基于雙優(yōu)化流線的城軌車站客流仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐水雄，郭夢(mèng)倩，唐金金，張 濤，趙利強(qiáng)

（1.北京驛祿軌道交通工程有限公司，北京 101200；2.北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029；3.北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044）

在城軌車站的運(yùn)營(yíng)管理中，高峰時(shí)段客流積壓易造成站內(nèi)擁堵，給工作人員帶來巨大的客流管控壓力[1]。如何準(zhǔn)確掌握客流瓶頸分布，有效實(shí)施管控方案，是目前車站運(yùn)營(yíng)管理工作中的難點(diǎn)[2]。因此，亟須構(gòu)建一套客流仿真系統(tǒng)，對(duì)客流的動(dòng)態(tài)分布進(jìn)行推演，分析客流擁堵點(diǎn)，協(xié)助站務(wù)人員提出管控措施。

1 研究背景

對(duì)于城軌車站客流演化規(guī)律的研究，相關(guān)學(xué)者利用社會(huì)力模型描述乘客的微觀運(yùn)動(dòng)，推演客流變化規(guī)律，并不斷改進(jìn)和發(fā)展社會(huì)力模型。馬潔等人[3]建立基于危險(xiǎn)源的社會(huì)力模型，較好地再現(xiàn)了地鐵站臺(tái)層危險(xiǎn)突發(fā)事件下乘客疏散過程。何民等人[4]引入實(shí)時(shí)感知與避讓算法，對(duì)社會(huì)力模型進(jìn)行改進(jìn)，建立了同伴群步行結(jié)構(gòu)模型，對(duì)分析乘客運(yùn)動(dòng)時(shí)的行為特征具有一定的借鑒意義。李俊[5]利用場(chǎng)景中的障礙物生成路徑節(jié)點(diǎn)，通過最短疏散路徑改進(jìn)社會(huì)力模型，使人群疏散仿真更加真實(shí)。文獻(xiàn)[6]針對(duì)行人運(yùn)動(dòng)時(shí)的結(jié)伴問題，結(jié)合顆粒流理論改進(jìn)社會(huì)力模型，實(shí)現(xiàn)了考慮結(jié)伴行為的地鐵通道行人仿真，為通道內(nèi)行人組織提供指導(dǎo)。對(duì)于客流仿真系統(tǒng)的研究，文獻(xiàn)[7-10]分別利用AnyLogic、VISSIM、Pathfinder、Viswalk 等軟件搭建車站客流仿真系統(tǒng)。這些軟件雖然易于實(shí)現(xiàn)客流推演，但其底層行人仿真模型的準(zhǔn)確性不高，且不支持修改[11]，使二次開發(fā)功能受限，因而不能很好地滿足城軌車站客流仿真系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求。

基于上述分析，本文針對(duì)城軌車站場(chǎng)景復(fù)雜的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于雙優(yōu)化流線的城軌車站客流仿真系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱：車站客流仿真系統(tǒng)），并介紹了該系統(tǒng)在某地鐵站的仿真效果。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 邏輯架構(gòu)

車站客流仿真系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 車站客流仿真系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)層：提供輸入數(shù)據(jù)，包括仿真所需的客流數(shù)據(jù)和車站基礎(chǔ)配置數(shù)據(jù)。

（2）應(yīng)用層：加載系統(tǒng)所需的輸入數(shù)據(jù)，基于乘客仿真模型完成系統(tǒng)仿真場(chǎng)景的搭建、仿真計(jì)算、仿真控制、參數(shù)配置、仿真數(shù)據(jù)等信息的存儲(chǔ)。

（3）界面層：為操作人員提供人機(jī)交互界面，通過該界面實(shí)現(xiàn)仿真過程的可視化展示，以及仿真運(yùn)行狀態(tài)的控制。

2.2 功能架構(gòu)

