基于AnyLogic的蘭州西站客運(yùn)設(shè)備配置優(yōu)化仿真研究

宮宇姝

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司 線路站場(chǎng)設(shè)計(jì)研究院，北京 100071)

0 引言

現(xiàn)代鐵路客運(yùn)綜合交通樞紐涉及大量復(fù)雜的交通流線，車站的流線布置、工作流程、客運(yùn)設(shè)備的能力和配置的合理性是衡量客運(yùn)站客流組織水平的關(guān)鍵指標(biāo)。許多相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外學(xué)者都對(duì)客運(yùn)站的布局、旅客組織方法、流線設(shè)計(jì)等做了深入研究。Kitti等[1]從客運(yùn)樞紐流線組織的角度出發(fā)，通過(guò)分析換乘服務(wù)水平，對(duì)換乘設(shè)施建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)及乘客的期望值進(jìn)行研究，得出了不同條件下的旅客最優(yōu)占有空間。李得偉[2]針對(duì)大型鐵路客運(yùn)站旅客對(duì)售票設(shè)備的使用行為進(jìn)行分析，提出基于旅客行為微觀仿真的售票設(shè)備評(píng)估指標(biāo)體系，并建立仿真模型。李怡娜等[3]建立票務(wù)設(shè)備功能開(kāi)放配置模型，動(dòng)態(tài)優(yōu)化高速鐵路客運(yùn)站不同票務(wù)服務(wù)功能的設(shè)備配置，以最低的運(yùn)營(yíng)成本給旅客提供滿意的服務(wù)。李柱歡[4]建立基于AnyLogic仿真軟件的候車廳環(huán)境仿真模型，分析仿真結(jié)果，提出調(diào)整設(shè)備配置或改變行人流線的優(yōu)化方案，對(duì)比分析驗(yàn)證調(diào)整措施的可行性。陳震[5]針對(duì)實(shí)際運(yùn)營(yíng)組織工作和車站擴(kuò)能改造情況，建立高速鐵路客運(yùn)站通過(guò)能力與客運(yùn)設(shè)備能力匹配模型及評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建了確定客運(yùn)站能力瓶頸的仿真研究方法。以上學(xué)者的研究豐富了鐵路客運(yùn)站客流組織、旅客流線、設(shè)備運(yùn)用、行人仿真等方面的研究，但在設(shè)備運(yùn)用和流線優(yōu)化方面，并未將理論研究與微觀仿真很好地結(jié)合。為此，基于二階排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的流線模型所得的解析解作為微觀仿真的理論基礎(chǔ)，優(yōu)化進(jìn)站流線，運(yùn)用AnyLogic仿真平臺(tái)驗(yàn)證方案效率，直觀地觀察站內(nèi)客運(yùn)設(shè)備的排隊(duì)情況，為大型鐵路客運(yùn)站的運(yùn)營(yíng)管理提供理論依據(jù)。

1 基于二階排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)站流線模型

排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)是指由一些服務(wù)點(diǎn)和聯(lián)結(jié)它們的路徑所構(gòu)成的總體，即顧客在一個(gè)服務(wù)點(diǎn)接受完服務(wù)后按照一定規(guī)律沿路徑到下一個(gè)服務(wù)點(diǎn)接受服務(wù)[6]。將旅客購(gòu)票后進(jìn)站的流線看作一個(gè)二階排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)，第一級(jí)是購(gòu)票，第二級(jí)是安檢。旅客在車站的等待時(shí)間是衡量客運(yùn)站客流組織水平的重要指標(biāo)[7]，利用排隊(duì)論建立旅客平均等待時(shí)間模型。

