基于AnyLogic 的蘭州西站客流換乘優(yōu)化仿真研究

楊楠

（中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司科技和信息化部 工程師，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

高鐵樞紐站是城市對(duì)內(nèi)對(duì)外的主要人流集散點(diǎn)和運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)，其客流組織優(yōu)化、換乘效率與城市總體交通系統(tǒng)服務(wù)水平關(guān)聯(lián)密切，也與站內(nèi)乘客安全息息相關(guān)。 站內(nèi)設(shè)施的布局及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都決定了旅客在站內(nèi)換乘的效率及舒適性，而乘客在不同服務(wù)設(shè)施處的路線選擇行為、排隊(duì)行為等也為樞紐內(nèi)的設(shè)施布局進(jìn)一步提供了理論依據(jù)。

國(guó)外專家對(duì)綜合交通樞紐內(nèi)部換乘的研究起步較早，Maged Dessouky 研究了怎樣能夠使鐵路客運(yùn)樞紐內(nèi)火車的進(jìn)站時(shí)間與換乘交通方式的發(fā)車間隔相協(xié)調(diào)，進(jìn)而降低乘客的換乘等待時(shí)間，提升鐵路客運(yùn)樞紐的換乘效率[1]；Fruin 對(duì)軌道交通樞紐內(nèi)換乘客流做了大量的調(diào)查，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，得出樞紐內(nèi)不同換乘設(shè)施同行人速度、密度、流量之間的關(guān)系[2]；Bates E.G 對(duì)城市綜合客運(yùn)樞紐旅客換乘人數(shù)與換乘設(shè)施規(guī)模及先進(jìn)性程度之間的能力匹配進(jìn)行了研究，分析了綜合客運(yùn)樞紐各種換乘設(shè)施應(yīng)配置的規(guī)模數(shù)目問(wèn)題[3]。 大部分國(guó)外研究者致力于站區(qū)位置選擇、設(shè)施布局優(yōu)化以及旅客換乘流線等方面的研究。 我國(guó)專家學(xué)者對(duì)于高速鐵路與地鐵的換乘銜接問(wèn)題的研究也正在逐步深入，李冰玉等對(duì)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)大客流擁堵傳播機(jī)理進(jìn)行了探討[4]；吳嬌蓉等對(duì)換乘旅客通過(guò)換乘設(shè)施間隔時(shí)間進(jìn)行了調(diào)查，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)檢票機(jī)與安檢儀的通行能力，分析了不同的旅客特征下?lián)Q乘設(shè)施的通過(guò)能力[5]；陸鋮提出運(yùn)用客服設(shè)備進(jìn)行站內(nèi)換乘， 建立了無(wú)障礙評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，并利用VISSIM 仿真軟件對(duì)北京南站站內(nèi)換乘行人進(jìn)行了仿真[6]；陳利紅闡述了宏觀、中觀、微觀的行人模型，比較了各個(gè)模型，運(yùn)用AnyLogic 對(duì)西安北大街換乘站進(jìn)行了仿真研究，找出瓶頸并提出優(yōu)化意見(jiàn)[7]。 我國(guó)研究者對(duì)于高速鐵路與地鐵的換乘銜接問(wèn)題的研究， 主要涉及軌道交通的內(nèi)部換乘優(yōu)化，旅客客流組織，客流、換乘匹配等宏觀問(wèn)題，在微觀上的研究還是相對(duì)較少。

蘭州市為狹長(zhǎng)的河谷型城市，蘭州西站為其境內(nèi)最大規(guī)模的路網(wǎng)型鐵路客運(yùn)樞紐站，也是目前蘭州市內(nèi)唯一的高鐵、地鐵換乘站，日客流量達(dá)5 萬(wàn)余人次。 對(duì)樞紐站的空間布局以及設(shè)施設(shè)備進(jìn)行合理的優(yōu)化，從而提高整個(gè)樞紐的換乘效率，對(duì)促進(jìn)城市規(guī)劃和區(qū)域內(nèi)綜合交通體系的完善都具有重要意義。

