鐵路客運(yùn)站客流組織的仿真與優(yōu)化

曹 潔，劉黎明，趙 宏

CAO Jie1，LIU Liming2，ZHAO Hong1

1蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，蘭州 730050

2蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州 730050

1.School of Computer and Communication, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050,China

2.College of Electrical and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China

1 引言

鐵路客運(yùn)具有運(yùn)量大、安全、準(zhǔn)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，隨著交通需求的擴(kuò)大，鐵路客運(yùn)站作為客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)重要的節(jié)點(diǎn)，其客流的集散與換乘直接影響到客運(yùn)站的運(yùn)營(yíng)效率和服務(wù)質(zhì)量，因而制定科學(xué)合理的客流組織方案對(duì)客運(yùn)站建設(shè)及運(yùn)營(yíng)管理具有至關(guān)重要的作用。

國(guó)內(nèi)外規(guī)范雖然對(duì)客流組織做了一些原則規(guī)定[1,2]，但對(duì)客運(yùn)組織的運(yùn)營(yíng)方案如何分析和評(píng)價(jià)未給出詳細(xì)說(shuō)明。文獻(xiàn)[3]對(duì)客流組織仿真方法進(jìn)行了探討，并運(yùn)用AnyLogic仿真軟件對(duì)北京西直門地鐵站客流進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真評(píng)價(jià)分析，但其評(píng)價(jià)體系及方法需進(jìn)一步完善。文獻(xiàn)[4]通過實(shí)地調(diào)查行人流的特性，利用AnyLogic建立了客流組織的仿真模型，并通過案例驗(yàn)證了模型的可行性，但較少涉及客運(yùn)組織評(píng)價(jià)體系及方法的實(shí)現(xiàn)?？土鹘煌ㄌ匦允强土鹘M織動(dòng)態(tài)仿真的基礎(chǔ)，目前多集中于行人流的步幅、步頻和步速的研究[5,6]，對(duì)站內(nèi)路徑選擇行為的研究較少。根據(jù)旅客流線分析，同一出行OD(Origin-Destination)具有多條可選路徑，即有路徑選擇行為發(fā)生，站內(nèi)行人路徑選擇行為通常局限于樓梯與自動(dòng)扶梯設(shè)施的選擇上，其對(duì)樓梯與自動(dòng)扶梯選擇的不同導(dǎo)致路徑選擇的不同[7,8]。本文基于客運(yùn)站內(nèi)行人設(shè)施選擇影響機(jī)理的分析，建立行人對(duì)樓梯與自動(dòng)扶梯的選擇行為模型，并針對(duì)大中型客運(yùn)站客流組織存在的問題，以蘭州市火車站站內(nèi)客流組織為例，用AnyLogic仿真軟件建立客流的微觀仿真模型，對(duì)站內(nèi)客流的平均排隊(duì)長(zhǎng)度、平均逗留時(shí)間及平均占有空間等多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，提出客流組織的優(yōu)化方案。

2 客運(yùn)站客流組織存在的問題

由于客運(yùn)站站內(nèi)空間相對(duì)狹小且封閉，特別是高峰時(shí)期，客流量大、人群密度高，大多數(shù)客運(yùn)站特別是大中型車站，行人交通組織混亂，人流沖突多，安全隱患嚴(yán)重。目前客運(yùn)站客運(yùn)組織存在的問題如下：

(1)站內(nèi)客流導(dǎo)向不明確，導(dǎo)致站內(nèi)大廳、樓梯(或自動(dòng)扶梯)等處客流流線交叉，人流沖突點(diǎn)多；

(2)由于空間布局的不合理，客流流線節(jié)點(diǎn)過多，導(dǎo)致乘客在站內(nèi)停留等待時(shí)間增加，易形成人群擁擠；

(3)站內(nèi)客流導(dǎo)向設(shè)施如入口安檢處(機(jī))、自動(dòng)扶梯等設(shè)施設(shè)置不合理，造成通行能力不足，易造成擁擠混亂；

(4)緊急情況下客流疏散能力不足。

3 樓梯與自動(dòng)扶梯選擇行為模型

3.1 行人對(duì)樓梯與自動(dòng)扶梯的選擇影響機(jī)理分析

從站內(nèi)設(shè)施布局和行人特性的角度分析，行人對(duì)樓梯與自動(dòng)扶梯選擇的影響因素包括內(nèi)部因素和外部因素。

⑴外部因素

①樓梯（或自動(dòng)扶梯）的高度

通常客運(yùn)站內(nèi)的樓梯和自動(dòng)扶梯的高度是相等的。樓梯的高度越高，選擇自動(dòng)扶梯的人數(shù)就越多。

②排隊(duì)長(zhǎng)度

隨著自動(dòng)扶梯處排隊(duì)人數(shù)的增加，行人選擇樓梯的人數(shù)將有所增加。在排隊(duì)人數(shù)較少時(shí)，行人幾乎都會(huì)選擇自動(dòng)扶梯。

