劉漢英

（1. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043；2. 陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院），西安 710043）

隨著高峰期客流的不斷增長(zhǎng)，許多地鐵站出現(xiàn)客流擁堵現(xiàn)象，不僅影響車(chē)站的正常秩序，也降低了運(yùn)營(yíng)的安全性和運(yùn)輸效率。地鐵車(chē)站一旦開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，很難對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。一種可行的方法是，通過(guò)客流仿真分析地鐵車(chē)站的客流流線(xiàn)交叉干擾及擁堵?tīng)顩r，提出客流優(yōu)化方案，以減輕高峰期地鐵車(chē)站的負(fù)荷。

國(guó)內(nèi)不少專(zhuān)家、學(xué)者使用Anylogic 軟件進(jìn)行車(chē)站仿真。文獻(xiàn)[1]建立車(chē)站2D、3D 模型，對(duì)北京地鐵宣武門(mén)站進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[2]借助Anylogic 仿真軟件，采用流暢性等3 個(gè)指標(biāo)對(duì)天府廣場(chǎng)站進(jìn)行仿真分析；文獻(xiàn)[3]對(duì)北京動(dòng)物園站站廳層的客流流線(xiàn)及設(shè)施布局進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[4]對(duì)北京南站地下一層客流進(jìn)行仿真分析；文獻(xiàn)[5]聚焦鐵路與城市軌道的客流換乘，對(duì)成都北站進(jìn)行研究分析，提出客流優(yōu)化方案。文獻(xiàn)[6]對(duì)城市軌道換乘客流進(jìn)行仿真研究，提出客流流線(xiàn)改進(jìn)措施；文獻(xiàn)[7] 基于多層次行人行為模型，對(duì)地鐵大客流進(jìn)行仿真研究；文獻(xiàn)[8] 采用Anylogic 仿真軟件，模擬沈陽(yáng)地鐵1、2 號(hào)線(xiàn)換乘站客流，為車(chē)站改造設(shè)計(jì)研究提供依據(jù)。

在上述研究的基礎(chǔ)之上，本文建立人?車(chē)混合仿真模型，從流暢性、時(shí)效性以及舒適性3 個(gè)方面，對(duì)蘭州地鐵西站什字站客流進(jìn)行仿真研究，針對(duì)瓶頸問(wèn)題提出優(yōu)化措施。

1 仿真軟件選擇及建模方法

1.1 仿真軟件選擇

國(guó)內(nèi)外地鐵車(chē)站仿真軟件主要有AnyLogic、Legion、STEPS、SimWalk 等。在建模方法方面，Legion 和STEPS 采用元胞自動(dòng)機(jī)模型[1]，AnyLogic和SimWalk 采用社會(huì)力學(xué)模型。這幾款仿真軟件中，只有AnyLogic 支持二次開(kāi)發(fā)，且能同時(shí)實(shí)現(xiàn)人?車(chē)混合仿真，可更好地模擬行人走行特征以及列車(chē)運(yùn)行狀況，并能動(dòng)態(tài)地映射到3D 空間；支持2D和3D界面間自由切換，便于實(shí)時(shí)掌握地鐵站內(nèi)狀況，利用統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

1.2 建模方法

AnyLogic 是一款仿真軟件，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域中連續(xù)、離散、混合系統(tǒng)的建模，可結(jié)合多種建模方法對(duì)乘客和列車(chē)進(jìn)行仿真，能夠更加準(zhǔn)確地模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

如圖1 所示，該仿真軟件將乘客的個(gè)體行為描述為3 種社會(huì)力的共同作用：

圖1 描述乘客個(gè)體行為的3 種社會(huì)力

（1）驅(qū)動(dòng)力：主觀(guān)意識(shí)對(duì)乘客個(gè)體行為產(chǎn)生的社會(huì)力；F1 為乘客的驅(qū)動(dòng)力。

（2）乘客間作用力：在站內(nèi)走行過(guò)程中，乘客之間為保持適當(dāng)距離而產(chǎn)生的社會(huì)力；F2、F3 為乘客之間的作用力。

