城市軌道交通樞紐客流仿真研究

摘 要： 隨著我國(guó)交通現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)和乘客對(duì)出行便捷化的要求，城市交通客流樞紐已成為發(fā)展趨勢(shì)?；诔鞘熊壍澜煌ㄕ緝?nèi)客流量調(diào)查分析，分別針對(duì)正常和高峰時(shí)期客流情況來(lái)制定疏散客流措施，同時(shí)建立了出入口、閘機(jī)和列車三大樞紐系統(tǒng)，研究結(jié)果表明客流仿真系統(tǒng)能夠改善站內(nèi)空間分布，可以有效解決擁堵問(wèn)題并提高乘客的換乘效率，為推動(dòng)我國(guó)軌道交通現(xiàn)代化建設(shè)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞： 軌道交通; 客流樞紐; 信息傳輸; 仿真系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TP 393文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Study on Passenger Flow Simulation of Urban Rail Transit Hub

TANG Yifan

（Xian Traffic Engineering Institute transportation college， Xian， Shanxi 710000， China）

Abstract： With the advancement of China's transportation modernization process and the demand for passengers in travel， the urban transportation network hub has become a development trend. Based on the analysis of passenger flow in urban rail transit stations， this paper develops evacuation passenger flow measures for normal and peak passenger flow conditions. According to the three hub systems of entrances， gates and trains， the results show that the passenger flow simulation system can improve the spatial distribution of stations. It can effectively solve the congestion problem and improve the passenger transfer efficiency， and provide technical support for promoting the modernization of China's rail transit.

Key words： rail traffic; passenger hub; information transfer; simulation system

0 引言

城市軌道交通站內(nèi)的客流樞紐系統(tǒng)，不僅分散了人流量，而且改善了站內(nèi)空間的擁堵?tīng)顩r。在軌道交通中建立該系統(tǒng)，首先需要引進(jìn)并提升新的交通設(shè)施，其次保障客流樞紐內(nèi)每一個(gè)組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，還需要采取高效的方式來(lái)緩解短時(shí)間客流激增帶來(lái)的矛盾，其中最重要是提供旅客乘車的便捷性和換乘的高效性，且達(dá)到現(xiàn)代化交通高效運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)軌道交通樞紐出現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)變化、乘客數(shù)量改變、交通線路更新、儀器設(shè)備換代等一系列突變狀況，此時(shí)站內(nèi)樞紐對(duì)客流結(jié)構(gòu)改變應(yīng)對(duì)能力不夠，如果趕上假期或大型活動(dòng)、客流出行和返程人數(shù)激增，軌道交通樞紐系統(tǒng)所顯現(xiàn)的問(wèn)題更大，若問(wèn)題沒(méi)有得到有效解決，必將導(dǎo)致交通系統(tǒng)癱瘓[1]。因此建立客流仿真系統(tǒng)對(duì)緩解城市軌道交通擁堵現(xiàn)象具有重要意義。

1 城市軌道交通客流仿真概況

1.1 正常時(shí)期客流仿真

正常時(shí)期客流仿真通過(guò)乘客在站內(nèi)的整體布局，以客流仿真樞紐的配置和設(shè)施為基礎(chǔ)發(fā)揮作用，該系統(tǒng)在正?？土髑闆r下，根據(jù)站內(nèi)樞紐設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，借助平臺(tái)監(jiān)測(cè)、信息反饋、指令傳輸?shù)裙δ軐?shí)現(xiàn)客流仿真[2-3]。同時(shí)城市軌道交通系統(tǒng)對(duì)客流分布情況具有支配作用，結(jié)合乘客對(duì)目的地的選擇進(jìn)行線路交通優(yōu)化，且將站內(nèi)客流實(shí)時(shí)概況進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和反饋內(nèi)容，形成基于正常時(shí)期客流仿真概況。

1.2 高峰時(shí)期客流仿真

高峰時(shí)期客流仿真系統(tǒng)是基于站內(nèi)乘客流量增加而進(jìn)行的，如果城市軌道交通遇到節(jié)假日、緊急突發(fā)情況，該仿真系統(tǒng)根據(jù)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)站內(nèi)客流空間分布情況，制定站內(nèi)高峰時(shí)期的措施和決策，可以有效進(jìn)行站內(nèi)客流疏散狀況[4-5]。高峰時(shí)期仿真系統(tǒng)對(duì)于外部接口具有兼容性，每一個(gè)乘客可以選擇距離自己最近的站內(nèi)出入口，若遇到緊急危險(xiǎn)情況，該系統(tǒng)會(huì)根據(jù)站內(nèi)的結(jié)構(gòu)布局，為乘客選擇就近的安全出口。