1.1 鐵路客運(yùn)站旅客進(jìn)站流線劃分

從流程上看，旅客進(jìn)站分為購(gòu)票和安檢2個(gè)過(guò)程，如果旅客進(jìn)站時(shí)沒(méi)有車票，則通過(guò)人工售票和自動(dòng)取售票機(jī)售票2種方式進(jìn)行購(gòu)票，接著通過(guò)安檢后進(jìn)入候車區(qū)；或先通過(guò)安檢，進(jìn)站后購(gòu)票，再到達(dá)候車區(qū)。如果旅客進(jìn)站時(shí)就已經(jīng)持有車票，則直接通過(guò)安檢進(jìn)入候車區(qū)。只考慮購(gòu)票后繼續(xù)進(jìn)站的旅客，旅客進(jìn)站流線可以分為以下4類。進(jìn)站流線①：→人工服務(wù)窗口→實(shí)名制驗(yàn)票→安全檢查儀→。進(jìn)站流線②：→自動(dòng)取售票機(jī)→實(shí)名制驗(yàn)票→安全檢查儀→。進(jìn)站流線③：→安全檢查儀→自助取售票機(jī)→實(shí)名制驗(yàn)票→。進(jìn)站流線④：→實(shí)名制驗(yàn)票→安全檢查儀→。

1.2 基于二階排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)站流線模型

對(duì)客運(yùn)站旅客進(jìn)站的行為建立以下假設(shè)：旅客以參數(shù)為 λ(λ＞ 0)的 Poisson 流到達(dá)且服務(wù)臺(tái)相互獨(dú)立，分別以α1，α2，α3的概率選擇進(jìn)站流線①、進(jìn)站流線②、進(jìn)站流線③，α1+ α2+ α3= 1；人工服務(wù)窗口數(shù)量為c1，服務(wù)時(shí)間服從參數(shù)為μ1的負(fù)指數(shù)分布；自動(dòng)取售票機(jī)數(shù)量為c2，服務(wù)時(shí)間服從參數(shù)為μ2的負(fù)指數(shù)分布；安檢處數(shù)量為c3，服務(wù)時(shí)間服從參數(shù)為D的定長(zhǎng)分布；每級(jí)服務(wù)臺(tái)前排隊(duì)的等待規(guī)則為先到先服務(wù)(FCFS)，且系統(tǒng)容量無(wú)限大。

（1）進(jìn)站流線①由人工服務(wù)窗口和安檢二級(jí)服務(wù)臺(tái)串聯(lián)組成。第一級(jí)服務(wù)臺(tái)人工服務(wù)窗口視為多個(gè)服務(wù)器排隊(duì)系統(tǒng)(M/M/C)，旅客的平均到達(dá)率為α1λ，令時(shí)，排隊(duì)系統(tǒng)具有平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)時(shí)，進(jìn)站流線①中第一級(jí)服務(wù)臺(tái)前的排隊(duì)長(zhǎng)Lq1可表示為

式中：P0為進(jìn)站流線①的系統(tǒng)空閑概率，P0=

因此，進(jìn)站流線①中第一級(jí)服務(wù)臺(tái)前旅客平均等待時(shí)間Wq1可表示為

（2）進(jìn)站流線②由自動(dòng)取售票機(jī)和安檢2級(jí)服務(wù)臺(tái)串聯(lián)組成。第一級(jí)服務(wù)臺(tái)自動(dòng)取售票機(jī)視為多個(gè)服務(wù)器排隊(duì)系統(tǒng)(M/M/C)，旅客的平均到達(dá)率為當(dāng)ρ＜ 1時(shí)，排隊(duì)c2

系統(tǒng)具有平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)時(shí)，進(jìn)站流線②中第一級(jí)服務(wù)臺(tái)前的排隊(duì)長(zhǎng)Lq2可表示為