③行人攜帶行李量

攜帶行李較多的行人更傾向于選擇自動(dòng)扶梯。鐵路旅客攜帶行李基本上以拉桿箱、雙肩背包和旅行包為主，根據(jù)旅客攜帶行李的多少，將其攜帶的行李分為三類：1）攜帶行李較少：指乘客僅攜帶一個(gè)雙肩包或電腦包等，一般以短途旅客為主；2）攜帶行李一般多：指乘客攜帶一個(gè)拉桿箱、一個(gè)背包或手提塑料袋等，一般以出差旅客為主；3）攜帶行李較多：指乘客攜帶一個(gè)大拉桿箱或兩個(gè)及以上的普通旅行包或更多行李，一般以農(nóng)民工和學(xué)生為主。

⑵內(nèi)部因素

①緊急程度

行人在緊急狀態(tài)或者行程安排較迫切的情況下，傾向于選擇花費(fèi)時(shí)間少、行人較少的樓梯。根據(jù)行人的緊急程度劃分為一般、緊急兩種狀態(tài)。

②年齡

老年人更傾向于選擇自動(dòng)扶梯，青年人和中年人在行程較緊急時(shí)更容易選擇樓梯進(jìn)出站。將行人的年齡劃分為青年人、中年人和老年人三類。

3.2 模型構(gòu)建及參數(shù)標(biāo)定

考慮到行人選擇樓梯與自動(dòng)扶梯的影響因素，采用二值Logistic回歸分析方法建立行人選擇行為模型，其效用函數(shù)如公式(1)所示：

其中，Q表示自動(dòng)扶梯入口處的行人排隊(duì)長(zhǎng)度；H表示樓梯的高度；W表示行人攜帶行李量；E表示行人的緊急程度；A表示行人的年齡； α、β、γ、δ、λ、θ為待定參數(shù)；

利用SPSS軟件中的回歸分析模塊中的二值Logistic功能對(duì)上述的效用函數(shù)進(jìn)行分析，選擇前向逐步法(Forward:LR)對(duì)選擇模型中的影響因素進(jìn)行篩選，即影響因素進(jìn)入方程的依據(jù)是統(tǒng)計(jì)量的似然比對(duì)應(yīng)的p值是否小于給定的顯著性水平[9]，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，其結(jié)果如表1所示。

表1 Logistic回歸方程變量值

由表1分析可知行人對(duì)樓梯與自動(dòng)扶梯的選擇行為主要受到排隊(duì)長(zhǎng)度和行人緊急程度的影響，其顯著性水平分別為0.039和0.018，小于規(guī)定的閾值0.05，其選擇行為的Logistic回歸模型為(自動(dòng)扶梯設(shè)置為1)為：

其中，回歸系數(shù)α的值為-0.712；δ的值為-1.861；θ的值為6.213.

則行人選擇樓梯的概率為：

4 客運(yùn)組織動(dòng)態(tài)仿真評(píng)價(jià)分析

4.1 社會(huì)力模型

在對(duì)客運(yùn)站行人交通特性及行為研究的基礎(chǔ)上，采用基于社會(huì)力模型的AnyLogic仿真軟件，建立客流的微觀仿真模型，并通過仿真方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)客流組織進(jìn)行直觀、定量的分析和評(píng)價(jià)。

社會(huì)力模型是Helbing等人[10,11]在對(duì)行人行為特征研究的基礎(chǔ)上，借鑒bolzman運(yùn)動(dòng)方程的形式建立起來(lái)的。社會(huì)力模型認(rèn)為行人的運(yùn)動(dòng)形態(tài)符合牛頓第二定律，行人行為是在各種內(nèi)在作用力及周圍環(huán)境相互影響下作出的反應(yīng)。模型認(rèn)為行人共受到三種作用力的影響：⑴行人i的自驅(qū)動(dòng)力，主觀意識(shí)對(duì)個(gè)體行為的影響可化為個(gè)體所受自己施加的“社會(huì)力”，體現(xiàn)了行人以渴望的速度移動(dòng)到目的地的動(dòng)機(jī)；⑵行人i和j之間的作用力，試圖與其他行人保持一定距離的所施加的“力”；⑶行人i與障礙物w之間的作用力，邊界和障礙對(duì)人的影響類似于人與人之間的作用。模型用如下方程組表示：

