基于交通量匹配性的軌道交通樞紐站換乘效率分析

李成剛， 王武宏， 蔣曉蓓， 姚麗亞

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院， 北京 100081)

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基于交通量匹配性的軌道交通樞紐站換乘效率分析

李成剛， 王武宏， 蔣曉蓓， 姚麗亞

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院， 北京 100081)

城市軌道交通樞紐是城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其運(yùn)營(yíng)效率的高低直接決定整個(gè)軌道交通網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸效率. 乘客換乘效率不僅與樞紐場(chǎng)站的選址和設(shè)計(jì)有關(guān)，同時(shí)還與換乘設(shè)施的服務(wù)能力和服務(wù)水平有著密切的關(guān)系. 本文以北京地鐵西直門(mén)站換乘設(shè)施為研究對(duì)象，經(jīng)過(guò)調(diào)查預(yù)測(cè)目標(biāo)年地鐵西直門(mén)站的交通量，并進(jìn)行換乘設(shè)施服務(wù)能力和交通需求之間的匹配性研究，判斷設(shè)施利用率，從換乘便利性等角度進(jìn)行換乘效率分析與評(píng)價(jià)，最終實(shí)現(xiàn)換乘設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計(jì).

城市軌道交通； 交通量匹配性； 換乘設(shè)施； 優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

截至2014年，北京市運(yùn)營(yíng)的地鐵線路總里程已經(jīng)超過(guò)440 km，換乘車(chē)站數(shù)量超過(guò)40個(gè). 而北京市城市軌道交通2020年規(guī)劃總里程將超過(guò)1 000 km，車(chē)站數(shù)和換乘車(chē)站數(shù)還會(huì)有較大的增幅，因此，對(duì)于新建車(chē)站尤其是換乘車(chē)站的設(shè)計(jì)具有非常重要的意義.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在換乘設(shè)施方面進(jìn)行了比較深入的研究. Bates Jr E G[1]闡述了乘客換乘設(shè)施對(duì)于乘客運(yùn)輸系統(tǒng)的重要作用，給出了換乘設(shè)施的分類，解釋了脈動(dòng)系統(tǒng)和非脈動(dòng)系統(tǒng)的差異. Seneviratne P N等[2]系統(tǒng)地介紹了換乘設(shè)施的服務(wù)水平，聚焦于現(xiàn)有的步行設(shè)施的評(píng)價(jià)方法論并且討論這些方法在設(shè)計(jì)過(guò)程中的有效性和有用性. 紐約大學(xué)的Zhan Guo等[3]以倫敦地鐵為例進(jìn)行了公共運(yùn)輸系統(tǒng)換乘不方便性成本的評(píng)估，研究了換乘設(shè)施投資和使用中的成本，以及如何降低這部分成本. Trozzi Valentina等[4]研究了排隊(duì)長(zhǎng)度、時(shí)間對(duì)乘客換乘路線選擇的影響，建立了一個(gè)修改現(xiàn)有算法的模型來(lái)進(jìn)行軌道交通內(nèi)部的交通分配. 德國(guó)德累斯頓科技大學(xué)的Dirk Helbing等[5]提出行人交通流中的自組織理論，建立行人交通流模型，并通過(guò)在走廊、瓶頸處和交叉處的調(diào)查實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的正確性. Cheung等[6]在香港MTR地鐵系統(tǒng)進(jìn)行了關(guān)于行人在自動(dòng)扶梯和樓梯之間選擇的交通行為調(diào)查，運(yùn)用縮時(shí)攝影技術(shù)獲得交通量信息，研究發(fā)現(xiàn)行人對(duì)縱向行人交通設(shè)施下行的延誤更為敏感. 北京交通大學(xué)的朱競(jìng)爭(zhēng)[7]基于對(duì)軌道換乘站的特點(diǎn)、形式、軌道內(nèi)部乘客特性和客流影響因素的分析，研究換乘站內(nèi)部乘客特性和換乘客流特征. 北京交通大學(xué)的吳丹等[8]研究?jī)?nèi)容集中在地鐵車(chē)站乘客導(dǎo)向標(biāo)志的設(shè)計(jì). 吳昊靈等[9]針對(duì)北京地鐵西直門(mén)站的換乘方案進(jìn)行了研究，主要是對(duì)換乘的流線、換乘組織進(jìn)行了研究，總結(jié)了西直門(mén)站在乘客換乘組織方面的問(wèn)題，并給出了解決問(wèn)題的設(shè)計(jì)方案，并且對(duì)不同方案進(jìn)行了評(píng)價(jià).