（3）人與墻之間的作用力：在走行過(guò)程中，乘客與墻（障礙物）之間為保持距離而產(chǎn)生的社會(huì)力；F4、F5 為乘客與墻之間的作用力。

2 仿真流程及評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 仿真流程

乘客在地鐵車(chē)站內(nèi)走行的路線(xiàn)構(gòu)成客流流線(xiàn)，主要包括進(jìn)站流線(xiàn)和出站流線(xiàn)[3]。地鐵站內(nèi)往往會(huì)出現(xiàn)進(jìn)、出站流線(xiàn)交叉，尤其是高峰期的流線(xiàn)交叉會(huì)造成站內(nèi)一定程度的擁堵現(xiàn)象。

圖2 為進(jìn)站流線(xiàn)示意圖。

圖2 進(jìn)站流線(xiàn)

相比進(jìn)站流線(xiàn)，出站乘客個(gè)體行為較為單一，出站流線(xiàn)也相對(duì)簡(jiǎn)單，如圖3 所示。

圖3 出站流線(xiàn)

地鐵車(chē)站內(nèi)乘客的走行行為，可視為若干個(gè)獨(dú)立走行節(jié)點(diǎn)的接續(xù)。一旦當(dāng)前面節(jié)點(diǎn)的通行能力大于后面節(jié)點(diǎn)的通行能力時(shí)，車(chē)站內(nèi)會(huì)產(chǎn)生排隊(duì)或擁堵現(xiàn)象，稱(chēng)為瓶頸識(shí)別方法[1]。如圖4 所示，1、2、3 分別為地鐵站內(nèi)箭頭指示方向上的3 個(gè)不同節(jié)點(diǎn)，其通過(guò)能力分別為c1、c2、c3；當(dāng)c1≤c2≤c3 時(shí)，站內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象；若c1>c2 或c2>c3，隨著后面節(jié)點(diǎn)乘客數(shù)量的不斷增加，站內(nèi)會(huì)產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象。

圖4 瓶頸識(shí)別方法示意

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

主要從流暢性、時(shí)效性以及舒適性3 個(gè)方面評(píng)價(jià)客流組織方案的優(yōu)劣性，對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)分別為乘客平均排隊(duì)人數(shù)、平均逗留時(shí)間以及區(qū)域密度[2]。

平均排隊(duì)人數(shù)L指地鐵站內(nèi)某一單位時(shí)間內(nèi)流線(xiàn)上平均排隊(duì)人數(shù)，表達(dá)為：

其中，Li為第i個(gè)設(shè)備的排隊(duì)人數(shù)；n為設(shè)備數(shù)量；L值越小，代表此流線(xiàn)上流暢性越好。

平均逗留時(shí)間T指某條流線(xiàn)上若干個(gè)乘客在指定范圍內(nèi)逗留時(shí)間的平均值，表達(dá)為：

其中，tj為第j個(gè)乘客在指定范圍內(nèi)的逗留時(shí)間，m為乘客數(shù)量；T越小，代表此流線(xiàn)上時(shí)效性越好。

區(qū)域密度D指單位面積內(nèi)的乘客數(shù)量，表達(dá)為：

其中，s為區(qū)域面積，m為乘客數(shù)量；D越小，代表該區(qū)域內(nèi)行人舒適性越好。

3 實(shí)例分析

3.1 車(chē)站基本概況

以蘭州地鐵一號(hào)線(xiàn)西站什字站為例進(jìn)行仿真研究。西站什字站位于蘭州市七里河區(qū)西津路與敦煌路的交匯處，車(chē)站周邊商業(yè)發(fā)達(dá)，鄰近BRT 終點(diǎn)站，客流量較大，尤其是節(jié)假日和周末。車(chē)站為東西走向，現(xiàn)開(kāi)設(shè)A、B、C 共3 個(gè)出入口。

圖5 為西站什字站廳的仿真3D 效果圖。非付費(fèi)區(qū)內(nèi)設(shè)置有自動(dòng)售票機(jī)、安檢等基本設(shè)施，付費(fèi)區(qū)內(nèi)共設(shè)置1 部下行和2 部上行自動(dòng)扶梯、1 部無(wú)障礙電梯、2 部樓梯；車(chē)站為島式站臺(tái)，站臺(tái)寬12.5 m，有效長(zhǎng)度為140 m。

圖5 西站什字站廳的3D 效果

3.2 仿真建模流程

地鐵車(chē)站建模流程主要包括乘客的進(jìn)出站流程和列車(chē)的進(jìn)出站流程；乘客的進(jìn)站建模流程主要指從到達(dá)進(jìn)站口開(kāi)始，經(jīng)過(guò)站廳購(gòu)票、安檢、閘機(jī)，再通過(guò)扶梯或樓梯到達(dá)站臺(tái)候車(chē)乘車(chē)。

