魏宇浩，張 然，秦 華, ，石熙普

（1.北京建筑大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，北京 102616；2.北京市建筑安全檢測(cè)工程技術(shù)研究中心，北京 102616)

0 引言

隨著城市軌道交通日趨成熟，越來越多的居民選擇地鐵作為主要的出行工具。地鐵換乘車站作為不同線路間換乘的主要設(shè)施，客流規(guī)模龐大，尤其是在高峰時(shí)段，車站內(nèi)的瓶頸場(chǎng)所人員數(shù)量極大、聚集頻繁且人員的行為復(fù)雜多樣，一旦出現(xiàn)突發(fā)情況，極易造成擁堵，形成安全隱患。因此，迫切需要對(duì)地鐵站站內(nèi)出現(xiàn)的擁堵瓶頸進(jìn)行識(shí)別和優(yōu)化，提高地鐵運(yùn)營(yíng)管理水平和乘客服務(wù)水平。

對(duì)于地鐵站站內(nèi)的瓶頸識(shí)別，相關(guān)學(xué)者提出了許多模型和評(píng)價(jià)指標(biāo)。陳紹寬等[1]選取M/G/c/c網(wǎng)絡(luò)排隊(duì)模型，分析地鐵站內(nèi)樓梯和通道的疏散能力，識(shí)別出在不同客流到達(dá)率下，樓梯和通道的疏散能力瓶頸點(diǎn)；盛應(yīng)平等[2]提出了改進(jìn)的行人流線網(wǎng)絡(luò)法模型，并利用流線飽和度、設(shè)施最大擁堵面積等指標(biāo)分析了原方案及3個(gè)優(yōu)化方案在多種客流工況下的客流適應(yīng)性，給出了推薦方案；張瑞等[3]將用戶均衡理論融入M/G/c/c模型，構(gòu)建出乘客網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)客流分配和瓶頸識(shí)別模型，該模型可以有效識(shí)別車站瓶頸和擁堵情況，并指出最終疏解效果與導(dǎo)流桿的設(shè)置方法有關(guān)；付婷[4]使用約束理論(TOC)對(duì)城市軌道交通車站系統(tǒng)進(jìn)行瓶頸分析與識(shí)別；黃敏等[5]提出了考慮高峰期客流時(shí)空特點(diǎn)的人流交織區(qū)域及人流沖突點(diǎn)、局部擁擠系數(shù)、設(shè)施利用不均系數(shù)3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)地鐵站廳設(shè)施布局進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)，并提出了優(yōu)化措施；吳賢國(guó)等[6]以人流密度、關(guān)聯(lián)人群組數(shù)和人流負(fù)荷率作為瓶頸點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合LED評(píng)分法，提出了人群集散風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的計(jì)算方法，之后通過仿真進(jìn)行了驗(yàn)證并提出了增設(shè)導(dǎo)流桿和增加檢票口的優(yōu)化方法；陳偉等[7]選取乘客平均排隊(duì)長(zhǎng)度、平均逗留時(shí)間和區(qū)域密度3個(gè)指標(biāo)，結(jié)合行人密度圖探討布局設(shè)施優(yōu)化方案，且驗(yàn)證了其方法的可行性。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)識(shí)別出的瓶頸進(jìn)行疏解和優(yōu)化主要是針對(duì)瓶頸設(shè)施改進(jìn)，莫逆等[8]從閘機(jī)的布設(shè)方式入手，結(jié)合仿真結(jié)果，提出了與客流流線呈傾斜角的布設(shè)方式；柳澤原等[9]調(diào)查了車站的實(shí)際狀況，發(fā)現(xiàn)閘機(jī)的布置存在弊端，隨后通過仿真進(jìn)行布局優(yōu)化，并驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性；黃文成等[10]以建國(guó)門地鐵站為研究對(duì)象，通過AnyLogic仿真模擬，選取換乘疏散時(shí)間為衡量指標(biāo)，對(duì)換乘樓梯寬度做出優(yōu)化。上述方法直接對(duì)形成瓶頸的設(shè)施進(jìn)行改進(jìn)，針對(duì)性較強(qiáng)，但遇到諸如加寬樓梯、加寬站臺(tái)等措施時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較高的成本，且可行性較差。本研究以客流密度作為瓶頸識(shí)別準(zhǔn)則，通過AnyLogic軟件中的行人仿真模塊對(duì)整個(gè)換乘車站進(jìn)行模擬仿真，對(duì)站內(nèi)客流進(jìn)行分析，以客流密度和區(qū)域平均逗留時(shí)間作為評(píng)價(jià)優(yōu)化效果的指標(biāo)，結(jié)合人流自組織效應(yīng)探討可以緩解擁堵且簡(jiǎn)單易行的有效措施，為地鐵站客流組織優(yōu)化提供建議。