前人對(duì)于軌道交通換乘設(shè)施的研究在運(yùn)輸組織、流線優(yōu)化、交通流特性以及運(yùn)用模型對(duì)客流特性進(jìn)行仿真等方面取得了較多的成果. 但是，很多研究集中在宏觀的場(chǎng)站設(shè)計(jì)、流線設(shè)計(jì)和運(yùn)輸組織方案設(shè)計(jì)等，針對(duì)城市軌道交通樞紐站換乘設(shè)施(通道、樓梯和扶梯)的設(shè)計(jì)較少. 本文以北京地鐵西直門(mén)樞紐站換乘設(shè)施為例，通過(guò)研究換乘設(shè)施服務(wù)能力與換乘需求之間的匹配性，最終形成一般的地鐵樞紐站換乘設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.

1 交通量預(yù)測(cè)和目標(biāo)年設(shè)施匹配性研究

1.1 交通量調(diào)查

本文以北京市地鐵西直門(mén)站為調(diào)查對(duì)象，獲取地鐵2號(hào)線、4號(hào)線、13號(hào)線之間的換乘客流以及進(jìn)出口A1、A2、B、C、D、E、F的高峰客流量. 調(diào)查時(shí)間選擇晚高峰17:00—18:00. 高峰時(shí)段的發(fā)車(chē)周期3條線路都能控制在2 min內(nèi)，考慮到下車(chē)及步行到觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)間間隔，本次調(diào)查采用3 min為周期，每個(gè)觀測(cè)位置統(tǒng)計(jì)20組數(shù)據(jù)，獲取該位置處的高峰小時(shí)流率. 根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)可得2013年地鐵西直門(mén)站換乘OD矩陣如表1.

表1 2013年地鐵西直門(mén)站換乘OD矩陣

OD矩陣中的數(shù)據(jù)均是高峰小時(shí)流率. 數(shù)字0表示沒(méi)有客流量或者客流量在3 min內(nèi)小于5. 由表1可知，2號(hào)線、4號(hào)線和13號(hào)線之間的客流量非常大，對(duì)于換乘設(shè)施的沖擊也最大，因此在對(duì)換乘設(shè)施服務(wù)能力與交通需求之間匹配性研究時(shí)應(yīng)當(dāng)著重考慮. A2口出站量很大，需要較多的閘機(jī)配合.

1.2 現(xiàn)有交通量匹配性研究

將西直門(mén)地鐵站內(nèi)的換乘設(shè)施總結(jié)到平面圖上，結(jié)合線路的換乘客流量，形象直觀地反映設(shè)施的客流負(fù)擔(dān)情況.

樓梯和自動(dòng)扶梯在乘客換乘過(guò)程中具有特殊的作用，能幫助乘客實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)的移動(dòng). 表2中列出了樓梯和自動(dòng)扶梯的屬性和利用率.

設(shè)施利用率高于70%的設(shè)施有4處，已經(jīng)出現(xiàn)擁擠、排隊(duì)情況，設(shè)施利用率較高，但是效率會(huì)降低. 同時(shí)還有一些設(shè)施的利用率不足30%，未能充分發(fā)揮換乘設(shè)施的效用.

圖1 通行類換乘設(shè)施布局圖

序號(hào)12345678設(shè)施樓梯自動(dòng)自動(dòng)樓梯自動(dòng)樓梯自動(dòng)樓梯自動(dòng)樓梯樓梯規(guī)格/m12112511125123數(shù)量521//211221222客流量141801000034004820136401418035803100設(shè)計(jì)流量210001620081001735024600254501480014800利用率068062042028055056024021序號(hào)9101112131415161718設(shè)施樓梯樓梯樓梯樓梯樓梯樓梯樓梯樓梯自動(dòng)樓梯樓梯規(guī)格/m42525255222122數(shù)量22221211224客流量584013060732097601864011850574084401606017560設(shè)計(jì)流量1480018500185001850018400168008400155001680033600利用率039071040053101071068054096052

通道連接了不同線路，在換乘路線中發(fā)揮著重要的作用，通道內(nèi)有樓梯和自動(dòng)扶梯實(shí)現(xiàn)不同平面的移動(dòng). 通道能緩沖換乘客流，降低客流量的波動(dòng)性，減少對(duì)設(shè)施的瞬時(shí)沖擊. 通道的屬性和利用率如表3所示.