西站什字站建模進(jìn)站流程如圖6 所示，包括A、B、C 3 個(gè)出入口。

乘客出站建模流程主要包括下車(chē)到達(dá)站臺(tái)、通過(guò)樓梯/扶梯到達(dá)站廳、出閘機(jī)到達(dá)站廳非付費(fèi)區(qū)、出站。

列車(chē)建模流程如圖7 所示，主要包括列車(chē)生成（trainSource）、列車(chē)到達(dá)停車(chē)（delay）和列車(chē)退出（trainDispose）等，schedule 為列車(chē)時(shí)刻表。

圖6 西站什字站建模進(jìn)站流程

圖7 西站什字站列車(chē)建模流程

3.3 仿真結(jié)果分析

對(duì)西站什字站的站內(nèi)流暢性（指標(biāo)為乘客平均排隊(duì)人數(shù)）、時(shí)效性（指標(biāo)為平均逗留時(shí)間）及舒適性（指標(biāo)為區(qū)域密度）進(jìn)行仿真分析和評(píng)價(jià)。

圖8 為仿真運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括計(jì)數(shù)、最大值、最小值、均值等。

圖8 西站什字站仿真實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

3.3.1 流暢性分析

對(duì)西站什字站2019年8月30 日早高峰7：30—8：30 期間1 個(gè)小時(shí)的客流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，包括售票機(jī)、安檢以及進(jìn)站閘機(jī)的排隊(duì)情況；從圖9 中可知：東端售票機(jī)和進(jìn)站閘機(jī)排隊(duì)人數(shù)明顯大于西端售票機(jī)和進(jìn)站閘機(jī)，東、西2 端安檢排隊(duì)人數(shù)大概一致。

具體設(shè)備的排隊(duì)人數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，東、西2 端售票機(jī)（TVM1 和TVM 2）的平均排隊(duì)人數(shù)為14～24 人，售票機(jī)平均排隊(duì)人數(shù)為3～5 人，對(duì)比最大排隊(duì)人數(shù)，東端售票機(jī)的排隊(duì)流暢性差于西端售票機(jī)。兩處安檢（SC1、SC2）排隊(duì)人數(shù)均較多，高峰時(shí)段內(nèi)平均排隊(duì)人數(shù)高達(dá)27～29 人，為車(chē)站內(nèi)負(fù)荷最重的設(shè)備，流暢性較差。2 個(gè)進(jìn)站閘機(jī)（Gate1、Gate2）的平均排隊(duì)人數(shù)為2 人，流暢性較好。

圖9 設(shè)備排隊(duì)人數(shù)

采用瓶頸識(shí)別方法分析站廳內(nèi)的整體流暢性；東、西2 端設(shè)備均未滿(mǎn)足c(AFC1)≤c(SC1)≤c(Gate1)以及c(AFC2)≤c(SC2)≤c(Gate2)，即站廳內(nèi)部分設(shè)備出現(xiàn)較為嚴(yán)重的排隊(duì)現(xiàn)象，尤其是在安檢設(shè)備處人數(shù)較多，影響了站廳內(nèi)整體流暢性。

表1 設(shè)備排隊(duì)人數(shù)指標(biāo)

3.3.2 時(shí)效性分析

在早高峰7：30—8：30 期間，隨機(jī)選取100 人作為樣本對(duì)站內(nèi)時(shí)效性進(jìn)行研究。以進(jìn)站為例，主要從乘客在站廳和站臺(tái)的2 個(gè)逗留時(shí)間進(jìn)行分析。

如圖10 所示，站廳平均停留時(shí)間為T(mén)=1.9 min，乘客停留時(shí)間相差較大，其主要原因是乘客是否需要購(gòu)票。據(jù)統(tǒng)計(jì)，蘭州地鐵1 號(hào)線(xiàn)的票種主要有一卡通、紀(jì)念票、單程票等；其中，單程票的占比將近為所有票種的1/2，導(dǎo)致乘客在站廳的停留時(shí)間相差較大，在1 min～3.1 min 之間波動(dòng)。

乘客在站臺(tái)平均停留時(shí)間（不含等車(chē)時(shí)間）為T(mén)=15.7 s，波動(dòng)范圍為12.6 s～19.8 s，鑒于乘客在站臺(tái)的個(gè)體行為較為單一，站臺(tái)停留時(shí)間波動(dòng)幅度較小。