1 客流流線組織

車站的進(jìn)站客流在檢票前是較為分散的，旅客會(huì)根據(jù)自己的目的與行為習(xí)慣而選擇不同的走行路徑。 大多數(shù)客流的進(jìn)站流程是大致相同的，包括到站、問(wèn)詢、購(gòu)票、實(shí)名驗(yàn)票、安檢、候車、檢票乘車等， 部分已持票的旅客和不進(jìn)行托運(yùn)行李的旅客，會(huì)更加快捷地通過(guò)上述路程。 中轉(zhuǎn)旅客可以根據(jù)其換乘時(shí)間的長(zhǎng)短，自行選擇跟隨普通旅客檢票上車或者在站內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫換乘。 而出站旅客客流則為瞬時(shí)客流，呈脈沖式的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為短時(shí)人流量大，走行速度快，并在站前廣場(chǎng)迅速疏散。 旅客進(jìn)、出站流程如圖1 所示。

圖1 旅客進(jìn)、出站流程圖

本文以蘭州西高鐵站與地鐵的換乘客流為背景，蘭州西站換乘地鐵的客流需要先出站到北廣場(chǎng)然后換乘地鐵，采用站外換乘模式，客流流線上的設(shè)備主要有出站口、樓梯、自動(dòng)扶梯、售票口、安檢口和檢票口、地鐵站臺(tái)。 樓梯和扶梯是旅客在換乘過(guò)程中必須通過(guò)的設(shè)施，連接著不同的層面。

蘭州西客站中與本文相關(guān)的樓梯和自動(dòng)扶梯主要有：高鐵客流在下車后從站臺(tái)到出站口的樓梯與自動(dòng)扶梯，乘客檢票進(jìn)入付費(fèi)區(qū)后從檢票層進(jìn)入地鐵站臺(tái)層。 其中，乘客從站臺(tái)進(jìn)入出站通道的樓梯均為單向自上而下的設(shè)置，而地鐵口與地鐵付費(fèi)區(qū)內(nèi)的自動(dòng)扶梯有上有下，樓梯也是上下混行。 地鐵客流需乘坐扶梯或者走樓梯到達(dá)地鐵付費(fèi)區(qū)，然后乘坐兩層扶梯才能到達(dá)地面層，購(gòu)票進(jìn)站，再乘坐扶梯到達(dá)候車室。 其環(huán)境建模立體圖如圖2 所示。

圖2 蘭州西站環(huán)境建模立體圖

2 仿真參數(shù)分析及環(huán)境構(gòu)建

AnyLogic 軟件是一款以社會(huì)力模型作為基礎(chǔ)的仿真軟件，通過(guò)行人庫(kù)進(jìn)行客流仿真，利用模塊創(chuàng)建人行設(shè)施（如車站、出入口、通道等），通過(guò)改變參數(shù)控制行人的行為及設(shè)備通過(guò)能力等屬性，也可以用流程圖表達(dá)行人在仿真過(guò)程中的行為步驟，確定行走路線。 其行人庫(kù)的建模又包括行為建模和環(huán)境建模。

2.1 行人參數(shù)

2.1.1 行人尺寸人的最大體寬和最大體厚定義了行人尺寸，體現(xiàn)了行人站立時(shí)的空間占用情況， 在不同的季節(jié)、攜帶行李不同的情況下， 行人的尺寸也會(huì)發(fā)生變化。 本文中利用半徑來(lái)大概定義行人尺寸，考慮行李、著裝等，取行人半徑為0.45 m。

2.1.2 行人速度

行人速度主要受到旅客性別、年齡、身體狀況、行李大小等的影響，差異較大。 一般行人速度的統(tǒng)計(jì)是確定一塊直行區(qū)域，測(cè)量其長(zhǎng)度，然后統(tǒng)計(jì)行人從進(jìn)入到離開(kāi)的時(shí)間，得出行人的平均速度，通常采用下一公式：