式中：P0'為進(jìn)站流線②的系統(tǒng)空閑概率，P0' =

因此，進(jìn)站流線②中第一級(jí)服務(wù)臺(tái)前旅客平均等待時(shí)間Wq2可表示為

（3）由于進(jìn)站流線①②③都要匯集到第二級(jí)服務(wù)(安檢)，因而第二級(jí)服務(wù)臺(tái)安檢處視為每人服務(wù)時(shí)長(zhǎng)固定排隊(duì)系統(tǒng)(M/D/C)，令當(dāng) ρ ＜ 1 時(shí)，c3排隊(duì)系統(tǒng)具有平衡狀態(tài)。在時(shí)間x內(nèi)旅客的平均等待時(shí)間分布 可表示為[8]

式中：Qkc3-1-n為第二級(jí)服務(wù)排隊(duì)系統(tǒng)內(nèi)有n個(gè)旅客的概率；k為用來(lái)限制時(shí)間x的系數(shù)，一般取自然數(shù)。

旅客在第二級(jí)服務(wù)臺(tái)前的等待時(shí)間可表示為E [Wq3(x)]。

由于選擇進(jìn)站流線①、進(jìn)站流線②、進(jìn)站流線③的概率之和為1，客運(yùn)站旅客進(jìn)站的平均等待時(shí)間Wq可表示為

2 蘭州西站高架層進(jìn)站區(qū)客運(yùn)設(shè)備配置優(yōu)化案例

2.1 蘭州西站概況

蘭州西站是西北地區(qū)最大的路網(wǎng)型客運(yùn)樞紐，是國(guó)內(nèi)一流的現(xiàn)代化大型綜合交通樞紐。目前主要承擔(dān)蘭新高速鐵路(蘭州西—烏魯木齊)、寶蘭客運(yùn)專線(寶雞—蘭州)、蘭州西站至中川機(jī)場(chǎng)的城際列車，以及部分經(jīng)由蘭州西站的普速列車旅客的集散任務(wù)，暫時(shí)開(kāi)放售票大廳1、高架層售票處3這2處售票窗口，A，B候車區(qū)每一時(shí)段均各開(kāi)放5個(gè)檢票口以滿足需求。

蘭州西站站房分為3層，分別是地下一層到達(dá)層，地面一層站臺(tái)層，地面二層出發(fā)層(高架層)。目前旅客進(jìn)站的通道有2條：一是乘坐公交車或步行到達(dá)車站的乘客，通過(guò)站臺(tái)層的A1進(jìn)站口進(jìn)站，經(jīng)過(guò)實(shí)名驗(yàn)票→安檢后，乘電梯到達(dá)高架層候車區(qū)候車；二是乘坐私家車或出租車到達(dá)車站的旅客，通過(guò)高架層的A2進(jìn)站口進(jìn)站，經(jīng)過(guò)取(購(gòu))票→實(shí)名驗(yàn)票→安檢后，到候車區(qū)候車。

通過(guò)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，高架層候車區(qū)高峰時(shí)段座位空閑率仍達(dá)到30%以上，候車區(qū)和檢票口處不會(huì)達(dá)到擁擠狀態(tài)，因而主要研究范圍是從旅客進(jìn)入進(jìn)站廳起，至安檢完進(jìn)入候車區(qū)前止，認(rèn)為這一段所耗時(shí)間是旅客最為關(guān)注的，將此區(qū)域定義為“進(jìn)站區(qū)”。

2.2 基于二階排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的高架層進(jìn)站區(qū)客運(yùn)設(shè)備配置優(yōu)化

蘭州西站旅客進(jìn)站流線包括第一級(jí)購(gòu)票和第二級(jí)安檢，高架層在客流高峰時(shí)段開(kāi)放人工服務(wù)窗口5個(gè)，自動(dòng)取售票機(jī)9個(gè)，安檢設(shè)備4個(gè)，高峰時(shí)段各處排隊(duì)現(xiàn)象較為嚴(yán)重。利用二階排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)流線模型，對(duì)蘭州西站高峰時(shí)段客運(yùn)設(shè)備配置進(jìn)行優(yōu)化，在不考慮設(shè)備和人員配置帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)消耗下，擬定優(yōu)化方案7個(gè)，對(duì)各個(gè)方案之間進(jìn)行對(duì)比，確定較為合理的設(shè)備配置?？瓦\(yùn)設(shè)備配置方案如表1所示。

