基于 Anylogic 仿真的蘭州西站客運樞紐換乘銜接優(yōu)化研究

王雪鑫，許得杰，曾俊偉，錢勇生，黃 宇

（1．蘭州交通大學 交通運輸學院，甘肅 蘭州 730070；2．蘭州職業(yè)技術學院 招生就業(yè)處，甘肅 蘭州 730070）

鐵路綜合客運樞紐是以鐵路為主連接各個交通方式的乘客集散重要場所[1]，在樞紐內會隨著列車時刻表產生大量的換乘旅客，如果對客流組織不當，使乘客無法得到及時換乘，將使得客流嚴重擁堵，容易造成安全隱患。由于實際中乘客的走行行為極為復雜，針對換乘樞紐內的銜接優(yōu)化主要采取仿真方式，將行人特性劃分為宏觀、中觀、微觀3個層面。宏觀層面通過擬合通道內行人的流量、密度、速度3個參數的特性，探討建立客流模型的優(yōu)劣[2-4]；中觀層面注重行人在短時間決策；微觀層面部分學者對行人的步速、主觀因素進行討論[5]。隨著仿真模型對行人的刻畫越加完善，微觀層次的研究提出行人不同的沖突狀態(tài)，包括同向、側向以及對向沖突[6]。為提升仿真的可信性，通常需要對實地進行調查，優(yōu)化當前換乘中存在的瓶頸問題，主要包括車站內部設施不合理、換乘流線設置有誤等[7-8]，在此基礎上為定量比較改善效果，一般選擇相應指標進行分析[9]。隨著蘭州地鐵1號線的建成，蘭州西站的客流組織變得更加復雜，而且由于蘭州站的運輸任務不斷向蘭州西站轉移，蘭州西站換乘面對早晚高峰時段的客流激增顯得應對不足。為解決蘭州西站換乘不便的問題，對其換乘周轉層內部不合理的組織進行改善，優(yōu)化客流流線，最終達到乘客順暢換乘的目的，最后選用Anylogic建立相應的仿真模型，該模型中行人庫模塊以社會力模型為基礎，可精確模仿行人特征[10]，選取區(qū)域客流密度、換乘疏散時間為指標，對比改善前后效果。

1 蘭州西站現狀

1.1 蘭州西站概況

蘭州西站位于七里河區(qū)西津西路，是我國西部最大規(guī)模的路網型鐵路客運樞紐站，該站總建筑面積約26萬m2，總規(guī)模13臺28線，投入運營的有13臺26線，由北至南分別為高速場與普速場，其中普速場貫通改建隴海鐵路(蘭州—連云港東)、蘭新鐵路(蘭州—阿拉山口)，共5臺11線，高速場貫通寶蘭客運專線(寶雞南—蘭州西)、蘭新鐵路第二雙線(蘭州西一烏魯木齊)，共8臺17線(含正線)。目前，蘭州西站日均辦理始發(fā)、中轉、終到列車共約160列，高峰期如“十一”長假期間，日到發(fā)旅客量均超過5萬人。

蘭州西站客運樞紐結合城市交通主干道以及城市軌道交通網絡，包含普速鐵路列車與高速鐵路列車、地鐵、出租車、公交車以及社會車輛等多種交通方式的換乘，是城市居民出行的大型集散地點，其功能格局為“南北地上進站、高架候車、地面出站、地下換乘”。 其中地上二層為高架候車層，其主要功能為候車、商務休閑。地上一層為站臺層，其主要功能為乘車集散區(qū)域。換乘周轉層為地下一層，換乘旅客從站臺通過東、西2個方向進行站內換乘或出站，這一層包括公交換乘通道、公共換乘區(qū)、地鐵換乘走道及出租車換乘區(qū)。蘭州西站換乘周轉層乘客換乘流線如圖1所示。圖中非換乘客流指站外進入西站客運樞紐的出行客流，換乘客流指客運樞紐內從高速鐵路、普速鐵路、城際鐵路換乘到地鐵等其他交通方式的客流。地下二層與三層分別為蘭州地鐵1號線與2號線的乘車場所。

圖1 蘭州西站換乘周轉層乘客換乘流線圖Fig.1 Lanzhou West Railway Station passenger transfer streamline diagram

1.2 換乘乘客特征

蘭州西站換乘客流大部分是來自于到站乘客，通過分析蘭州西站的列車時刻表，得到蘭州西站列車到達數量分布如圖2所示。

從宏觀角度分析其客流特征，由圖2可以看出，蘭州西站列車數量整體較多且分布不均勻，峰值出現次數較多。其中，乘客上下班早高峰，即7 ∶ 00—8 ∶ 00的時間段是一天內列車到達最集中的時間點，鐵路換乘旅客具有短時沖擊性特點，同時在早高峰時期，西站附近居民也需要到樞紐內進行乘車，此時，非換乘旅客與換乘旅客存在側向沖突的情況，如圖1中沖突點所示位置，此時蘭州西站客流流量較大、行人整體速度較低，換乘通道與安檢設施區(qū)的客流密度增大。解決車站擁堵問題，應考慮車站最擁堵的時段，因此解決高峰時段擁堵問題是解決車站擁堵問題的關鍵。