1.3 客流疏導(dǎo)仿真

城市軌道交通系統(tǒng)中某個(gè)站臺(tái)或者換乘站點(diǎn)在較短時(shí)間聚集了較大的人群，車站的承載能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠滿足站內(nèi)客流要求，隨著人群的數(shù)量持續(xù)攀升，如果不采取有效的防范措施，將很容易導(dǎo)致?lián)Q乘站點(diǎn)癱瘓，無(wú)法滿足交通站點(diǎn)換乘需求，嚴(yán)重情況甚至發(fā)生踩踏事故，危及站內(nèi)乘客的人生安全。因此，針對(duì)換乘站點(diǎn)客流急劇增加，有必要采用軌道交通系統(tǒng)列車組織優(yōu)化和站點(diǎn)客流控制對(duì)客流進(jìn)行疏導(dǎo)仿真。

2 軌道交通客流仿真模型和計(jì)算方法

選用軌道交通客流模型需同時(shí)滿足離散學(xué)、人工智能學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)，且建立的模型之間可以相互建模，所建的模型可支持站內(nèi)客流動(dòng)態(tài)仿真[6]。

2.1 客流仿真模型

軌道交通正常時(shí)期客流仿真是基于乘客在交通系統(tǒng)內(nèi)離散事件進(jìn)行仿真，在客流離散事件中，建立的仿真模型由乘客在站內(nèi)通過(guò)時(shí)間所決定。每一個(gè)事件發(fā)生代表仿真站點(diǎn)數(shù)據(jù)改變，正常時(shí)期的客流仿真按照建立模型的流程進(jìn)行。

2.2 客流仿真計(jì)算方法

客流仿真的計(jì)算方法主要根據(jù)站內(nèi)行人移動(dòng)速度和時(shí)間進(jìn)行，同時(shí)依靠客流仿真模型。在計(jì)算過(guò)程中需考慮行人之間的空間位置、行人速度和通過(guò)實(shí)踐、行人之間是否有相互干擾、行人相互之間的作用力和加速力[7-10]。結(jié)合仿真流程計(jì)算方程組如下：

式中rα為行人α的空間位置向量;Vα（t）為行人α的速度;fα（t）為社會(huì)力;εα（t）為反映隨機(jī)行為偏差的擾動(dòng)項(xiàng);f0α（Vα）為加速力;fαβ（rα）人與邊界之間的作用力;fαβ（rα，Vα，rβ，Vβ）行人α與其他行人β之間的作用力;fαi（rα，ri，t）行人之間吸引效果。

3 客流仿真動(dòng)態(tài)分析

3.1 客流動(dòng)態(tài)仿真流程

客流動(dòng)態(tài)仿真需遵循設(shè)定流程進(jìn)行，每一個(gè)仿真步驟都相互影響，軌道交通客流樞紐仿真從站內(nèi)乘客數(shù)據(jù)采集開(kāi)始需經(jīng)過(guò)九個(gè)步驟，在環(huán)境采集和結(jié)果分析中有影響因素制約，客流動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)用仿真技術(shù)，仿真結(jié)果需結(jié)合站內(nèi)區(qū)域密度、乘客步行速度和隊(duì)列長(zhǎng)度，且計(jì)算結(jié)果需進(jìn)行驗(yàn)證調(diào)試，客流動(dòng)態(tài)仿真流程如圖1所示。

在城市軌道交通樞紐客流仿真系統(tǒng)內(nèi)，乘客和列車作為最小的單元影響因子對(duì)客流仿真系統(tǒng)起著決定作用[11]。列車的軌道運(yùn)行一般都會(huì)制定相應(yīng)的運(yùn)行方案，軌道設(shè)計(jì)參數(shù)和平臺(tái)指令發(fā)送都對(duì)列車正常運(yùn)行有著制約影響，因此列車運(yùn)行的影響因素都是可控的。但乘客作為仿真系統(tǒng)的最小單元，受主觀因素影響具有較高的復(fù)雜性和多變性，由于站內(nèi)乘客的年齡組成不同，受身體和心理影響，乘客的步伐頻率和換乘速度也不盡相同，因此站內(nèi)乘客的影響因素都是多變且不可控的[12-14]。

