(yàn)對(duì)應(yīng)的具體指標(biāo);vi(i=1,2,…,n)則為指標(biāo)ci所對(duì)應(yīng)的量值,根據(jù)物元類型的不同,可以是具體數(shù)值或數(shù)值區(qū)間。
假設(shè)將指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)分為y級(jí),那么每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)下的指標(biāo)都會(huì)對(duì)應(yīng)不同的數(shù)值變化范圍,根據(jù)可拓理論,即可建立各評(píng)價(jià)等級(jí)下的經(jīng)典域物元Rj=(Nj,C,Vj),具體如式(4)所示:
(4)
式中:Rj表示在j(j=1,2,…,y)評(píng)價(jià)等級(jí)下的經(jīng)典域物元矩陣;Nj表示j等級(jí)下影響綜合服務(wù)水平的待評(píng)價(jià)體驗(yàn);Vj為j評(píng)價(jià)等級(jí)下各指標(biāo)的取值范圍;aij與bij(i=1,2,…,n)分別是j評(píng)價(jià)等級(jí)下,指標(biāo)ci對(duì)應(yīng)數(shù)值區(qū)間的下界和上界。
由此可知,經(jīng)典域即是在不同評(píng)價(jià)等級(jí)下各指標(biāo)的對(duì)應(yīng)區(qū)間。當(dāng)把指標(biāo)所有經(jīng)典域范圍合并,得到的就是節(jié)域,節(jié)域物元矩陣Rp如式(5)所示:
(5)
式中:aip與bip(i=1,2,…,n)為指標(biāo)ci所有經(jīng)典域范圍合并后的下界與上界。
待評(píng)價(jià)物元是指由待評(píng)價(jià)對(duì)象的具體量值組成的物元,其各個(gè)特征指標(biāo)的量值是確定的。其矩陣形式如式(6)所示:
(6)
待評(píng)價(jià)物元Rm中,N同上文,為各待評(píng)價(jià)的一級(jí)指標(biāo);ci(i=1,2,…,n)為某一級(jí)指標(biāo)下的二級(jí)指標(biāo);vim表示二級(jí)指標(biāo)ci的具體數(shù)值。
可拓物元法是通過關(guān)聯(lián)度矩陣來描述事物評(píng)價(jià)的。在收集到事物的一組待評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)后,通過關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)度矩陣。假設(shè)有指標(biāo)數(shù)值vim與經(jīng)典域區(qū)間vij=(aij,bij),定義vim與vij之間的接近度ρ(vim,vij)的計(jì)算方式如式(7)所示:
(7)
指標(biāo)值與節(jié)域得到接近度計(jì)算方式類似,如式(8)所示。
(8)
得到接近度之后,再進(jìn)一步計(jì)算得到指標(biāo)值vim與各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)經(jīng)典域之間的關(guān)聯(lián)度kj(vim),具體計(jì)算如式(9)所示。
(9)
式中:|vij|表示該數(shù)值區(qū)間的長(zhǎng)度。指標(biāo)值與各經(jīng)典域的關(guān)聯(lián)度kj(vim)(j=1,2,…,y)所組成的矩陣K(vim)=(kj)1×y,即為該指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度矩陣。
計(jì)算得到所有最下層指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度矩陣后,就可以結(jié)合同組指標(biāo)的權(quán)重,逐級(jí)向上計(jì)算得到上一層指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)度矩陣Z=(zj)1×y,假設(shè)λi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重,zj計(jì)算方式如式(10)所示:
(10)