式中：△l 表示旅客在區(qū)域內(nèi)的實(shí)際走行距離；V 表示旅客在區(qū)域內(nèi)的速度；t2表示旅客離開(kāi)區(qū)域的時(shí)間；t1表示旅客進(jìn)入?yún)^(qū)域的時(shí)間。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，旅客的走行距離平均值為1.32 m/s，本文設(shè)置為1.3～1.4 m/s。

2.1.3 攜帶行李情況

攜帶行李的大小能夠影響行人的空間占用情況以及行進(jìn)速度，對(duì)于客流流線上各個(gè)環(huán)節(jié)都有一定的影響。 經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在乘客中攜帶大型行李包裹的旅客約占44.6%，本文取45%。

2.1.4 行人結(jié)伴情況

結(jié)伴出行與單人的行動(dòng)特性稍有不同， 在行進(jìn)速度上要慢于單個(gè)行人， 且結(jié)伴行人存在著聚集分散再聚集的過(guò)程，在售票的服務(wù)過(guò)程中也存在差異。據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)伴行人數(shù)量約為總?cè)藬?shù)的1/4，其中兩人結(jié)伴約占60%，三人或三人以上結(jié)伴約占40%。

2.2 環(huán)境參數(shù)

蘭州西站出入口扶梯的參數(shù)為： 運(yùn)行速度0.65 m/s，高10 m，寬1 m，其對(duì)應(yīng)的通過(guò)能力分別是8 100 p/h 以及9 600 p/h。 一般情況下，實(shí)際通行能力約為理論通行能力的90%，即自動(dòng)扶梯載客輸送能力為：9 600*0.9=8 640 p/h。 樓梯則與自動(dòng)扶梯配合使用，臺(tái)階高度在135～150 mm,寬度在300～340 mm。 高峰時(shí)段，扶梯產(chǎn)生擁堵，舒適度降低，部分旅客會(huì)選擇通過(guò)樓梯上下。 而如果在此基礎(chǔ)上旅客繼續(xù)集結(jié)，超過(guò)扶梯的承受能力時(shí)，會(huì)出現(xiàn)擁堵的情況，甚至與之相互配合的樓梯也會(huì)發(fā)生排隊(duì)擁堵。

不同的人群選擇的購(gòu)票方式也有所不同，同時(shí)人工購(gòu)票窗口與自動(dòng)售票區(qū)也會(huì)產(chǎn)生交織干擾。 車站共設(shè)有74 個(gè)人工售票口和48 個(gè)自動(dòng)售票機(jī)，根據(jù)現(xiàn)有的研究以及實(shí)地考察統(tǒng)計(jì)，軌道交通人工售票口的平均服務(wù)時(shí)間在10～15 s 之間， 平均服務(wù)率為4.8 p/min，自動(dòng)售票機(jī)的平均服務(wù)時(shí)間是15～17 s，平均服務(wù)率為4 p/min。

地鐵由于人群不易疏散，安檢必不可少，而安檢成為限制換乘旅客速度的一個(gè)關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，在旅客行李安檢的過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)“行李等人”的情況，并且偶爾會(huì)出現(xiàn)拿錯(cuò)行李的情況，增加換乘時(shí)間。 根據(jù)已有研究和實(shí)際統(tǒng)計(jì)，攜帶行李的旅客通過(guò)安檢儀的最大通行能力是1 685 人/h，有大約9%的旅客沒(méi)有攜帶行李，所以每臺(tái)安檢儀的最大通過(guò)能力為1 852 人/h， 人均接受服務(wù)的時(shí)間為2.54 s。本文將每個(gè)人接受服務(wù)的時(shí)間設(shè)置在2～3 s 之間。