圖10 進(jìn)站乘客站內(nèi)停留時(shí)間

綜合乘客在站廳和站臺(tái)的逗留時(shí)間，分析得出蘭州西站什字站的時(shí)效性較好。

3.3.3 舒適性分析

地鐵站內(nèi)舒適性主要指站內(nèi)的區(qū)域密度D，可通過(guò)站廳和站臺(tái)客流密度圖來(lái)揭示。

圖11 為西站什字站廳的客流密度圖，可以看出：廳內(nèi)東西端售票機(jī)、安檢以及樓梯處客流密度較大，出現(xiàn)不同程度的排隊(duì)及擁堵現(xiàn)象，站廳其余地方客流密度較低，舒適性安全性較好；同時(shí)，站廳內(nèi)只有樓梯口出現(xiàn)較為嚴(yán)重的進(jìn)出站流線(xiàn)交叉，其余地方交叉干擾較小，未出現(xiàn)大面積擁堵現(xiàn)象。

圖11 西站什字站廳客流密度

圖12 為西站什字站臺(tái)的客流密度圖，可以看出：列車(chē)車(chē)廂門(mén)口以及東、西2 端扶梯處客流密度較大，服務(wù)等級(jí)較低，出現(xiàn)局部擁堵現(xiàn)象，其余地方客流密度較小，站臺(tái)總體舒適性和安全性較好，客流對(duì)站臺(tái)的沖擊性也較小。由于站臺(tái)面積有限，進(jìn)出站客流在站臺(tái)的交叉范圍較廣，但并未造成大面積擁堵現(xiàn)象。

整體而言，西站什字站的時(shí)效性和舒適性較好，流暢性相對(duì)較差，這主要有2 個(gè)原因：（1）蘭州地鐵1 號(hào)線(xiàn)目前尚未開(kāi)通二維碼刷碼進(jìn)出站，站內(nèi)購(gòu)票乘客占比較大，導(dǎo)致自助售票機(jī)在高峰時(shí)段出現(xiàn)較為嚴(yán)重的排隊(duì)擁堵現(xiàn)象，影響站廳流暢性；（2）地鐵開(kāi)通初期，安檢相對(duì)較嚴(yán)，加之工作人員較少，導(dǎo)致東、西2 端安檢處在高峰期出現(xiàn)排隊(duì)較長(zhǎng)的現(xiàn)象。

3.4 優(yōu)化建議

針對(duì)以上仿真分析結(jié)果，從設(shè)備配置和管理措施2 個(gè)方面提出優(yōu)化建議。

（1）爭(zhēng)取盡早開(kāi)通二維碼掃碼進(jìn)出站功能，降低站內(nèi)買(mǎi)票的乘客比例，減少排隊(duì)人數(shù)，提高站廳流暢性。

圖12 西站什字站臺(tái)客流密度示意

（2）在未實(shí)現(xiàn)掃碼進(jìn)站之前，建議適當(dāng)增加自動(dòng)售票機(jī)數(shù)量，減少乘客排隊(duì)時(shí)間，緩解排隊(duì)壓力。

（3）建議為未攜帶行李的乘客開(kāi)通快速通道，減輕安檢壓力，提高安檢效率。

（4）在進(jìn)、出站流線(xiàn)交叉較為嚴(yán)重的地方，加強(qiáng)站內(nèi)工作人員疏導(dǎo)，避免高峰期由于流線(xiàn)交叉造成的擁堵現(xiàn)象。

4 結(jié)束語(yǔ)

以蘭州地鐵西站什字站為例，對(duì)早高峰期間的站廳和站臺(tái)進(jìn)行仿真研究，從流暢性、時(shí)效性及舒適性3 個(gè)方面分析車(chē)站客流。仿真結(jié)果表明：車(chē)站整體的時(shí)效性、舒適性較好，流暢性相對(duì)較差，未出現(xiàn)大面積擁堵現(xiàn)象，擁堵較嚴(yán)重的地方為東、西兩端的自助售票機(jī)及安檢。

為此，提出4 項(xiàng)優(yōu)化車(chē)站客流的具體措施，進(jìn)一步提高車(chē)站的流暢性、時(shí)效性及舒適性，提升服務(wù)質(zhì)量和旅客乘車(chē)體驗(yàn)，為后期接納更大客流準(zhǔn)備良好條件。