1 研究方法

1.1 角門西地鐵換乘站概況

角門西站是北京市地鐵4號(hào)線和10號(hào)線的換乘車站，車站地下共分3層，地下1層為地鐵站站廳層，地下2層為乘坐地鐵4號(hào)線的站臺(tái)層，地下3層為乘坐地鐵10號(hào)線的站臺(tái)層，車站共有A1，A2，B，C，D，E，F(xiàn)，G共8個(gè)出入口，其中A1，A2共用一個(gè)出入口通道，接下來將其合并稱作為出入口A。站廳層分為A/B廳、C/D廳、E廳、F/G廳4個(gè)部分，4個(gè)部分由換乘通道連接，其中A/B廳和C/D廳可以乘坐4號(hào)線，E廳和F/G廳可以乘坐10號(hào)線，各廳內(nèi)均具備自助售票機(jī)、人工服務(wù)窗口、電梯、安檢區(qū)、檢票閘機(jī)、樓扶梯等設(shè)施。角門西換乘站客流流向如圖1所示，是各進(jìn)站口進(jìn)站客流與換乘客流的流向展示，由于出站客流相對(duì)于進(jìn)站客流和換乘客流來說較少，為了更加清晰地展示主要客流的流向，圖中省略了出站客流流線，且未展示車站中不影響客流的設(shè)施細(xì)節(jié)。

圖1 角門西換乘站客流流向Fig.1 Passenger flow direction of JiaoMenxi transfer station

1.2 仿真工具選取

目前描述行人運(yùn)動(dòng)的微觀模型主要包括元胞自動(dòng)機(jī)模型、社會(huì)力模型、移動(dòng)效益模型、磁力模型和排隊(duì)論模型等[11]。其中，社會(huì)力模型在建模過程中綜合考慮了行人對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)、行人間的相互作用及周圍環(huán)境的影響，可以較好地模擬再現(xiàn)行人的典型自組織現(xiàn)象。模型把行人抽象為具有一定形狀、質(zhì)量和體積的粒子，然后以力的形式對(duì)行人受到的外部影響進(jìn)行量化，再通過經(jīng)典力學(xué)中的受力分析來分析行人在走行過程中的受力情況，以此來解釋行人運(yùn)動(dòng)中遇到的路徑選擇、加速、減速、等待及趨向性等問題[12]。

AnyLogic作為成熟的社會(huì)力模型仿真軟件，其內(nèi)置的行人庫(kù)不僅可以構(gòu)建行人微觀仿真模型，還提供了高自由度的二次開發(fā)環(huán)境，用戶可以進(jìn)行細(xì)致的環(huán)境建模，使得仿真過程、結(jié)果更加接近真實(shí)情況。該軟件還可以輸出動(dòng)畫和一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息，包括停留時(shí)間、排隊(duì)長(zhǎng)度、通過某區(qū)域的人流量以及通過人流密度圖直觀地顯示人流密度的分布情況等?？紤]到這些特點(diǎn)，選擇AnyLogic作為仿真建模的工具。

1.3 地鐵站內(nèi)客流擁堵評(píng)價(jià)指標(biāo)

研究主要從空間和時(shí)間2個(gè)方面對(duì)整個(gè)地鐵換乘站內(nèi)瓶頸區(qū)域的擁擠程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，空間方面的評(píng)價(jià)采用人流密度[13]作為指標(biāo)，時(shí)間方面參照陳偉等[7]對(duì)平均逗留時(shí)間的定義，提出區(qū)域平均逗留時(shí)間作為指標(biāo)。

