城市軌道交通換乘樞紐乘客集散微觀仿真研究

馬海漫

（天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，中國(guó) 天津300240）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，旅客運(yùn)輸需求急劇增加，而我國(guó)城市交通基礎(chǔ)設(shè)施、交通環(huán)境和服務(wù)質(zhì)量卻相對(duì)滯后，嚴(yán)重限制了城市的發(fā)展空間，成為大型城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”。根據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家客運(yùn)交通發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律，大型城市解決交通難題的有效途徑就是發(fā)展現(xiàn)代化軌道交通。城市軌道交通能夠快速、大運(yùn)量的運(yùn)送旅客，但要想在運(yùn)能上適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的客運(yùn)需求，必須首先以軌道交通不同線路之間的協(xié)調(diào)換乘為前提。從換乘方面來看，換乘樞紐內(nèi)客流行為和規(guī)律對(duì)換乘站的換乘通過能力產(chǎn)生很大的影響。通過建立換乘樞紐的微觀疏散仿真模型[1]進(jìn)行仿真模擬，可以直觀地對(duì)客流的聚集、疏散、換乘過程和人群分布狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，對(duì)于換乘站的設(shè)施設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)管理具有重要意義。

1 換乘樞紐概述

換乘樞紐[2]是三個(gè)及以上方向的城市交通線路的交匯點(diǎn)，是具有旅客運(yùn)輸組織與管理、中轉(zhuǎn)換乘、信息流通和輔助服務(wù)等功能的綜合性設(shè)施，是實(shí)現(xiàn)不同乘車方向之間、同種交通方式內(nèi)部轉(zhuǎn)換的場(chǎng)所。換乘樞紐的分類如表1所示。

表1 換乘樞紐分類

2 換乘樞紐旅客集散特性與旅客行為分析

2.1 換乘樞紐客流特性分析

與始發(fā)站和其它普通中途站相比，換乘樞紐內(nèi)的客流構(gòu)成與特性存在著明顯的區(qū)別，其具有如下特性[3]：

2.1.1 客流高度集中

換乘樞紐除了具有普通車站的進(jìn)出站客流外，還匯集有相交線路甚至全網(wǎng)多個(gè)車站之間的交換客流，造成換乘樞紐內(nèi)客流集中，通常是普通車站客流量的數(shù)倍。

2.1.2 客流多方向、多路徑

由于進(jìn)出站客流、換乘客流具有不同的出行目的、出行方向，即對(duì)應(yīng)不同的出行路徑，必然導(dǎo)致存在多股客流的交織，形成多個(gè)沖突點(diǎn)。

2.1.3 時(shí)間、方向方面客流量不均衡

不同時(shí)段、不同換乘方向的客流量存在較大差異，這主要與旅客的生活需要和城市的布局與發(fā)展規(guī)劃相關(guān)。

2.1.4 短時(shí)沖擊性

軌道交通客流的到達(dá)并非連續(xù)均衡（上下班客流高峰期[4]），而是隨列車的到達(dá)呈現(xiàn)脈沖式的分布規(guī)律，即在短時(shí)間內(nèi)對(duì)換乘設(shè)施會(huì)產(chǎn)生沖擊作用。

2.2 換乘樞紐旅客行為特性分析

旅客行為特性對(duì)車站的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)管理有巨大影響，對(duì)于準(zhǔn)確有效地組織客流集散換乘，減少旅客站內(nèi)停留時(shí)間，提高運(yùn)輸效率，更大程度的保障旅客安全十分重要[5]。其主要特征如下：

2.2.1 就近性

在換乘路徑上人們習(xí)慣選擇最短路徑,如在到達(dá)站臺(tái)時(shí),傾向就近選擇換乘車廂,易導(dǎo)致站臺(tái)換乘客流分布的不均衡。

2.2.2 步行速度快

前方上車旅客行走速度較快,期望盡快進(jìn)入換乘設(shè)施,導(dǎo)致?lián)Q乘路徑上客流速度分布不均衡。前方下車旅客因無購(gòu)票過程，整體速度較快。

2.2.3 排隊(duì)性

在購(gòu)票、檢票、進(jìn)出站、上下車時(shí)旅客會(huì)自動(dòng)找尋排隊(duì)人數(shù)較少的隊(duì)列進(jìn)行排隊(duì)，使得由于就近性產(chǎn)生的換乘客流分布的不均衡性得到一定緩解。