其中,mi為行人i的質(zhì)量；vi為行人的速度；表示行人i在t時(shí)刻的期望速度標(biāo)和

單位期望方向矢量的乘積； vi(t)為行人i在t時(shí)刻的實(shí)際速度矢量；τi表示行人i將實(shí)際速度調(diào)整到期望速度的松弛時(shí)間，與加速度有關(guān)；fi為行人i的自驅(qū)動(dòng)力；fij為行人i和j之間的作用力；fiw為行人i和障礙物w的相互作用力；描述行人i和行人j在未接觸情況下，行人i的社會(huì)力參數(shù)；Bi描述行人i和行人j在未接觸情況下，行人i的社會(huì)力參數(shù)；k描述行人i和行人j擠壓重疊時(shí)，行人i受到的斥力大小參數(shù)；u描述行人i和行人j擠壓重疊時(shí)，行人i受到的摩擦力大小參數(shù)；g(?)為Bool函數(shù)，當(dāng)行人i和行人j擠壓重疊時(shí)取值1，其他情況取值0；為行人i和行人j的半徑之和；dij為行人i和行人j的圓心距；表示有行人j指向行人i的單位方向矢量；為行人i和行人j在t時(shí)刻二者之間的速度差；

4.2 仿真建模流程

AnyLogic行人流微觀仿真建模主要由行人庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其核心算法為社會(huì)力模型。應(yīng)用AnyLogic建立客運(yùn)站客流組織仿真建模的流程圖如圖1所示。

圖1 客流組織仿真建模流程圖

AnyLogic行人仿真建模主要包括兩大部分：環(huán)境（environment）和行為（behavior）。環(huán)境不僅包括車站空間布局，還把服務(wù)設(shè)施(如售票窗口、安檢、檢票口等)和步行設(shè)施(如自動(dòng)扶梯、樓梯、水平通道等)以及這些設(shè)施前的隊(duì)列都看作是環(huán)境的一部分。利用演示庫(kù)中的直線、折線、矩形等繪圖工具可以繪制模型的活動(dòng)區(qū)域范圍即墻壁、服務(wù)窗口(售票口、進(jìn)站閘機(jī))、樓梯與自動(dòng)扶梯以及這些設(shè)施前的隊(duì)列。

行人的行為通過流程圖的方式實(shí)現(xiàn)，從行人庫(kù)中拖動(dòng)相關(guān)對(duì)象到工作區(qū)間并設(shè)置相關(guān)屬性，然后依次將對(duì)象連接起來(lái)。

4.3 動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法

對(duì)建立好的微觀模型運(yùn)行仿真，通過可視化的動(dòng)態(tài)顯示和輸出圖形、數(shù)據(jù)，進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)分析。本文從乘客的流暢性、效率性、協(xié)調(diào)性三個(gè)方面對(duì)仿真模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。流暢性主要體現(xiàn)在平均排隊(duì)長(zhǎng)度；效率性體現(xiàn)在乘客在站內(nèi)平均逗留時(shí)間；協(xié)調(diào)性主要指乘客在站內(nèi)的擁擠度即人均占有空間。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

（1）平均排隊(duì)長(zhǎng)度

平均排隊(duì)長(zhǎng)度L指同一組服務(wù)點(diǎn)前所有旅客流線排隊(duì)長(zhǎng)度的平均值，其值越大表示客運(yùn)站客流的流暢性越差。

其中l(wèi)i為站內(nèi)服務(wù)點(diǎn)前某條隊(duì)列上的排隊(duì)長(zhǎng)度；n 為站內(nèi)同一服務(wù)點(diǎn)前的隊(duì)列數(shù)。

（2）平均逗留時(shí)間

平均逗留時(shí)間T指行人從客運(yùn)站入口到達(dá)候車室所花費(fèi)時(shí)間的平均值。在所經(jīng)路徑距離相同的情況下，其值越大表示所經(jīng)路徑越擁堵。

其中ti為行人i在站內(nèi)從入口到候車室所用的時(shí)間；n為行人流量。

（3）人均占有空間

人均占有空間D指一定區(qū)域內(nèi)人均所占有的面積。

其中S為站內(nèi)區(qū)域的面積，n為此區(qū)域內(nèi)的行人流量。

5 實(shí)例應(yīng)用分析

5.1 蘭州火車站空間布局

依據(jù)仿真建模流程建立蘭州火車站客流組織仿真模型并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析和評(píng)價(jià)。實(shí)例的環(huán)境建模如圖2所示，共有A、B兩個(gè)入口，東西兩個(gè)出口，第一、二候車室分別位于一樓大廳東西兩側(cè)，分別有兩部自動(dòng)扶梯及樓梯連接一樓和二樓候車大廳。

圖2 客運(yùn)站環(huán)境模型圖

鐵路客運(yùn)站的流線按流動(dòng)方向和接受服務(wù)的過程可以分為：進(jìn)站客流、出站客流和換乘客流，由于車站客流流線復(fù)雜，本模型主要模擬進(jìn)站客流，仿真模型中的行人行為流程圖如圖3所示。