式中:zj表示上一級(jí)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度。最終計(jì)算得到最上層對(duì)象的評(píng)價(jià)等級(jí)關(guān)聯(lián)度矩陣。根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則,關(guān)聯(lián)度矩陣中最大值所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)j'就是該指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同客流組織場(chǎng)景的模擬與數(shù)據(jù)收集,在比較常用仿真手段后[14],選擇Anylogic仿真軟件,并分析車站具體問題,提出多個(gè)客流組織場(chǎng)景,分別對(duì)不同組織措施場(chǎng)景進(jìn)行仿真,收集指標(biāo)數(shù)據(jù),進(jìn)行服務(wù)水平綜合評(píng)價(jià)與分析。
石湖東路站是蘇州地鐵2號(hào)線與4號(hào)線的換乘站,主體位于東吳南路與石湖東路交叉口下,車站為地下三層島式車站,整體呈倒T型。兩線共用站廳在B1層,共6個(gè)出入口;東西向的2號(hào)線及其站臺(tái)位于B2層,南北向的4號(hào)線及站臺(tái)位于B3層,在T字節(jié)點(diǎn)處采用樓梯直連站臺(tái)的換乘方式,兩線站臺(tái)的相對(duì)位置如圖1所示。
圖1 兩線站臺(tái)位置Fig.1 Platform location of two lines
目前換乘組織具體如圖2所示。圖內(nèi)為T字節(jié)點(diǎn)處的換乘通道,下層為4號(hào)線站臺(tái),連接的上層為2號(hào)線站臺(tái)?,F(xiàn)行措施將T型通道中間隔開,形成2個(gè)單向L型通道,4號(hào)線換乘2號(hào)線的乘客與2號(hào)線換乘4號(hào)線的乘客各使用其中一條。
圖2 換乘流線現(xiàn)狀Fig.2 Transfer streamline status
石湖東路站的早高峰通勤客流非常突出,主要為換乘客流,因此仿真時(shí)段設(shè)置為早高峰7:00—9:00。
總體研究流程主要分為仿真數(shù)據(jù)搜集與處理、仿真模型構(gòu)建與仿真結(jié)果評(píng)價(jià)3部分,如圖3所示。
圖3 研究流程Fig.3 Research process
仿真參數(shù)部分主要通過調(diào)查數(shù)據(jù)得到。部分參數(shù)如表2所示,行人舒適速度服從正態(tài)分布,安檢及售票機(jī)服務(wù)時(shí)間服從均勻分布,閘機(jī)服務(wù)時(shí)間服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。
表2 石湖東路站仿真部分參數(shù)
列車運(yùn)行計(jì)劃、站內(nèi)客流群體的性別比例、年齡段比例等數(shù)據(jù)則根據(jù)石湖東路站早高峰具體調(diào)研結(jié)果與進(jìn)行設(shè)定。行人輸入、站內(nèi)線路分流比例等則結(jié)合AFC數(shù)據(jù)與全網(wǎng)站間OD數(shù)據(jù)在仿真軟件內(nèi)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)定。
根據(jù)現(xiàn)狀客流組織與客流數(shù)據(jù),對(duì)石湖東路站進(jìn)行仿真,根據(jù)E級(jí)密度分級(jí),設(shè)定熱力圖關(guān)鍵密度為3.33人/m2?,F(xiàn)狀仿真8:10的密度熱力圖如圖4所示,現(xiàn)狀指標(biāo)值如表3所示。
圖4 現(xiàn)狀車站8:10密度熱力圖Fig.4 Current density heatmap at 8:10
由于換乘通道狹小,且4號(hào)線換乘2號(hào)線方向與2號(hào)線換乘4號(hào)線方向皆存在較大的換乘客流,即使隔開通道,T字節(jié)點(diǎn)處的擁擠情況也非常嚴(yán)重。并且由于通道分隔,4號(hào)線換乘2號(hào)線的客流從東側(cè)通道(圖1黃色路線)流動(dòng),該方向換乘量極大,導(dǎo)致大量乘客從2號(hào)線站臺(tái)的東部進(jìn)入;同時(shí),根據(jù)車站出入口進(jìn)站客流的調(diào)查情況,乘坐2號(hào)線的進(jìn)站客流主體也由2號(hào)線東部樓扶梯下行至站臺(tái),導(dǎo)致2號(hào)線站臺(tái)東部候車密度明顯較高,根據(jù)高峰期觀察,2號(hào)線下行方向東側(cè)站臺(tái)平均隊(duì)列排隊(duì)人數(shù)9.5人,西側(cè)6.5人,東側(cè)偶爾出現(xiàn)乘客滯留。針對(duì)上述問題,本文建議交換圖1中的換乘客流方向,同時(shí)對(duì)部分換乘客流進(jìn)行引導(dǎo),使其從站廳進(jìn)行換乘,從而緩解通道壓力。由此設(shè)計(jì)以下場(chǎng)景。