序號(hào)1表示4號(hào)線換乘2號(hào)線的環(huán)形通道，其規(guī)格相同都是4 m通道；序號(hào)2表示13號(hào)線通往2號(hào)和13號(hào)線的客流量換乘區(qū)域，大量客流在此分流；序號(hào)3和4分別指13號(hào)線換乘4號(hào)和2號(hào)的專用通道.

由表3可知，通道的利用率普遍偏低，均不足50%，所以，目前情況下，瓶頸位置不出現(xiàn)在通道內(nèi)，尤其是不出現(xiàn)在通道段上. 而通道的端點(diǎn)多是站臺(tái)端點(diǎn)或者出站口，對(duì)于出站口，客流交叉，但是由于進(jìn)出站乘客客流量較小且分散，所以沒(méi)有出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象. 對(duì)于站臺(tái)端點(diǎn)，由于換乘客流量巨大，且呈現(xiàn)波動(dòng)性，波峰到來(lái)時(shí)2個(gè)方向的換乘客流會(huì)交叉，通道的客流量劇增.

表3 通道屬性和利用率

北京交通大學(xué)的張慧慧等[10]在對(duì)北京地鐵進(jìn)出站設(shè)施通行瓶頸問(wèn)題的定量分析中得出，當(dāng)設(shè)施利用率超過(guò)70%時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)排隊(duì)、擁擠現(xiàn)象. 本文就以設(shè)施服務(wù)能力的70%作為評(píng)價(jià)設(shè)施是否能有效提供服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn). 樓梯和自動(dòng)扶梯設(shè)施利用率超過(guò)70%的設(shè)施如表4所示.

表4 利用率超過(guò)70%的換乘設(shè)施

數(shù)據(jù)反映出來(lái)的4個(gè)位置分別為4號(hào)線東廳樓梯、2號(hào)線南廳樓梯、2號(hào)線到4號(hào)線樓梯和通往13號(hào)線站臺(tái)的樓梯. 這4個(gè)位置的高峰小時(shí)客流量都超過(guò)了10 000，對(duì)設(shè)施的需求最大. 這與實(shí)際換乘感受是一致的，這些位置出現(xiàn)了明顯的擁擠和排隊(duì)現(xiàn)象.

樓梯13、14和10位于站臺(tái)的兩端，擁擠和排隊(duì)現(xiàn)象會(huì)占用大量站臺(tái)空間，這給換乘和上下車(chē)帶來(lái)了很大的壓力，在晚高峰時(shí)段，2號(hào)線站臺(tái)擁擠現(xiàn)象嚴(yán)重. 樓梯13是混行樓梯，經(jīng)過(guò)其客流主要有2號(hào)線出D口和C口客流、2號(hào)線轉(zhuǎn)13號(hào)線部分客流、13號(hào)線轉(zhuǎn)2號(hào)線所有客流客流量巨大，超過(guò)了設(shè)施能提供的服務(wù)能力，所以該樓梯周期性的出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象. 樓梯17位于13號(hào)線站臺(tái)下，用于將2號(hào)線和13號(hào)線客流輸送至13號(hào)線站臺(tái)，由于該樓梯只有2個(gè)2 m樓梯組成，服務(wù)能力有限，所以樓梯上乘客行走速度緩慢，排隊(duì)現(xiàn)象嚴(yán)重. 樓梯14是由2個(gè)方向，2個(gè)通道共同組成，是地鐵西直門(mén)站最小的樓梯，也是換乘距離最短的通道. 該樓梯位于地鐵2號(hào)線站臺(tái)的中央，承擔(dān)了幾乎所有2號(hào)線轉(zhuǎn)4號(hào)線的客流. 其位置本身就占據(jù)了2號(hào)線站臺(tái)的大片區(qū)域，使得2號(hào)線南廳和北廳被分隔開(kāi)，中間通行的通道僅1 m有余. 這樣的設(shè)計(jì)為換乘乘客帶來(lái)巨大便利的同時(shí)也給本已十分狹小的站臺(tái)帶來(lái)了巨大的壓力.

1.3 交通量預(yù)測(cè)和目標(biāo)年設(shè)施匹配性研究

由于本文只是對(duì)北京地鐵西直門(mén)站客流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，數(shù)據(jù)較小而且換乘流線較簡(jiǎn)單，所以本文采用經(jīng)典的Fratar法對(duì)換乘數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè). 假設(shè)地鐵西直門(mén)站3條線路的換乘客流量和進(jìn)出站流量增長(zhǎng)幅度與北京地鐵2號(hào)線、4號(hào)線、13號(hào)線3條線路總交通量增長(zhǎng)幅度一致. 同時(shí)，各線路客流量的增長(zhǎng)情況等價(jià)于地鐵西直門(mén)站各線路之間的交通發(fā)生量. 因此如果能夠獲取近10年來(lái)北京地鐵2號(hào)線、4號(hào)線和13號(hào)線的年客流量數(shù)據(jù)，便可以預(yù)測(cè)2020年各線路的客流量數(shù)據(jù)，然后比較目標(biāo)年和基礎(chǔ)年的客流量數(shù)據(jù)便可以得到增長(zhǎng)率. 圖2展現(xiàn)了2003—2012年3條線路客流量變化情況.