（1）人流密度ρi是指在指定區(qū)域i內(nèi)單位面積的平均人數(shù)，數(shù)值越大說明擁堵程度越高。

式中：Ni表示區(qū)域i內(nèi)的行人人數(shù)，人；Si表示區(qū)域i的面積，m2；ρi表示區(qū)域i的人流密度，人/m2。

（2）區(qū)域平均逗留時(shí)間Tqi(單位s)，是指在時(shí)間q內(nèi)進(jìn)入?yún)^(qū)域i的行人通過區(qū)域i的平均走行時(shí)間，其值越大，說明行人在區(qū)域i內(nèi)滯留越嚴(yán)重，擁擠程度越高。

式中：Nq表示在時(shí)間q內(nèi)進(jìn)入?yún)^(qū)域i內(nèi)的行人數(shù)量，人；tj表示在時(shí)間q內(nèi)進(jìn)入?yún)^(qū)域i的行人j通過區(qū)域i的走行時(shí)間，s。

1.4 仿真環(huán)境搭建

通過實(shí)地調(diào)研獲取角門西換乘站的布局、尺寸等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2019年10月21日至2019年10月25日的9 : 00—11 : 00，采集方法為通過使用手機(jī)測(cè)距APP進(jìn)行相關(guān)尺寸測(cè)量，利用獲取的數(shù)據(jù)繪制角門西換乘站的AutoCAD圖紙，圖紙包括3部分，分別為：站廳層、4號(hào)線站臺(tái)層、10號(hào)線站臺(tái)層。隨后，在AnyLogic軟件中建立模型并導(dǎo)入角門西換乘站的AutoCAD圖紙，調(diào)節(jié)模型比例尺，對(duì)照?qǐng)D紙繪制墻壁并添加檢票閘機(jī)、樓扶梯等智能體設(shè)施，其中樓梯使用矩形區(qū)域進(jìn)行繪制，得到角門西換乘站仿真底圖如圖2所示。

圖2 角門西換乘站仿真底圖Fig.2 Simulation base map of JiaoMenxi transfer station

1.5 參數(shù)設(shè)置

流程建模需要客流流線、客流量、設(shè)施參數(shù)、路徑選擇比例等數(shù)據(jù)，研究人員在2019年10月28日至2019年11月1日期間，對(duì)角門西換乘站7 : 30—8 : 30的早高峰進(jìn)行實(shí)地調(diào)研獲取所需數(shù)據(jù)。根據(jù)調(diào)研結(jié)果設(shè)置客流流程圖和列車流程圖，其中，4號(hào)線下車乘客流程建模如圖3所示，給出了4號(hào)線下車乘客的換乘、出站流程，乘客下車后依次通過各設(shè)施，通過在PedSelectOutput中設(shè)置不同的概率值實(shí)現(xiàn)客流按照特定比例選擇不同路線和設(shè)施。4號(hào)線列車流程建模如圖4所示，給出了4號(hào)線列車的生成、進(jìn)站、乘客下車、乘客上車、離站過程，可以通過控制參數(shù)改變列車到達(dá)時(shí)間間隔。調(diào)研過程中，采用抽樣統(tǒng)計(jì)方法獲取各設(shè)施服務(wù)時(shí)間，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得到以下參數(shù)：行人速度、閘機(jī)單人服務(wù)時(shí)間、單個(gè)乘客安檢服務(wù)時(shí)間、單個(gè)乘客人工售票窗口購(gòu)票時(shí)間和自助售票窗口購(gòu)票時(shí)間，分別服從 1.2 ～ 1.8 m/s，1 ～ 5 s，2 ～ 4 s，15 ～ 25 s和 18 ～ 50 s的均勻分布。各路徑客流比例、樓扶梯選擇比例分別以10 min時(shí)間內(nèi)觀察到的對(duì)應(yīng)比例近似。地鐵車站各出入口早高峰客流量如表1所示，列車上下車人數(shù)如表2所示。對(duì)模型進(jìn)行調(diào)試，完成后進(jìn)行3 600 s的仿真實(shí)驗(yàn)。

表1 地鐵車站各出入口早高峰客流量 人次/ hTab.1 Passenger flow at all entrances and exits of the subway station during morning peaks

