孫軍艷， 張媛媛，陳嬋娟，牛亞儒

（陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

地鐵換乘站是城市軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分，它決定了線網(wǎng)中的每個(gè)運(yùn)輸線路之間的連接關(guān)系，是換乘人流流量分配的樞紐。近年來(lái)，大量的國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用行人動(dòng)力學(xué)對(duì)地鐵換乘站進(jìn)行研究，其中，大多數(shù)學(xué)者采用的是社會(huì)力模型的分析方法[1-5]，該方法目前被廣泛認(rèn)可。

本文通過相關(guān)參數(shù)對(duì)不同行人個(gè)體進(jìn)行了區(qū)分和細(xì)化，建立了基于三維場(chǎng)景可視化的地鐵換乘站行人動(dòng)力學(xué)模型，可直觀清晰地反映地鐵換乘站的運(yùn)營(yíng)狀況。從宏觀與微觀，局部與整體全方位設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)并對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出切實(shí)可行的優(yōu)化措施來(lái)提高地鐵集散與疏散能力，以期對(duì)現(xiàn)實(shí)城市軌道交通的優(yōu)化提供借鑒。

1 建模思路和評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)

1.1 建模思路

將地鐵換乘站系統(tǒng)的實(shí)體分為兩類：固定實(shí)體和行人。其中，固定實(shí)體表現(xiàn)為行人活動(dòng)區(qū)域和站臺(tái)內(nèi)各種設(shè)施。設(shè)置行人的屬性、狀態(tài)與行為，并根據(jù)固定實(shí)體和行人的關(guān)系，建立行人在固定實(shí)體形成的三維場(chǎng)景中的狀態(tài)和行為變化的聯(lián)系，以此構(gòu)建仿真模型。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)

為了反映地鐵換乘站的集散能力以及設(shè)施設(shè)備利用情況，行人通行效率及地鐵高流通量時(shí)存在的瓶頸。除了考慮以往學(xué)者提出的行人密度分布，行人流通量指標(biāo)外[6]，還設(shè)計(jì)了行人等待時(shí)間、總流程時(shí)間和區(qū)域滯留人數(shù)3個(gè)指標(biāo)，以期全方位評(píng)價(jià)模型，提出更有效的優(yōu)化方案和改進(jìn)建議。

1.2.1 行人等待時(shí)間

兩時(shí)間點(diǎn)差值為行人等待時(shí)間。

1.2.2 行人總流程時(shí)間

兩時(shí)間點(diǎn)差值為行人總流程時(shí)間。

1.2.3 樓梯口行人流通量

樓梯口極容易出現(xiàn)擁堵，列車到達(dá)，上下樓梯的人數(shù)會(huì)短時(shí)間急劇增多。樓梯口行人流通量（PFS，person flow statistics）反映地鐵轉(zhuǎn)中站的局部疏散能力，如式（3）：

其中，Ni—第i個(gè)單位時(shí)間T內(nèi)的行人數(shù)量。

1.2.4 換乘區(qū)域滯留行人量

換乘區(qū)域是地鐵的關(guān)鍵服務(wù)區(qū)，此處出現(xiàn)行人滯留的原因是部分行人對(duì)換乘方向有一定的反映時(shí)間，且空間有限，當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上方向的列車同時(shí)到達(dá)時(shí)，此處聚集了大量的行人，擁堵使滯留行人增多。換乘區(qū)域滯留行人量（PAD，person area descriptor）也反映地鐵轉(zhuǎn)中站的局部疏散能力，如式（4）：

其中，Nj—第j個(gè)單位時(shí)間T內(nèi)區(qū)域滯留行人量。

1.2.5 行人密度分布

2 仿真模型建立

2.1 模型建立與瓶頸識(shí)別

以某市中心地鐵換乘站為研究對(duì)象，通過錄像提取數(shù)據(jù)得到各個(gè)通道口以及樓梯口等行人流通量，設(shè)置模型的初始參數(shù)。選擇Anylogic仿真平臺(tái)，使用平臺(tái)中的行人庫(kù)、智能體庫(kù)、數(shù)據(jù)分析庫(kù)、演示庫(kù)以及三維物體庫(kù)等，進(jìn)行模型的建立。

行人在地鐵中的服務(wù)包括：從通道口進(jìn)入地鐵到乘坐地鐵離開；從地鐵列車前往通道口離開；在地鐵換乘站進(jìn)行換乘；以地下通道的形式經(jīng)過地鐵部分服務(wù)區(qū)。圖1表示構(gòu)建的三維場(chǎng)景，以及出現(xiàn)瓶頸的節(jié)點(diǎn)。

圖1 仿真環(huán)境三維圖

2.2 采集數(shù)據(jù)分析

選取上下班高峰期，通過多次實(shí)地錄像提取數(shù)據(jù)以及實(shí)際記錄得到各指標(biāo)的實(shí)際基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，針對(duì)記錄了其隨著時(shí)間段的分布，通過分析處理得到其各時(shí)間點(diǎn)的均值。針對(duì)對(duì)大量行人的使用時(shí)間進(jìn)行分析處理，得到其均值、最大值、最小值以及偏差。