表1 客運(yùn)設(shè)備配置方案 個(gè)Tab.1 Con fi guration plan of passenger transport equipment

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，統(tǒng)計(jì)蘭州西站高峰時(shí)段客流實(shí)際情況，并依據(jù)中國(guó)鐵路總公司對(duì)于售票服務(wù)等的規(guī)定，假設(shè)旅客服從參數(shù)為 λ (λ ＞ 0)的 Poisson 流到達(dá)車站，λ取30人/min；安檢處服務(wù)時(shí)間服從參數(shù)為D的定長(zhǎng)分布，D取2人/min；人工服務(wù)窗口服務(wù)時(shí)間服從參數(shù)為μ1的負(fù)指數(shù)分布，μ1取1.9人/min；自動(dòng)取售票機(jī)的服務(wù)時(shí)間服從參數(shù)為μ2的負(fù)指數(shù)分布，μ2取2.2人/min；將全部旅客按α1，α2，α3的概率選擇進(jìn)站流線①、進(jìn)站流線②、進(jìn)站流線③，α1取 0.3，α2取 0.5，α3取 0.2。

運(yùn)用MATLAB軟件求解得到不同方案下旅客進(jìn)站的平均等待時(shí)間。不同方案下旅客平均等待時(shí)間如表2所示。

表2 不同方案下旅客平均等待時(shí)間Tab.2 Waiting time of passengers under the different schemes

根據(jù)表2對(duì)不同優(yōu)化方案進(jìn)行比較分析如下。①方案4和方案3改善效果差別不大，而方案7比方案3改善效果明顯，說(shuō)明在增設(shè)一定數(shù)量的安檢設(shè)備下，增設(shè)人工服務(wù)窗口對(duì)降低平均等待時(shí)間的作用比增設(shè)自動(dòng)取售票機(jī)明顯。方案8和方案7效果差別不大，說(shuō)明在增設(shè)一定數(shù)量的安檢設(shè)備和人工服務(wù)窗口下再增設(shè)自動(dòng)取售票機(jī)，對(duì)降低平均等待時(shí)間的作用不明顯。②分別比較方案1和方案3，方案2和方案4，方案5和方案7，方案6和方案8，說(shuō)明在增設(shè)人工服務(wù)窗口的基礎(chǔ)上再增設(shè)安檢設(shè)備的作用大于在增設(shè)自動(dòng)取售票機(jī)的基礎(chǔ)上再增設(shè)安檢設(shè)備，并且在人工服務(wù)窗口和自動(dòng)取售票機(jī)數(shù)量不變下增設(shè)安檢設(shè)備，效果尤為明顯。③從優(yōu)化方案2至方案8的優(yōu)化結(jié)果和方案之間的互相對(duì)比可以得到，安檢處是影響流線中旅客進(jìn)站平均等待時(shí)間的主要環(huán)節(jié)，其次是人工服務(wù)窗口，最后是自動(dòng)取售票機(jī)。這為后續(xù)的仿真優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

2.3 蘭州西站進(jìn)站流線仿真

2.3.1 仿真模型的構(gòu)建和參數(shù)設(shè)置

根據(jù)旅客進(jìn)站方式和進(jìn)站區(qū)域，將客流分為從北A1進(jìn)站口、北A2進(jìn)站口2處進(jìn)站，并按站內(nèi)客運(yùn)設(shè)備服務(wù)的先后順序連接旅客出現(xiàn)區(qū)、旅客走行線、服務(wù)臺(tái)、旅客等待區(qū)等行人庫(kù)模塊，以及計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器等功能模塊，構(gòu)建包含進(jìn)站流線①、進(jìn)站流線②、進(jìn)站流線③在內(nèi)的旅客進(jìn)站仿真模型，模擬站內(nèi)環(huán)境，精細(xì)化客運(yùn)設(shè)備的擺放位置，還原進(jìn)站真實(shí)環(huán)境。