圖3 客運(yùn)站行人行為流程圖

5.2 仿真參數(shù)設(shè)置

本模型的仿真時(shí)間步長(zhǎng)為 0.3，行人到達(dá)率為每小時(shí) 2500人，屬于高峰時(shí)段，乘客選擇自動(dòng)扶梯進(jìn)入站臺(tái)的概率設(shè)為80%，選擇樓梯進(jìn)入站臺(tái)的概率為20%，排隊(duì)服務(wù)為自動(dòng)選取較短的隊(duì)列。

5.3 仿真結(jié)果及分析

仿真檢驗(yàn)主要采用觀察法，檢驗(yàn)仿真能不能逼真地再現(xiàn)客運(yùn)站站內(nèi)客流的實(shí)際交通情況。模型運(yùn)行結(jié)果顯示乘客在樓梯和自動(dòng)扶梯處的排隊(duì)、等待區(qū)域停留、流線交叉等方面能夠近似的模擬實(shí)際情況，仿真結(jié)果如圖4所示。由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，所建模型不能夠完全模擬實(shí)際情況，但模擬的結(jié)果還是能夠反映現(xiàn)實(shí)存在的問題并給出建議。

圖4 客流組織仿真結(jié)果

⑴從A、B兩個(gè)入口通過安檢后進(jìn)入第一、二候車室的乘客與進(jìn)站后需通過自動(dòng)扶梯或樓梯進(jìn)入二樓候車大廳的乘客流線存在交叉沖突。仿真結(jié)果顯示乘客在自動(dòng)扶梯處的排隊(duì)長(zhǎng)度急劇增加，排隊(duì)長(zhǎng)度已明顯阻礙大廳人員的流動(dòng)，因此建議在高峰時(shí)段，單獨(dú)為一樓第一、二候車室的乘客開辟安檢通道。修改后的模型具有三個(gè)獨(dú)立的乘客入口通道，仿真結(jié)果顯示此措施不僅可以減少乘客進(jìn)站客流之間形成流線交叉沖突點(diǎn)數(shù)，而且減少了乘客在站內(nèi)的停留次數(shù)，降低乘客在站內(nèi)所用時(shí)間，提高了通行速度，在對(duì)候車室客流進(jìn)行分流的同時(shí)，限制旅客提前進(jìn)站時(shí)間，能夠在一定程度上緩解候車室客流瓶頸。

⑵在站前廣場(chǎng)車站入口處安裝指示牌，對(duì)三個(gè)不同入口乘客的分流進(jìn)行標(biāo)示或者安排工作人員在客流高峰時(shí)段進(jìn)行引導(dǎo)，便于乘客快速通過安檢進(jìn)入候車區(qū)域。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)客運(yùn)站內(nèi)行人交通特征及客運(yùn)組織流線進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)和分析，建立了行人對(duì)樓梯與自動(dòng)扶梯的選擇行為模型，并基于AnyLogic仿真軟件建立客流的微觀仿真模型，對(duì)蘭州市火車站客流組織進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真分析，找到客流的瓶頸(集中在樓梯與自動(dòng)扶梯處)，提出客流組織流線的優(yōu)化方案，為實(shí)際運(yùn)營(yíng)管理和客運(yùn)站建設(shè)提供決策參考依據(jù)。

[1]中華人民共和國(guó)鐵道部主編.鐵路車站及樞紐設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50091-2007)[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2007.

[2]NFPA 130 Standard for fixed guide way transit and passenger rail systems 2007 ed.[S].USA:National Fire Protection Association,2007.

[3]于璐,張喜.城市軌道交通樞紐進(jìn)站客流輔助決策研究[J].物流技術(shù),2011.30(05):135-138.

[4]Ming-wei Hu.A survey and simulation of passenger flow organization of the Shenzhen urban rail transit station[C]//ICCTP,2011:2991-2997.

[5]陳然,董力耘.中國(guó)大都市行人交通特征的實(shí)測(cè)和初步分析[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2005.11(01):93-97.

[6]柳伍生,余朝瑋.地鐵站樓梯行人流交通特征的數(shù)據(jù)擬合分析[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2008.44(03):50-52.

[7]賈洪飛.綜合交通客運(yùn)樞紐仿真建模關(guān)鍵理論與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

[8]CY Cheung, William Lam.Pedestrian Route Choices between Escalator and Stairway in Hong Kong Mass Transit Railway Stations [J].Journal of Transportation Engineering, 1998, 124(3):277-285.

[9]唐明.客運(yùn)樞紐行人交通行為模型與仿真算法研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2010.

[10]Helbing D, Molnar P.Social Force Model for pedestrian Dynamics [J].Physical review E, 1995,51(5):4282-4286.

[11]Helbing D, Buzna L, Johansson A and Werner T.Self–organized pedestrian crowd dynamics:experiments, simulations, and design solutions [J].Transportation Science, 2005, 39(1):1-24.