檢票區(qū)是分割站廳、站臺(tái)的區(qū)域，其通過(guò)能力根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行《規(guī)范》[8]規(guī)定及相關(guān)研究，確定旅客通過(guò)閘機(jī)的速度平均值為3～4 s 之間。

3 基于AnyLogic 的換乘客流仿真優(yōu)化

蘭州西站地上二層為候車層，東西兩側(cè)共有24個(gè)進(jìn)站口。 地上一層為站臺(tái)層，主要進(jìn)行售票、實(shí)名認(rèn)證以及檢票服務(wù)，目前有部分售票處尚未開(kāi)放。地下一層為出站層，有南北兩個(gè)出站口。蘭州西站內(nèi)部的設(shè)施數(shù)目和各設(shè)施屬性參數(shù)由表1、表2 給出。

表1 客運(yùn)服務(wù)設(shè)置數(shù)量表

表2 車站各環(huán)境設(shè)施仿真參數(shù)

各個(gè)行人個(gè)體選擇的行為方式復(fù)雜且隨機(jī)，人流中不同的行人有著不同的選擇，或選擇直接進(jìn)站候車，或去人工窗口售票，或去自助售取票，不同選擇的過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生行人流的交叉。 高鐵、地鐵的人流模塊分別如圖3、圖4 所示，行人參數(shù)設(shè)置則由表3 給出。

圖3 高鐵行人流線模塊

圖4 地鐵行人流線模塊

表3 行人各模塊參數(shù)

在完成設(shè)施布局建模和行人行為建模后，就可以開(kāi)始仿真實(shí)驗(yàn)，各場(chǎng)景如下：

場(chǎng)景一：模擬蘭州西站現(xiàn)狀下，旅客從高鐵換乘地鐵的流線，分析各設(shè)備的利用率以及旅客換乘的總時(shí)間。 蘭州西客站共有四個(gè)出站口，每個(gè)出站口設(shè)出站閘機(jī)四臺(tái)，仿真為簡(jiǎn)化模型，設(shè)置一個(gè)出站口。

場(chǎng)景二：模擬蘭州西站現(xiàn)狀下，旅客從地鐵換乘高鐵的流線，分析各設(shè)施的利用率以及旅客換乘的總時(shí)間。 蘭州西客站在出發(fā)層和候車層都設(shè)置了進(jìn)站口以及售票處，本文只考慮旅客從出發(fā)層進(jìn)站的情況。

場(chǎng)景三：模擬客流高峰大客流的情況下，蘭州西站高鐵與地鐵的換乘流線，分析設(shè)施的擁堵情況以及旅客換乘的總時(shí)間。

其中場(chǎng)景一與場(chǎng)景二同時(shí)驅(qū)動(dòng)，二者會(huì)相互影響產(chǎn)生交叉，場(chǎng)景三中的客流量由蘭州西客站的日最大聚集量所得， 流線上各設(shè)施的數(shù)目如表4 所示，仿真效果圖如圖5 所示。

表4 流線上各設(shè)備數(shù)目 個(gè)

圖5 旅客在出站口、安檢口、售票處的仿真效果

場(chǎng)景一仿真結(jié)果分析：在現(xiàn)狀下，旅客從高鐵下車到地鐵上車花費(fèi)的時(shí)間在6 min 到10 min 之間，平均值在8.5 min 左右。 行人在高鐵出站口和地鐵安檢口相對(duì)較為擁堵，各占40%與21%，各個(gè)服務(wù)環(huán)節(jié)的擁堵率如圖6 所示。

圖6 地鐵——高鐵各服務(wù)設(shè)施擁擠率

場(chǎng)景二仿真結(jié)果分析：在現(xiàn)狀下，旅客從地鐵下車到高鐵檢票進(jìn)站花費(fèi)的時(shí)間在10～17 min 之間，平均值在13.5 min 左右。 行人在地鐵出站口和高鐵安檢口以及高鐵認(rèn)證口相對(duì)較為擁堵， 各占26%、21.6%和21.9%， 各個(gè)服務(wù)環(huán)節(jié)的擁堵率如圖7 所示。

