軌道交通車站檢票閘機(jī)布局的仿真研究

付 佳，李季濤，邊 可

（1. 沈陽鐵路局 大連站，遼寧 大連 116001；2. 大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

在與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的城市公共交通方面，軌道交通正扮演著越來越重要的角色。隨著軌道交通客流量的日益增加，車站擁擠程度隨之增大，其中檢票閘機(jī)的布置影響著整個車站的集散效率。針對軌道交通車站檢票閘機(jī)布局進(jìn)行仿真研究不僅可以歸納現(xiàn)有布局形式、發(fā)現(xiàn)不足、比選方案，而且還能夠提出合理化建議，從而提高車站集散和乘客出行的效率。一些學(xué)者利用仿真軟件建立仿真模型[1-3]來研究檢票閘機(jī)的布局形式；在檢票閘機(jī)配置數(shù)量及利用不均衡度方面[4-5]同樣有許多學(xué)者進(jìn)行了深入的研究。結(jié)合既有車站檢票閘機(jī)布局，定義平行式布局和垂直式布局2種典型的閘機(jī)布置形式，在此基礎(chǔ)上，分別建立行人仿真模型，根據(jù)仿真輸出結(jié)果對閘機(jī)的布局方案進(jìn)行比較分析。

1 軌道交通車站檢票閘機(jī)布局現(xiàn)狀及分類

1.1 檢票閘機(jī)參數(shù)

以大連輕軌3號線為例進(jìn)行實地調(diào)研，沿線各車站內(nèi)的進(jìn)出站檢票均采用三桿式檢票閘機(jī)，其各項參數(shù)如下：①閘機(jī)形式：三桿式；長、寬、高分別為135、30、103cm；②每小時通過能力：磁卡和非接觸式 IC 卡分別為1500人/h 和1800人/h。

1.2 自動檢票閘機(jī)典型布局方案

受車站的結(jié)構(gòu)、站臺形式和周圍場地條件等影響，軌道交通車站站廳檢票閘機(jī)的布置有不同的形式。通過對大連輕軌3號線沿線11個車站進(jìn)行調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，一般情況下檢票閘機(jī)的布置可以歸納為2種典型形式，即平行式布局與垂直式布局。

（1）乘客進(jìn)站及出站方向與乘客進(jìn)站檢票方向平行，定義此種布局形式為平行式布局，如圖1所示。

（2）乘客進(jìn)站及出站方向與乘客進(jìn)站檢票方向相互垂直，定義此種布局形式為垂直式布局，如圖2所示。

2 基于人流密度的路徑規(guī)劃算法

圖1 平行式布局

圖2 垂直式布局

基于人流密度的路徑規(guī)劃[6，7]是利用連續(xù)不斷更新的密度信息來實時引導(dǎo)乘客通過擁擠環(huán)境，將距離信息與人群密度信息聯(lián)系起來衡量一條路徑的可利用條件。在仿真過程中，首先將環(huán)境劃分成一系列不重疊的區(qū)域，每個區(qū)域只包含1條中軸線；其次，將中軸線的頂點與最近障礙物的端點連接起來，這些線段將環(huán)境劃分成一系列走行區(qū)域：ε = { R1，…，Rm}，每個走行區(qū)域有且只有1條中軸線，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)

環(huán)境中的中軸線以藍(lán)色表示，橙色線段連接了中軸線的一個頂點和距離其最近障礙物的端點。將每一個走行區(qū)域的人流密度值作為此區(qū)域中軸線的權(quán)重，由此形成一張加權(quán)網(wǎng)絡(luò)圖 G =(V，E)，網(wǎng)絡(luò)圖 G 有一系列點 V 和邊 E，從而迅速為每一位乘客決定一條路徑。乘客一旦移動，所有走行區(qū)域的密度值將隨之更新?？紤]到所有走行區(qū)域的密度值可求，每條中軸線的密度值也可以計算。任何一條中軸線 e∈E 的密度值可以看作是包含此中軸線 e 的走行區(qū)域的密度值。令‖e‖表示中軸線 e 的長度， 即為 e 的密度值。則在任意中軸線 e 的走行時間可以表示為

式中：tmin(e)指以最大速度穿過中軸線 e 所需的最小時間；w 是一個非負(fù)的權(quán)重值，取值在0和1之間，是介于距離最短路徑和人群密度最小路徑間的插值，如果 w =0，乘客將尋找最短路徑，隨著 w 的增加，乘客將越來越希望避開人群密集的區(qū)域，如果 w =1，乘客將選擇最快速的路徑；tdelay(e)指由于人流密度而引起的額外通過時間，計算公式為

式中：vmax為乘客的最大速度。

乘客在選擇路徑時，受到各種力的作用，并導(dǎo)致乘客規(guī)劃決定最終的走行路徑。首先，為了確保乘客始終在一定的路徑范圍中，一個由邊界障礙物發(fā)出的邊界力 Fb施加在乘客上，保證乘客與墻、街道、建筑等保持一個安全距離；其次，需要一個導(dǎo)向力 Fs將乘客引向其目的地；第三，當(dāng)乘客在路徑中移動時需要避障力 Fo使乘客能夠避開路徑上的靜態(tài)和動態(tài)的障礙物及其他乘客。作用在位于 x 位置的乘客的力 F 可以定義為

3 軌道交通車站檢票閘機(jī)布局仿真分析

3.1 模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

針對軌道交通車站進(jìn)行實地調(diào)研與分析后，確定乘客的一系列基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下：①乘客進(jìn)站到達(dá)時間間隔呈現(xiàn)指數(shù)分布規(guī)律， 平均每隔1s 進(jìn)站1人；②乘客通過檢票閘機(jī)時間服從正態(tài)分布，平均通過時間為1.77s，最大值為6.4s，最小值為0.5s，方差為0.46；③以大連市輕軌3號線泉水站為例，早高峰期間行車間隔為4min，到達(dá)下車的乘客數(shù)平均在50人 左右。