3 換乘樞紐仿真概念模型

概念模型根據(jù)換乘樞紐內(nèi)旅客活動(dòng)的實(shí)際流程建立。旅客作為研究的主要對(duì)象，根據(jù)其來源與去向分為上車旅客與下車旅客。概念模型示意圖如圖1所示。

圖1 旅客活動(dòng)概念模型

3.1 上車旅客

設(shè)定單位時(shí)間內(nèi)上車旅客（A）數(shù)量為m，其中未持有月票的旅客（B）數(shù)量所占上車旅客總數(shù)比例為α1，持有月票的旅客（C）所占比例為α2。旅客（A）進(jìn)站后，其中的旅客（B）先到售票處完成購(gòu)票過程，再進(jìn)行檢票過程；旅客（C）直接進(jìn)行進(jìn)站檢票過程。當(dāng)旅客（B）與旅客（C）完成檢票過程后，進(jìn)入站臺(tái)候車區(qū)進(jìn)行候車，當(dāng)列車到達(dá)，進(jìn)行上車出發(fā)過程。

3.2 下車旅客

設(shè)定單位時(shí)間內(nèi)下車旅客（D）數(shù)量為n，其中需要換乘旅客（E）數(shù)量所占下車旅客總數(shù)比例為β1，而無需換乘直接出站旅客（F）數(shù)量所占比例為β2。旅客下車后，旅客（E）直接到站臺(tái)候車區(qū)進(jìn)行候車，當(dāng)列車到達(dá)，進(jìn)行上車出發(fā)過程；旅客（F）則進(jìn)行出站檢票（回收乘車卡）過程，離開車站。

4 基于Simio的換乘樞紐仿真邏輯模型

4.1 固定設(shè)施仿真

4.1.1 進(jìn)出站口

進(jìn)出站口作為客流產(chǎn)生、消失的端口，是計(jì)算進(jìn)站旅客平均站內(nèi)停留時(shí)間的起點(diǎn)與出站旅客平均站內(nèi)停留時(shí)間的終點(diǎn)。在通過Simio軟件建立模型過程中，可以用Source作為產(chǎn)生準(zhǔn)備乘車旅客的進(jìn)站口，用Sink來作為下車旅客的出站口。通過定義Source的屬性到達(dá)邏輯Arrival Logic，來設(shè)定進(jìn)站客流量（單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)站人數(shù)）等指標(biāo)。

4.1.2 售票窗口

車站內(nèi)的售票能力直接決定著旅客的平均站內(nèi)停留時(shí)間與車站的輸送能力。在建模過程中，采用Server作為售票窗口，通過定義Server的能力Capacity Type（幾個(gè)同時(shí)窗口售票）和處理時(shí)間Processing Time模擬旅客購(gòu)票過程。可以在不同的時(shí)間段內(nèi)，增加或減小售票能力（售票窗口數(shù)量）來適應(yīng)客流量的變化。

4.1.3 檢票處

無論旅客是否持有月票，檢票對(duì)于進(jìn)出站旅客是一個(gè)必須的過程。在此次模型建立的過程中，根據(jù)實(shí)際檢票路徑的數(shù)量，采用“一對(duì)一”的模式，即一個(gè)Server對(duì)應(yīng)一個(gè)檢票口，因此只需要通過設(shè)定Server的處理時(shí)間Processing Time就可以模擬旅客進(jìn)站檢票過程。

4.2 活動(dòng)實(shí)體仿真

4.2.1 旅客實(shí)體

旅客作為車站輸送的實(shí)體，他們對(duì)于空間位移的需求是整個(gè)車站、整個(gè)交通運(yùn)輸系統(tǒng)的目的所在，也是在建模模擬過程中主要研究分析的對(duì)象。在仿真系統(tǒng)中，根據(jù)其來源與去向分為上車旅客與下車旅客，可以定義多個(gè)Model Entity來分別表示不同種類的旅客。通過設(shè)置Model Entity的初始速度Initial Desired Speed來模擬旅客的站內(nèi)走行速度。