3 極限流通量分析

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該地鐵換乘站目前日常流通量為149.48萬(wàn)人次，最高紀(jì)錄日流通量為205.10萬(wàn)人次，較日常增加了37.21%，模型仿真日常工作日地鐵的運(yùn)行情況，在此基礎(chǔ)上，將日常流通量增加20%，40%，60%和100%，仿真分析行人流通量遞增情況下對(duì)換乘站的影響。

3.1 WTD分析

表1說(shuō)明當(dāng)行人流通量增加60%時(shí)，相比于流通量增加40%，購(gòu)票等待時(shí)間均值增加了36.15%。且最大值、最小值都出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，可知擁堵使排隊(duì)人數(shù)增加。流通量增加100%時(shí)，等待時(shí)間均值增長(zhǎng)了186.95%，最小值增長(zhǎng)了103.09%。問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，僅有9%的行人能夠接受購(gòu)票等待時(shí)間超過日常上下班高峰期的3倍左右?？梢娏魍吭黾?00%時(shí)，地鐵換乘站的服務(wù)水平降低。

表1 WTD隨流通量的變化 單位：s

從圖2可知，流通量增加100%時(shí)，其樓梯口流通量相比于60%的流通量，有明顯增加，從仿真三維可視化場(chǎng)景中，明顯看到樓梯口長(zhǎng)時(shí)間處于高密度人群，出現(xiàn)非常嚴(yán)重?fù)矶卢F(xiàn)象，可預(yù)計(jì)在流通量持續(xù)增長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，樓梯口截面流通量已經(jīng)達(dá)到極限，將不會(huì)有大的變化。

圖2 PFS 隨流通量的變化

圖3行人密度圖直觀地反映了大量人群在地鐵中的分布形態(tài)，增加40%時(shí)，通道口已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的擁堵現(xiàn)象，負(fù)一層換乘區(qū)域以及各樓梯口也出現(xiàn)明顯的擁堵現(xiàn)象。流通量增加100%時(shí)，地鐵近乎崩潰，出現(xiàn)大面積的擁堵區(qū)域，相比于流通量增加40%，擁堵區(qū)域增加了3倍左右，擁堵現(xiàn)象極為嚴(yán)重。

圖3 PDM 隨流通量的變化

4 優(yōu)化并評(píng)估分析

4.1 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

換乘站為應(yīng)對(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的更大行人流通量，以提高該地鐵換乘站的集散能力，擴(kuò)大客流活動(dòng)的范圍，減少行人間的橫向干擾為目的進(jìn)行優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)。

4.1.1 負(fù)1層換乘區(qū)域路徑優(yōu)化方案

如圖1中所顯示的負(fù)1層路徑引導(dǎo)區(qū)域是擁堵最嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)，此處是通過改變引導(dǎo)路徑，使擁堵現(xiàn)象得到改善，優(yōu)化路徑方案以及行走指示圖，如圖4所示。

根據(jù)“最短路徑”原則[7]進(jìn)行優(yōu)化，如圖4b中①、②處所示，①處用于正常及緊急情況下的出口，使行人更為方便靈活的選擇通道口和乘車。②用于緊急情況時(shí)的出口，優(yōu)化前的行人必須跟隨引導(dǎo)路徑走，導(dǎo)致疏散時(shí)間變長(zhǎng)，極容易在路徑中由于擁堵造成踩踏事故。多次仿真試驗(yàn)得到“曲線端口”相比于“垂直端口”能夠有效減少行人的擁堵現(xiàn)象，本文優(yōu)化前后的引導(dǎo)路徑如下。

圖4 負(fù)1層換乘區(qū)域優(yōu)化前后路徑引導(dǎo)對(duì)比

4.1.2 負(fù)2層樓梯口路徑優(yōu)化方案

如圖1中所顯示的負(fù)2層樓梯口，該節(jié)點(diǎn)既有1號(hào)線換乘2號(hào)線的，也有2號(hào)線換乘一號(hào)線和離開地鐵的行人。此處優(yōu)化方案依然是將引導(dǎo)路線改變，由原來(lái)的L型改為S型，樓梯口由欄柵隔擋的面積變大，使擁擠現(xiàn)象得到緩解。優(yōu)化前后對(duì)比，如圖5所示。

4.1.3 負(fù)3層擁堵現(xiàn)象的優(yōu)化方案

圖 5 負(fù)2層樓梯口優(yōu)化前后路徑引導(dǎo)對(duì)比

地鐵流通量與地鐵樓梯口寬度密切相關(guān)，樓梯通道寬度每增加2 m，最大適應(yīng)客流約可增加4 000人次/h[8]?？梢姌翘輰挾葘?duì)流通量影響之大，該地鐵樓梯寬度為4.8 m，根據(jù)其實(shí)際設(shè)施限制，以及極限流通量，對(duì)負(fù)3層樓梯的寬度增加25%。以期通過樓梯寬度改變來(lái)緩解負(fù)3層上行行人擁堵壓力。