場(chǎng)景1:交換通道內(nèi)客流方向,分流4號(hào)線北側(cè)部分換乘乘客先返回上層站廳,再通過站廳換乘。
場(chǎng)景2:交換通道內(nèi)客流方向,分流2號(hào)線部分換乘乘客先返回站廳,再通過站廳換乘。
場(chǎng)景3:交換通道內(nèi)客流方向,并同時(shí)分流4號(hào)線與2號(hào)線的部分換乘乘客由站廳換乘。
場(chǎng)景4:只交換通道內(nèi)客流方向。
根據(jù)權(quán)重問卷調(diào)查時(shí)對(duì)乘客的換乘分流意愿詢問,4號(hào)線站臺(tái)上的被調(diào)查者中有25.8%愿意從站廳換乘,2號(hào)線站臺(tái)上的被調(diào)查者則為16.7%,以此設(shè)定高峰期站廳分流概率。對(duì)4種場(chǎng)景分別進(jìn)行仿真,所得指標(biāo)數(shù)據(jù)如表3所示。
表3 石湖東路站各組織場(chǎng)景仿真指標(biāo)結(jié)果
本文擬將指標(biāo)分為優(yōu)、良、一般、較差與差5個(gè)等級(jí)。額外繞行系數(shù)、舒適速度系數(shù)的分級(jí)設(shè)置參考趙棟煜[8]的研究。設(shè)備設(shè)施體驗(yàn)下的二級(jí)指標(biāo),采用丁佳麒[15]的方法,通過K均值聚類對(duì)服務(wù)時(shí)間樣本進(jìn)行4個(gè)聚類中心的聚類分析,結(jié)合樣本范圍確定5個(gè)評(píng)價(jià)分級(jí),如表4所示。
表4 綜合評(píng)價(jià)二級(jí)指標(biāo)分級(jí)
進(jìn)站平均時(shí)間與換乘平均時(shí)間,通過在平峰期與高峰期分別進(jìn)行跟蹤調(diào)查,記錄每條流線若干時(shí)間樣本,取平峰期各流線均值,并利用各流線客流比例計(jì)算加權(quán)平均值作為指標(biāo)值下限,高峰期為上限,并將區(qū)間范圍劃分為5個(gè)等級(jí)。
低服務(wù)水平時(shí)間指標(biāo)的分級(jí),在密度閾值設(shè)定方面,采用任美君等[2]以蘇州軌道交通換乘站數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的設(shè)施密度分級(jí)結(jié)果,將站臺(tái)候車區(qū)與換乘通道到達(dá)E級(jí)時(shí)密度閾值作為低服務(wù)水平判定閾值。指標(biāo)本身的分級(jí)主要考慮低服務(wù)水平時(shí)間可能的上限,站臺(tái)候車區(qū)與換乘通道的客流量是隨列車到發(fā)周期變化的,本文記錄車站7:00—9:00時(shí)段內(nèi)換乘通道的總使用時(shí)間作為上限,并使用視頻拍攝方式,統(tǒng)計(jì)高峰期站臺(tái)候車區(qū)從清空至到達(dá)E級(jí)密度人數(shù)的平均積蓄時(shí)間,結(jié)合列車到站計(jì)劃,計(jì)算評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)候車區(qū)的擁擠時(shí)間上限,以低服務(wù)水平時(shí)間為0,即理想情況為下限。根據(jù)層次分析法得到的權(quán)重值組合如表5所示。
表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重
根據(jù)5個(gè)場(chǎng)景的實(shí)際指標(biāo)值、分級(jí)與指標(biāo)權(quán)重,利用可拓物元法,計(jì)算綜合服務(wù)水平關(guān)聯(lián)度。以現(xiàn)狀場(chǎng)景下,一級(jí)指標(biāo)基本出行體驗(yàn)指標(biāo)A為例,待評(píng)價(jià)物元如式(11)RAm所示,表示對(duì)應(yīng)二級(jí)指標(biāo)組合的待評(píng)價(jià)值:
(11)