表2 列車上下車人數(shù)Tab.2 Number of people getting on and off the train

圖3 4號(hào)線下車乘客流程建模Fig.3 Process modeling of passengers getting off at Line 4

圖4 4號(hào)線列車流程建模Fig.4 Process modeling of the train in line 4

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 瓶頸區(qū)域識(shí)別

仿真運(yùn)行過程中，通過顯示整個(gè)車站的客流密度圖，可以對(duì)站內(nèi)各區(qū)域的客流密度大小有一個(gè)直觀的了解，便于初步識(shí)別出可能發(fā)生擁擠的瓶頸區(qū)域。優(yōu)化前站廳層(左)和站臺(tái)層(右)客流密度圖如圖5所示，灰色橢圓標(biāo)記的位置即為初步識(shí)別出的可能發(fā)生擁堵的瓶頸區(qū)域，其中a為CD口安檢設(shè)施限流排隊(duì)區(qū)域，b為E口站廳換乘4號(hào)線樓扶梯區(qū)域，c為AB口站廳換乘10號(hào)線樓扶梯區(qū)域，d為4號(hào)線站臺(tái)靠近CD口的樓扶梯區(qū)域，e為4號(hào)線站臺(tái)靠近AB口的樓扶梯區(qū)域，f為10號(hào)線站臺(tái)靠近E口的樓扶梯區(qū)域，g為10號(hào)線站臺(tái)靠近FG口的樓扶梯區(qū)域。后續(xù)在對(duì)各瓶頸區(qū)域的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，以矩形框劃定各瓶頸區(qū)域的具體范圍，矩形框的大小在仿真運(yùn)行3 600 s時(shí)能完全包括紅色區(qū)域，各瓶頸區(qū)域統(tǒng)計(jì)面積如表3所示。

表3 各瓶頸區(qū)域統(tǒng)計(jì)面積Tab.3 Statistical area of each bottleneck area

圖5 優(yōu)化前站廳層(左)和站臺(tái)層(右)客流密度圖Fig.5 Passenger density map of station hall floor (left) and platform floor (right)before optimization

2.2 瓶頸原因及優(yōu)化措施

瓶頸區(qū)域a為CD口進(jìn)站客流在安檢設(shè)施前排隊(duì)等待形成，由于CD口進(jìn)站客流很大，只有2個(gè)安檢口不足以保證乘客通暢進(jìn)站，實(shí)地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，工作人員為了保證乘客有秩序地排隊(duì)安檢，在該區(qū)域采取了限流措施，根據(jù)密度圖顯示，在拐角處密度較大，該拐角為折角型設(shè)計(jì)，走向具有突變性，流暢性差，在客流較大時(shí)極易形成局部高密度客流而造成擁堵[14]，有些研究中把這樣的折角去掉后取得了不錯(cuò)的效果[15]。因此，提出將折角拐角改為弧形拐角的優(yōu)化方案，優(yōu)化后的模型中把拐角處的直角墻壁和護(hù)欄調(diào)整為半徑1 m的弧形。

瓶頸區(qū)域b為換乘10號(hào)線的樓扶梯處，該樓扶梯承擔(dān)了整個(gè)4號(hào)線換乘10號(hào)線的客流，無論是從4號(hào)線左側(cè)樓扶梯還是右側(cè)樓扶梯上來的換乘10號(hào)線的乘客均通過該瓶頸區(qū)域去往10號(hào)線。實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，從4號(hào)線左側(cè)樓扶梯上來的換乘客流可以通過換乘通道從靠近FG口的樓扶梯換乘10號(hào)線，但是在沒有工作人員引導(dǎo)的情況下，幾乎所有的乘客均不從該樓扶梯換乘10號(hào)線。從仿真密度圖也可以看出該樓扶梯處客流密度較小，尚未有效利用。因此，提出引導(dǎo)部分客流從靠近FG口的樓扶梯換乘10號(hào)線，以緩解該瓶頸區(qū)域的客流壓力。經(jīng)試驗(yàn)確定，引導(dǎo)4號(hào)線左側(cè)樓扶梯處上來的換乘客流的30%通過靠近FG口的樓扶梯換乘10號(hào)線。同理，瓶頸區(qū)域c也采用引導(dǎo)客流的方法進(jìn)行優(yōu)化，引導(dǎo)從10號(hào)線上側(cè)方向(靠近E口的樓扶梯)上來的部分換乘4號(hào)線客流從靠近CD口的樓扶梯處換乘4號(hào)線。經(jīng)試驗(yàn)確定，引導(dǎo)從10號(hào)線上側(cè)樓扶梯上來的換乘客流的20%通過靠近CD口的樓扶梯換乘4號(hào)線。優(yōu)化后的模型中，在4號(hào)線換乘客流的流程邏輯中加入通往靠近FG口的路線，路線概率設(shè)為0.3，在10號(hào)線換乘客流的流程邏輯中加入通往靠近CD口的路線，路線概率設(shè)為0.2，模型里通過設(shè)置參數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)客流分流，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以通過設(shè)置分流護(hù)欄和引導(dǎo)人員的方式實(shí)現(xiàn)。