4.2.2 車輛實(shí)體

軌道車輛是運(yùn)送旅客的載體。通過實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，在客流量相對(duì)較多的開發(fā)區(qū)站大連——金石灘方向上，運(yùn)輸高峰期，列車間隔為5分鐘，非高峰期間隔為10分鐘；在客流量相對(duì)少一些的九里——開發(fā)區(qū)方向上，運(yùn)輸高峰期，列車間隔為10分鐘，非高峰期間隔為20分鐘。在滿足建模要求的情況下，對(duì)軌道車輛采用循環(huán)方式運(yùn)行，通過設(shè)置軌道車輛在不同時(shí)間段的運(yùn)行速度和運(yùn)行路徑的距離，來達(dá)到規(guī)定的間隔時(shí)間，產(chǎn)生預(yù)定的運(yùn)輸效果。在該仿真系統(tǒng)中，采用了3個(gè)Vehicle來模擬三個(gè)方向上的列車，并且通過定義其路徑邏輯Routing Logic，設(shè)定固定路線Fixed Route，以及設(shè)置初始速度Initial Speed來仿真軌道車輛的循環(huán)過程。

4.3 路徑仿真

路徑是指換乘樞紐內(nèi)旅客行走的軌跡，通過對(duì)旅客集散換乘過程的分析，結(jié)合建模需要，可將旅客分散的走形軌跡設(shè)置成路徑并進(jìn)行編號(hào)。在仿真過程中，通過路徑之間的連接，旅客根據(jù)活動(dòng)需要對(duì)路徑的選擇，完成車站內(nèi)旅客的的集散換乘活動(dòng)。具體的旅客站內(nèi)走行路徑如圖2、圖3所示。

圖2 車站一樓旅客走行路徑

圖3 車站二樓旅客走行路徑

在圖2、圖3中正方形1、2分別表示進(jìn)站口1和進(jìn)站口2；三角形A、D、E、H表示進(jìn)站檢票口；三角形B、C、F、G表示出站檢票口；六邊形A1、B1、C1、D1、E1、F1表示樓梯在車站一樓的進(jìn)出口；六邊形A2、B2、C2、D2、E2、F2表示樓梯在車站二樓的進(jìn)出口；八邊形1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16表示候車區(qū)內(nèi)旅客上下車位置；箭頭線表示旅客站內(nèi)走行路徑，為方便實(shí)地調(diào)查各路徑距離，對(duì)路徑進(jìn)行了編號(hào)，箭頭線中間的數(shù)字為路徑編號(hào)，其中路徑又分為：

4.3.1 時(shí)間路徑（箭頭線1、3、4、39、41、42）

該車站旅客檢票后通過滾動(dòng)電梯和樓梯上二樓月臺(tái)，進(jìn)行候車；二樓下車的旅客則通過樓梯走至一樓。在建模過程中，為方便起見，可采用TimePath來具體的定義上下樓所需時(shí)間，通過對(duì)其屬性Travel Time賦值實(shí)現(xiàn)樓梯的仿真。

4.3.2 距離路徑（除了表示時(shí)間路徑的箭頭線）

根據(jù)建模需要，將除了上下樓梯之外的旅客站內(nèi)走形軌跡設(shè)置為Path，可以將實(shí)地測(cè)量計(jì)算獲得各條路徑的長(zhǎng)度通過給屬性Logic Length賦值來實(shí)現(xiàn)路徑的仿真。

5 總結(jié)

分析城市軌道交通換乘樞紐旅客集散特點(diǎn)，提出旅客集散仿真的基本流程，對(duì)基于Simio的換乘樞紐旅客集散仿真系統(tǒng)的建立方法進(jìn)行研究，構(gòu)建基于個(gè)體活動(dòng)的旅客集散微觀仿真模型，結(jié)合大連輕軌開發(fā)區(qū)換乘樞紐站提出了具體實(shí)現(xiàn)途徑。

［1］李德偉,韓寶明.鐵路客運(yùn)專線車站旅客集散微觀仿真模型[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2009,09(01):83-86.

［2］邵偉中,劉志剛,吳強(qiáng),李素瑩.上海城市軌道交通換乘樞紐運(yùn)營(yíng)管理模式研究[J].中國(guó)鐵路,2008(10):64-67.

［3］李文新,周育龍.大型客運(yùn)站高峰期客運(yùn)組織仿真模型及其優(yōu)化[J].鐵道學(xué)報(bào),2003,25(01):15-19.

［4］王波,李曉霞,安栓莊.軌道交通換乘站客流特性分析及車站設(shè)計(jì)[J].都市快軌交通,2010,23(02):55-58.

［5］賈洪飛,楊麗麗,唐明,孟丹.綜合交通樞紐內(nèi)部行人微觀特性及建模需求研究[J].綜合交通運(yùn)輸體系論壇,2009,09(02):17-22.