圖2 2號(hào)線、4號(hào)線和13號(hào)線在2003—2012年 客流量變化情況

2020年在不進(jìn)行大規(guī)模建設(shè)的前提下，換乘設(shè)施的服務(wù)能力沒(méi)有太大變化. 但是各電梯承載的客流量發(fā)生了較大的變化，如表5中的預(yù)測(cè)客流量，以設(shè)施利用率為標(biāo)準(zhǔn)判斷哪些設(shè)施服務(wù)能力不足，便于后期的設(shè)計(jì).

由于2020年客流量的增加，有一些換乘設(shè)施將無(wú)法滿足使用要求. 因此，將不符合要求的設(shè)施總結(jié)如表6.

各個(gè)設(shè)施的位置如圖3所示，圖中黑色樓梯即為不符合要求的設(shè)施.

表5 2020年通行類換乘設(shè)施屬性和利用率數(shù)據(jù)

表6 2020年不符合要求的通行類換乘設(shè)施

圖3 2020年不符合要求的通行類換乘設(shè)施

由表6可知，1號(hào)樓梯、13號(hào)樓梯、15號(hào)樓梯和17號(hào)樓梯的設(shè)施利用率都超過(guò)了1.0，設(shè)施的服務(wù)能力將出現(xiàn)很大的不足. 3號(hào)自動(dòng)扶梯1∥2指的是，目前運(yùn)行1臺(tái)自動(dòng)扶梯，另有一臺(tái)正在建設(shè)，等到2020年其服務(wù)能力會(huì)是16 200，利用率為91%. 而17號(hào)樓梯承擔(dān)了所有進(jìn)站口和2號(hào)線及4號(hào)線通往13號(hào)線站臺(tái)的客流量，但該樓梯只有2個(gè)2 m樓梯，觀測(cè)顯示該樓梯客流行動(dòng)緩慢，往往是上一個(gè)高峰還沒(méi)結(jié)束下一個(gè)高峰就又到來(lái)，設(shè)施負(fù)擔(dān)非常重，因此此處應(yīng)當(dāng)增加1部自動(dòng)扶梯或者增加2個(gè)2 m樓梯. 1號(hào)樓梯共有6組，每組1.2 m，目前使用中的只有5組，該組樓梯共有8級(jí)，坡度較緩，因此雖然客流量較大，但是并不一定會(huì)出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象.

2 瓶頸設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

由于地鐵西直門(mén)站建成較早，基本的換乘設(shè)施已經(jīng)建設(shè)完成，因此在進(jìn)行換乘設(shè)施的改善設(shè)計(jì)中盡量避免大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè). 為達(dá)到標(biāo)志標(biāo)線引導(dǎo)、交通管理與控制和設(shè)施建設(shè)相結(jié)合，同時(shí)盡可能引導(dǎo)客流單向組織，避免雙向混行的目的，設(shè)計(jì)方案如下.

方案1：在2號(hào)線站臺(tái)中段換乘4號(hào)線的樓梯處增加引導(dǎo)標(biāo)志，將部分2號(hào)線換乘13號(hào)線的乘客引導(dǎo)至4號(hào)線站臺(tái)，與4號(hào)線客流匯合，沿11號(hào)和4號(hào)樓梯進(jìn)入13號(hào)線換乘通道. 合理調(diào)整高峰時(shí)段的發(fā)車(chē)間隔，錯(cuò)開(kāi)2號(hào)線雙向列車(chē)的到站時(shí)間，另外，還需要在2號(hào)線南廳處增設(shè)可變信息電子引導(dǎo)標(biāo)志，可以將高峰時(shí)段部分2號(hào)線轉(zhuǎn)4號(hào)線乘客引導(dǎo)至2號(hào)線南端，通過(guò)環(huán)形換乘通道換乘至4號(hào)線.