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

圖6表明，優(yōu)化后行人等待時(shí)間出現(xiàn)了增長(zhǎng)現(xiàn)象，均值增加3.03%，原因是等待時(shí)間統(tǒng)計(jì)的是付費(fèi)區(qū)外行人在購(gòu)票處與刷卡進(jìn)站處的滯留時(shí)間，而改善節(jié)點(diǎn)在付費(fèi)區(qū)內(nèi)，優(yōu)化使付費(fèi)區(qū)的集散能力提高，離開該換乘站的行人疏散時(shí)使非付費(fèi)區(qū)增多，對(duì)于購(gòu)票行人有一定的路線干擾。

圖7表明，優(yōu)化后行人總流程時(shí)間均值減少了21.53%，最小值減少了28.17%，地鐵換乘站的擁堵現(xiàn)象有所改善，服務(wù)質(zhì)量得以提升。

圖6 WTD 的優(yōu)化前后對(duì)比

圖7 TSD 的優(yōu)化前后對(duì)比

圖8表明，優(yōu)化后樓梯口通過人數(shù)增加了17.82%到22.60%，說(shuō)明優(yōu)化對(duì)樓梯口行人流通量增加。圖9表明，優(yōu)化后區(qū)域滯留人數(shù)明顯減少，減少幅度最大16.76%。

圖8 PFS 的優(yōu)化前后對(duì)比

綜上，通過分析等待時(shí)間，可知優(yōu)化后非付費(fèi)區(qū)的服務(wù)水平稍下降，而付費(fèi)區(qū)的服務(wù)水平明顯地提高。但優(yōu)化從整體上使擁堵現(xiàn)象得到改善，地鐵的集散能力提高。

圖9 PAD 的優(yōu)化前后對(duì)比

5 人群緊急疏散評(píng)估分析

5.1 疏散方案設(shè)計(jì)

緊急疏散模型是指在發(fā)生緊急情況時(shí)，啟動(dòng)“緊急事件”按鈕，所有的購(gòu)票點(diǎn)停止服務(wù)，通道口進(jìn)入量為零，行人取消乘車計(jì)劃，閘機(jī)變?yōu)闊o(wú)障礙通道，扶梯停止運(yùn)行，行人選擇就近的通道口離開，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)緊急疏散。根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范，一般站臺(tái)的緊急疏散時(shí)間不大于6 min[9-10]。下面運(yùn)行優(yōu)化前后路徑下的疏散模型，記錄完成疏散所用時(shí)間，并與標(biāo)準(zhǔn)疏散時(shí)間對(duì)比。

以上述優(yōu)化前后的仿真模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)緊急疏散方案，在此基礎(chǔ)上加入控制按鈕和控制函數(shù)，改變各智能體之間的連接關(guān)系與順序，具體不再詳述。在本文中，對(duì)負(fù)1層的疏散進(jìn)行了路線設(shè)計(jì)。緊急疏散方案如圖4、圖5所示，用實(shí)線表示，明顯看出優(yōu)化的引導(dǎo)路徑使行人緊急疏散時(shí)更為靈活。

5.2 疏散方案對(duì)比與結(jié)果分析

如圖10所示，優(yōu)化前，基于該換乘站現(xiàn)狀模得到疏散時(shí)間為7.68 min，高于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間28%，而優(yōu)化得到的疏散時(shí)間為5.89 min，符合地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范要求。證明優(yōu)化路徑對(duì)緊急情況下的疏散有幫助。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文基于社會(huì)力模型，建立了可視化的三維地鐵換乘站的行人仿真模型，設(shè)計(jì)了反映系統(tǒng)服務(wù)水平的微觀區(qū)域和宏觀整體的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)模型進(jìn)行了仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析檢驗(yàn)，驗(yàn)證了該換乘站最大流通量，運(yùn)用改善引導(dǎo)路徑以及改善設(shè)施的手段對(duì)該換乘站進(jìn)行了優(yōu)化，并設(shè)計(jì)了疏散優(yōu)化方案。結(jié)果表明：

圖10 人群疏散時(shí)間優(yōu)化路徑前后對(duì)比

（1）該建模思路和方法和所設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)能較好地反映地鐵換乘站的運(yùn)作過程和集散能力。

（3）通過分析指標(biāo)，可知優(yōu)化后非付費(fèi)區(qū)的服務(wù)水平下降。以及均表明付費(fèi)區(qū)的服務(wù)水平明顯地提高了。優(yōu)化從整體上使擁堵現(xiàn)象得到改善，地鐵的集散能力提高。

（4）通過“最短路徑”原則，對(duì)引導(dǎo)路徑進(jìn)行了優(yōu)化，使其更加靈活，基于此，設(shè)計(jì)緊急疏散方案。疏散時(shí)間較優(yōu)化前減少1.79 min，低于地鐵標(biāo)準(zhǔn)疏散時(shí)間1.8%，有效地改善了在緊急情況下的地鐵站行人疏散問題。

本文的研究方法及思路為軌道交通車站的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。