瓶頸區(qū)域d，e，f，g均為從列車下來的乘客前往站廳層時(shí)在上行扶梯處形成，瓶頸區(qū)域d處客流密度時(shí)間折線圖如圖6所示，其密度隨時(shí)間呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性，由列車的間隔到達(dá)引起。當(dāng)列車到達(dá)時(shí)，乘客一擁而下，客流密度迅速增大；隨著乘客上樓，密度逐漸減小。因此提出令2個(gè)方向的列車錯(cuò)峰進(jìn)站的方式進(jìn)行優(yōu)化，避免雙向列車同時(shí)到達(dá)引起的客流激增，優(yōu)化時(shí)通過調(diào)整列車到達(dá)時(shí)間間隔參數(shù)來實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰到達(dá)。

圖6 瓶頸區(qū)域d處客流密度時(shí)間折線圖Fig.6 Time line chart of passenger density at the bottleneck area d

2.3 優(yōu)化后仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化的效果，在根據(jù)前述優(yōu)化措施調(diào)整相應(yīng)設(shè)置后，重新進(jìn)行仿真，通過密度圖和區(qū)域平均逗留時(shí)間進(jìn)行評(píng)估。優(yōu)化后站廳層(左)和站臺(tái)層(右)客流密度圖如圖7所示。優(yōu)化方案實(shí)施后，各瓶頸區(qū)域客流密度均有明顯改善。優(yōu)化前后區(qū)域平均逗留時(shí)間對(duì)比如表4所示，可以看出優(yōu)化措施有效地減少了行人在瓶頸區(qū)域的逗留時(shí)間，減少幅度最大可以達(dá)到35%，最小可以達(dá)到7.1%，客流通行更加通暢。結(jié)合優(yōu)化前后的密度圖和區(qū)域平均逗留時(shí)間對(duì)比，可以得出結(jié)論：研究所提出的優(yōu)化措施有效。

圖7 優(yōu)化后站廳層(左)和站臺(tái)層(右)客流密度圖Fig.7 Passenger density map of station hall floor (left) and platform floor (right)after optimization

表4 優(yōu)化前后區(qū)域平均逗留時(shí)間對(duì)比Tab.4 Comparison of average stay time in bottleneck areas before and after optimization

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究試圖在不改變地鐵站原有布局的前提下，通過客流的自組織效應(yīng)及客流引導(dǎo)疏解瓶頸區(qū)域。選取早高峰的角門西換乘站為研究對(duì)象，結(jié)合AnyLogic仿真實(shí)驗(yàn)獲取密度圖并識(shí)別出瓶頸區(qū)域，利用自組織效應(yīng)和客流引導(dǎo)等方法進(jìn)行瓶頸優(yōu)化，提出將瓶頸區(qū)域的直角拐角改為弧形拐角、引導(dǎo)客流壓力大的流線分?jǐn)偝霾糠挚土髑巴土鲏毫^小的流線、調(diào)整列車到達(dá)時(shí)間以確保雙向列車錯(cuò)峰到達(dá)等優(yōu)化方案，對(duì)優(yōu)化后的模型再次進(jìn)行仿真獲取密度圖、區(qū)域平均逗留時(shí)間，其結(jié)果均得到了較大改善，驗(yàn)證了所提優(yōu)化措施的可行性與有效性。相較于以往對(duì)瓶頸設(shè)施進(jìn)行改進(jìn)，研究提出的優(yōu)化方案便捷且經(jīng)濟(jì)，減少因作業(yè)施工造成的直接及間接經(jīng)濟(jì)損失。不足點(diǎn)在于只針對(duì)角門西地鐵站高峰期換乘瓶頸提出優(yōu)化，未來將選取更多地鐵站進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，不斷驗(yàn)證并完善該仿真方案的可行性，提高地鐵整體服務(wù)水平。