圖2 蘭州西站列車到達數量分布Fig.2 Trains arrived at Lanzhou West Railway Station

從微觀角度對客流進行分析，到站客流最明顯的特征為攜帶行李的旅客眾多，占全部旅客90%以上，并且大都結伴而行。攜帶行李的旅客主要有以下特征：首先此種旅客走行速度受行李的體積、重量、個數的影響，較正常旅客在軌道車站的步速1.0 ～ 1.3 m/s有不同程度的降低；其次攜帶行李的旅客在走行路徑的選擇上會傾向于自動扶梯或無障礙電梯；最后由于行李的影響，此類旅客在占地面積上，也會比普通旅客大，而占地面積會影響后行者與前行者之間的安全距離，從而影響整體旅客的走行速度。結伴而行的旅客與單個旅客存在明顯差異，主要表現在走行速度方面，單個旅客在走行中具有避免碰撞、步速較快的特征，結伴旅客在組內步速一致，但速度會整體低于單個旅客，同時在進行換乘安檢中，結伴而行的旅客存在組內一人過安檢后，在閘機外等候的情況，從而易造成客流的沖突。

1.3 存在問題

通過查看蘭州西站換乘周轉層平面圖和實地調查，發(fā)現目前蘭州西站在換乘中存在以下問題。

（1）引導標識不明確。經過上層自動扶梯進入換乘周轉層后，未對東、西方向換乘的常規(guī)公交車線路進行明確指示，使得部分乘客存在折返情況，即公交換乘區(qū)存在到達東方向車站后再去往西方向車站客流，此種折返極大影響行人的平均走行速度與換乘時間。

（2）高峰時期安檢閘機能力不足。蘭州西站可通過自動扶梯實現從站臺層進入換乘周轉層，在進入周轉層前設置10個安檢閘機，但在實際調查中發(fā)現部分閘機未投入使用，使得在閘機處存在排隊現象。同時部分旅客不會使用磁質車票通過閘機，使得整體旅客的通行速度有所降低。

（3）無障礙電梯組織不當。蘭州西站為方便旅客設置了無障礙電梯，除腿腳不便的乘客，部分行李過重的乘客也會選擇電梯，但未安排相關工作人員組織旅客進行有序的排隊，使得電梯前眾多旅客擁擠。

2 Anylogic仿真模型

2.1 仿真模型建立

首先需要對蘭州西站的換乘周轉層進行描述，以蘭州西站換乘周轉層平面圖為底圖，對其中關鍵設施進行建立，包括閘機位置確定、排隊路線、各方向行人產生和消失模塊設置、行人區(qū)域密度設置等；然后加入行人庫中的各邏輯模塊，邏輯設置主要為各方向客流在蘭州西站的流動為主，仿真模型相應模塊含義如表1所示，將各模塊進行邏輯連接和事件輸入，構成模型流程圖，完成模型的建立。仿真的數據取自實地調研及軟件自帶參數。由于乘客在換乘過程中不僅要求換乘走行時間短，并且在換乘舒適程度上也有要求，故以區(qū)域密度、客流全部到達目的地時間(換乘疏散時間)作為統(tǒng)計指標。

2.2 客流分支數的確定

通過調查問卷的方式，得到蘭州西站普通乘車旅客的不同出行目的交通調查數據，用于仿真模型中Pedselectoutput模塊的設置，由于所疏散的為早高峰時期客流，客流的出行目的在劃分上主要考慮，上學、上班、購物娛樂、就醫(yī)、旅游、其他6類，所占比例分別為32.34%，40.1%，13.63%，4.19%，3.11%，6.64%。通過調查蘭州西站周圍的交通環(huán)境，分析居民的出行目的，得知在早高峰期間需要在蘭州西站樞紐中進行乘車的旅客乘坐出租車的較少，大部分乘坐公共交通，并且在地鐵通車之后，大部分會選擇地鐵出行，故針對Pedselectoutput比例的設置更偏向于乘坐地鐵。

表1 仿真模型相應模塊含義Tab.1 Simulation module meaning

3 蘭州西站客流換乘分析

3.1 改善措施

（1）優(yōu)化導向標識。對西站的導向標識進行明確化，通過閘機后便指出東、西2個方向的具體公交車，以及地鐵1號、2號線的位置。同時增設2臺閘機，高峰時期備用。對于導向標識優(yōu)化主要體現在行人總體的速度上，可在仿真模型中調整Pedsource中行人舒適速度參數，優(yōu)化前為uniform(0.9，1.15)，優(yōu)化后設置為 uniform (0.95，1.2)[11]，其次由于導向不明，部分旅客存在折返情況，故優(yōu)化前在Pedselectoutput中設置10%的旅客到達錯誤的換乘地，并進行折返，至正確換乘地。閘機的增加可在Pedservice模塊將服務數與隊列數較改善前增加2。