經(jīng)過(guò)處理現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，假設(shè)旅客服從參數(shù)為λ (λ ＞ 0)的 Poisson流到達(dá)車站，λ取 30人 /min；旅客行走的舒適速度為0.5 ～ 1 m/s，初始速度為0.5 ～ 0.7 m/s；每個(gè)人占地直徑為 0.4 ～ 0.5 m，到達(dá)容差為0.25 m，實(shí)名制驗(yàn)票時(shí)間取值范圍在2.0 ～ 3.0 s之間，安檢儀服務(wù)時(shí)間的取值范圍在20 ～ 25 s之間；站內(nèi)人工服務(wù)窗口的服務(wù)時(shí)間服從三角分布，三角取值40 s，60 s，80 s；自動(dòng)取售票機(jī)的服務(wù)時(shí)間同樣服從三角分布，三角取值20 s，25 s，30 s。此外，假設(shè)旅客站隊(duì)原則均為選擇最短隊(duì)列。

2.3.2 模型運(yùn)行及仿真結(jié)果

（1）模型運(yùn)行情況。當(dāng)仿真時(shí)間運(yùn)行至2 000 s時(shí)，仿真結(jié)果趨于穩(wěn)定，實(shí)名驗(yàn)票處和安檢處前排隊(duì)較長(zhǎng)，同時(shí)已經(jīng)與去往人工售票處3及自動(dòng)取售票機(jī)的流線造成了平面交叉，不僅延長(zhǎng)了旅客在站內(nèi)走行時(shí)間，而且影響客運(yùn)服務(wù)質(zhì)量。

（2）仿真結(jié)果輸出。①旅客在進(jìn)站區(qū)平均等待時(shí)間。通過(guò)仿真輸出的概率密度函數(shù)和積累分布函數(shù)形成的直方圖可知，旅客在高架層進(jìn)站區(qū)等待時(shí)間均值約為450 s，約50%的旅客在進(jìn)站區(qū)平均等待時(shí)間在7 min以內(nèi)。出發(fā)層進(jìn)站區(qū)等待時(shí)間均值約為310 s，由于時(shí)間較短，不做該區(qū)域的優(yōu)化。②人工服務(wù)窗口及自動(dòng)取售票機(jī)排隊(duì)長(zhǎng)度。當(dāng)仿真趨于穩(wěn)定時(shí)，售票處3人工窗口排隊(duì)長(zhǎng)度為3.2 m，自動(dòng)取售票機(jī)排隊(duì)長(zhǎng)度為2.8 m。③高架層自動(dòng)取售票機(jī)運(yùn)用效率。自動(dòng)取售票機(jī)的運(yùn)用效率反映著旅客在有取、購(gòu)票需求時(shí)，在衡量人工窗口及自動(dòng)取售票機(jī)的排隊(duì)長(zhǎng)度后，選擇到自助機(jī)上去自助操作的情況，自助機(jī)的運(yùn)用效率從側(cè)面反映了某一時(shí)段取、購(gòu)票旅客的需求量。通過(guò)機(jī)器的占用時(shí)間得出高架層自動(dòng)取售票機(jī)的運(yùn)用效率達(dá)到80%左右，即此時(shí)旅客取、購(gòu)需求量較大。

（3）仿真結(jié)果分析。綜合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況與仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，蘭州西站高架層進(jìn)站區(qū)主要存在以下問(wèn)題。①高架層進(jìn)站大門與實(shí)名驗(yàn)票、安檢處距離較短，客流高峰時(shí)段安檢處排隊(duì)人數(shù)較多，容易排到門口位置，造成進(jìn)站流線的平面交叉。②自動(dòng)取售票機(jī)由于擺放位置不明顯，導(dǎo)致使用效率不均衡，臨近安檢處的機(jī)器前排隊(duì)人數(shù)較多。③站內(nèi)標(biāo)志標(biāo)線及地面、墻面文字標(biāo)識(shí)不完善，旅客進(jìn)入進(jìn)站區(qū)后并沒(méi)有明顯的提示信息，且絕大多數(shù)旅客習(xí)慣向右側(cè)走，導(dǎo)致右側(cè)各項(xiàng)客運(yùn)設(shè)備均有排隊(duì)，而左側(cè)設(shè)備較為空閑的現(xiàn)象。