3.2 軌道交通車站檢票閘機(jī)布局仿真對比分析

根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)和檢票時間分布，在前述的基于人流密度路徑規(guī)劃算法基礎(chǔ)上，利用 PD(Pedestrian Dynamics)軟件，分別建立了軌道交通車站檢票閘機(jī)平行式布局和垂直式布局的仿真模型，并進(jìn)行了仿真實驗。仿真得到2種布局人流密度如圖4和圖5所示，密度圖中的顏色圖例如表1所示。

從圖4和圖5的人流密度仿真結(jié)果可以看出：①在平行式布局中，由于乘客進(jìn)站方向與進(jìn)站檢票方向平行，行人視野能夠及時達(dá)到檢票區(qū)域從而迅速判斷前方擁擠情況并及時選擇、調(diào)整路徑，每個進(jìn)站檢票閘機(jī)處的客流量基本呈均勻分布，所以在圖中大部分區(qū)域顏色呈淺灰色；②在垂直式布局中，由于乘客流線需要轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致靠近行人一側(cè)的閘機(jī)使用率明顯高于離行人較遠(yuǎn)的閘機(jī)，大量進(jìn)站客流在此處聚集等待進(jìn)站，造成了嚴(yán)重的擁堵，形成了黑色擁擠區(qū)域。從分析結(jié)果可知，平行式布局形式在檢票閘機(jī)利用均衡度及乘客在車站空間分布合理性等方面優(yōu)于垂直式布局。

圖4 平行式布局仿真密度結(jié)果

圖5 垂直式布局仿真密度結(jié)果

表1 密度圖顏色說明表

3.3 存在流線交叉的布局形式

通過實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在既有的車站設(shè)計中，部分車站存在乘客流線交叉現(xiàn)象，即由于售票室、進(jìn)出站檢票閘機(jī)地點設(shè)置不合理，導(dǎo)致乘客進(jìn)站、買票、檢票與出站乘客流線相互重疊。為此，分別建立了存在流線交叉的平行式布局和垂直式布局形式如圖6和圖7所示，通過仿真計算，得到其密度結(jié)果如圖8和圖9所示。

由圖8可知，流線交叉導(dǎo)致乘客進(jìn)站買票效率降低，售票室附近出現(xiàn)繁忙現(xiàn)象，并且進(jìn)一步導(dǎo)致了進(jìn)站檢票口處出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)頂D。在圖9中，進(jìn)站買票乘客與出站乘客在車站大門及售票室附近均出現(xiàn)了擁擠現(xiàn)象，流線的沖突同時還使乘客出站效率降低，出站方向客流通行不暢，同樣由于垂直布局使靠近行人一側(cè)的閘機(jī)的使用率明顯高于離行人較遠(yuǎn)的閘機(jī)，大量進(jìn)站客流在此處聚集等待進(jìn)站，進(jìn)一步導(dǎo)致了進(jìn)站檢票處的嚴(yán)重?fù)頂D?？梢?，無論何種布局形式，流線交叉對于乘客疏散是十分不利的，在車站布局設(shè)計時應(yīng)盡量避免。

圖6 存在流線交叉的平行式布局

圖7 存在流線交叉的垂直式布局

圖8 交叉平行布局仿真密度結(jié)果

圖9 交叉垂直布局仿真密度結(jié)果

4 結(jié)論

經(jīng)過仿真比分較析，可以得出以下結(jié)論：平行式布局明顯優(yōu)于垂直式布局；不存在流線交叉的布局優(yōu)于存在流線交叉的布局形式。主要原因在于：①平行式布局減少了進(jìn)站乘客流線的轉(zhuǎn)向，使乘客流線順暢、乘客視野開闊，這有利于乘客及時對前方擁堵情況進(jìn)行判斷進(jìn)而選擇高效路徑；②垂直布局使靠近行人一側(cè)的閘機(jī)的使用率明顯高于離行人較遠(yuǎn)的閘機(jī)，大量進(jìn)站客流在此處聚集等待進(jìn)站，導(dǎo)致進(jìn)站檢票處的嚴(yán)重?fù)頂D；③若在車站布局中存在流線交叉現(xiàn)象，流線重疊沖突會導(dǎo)致乘客進(jìn)出站、路徑選擇效率的降低，并進(jìn)一步導(dǎo)致乘客在車站門口及進(jìn)站檢票口處出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)頂D。

：

[1]王子甲，陳 峰，羅 誠. 軌道交通車站檢票閘機(jī)布局的仿真優(yōu)化[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報，2011，35(6)：28-32.

[2]屈鵬舉，陳京榮，王 龍. 軌道交通車站閘機(jī)配置仿真與評價[J]. 交通科技與經(jīng)濟(jì)，2012(5)：60-62.

[3]張 盛. 城市軌道交通地下車站行人設(shè)施規(guī)模和布局評價方法研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2011.

[4]馮建棟，吳嬌蓉，金 昱，等. 軌道交通自動檢票閘機(jī)組利用不均衡度研究[J]. 城市交通，2010，8(3)：28-35.

[5]何 潔. 城市軌道交通自動檢票機(jī)配置數(shù)量的研究[J]. 鐵道通信信號，2008，44(10)：14-17.

[6]Wouter G. van Toll，Atlas F. Cook IV，Roland Geraerts.Real-time Density-based Crowd Simulation [J]. Computer Animation and Virtual Worlds，2012(23)：59-69.

[7]Ioannis Karamouzas，Roland Geraerts，Mark Overmars.Indicative Routes for Path Planning and Crowd Simulation[C]. Orlando：ICFDG，2009.