場(chǎng)景三仿真結(jié)果分析：當(dāng)客流量激增后，部分設(shè)施設(shè)備會(huì)出現(xiàn)大量排隊(duì)擁堵的情況，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部后期行人的換乘時(shí)間也大幅度地增長(zhǎng)，后期到達(dá)的旅客，換乘時(shí)間會(huì)較平時(shí)延遲6 min 左右，多處設(shè)施出現(xiàn)排隊(duì)聚集情況，在安檢口以及驗(yàn)票口最為嚴(yán)重，旅客換乘時(shí)間呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

圖7 高鐵——地鐵各服務(wù)設(shè)施擁擠率

根據(jù)以上仿真結(jié)果及存在的問(wèn)題，提出優(yōu)化措施如下：

1） 對(duì)于高鐵出站閘機(jī)， 在人流量大的時(shí)候，可以將閘機(jī)完全打開(kāi)， 減少旅客在閘機(jī)處的延誤時(shí)間，快速疏散客流。

2） 對(duì)于地鐵安檢口的行人擁堵，可以加開(kāi)一到兩個(gè)安檢口，提高區(qū)域的服務(wù)能力。 同樣的，在高鐵驗(yàn)票口與安檢口，也可以增加服務(wù)設(shè)施以提高旅客的通行能力。

3） 在通道內(nèi)部，加強(qiáng)站內(nèi)的流線導(dǎo)向，設(shè)置指示牌，引導(dǎo)旅客走向。 可以設(shè)置不同地標(biāo)，將不同的旅客進(jìn)行分流，規(guī)定其走行路線，減少流線的交叉。

4） 改變排隊(duì)的隊(duì)形走向，將直線型排隊(duì)方式改變?yōu)樯咝侮?duì)列，提高同等區(qū)域內(nèi)旅客的容納度。

5） 改變部分設(shè)施的空間布局。

在采取上述優(yōu)化措施后， 分別截取了仿真6 min 的高鐵換乘地鐵行人密度分布圖（圖8）以及仿真10 min 的地鐵換乘高鐵行人密度分布圖（圖9），未出現(xiàn)大量的排隊(duì)現(xiàn)象。 由于旅客在排隊(duì)時(shí)采取了蛇形隊(duì)列，減小了旅客的走行速度，且在高鐵出站的時(shí)候?qū)⑷ネ罔F、公交、出租車的流線進(jìn)行指引，較之未優(yōu)化前提高了旅客的疏散速度，減少了流線的交叉，也縮短了排隊(duì)等待行人的排隊(duì)長(zhǎng)度。

將地鐵售票處的售票位置進(jìn)行重新布局，減少了旅客的走行距離。 在仿真運(yùn)行一個(gè)小時(shí)后，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，旅客從高鐵下車到地鐵上車換乘所花費(fèi)的時(shí)間大概在8～12 min 之間，平均換乘時(shí)間為10 min，較未優(yōu)化前縮短了4 min；旅客從地鐵下車到高鐵進(jìn)站乘車所花費(fèi)的時(shí)間大概在10～16 min，平均換乘時(shí)間為13 min，較未優(yōu)化前縮短了3 min。顯然，優(yōu)化是有效果的。

圖8 高鐵換乘地鐵行人密度分布圖

圖9 地鐵換乘高鐵行人密度分布圖

4 結(jié)論

本文針對(duì)蘭州西客站的高鐵與地鐵換乘客流流線進(jìn)行仿真研究?jī)?yōu)化分析， 建立不同的場(chǎng)景模型，找出換乘流線組織的薄弱節(jié)點(diǎn)，提出優(yōu)化措施后并再次進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)， 獲得了較好的仿真結(jié)果，證明了優(yōu)化措施的可行性，也為蘭州西站應(yīng)對(duì)以后日益增長(zhǎng)的客流量提供了依據(jù)。