（4）客運(yùn)設(shè)備配置優(yōu)化仿真及結(jié)果。通過(guò)分析上述輸出的相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)及模型求解方案比對(duì)結(jié)果，根據(jù)蘭州西站現(xiàn)階段的實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)高峰時(shí)段安檢處和實(shí)名驗(yàn)票的排隊(duì)是影響旅客進(jìn)站速度的重要環(huán)節(jié)，其次是人工服務(wù)窗口、自動(dòng)取售票機(jī)?？紤]到運(yùn)營(yíng)成本問(wèn)題，仿真設(shè)計(jì)出以下方案。①方案A：僅增加2臺(tái)安檢儀、增加2個(gè)實(shí)名驗(yàn)票服務(wù)臺(tái)，其他設(shè)備保持原數(shù)量不變；②方案B：僅增加2個(gè)人工服務(wù)窗口，其他設(shè)備保持原數(shù)量不變；③方案C：僅增加2臺(tái)自動(dòng)取售票機(jī)，其他設(shè)備保持原數(shù)量不變。將以上3種方案中旅客所需的進(jìn)站時(shí)間進(jìn)行對(duì)比。運(yùn)行模型后，獲得方案A的仿真輸出結(jié)果：調(diào)整后的高架層進(jìn)站區(qū)所需時(shí)間均值約為350 s，約有60%的旅客在進(jìn)站區(qū)停留的時(shí)間不超過(guò)6 min即可進(jìn)入至候車區(qū)，進(jìn)站效率提升了22.2%。同理獲得方案B和方案C的仿真結(jié)果：方案B的高架層進(jìn)站區(qū)所需時(shí)間均值約為380 s，進(jìn)站效率提升約15.6%；方案C的高架層進(jìn)站區(qū)所需時(shí)間均值約為395 s，進(jìn)站效率提升約12.2%。通過(guò)對(duì)比仿真輸出結(jié)果可知，方案A的調(diào)整得到的效益最大。仿真結(jié)果表明：安檢處是影響流線中旅客進(jìn)站平均等待時(shí)間的主要環(huán)節(jié)，其次是人工服務(wù)窗口，最后是自動(dòng)取售票機(jī)。

3 結(jié)束語(yǔ)

大型鐵路客運(yùn)站是城市的門戶形象，其進(jìn)站效率離不開(kāi)對(duì)客服設(shè)備的合理配置，利用二階排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)流線模型結(jié)合AnyLogic仿真平臺(tái)研究客運(yùn)設(shè)備的運(yùn)用情況，發(fā)現(xiàn)安檢設(shè)備是旅客進(jìn)站通道的“瓶頸”，即增設(shè)安檢設(shè)備所節(jié)省的旅客進(jìn)站時(shí)間最多，其次為人工服務(wù)窗口及自動(dòng)取售票機(jī)。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)進(jìn)一步完善二階排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型的適用性，將其應(yīng)用到客運(yùn)站客流換乘、疏散等其他環(huán)節(jié)，仿真模型中涉及的參數(shù)可通過(guò)處理大量調(diào)研數(shù)據(jù)確認(rèn)合理取值，以提高模型的計(jì)算精度，為客運(yùn)站高峰時(shí)期、突發(fā)大客流等情況下的運(yùn)營(yíng)管理提供有效理論依據(jù)，更好地提升大型鐵路客運(yùn)站的服務(wù)水平。