（2）換乘客流與普通乘坐地鐵的乘客存在側向人流沖突的情況，應當利用隔離設備將兩股客流進行隔離，此種措施可以降低行人在聚散過程中的沖突交織概率。模型中可設置墻體將兩股客流分隔。

（3）無障礙電梯前應有工作人員組織旅客進行直線型排隊，可節(jié)省空間，避免客流沖突。此優(yōu)化措施可通過調整模型中Pedwait模塊，在優(yōu)化后設置行人在目標線上排隊等待，目標線設置在無障礙電梯旁。

3.2 改善方案比較分析

為驗證改善措施合理性，通過建立的仿真模型展示改善之前35.42 min運行狀況和改善之后35.83 min運行狀況的仿真圖分別如圖3、圖4所示。圖3的仿真時長為35.42 min，圖4仿真時長為35.83 min，可利用該參數記錄客流自產生時起至完全疏散的時間，作為換乘疏散時間。在仿真圖中行人流量密度的大小通過顏色深淺來表示，藍色為行人密度極低的區(qū)域，綠色對應低密度區(qū)域，黃色對應中密度區(qū)域，紅色代表高密度區(qū)域。仿真模型運行時將改善前和改善后的仿真都設置運行35 ～ 36 min之間，觀測3次區(qū)域密度值，其后使模型一直運行，直至客流從圖中完全消失，并觀測改善3次換乘疏散時間情況，計算改善前后的變化情況，改善前后的運行指標比較及變化情況如表2所示。

通過觀察改善前后的行人密度仿真圖可看出，改善之后黃色及紅色區(qū)域面積明顯減少。在換乘沖突處，改善之前東、西方向換乘客流與普通乘坐地鐵客流在仿真3 min時進行交匯，12 min時產生輕微擁堵，如圖3所示，35 min時兩股客流已產生較為嚴重的擁堵，此時區(qū)域客流密度達1.350人/m2，在52 min時擁堵面積達到最大，之后慢慢疏散。圖4所示，改善之后由于使用隔離設備使得兩股客流分離，減少了行人交織的區(qū)域，因而區(qū)域客流密度會有所降低。在無障礙電梯處，改善之前由于乘客未進行排隊使得整個通道呈現黃色偏紅色。改善之后，乘客在電梯前進行排隊進入，整個通道僅在排隊處顯示出線性的紅色，其余部分由改善前的紅色降至黃色甚至綠色。改善之前由于導向標志不明確，設置10%的乘客在公交換乘時出現折返，故在出租車換乘區(qū)前的通道處整體呈現為黃色，部分區(qū)域由于乘客間對向沖突而產生紅色，改善之后由于無折返情況，故通道內區(qū)域密度明顯減少。

客流在仿真75 min時達到產生上限，改善之前客流全部消失在仿真圖上的仿真時間為110.23 min，說明全部旅客換乘疏散時間為110.23 min，最后產生的旅客換乘疏散時間為35.23 min，通過優(yōu)化，旅客整體速度提升，無折返客流，擁堵面積減少，使得乘客及時得到疏散，改善之后全部旅客換乘疏散時間為93.21 min，最后產生的旅客換乘疏散時間為18.23 min，改善之后降低15.44%。

通過相關指標的比較分析，得出通過改善措施，南方向換乘地鐵區(qū)域客流密度、北方向換乘地鐵區(qū)域客流密度、無障礙電梯處通道區(qū)域客流密度分別降低53.26%，52.45%和42.53%，換乘疏散時間也減少17.02 min，結果表明通過改善措施可以減少擁擠程度，縮短換乘時間，改善措施確實有效。

圖3 改善之前35.42 min運行狀況的仿真圖Fig.3 Operating condition simulation 35.42min before optimization

圖4 改善之后35.83 min運行狀況的仿真圖Fig.4 Operating condition simulation 35.83min after optimization

表2 改善前后的運行指標比較及變化情況Tab.2 Comparison and change of operational indicators before and after optimization

4 結束語

鐵路客運樞紐內鐵路交通與城市軌道交通之間換乘銜接組織優(yōu)化，有利于減少乘客出行時間、提高樞紐的服務水平。蘭州地鐵1號線使得在蘭州西站客運樞紐的換乘銜接更加復雜，通過查看蘭州西站的換乘周轉層平面圖以及實地調研，發(fā)現旅客之間的側向沖突、無障礙電梯處的人流擁堵成為換乘的“瓶頸”，消除瓶頸可以有效提高乘客的換乘效率。Anylogic仿真模型可定量描述乘客在換乘中到達車站、檢票、等候等一系列交通活動鏈，對于瓶頸處的識別以及優(yōu)化效果可提供數據支撐。經過仿真模型驗證，蘭州西站改善措施可使換乘疏散時間減少17.02 min，使瓶頸區(qū)域客流擁擠程度均有所緩解。但是，在客運樞紐內乘客的換乘走行行為影響因素眾多，乘客的結伴行為除基本的swarm、chain等外還有眾多類型，并且行人在實際中的決策行為還有待進一步深入研究。