針對(duì)站內(nèi)乘客多變因素的影響，進(jìn)行概率分布調(diào)查統(tǒng)計(jì)，以站內(nèi)乘客必經(jīng)的樓梯和通道為支撐，根據(jù)客流動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算方法，對(duì)站內(nèi)乘客的空間分布情況、人員行走速度及人流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，站內(nèi)乘客在水平通道和樓梯下行的人流量明顯高于樓梯上行，如表1所示。

4 客流仿真樞紐

乘客是站內(nèi)的最小單元，也是仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)樞紐[15-16]。采用點(diǎn)網(wǎng)分布模式將軌道交通的站內(nèi)設(shè)施以乘客為基礎(chǔ)進(jìn)行模型建立，將乘客視為站內(nèi)空間的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)在車站內(nèi)的出入口、閘機(jī)和列車之間發(fā)生著位移變化，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移的變化情況制定相應(yīng)措施，如客流高峰期會(huì)安排人員進(jìn)行客流引導(dǎo)，提高閘機(jī)出入口頻率和增加列車開(kāi)通次數(shù);若客流人數(shù)減少，站內(nèi)閘機(jī)和列車也會(huì)相應(yīng)減少。

4.1 出入口樞紐

城市軌道交通的出入口樞紐是乘客進(jìn)出車站的唯一途徑，也是客流仿真系統(tǒng)監(jiān)測(cè)人員流量的重要節(jié)點(diǎn)。乘客選擇進(jìn)入車站的方式有三種：通道、樓梯和自動(dòng)扶梯，三種進(jìn)出車站方式的人員流量也大不相同，根據(jù)站內(nèi)乘客分布統(tǒng)計(jì)，乘客在水平通道中的人員流量較高且密度較大，自動(dòng)扶梯的人員流量介于通道和樓梯之間。站內(nèi)出入口樞紐如圖2所示。

4.2 閘機(jī)樞紐

閘機(jī)樞紐是站內(nèi)客流仿真系統(tǒng)的連接組成部分為乘客進(jìn)出站提供服務(wù)，以閘機(jī)作為連接樞紐，乘客通過(guò)樓梯、通道和自動(dòng)扶手進(jìn)出站[17]，如圖3所示。

閘機(jī)的緊前連接點(diǎn)是通道，樓梯和自動(dòng)扶梯為閘機(jī)的緊后連接點(diǎn)，且乘客在閘機(jī)樞紐中的進(jìn)站方式為單向，以通道進(jìn)入閘機(jī)可分別到達(dá)樓梯和自動(dòng)扶梯節(jié)點(diǎn)，出站方式則恰好相反。

4.3 列車樞紐

列車樞紐是軌道交通客流仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，列車到站后，乘客可以通過(guò)樓梯和自動(dòng)扶梯兩種方式進(jìn)入列車;列車駛出站臺(tái)，乘客以同樣的節(jié)點(diǎn)方式離開(kāi)車站，因此乘客在列車樞紐的選擇具有可逆性[18]。列車作為客流的輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)，既提供了仿真系統(tǒng)在站內(nèi)人員流量信息采集，也方便乘客站內(nèi)出入的雙向選擇。列車樞紐如圖4所示。

5 總結(jié)

本文基于空間概率分布調(diào)查分析了站內(nèi)客流分布情況，提出了城市軌道交通客流仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以分散人員流量，還有效改善了站內(nèi)空間分布格局，同時(shí)以正常時(shí)期和高峰時(shí)期客流情況進(jìn)行仿真，針對(duì)節(jié)假日客流突變狀況能夠快速制定應(yīng)對(duì)措施，有效解決站內(nèi)客流擁堵?tīng)顩r。將乘客作為空間系統(tǒng)的最小單元，分析人員密度和流量與通道類型之間的關(guān)系，并建立三個(gè)客流仿真樞紐系統(tǒng)：出入口樞紐、閘口樞紐和列車樞紐，以此提高乘客站內(nèi)通行的高效性和站內(nèi)換乘的便捷性，為實(shí)現(xiàn)軌道交通智能化提供技術(shù)支持。

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（收稿日期： 2019.06.10）

作者簡(jiǎn)介：

唐藝凡 （1990-）， 女，碩士，助教，研究方向：交通信息工程及控制。