本方案減少了由2號(hào)線北端換乘13號(hào)線的乘客，降低了6號(hào)、2號(hào)和12號(hào)樓梯的負(fù)荷，同時(shí)提高了3號(hào)、4號(hào)樓梯的設(shè)施利用率，提高了其通行效率. 但是本方案也增加了14號(hào)樓梯和11號(hào)樓梯的壓力，增加了4號(hào)線站臺(tái)的客流量. 所以還需要2號(hào)線和4號(hào)線列車(chē)的發(fā)車(chē)間隔相協(xié)調(diào).

方案2：13號(hào)線換乘2號(hào)線和4號(hào)線的通道中增加2個(gè)設(shè)施，其一位于1號(hào)線和4號(hào)線分流處，增加1處通道通往2號(hào)線北廳樓梯. 其二位于13號(hào)線換乘2號(hào)線中段，增加1處樓梯直接通往4號(hào)線. 同時(shí)，12號(hào)樓梯應(yīng)當(dāng)增加引導(dǎo)標(biāo)志，將其樓梯1.5 m設(shè)為自北向南單向通行，專為13號(hào)線轉(zhuǎn)2號(hào)線設(shè)計(jì). 2號(hào)線增加引導(dǎo)標(biāo)志，將2號(hào)線換乘13號(hào)線客流引導(dǎo)至南廳通過(guò)環(huán)形換乘通道與4號(hào)線換乘客流匯合，換乘到13號(hào)線. 其位置如圖4所示.

圖4 新增設(shè)施位置立體圖

設(shè)置這一通道的目的在于緩解16號(hào)樓梯、自動(dòng)扶梯和13號(hào)樓梯、11號(hào)和15號(hào)樓梯的壓力，提高西南換乘通道設(shè)施利用率，同時(shí)提高4號(hào)樓梯和3號(hào)自動(dòng)扶梯的效率.

方案3：開(kāi)通西北環(huán)形換乘通道，在2號(hào)線換乘13號(hào)線合流位置增加引導(dǎo)標(biāo)志，將部分換乘13號(hào)線客流引導(dǎo)至4號(hào)樓梯，與4號(hào)線換乘13號(hào)線乘客合流. 這樣不僅可以增加4號(hào)線換乘2號(hào)線的路線選擇，又能分擔(dān)2號(hào)線換乘13號(hào)線客流，減小6號(hào)樓梯和2號(hào)樓梯的壓力.

以上3條方案不是相互獨(dú)立的，應(yīng)當(dāng)組合使用.

現(xiàn)有設(shè)施和設(shè)計(jì)后的設(shè)施布局圖如圖5和圖6所示.

圖5 現(xiàn)有換乘設(shè)施布局圖

圖6 設(shè)計(jì)換乘設(shè)施布局圖

3 結(jié)論

本文以北京地鐵西直門(mén)站的換乘設(shè)施為研究對(duì)象，經(jīng)過(guò)調(diào)查判斷設(shè)施利用率，進(jìn)行換乘設(shè)施服務(wù)能力和交通需求之間的匹配性研究，最后實(shí)現(xiàn)換乘設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計(jì). 本文在對(duì)西直門(mén)站換乘設(shè)施的設(shè)計(jì)中增加了1段通道和1個(gè)樓梯，配以各線路的管控手段，對(duì)于解決部分設(shè)施服務(wù)能力不足的問(wèn)題具有明顯的作用. 同時(shí)，本文中調(diào)查數(shù)據(jù)不夠充實(shí)，可能導(dǎo)致較大的隨機(jī)誤差. 今后的研究可以對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真，更好地觀察優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)換乘設(shè)施的改善程度.

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Analyzing the Efficiency of Transfer Facilities in Subway Station Based on the Compatibility of Traffic Volume

LI Cheng-gang, WANG Wu-hong, JIANG Xiao-bei, YAO Li-ya

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081，China)

Transfer stations are the nodes of the urban rail transport network, which directly determines the efficiency of the system. Passengers transfer efficiency is related not only to hub station siting but also related to transfer facilities service capacity and the level of service. This research used the data from the Beijing Xizhimen subway station transfer facilities; the projected traffic volume in the target year was used to research the compatibility of transfer facilities service capacity and the traffic demand, estimate the transfer efficiency in terms of convenience, and optimize the design of transfer facilities.

urban rail transit; the compatibility of traffic volume; transfer facilities; optimal design

10.13986/j.cnki.jote.2015.03.010

2014- 10-30.

李成剛(1990—)， 男， 碩士研究生， 研究方向?yàn)榻煌ò踩? E-mail: elane100@163.com

U 231+.4

A

1008-2522(2015)03-45-07