確定基本出行體驗(yàn)指標(biāo)A的節(jié)域RAp,以及各評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)應(yīng)的經(jīng)典域,以優(yōu)等級(jí)為例,如式(12)和式(13)所示:
(12)
(13)
節(jié)域與經(jīng)典域在形式上相似,節(jié)域物元內(nèi)的數(shù)值范圍是二級(jí)指標(biāo)所有評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)值范圍的并集,而經(jīng)典域物元的數(shù)值范圍則是對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)下的指標(biāo)值變化范圍。接著,利用計(jì)算式(7)—(9)計(jì)算待評(píng)價(jià)物元RAm與各級(jí)經(jīng)典域物元的關(guān)聯(lián)度矩陣KA11-A13如式(14)所示:
(14)
KA=wA11-A13×KA11-A13。
(15)
由此可以得到:
表6 各場(chǎng)景綜合服務(wù)水平關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果
根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則,各場(chǎng)景綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如表7所示。
表7 行人綜合服務(wù)水平評(píng)價(jià)等級(jí)結(jié)果
根據(jù)關(guān)聯(lián)等級(jí)結(jié)果可知,場(chǎng)景1與場(chǎng)景3評(píng)價(jià)最好。將兩類場(chǎng)景的具體指標(biāo)列表如表8所示。表中編號(hào)所代表的具體指標(biāo)可由表1得到。
表8 場(chǎng)景1、場(chǎng)景3指標(biāo)對(duì)比
場(chǎng)景3是在場(chǎng)景1的基礎(chǔ)上,增加“對(duì)2號(hào)線的換乘乘客進(jìn)行站廳分流”這一措施。此舉進(jìn)一步緩解了換乘通道的擁擠情況,但由于2號(hào)線換乘量規(guī)模小于4號(hào)線,同時(shí)2號(hào)線換乘乘客繞行意愿不強(qiáng),在不改變分流比例的情況下,換乘通道擁擠時(shí)間下降幅度已減緩,降幅約10%左右。然而另一方面,兩線同時(shí)分流使得站廳客流量短時(shí)明顯增加,流線沖突明顯,影響了進(jìn)站乘客效率、舒適速度的保持、極大增加了額外繞行,并且導(dǎo)致樓扶梯口的人均通過時(shí)間明顯增加。從客流引導(dǎo)實(shí)施角度來看,需要實(shí)行的措施也是越少越好。因此,采取場(chǎng)景1的方式,在實(shí)施難度相對(duì)簡(jiǎn)單的情況下,能夠提高車站早高峰的綜合服務(wù)水平。場(chǎng)景1的密度熱力圖如圖5所示,與現(xiàn)狀相比,換乘節(jié)點(diǎn)與候車區(qū)的高密度情況有所改善。
圖5 場(chǎng)景1車站8:10密度熱力圖Fig.5 Scenario 1 8:10 density heatmap
本文建立地鐵換乘站服務(wù)水平綜合評(píng)價(jià)模型,對(duì)多種客流組織方案進(jìn)行仿真、評(píng)價(jià)與分析。
1)考慮密度類指標(biāo)的時(shí)間因素,引入低服務(wù)水平時(shí)間來描述評(píng)價(jià)時(shí)間段內(nèi)的擁擠情況,從基本出行、走行與設(shè)施設(shè)備3方面體驗(yàn)建立指標(biāo)體系。通過層次分析法確定權(quán)重,采用可拓物元法評(píng)價(jià)時(shí)段的服務(wù)水平。
2)以蘇州地鐵石湖東路站為研究對(duì)象,結(jié)合仿真得到不同組織場(chǎng)景下的各項(xiàng)指標(biāo),分析不同場(chǎng)景的服務(wù)水平評(píng)價(jià)結(jié)果,以此確定最佳的客流組織方案,為車站管理者制定與抉擇客流組織方案提供技術(shù)支撐。
最后,本文通過仿真得到客流數(shù)據(jù),與實(shí)際情況存在一定誤差,此外評(píng)價(jià)未考慮乘客主觀感受,指標(biāo)體系沒有做到主客觀統(tǒng)一。后續(xù)將對(duì)體系的構(gòu)建過程與物元模型的計(jì)算做進(jìn)一步研究。