車站客流仿真系統(tǒng)的功能包括車站二維場(chǎng)景仿真、仿真數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和仿真可視化展示，具體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 車站客流仿真系統(tǒng)功能架構(gòu)

（1）車站二維場(chǎng)景仿真：車站客流仿真系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中讀取客流、車站基礎(chǔ)配置、仿真模型參數(shù)等數(shù)據(jù)，根據(jù)車站站廳層和站臺(tái)層的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD，Computer Aided Design）圖搭建車站仿真場(chǎng)景。

（2）仿真數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：車站客流仿真系統(tǒng)將仿真過程中車站內(nèi)不同功能區(qū)在不同時(shí)間段的客流量、擁擠度、出入口客流量等數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析，為站務(wù)工作人員掌握客流分布、實(shí)施客流管控措施提供數(shù)據(jù)支持。

（3）仿真可視化展示：車站客流仿真系統(tǒng)通過人機(jī)交互界面展示仿真動(dòng)畫，直觀地顯示客流的動(dòng)態(tài)分布。同時(shí)，車站客流仿真系統(tǒng)具有仿真運(yùn)行狀態(tài)控制功能，并以圖表形式多維度展示仿真結(jié)果。

3 雙優(yōu)化流線設(shè)計(jì)

3.1 基于改進(jìn)社會(huì)力模型的局部流線優(yōu)化

作為微觀交通行為仿真模型，社會(huì)力模型可以準(zhǔn)確地反映乘客在車站內(nèi)的走行軌跡。在社會(huì)力驅(qū)動(dòng)下，乘客按照既定走行流線完成出行目的。但是，當(dāng)乘客按照既定流線行走時(shí)，難免與其他行人發(fā)生碰撞，因而需在局部范圍內(nèi)調(diào)整實(shí)際走行流線。考慮這一情況，車站客流仿真系統(tǒng)對(duì)社會(huì)力模型進(jìn)行改進(jìn)，在微觀層面上實(shí)現(xiàn)乘客對(duì)走行流線的動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而達(dá)到優(yōu)化局部流線的目的。

乘客的既定走行流線決定了社會(huì)力模型中自驅(qū)動(dòng)力的期望方向初始值，而期望方向的變化主導(dǎo)乘客的實(shí)際走行流線。因此，車站客流仿真系統(tǒng)在社會(huì)力模型的基礎(chǔ)上，利用啟發(fā)式算法[12]獲得期望方向初始值?？紤]乘客與其他乘客的碰撞位置必定在乘客前進(jìn)方向的視野范圍內(nèi)，因此，基于改進(jìn)社會(huì)力模型的局部流線優(yōu)化（簡(jiǎn)稱：局部流線優(yōu)化）通過增加乘客的碰撞約束距離di，對(duì)期望方向計(jì)算規(guī)則進(jìn)行改進(jìn)，使期望方向的選擇更加符合乘客真實(shí)的前進(jìn)方向。所增加的乘客碰撞約束距離di為

其中，αi為乘客i的走行方向，f(αi)為乘客i與其他乘客的首次碰撞距離；dmax為f(αi)的最大值，在數(shù)值上等于乘客i的視距。

在碰撞約束距離di的限制下，局部流線優(yōu)化計(jì)算乘客i在期望方向的唯一最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)流線方向的動(dòng)態(tài)調(diào)整。改進(jìn)后期望方向的唯一最優(yōu)解 α*為

其中，αdes為乘客i的局部流線方向。

乘客的碰撞行為對(duì)局部流線的影響不僅體現(xiàn)在改變乘客的期望方向，還體現(xiàn)在降低乘客的行走速度。為了降低碰撞產(chǎn)生的影響，車站客流仿真系統(tǒng)改進(jìn)了乘客的期望速度，使其在發(fā)生碰撞前降低自身行走速度。改進(jìn)后的期望速度唯一最優(yōu)解vdes為

由此可得，改進(jìn)后局部流線的乘客i的自驅(qū)動(dòng)力為

車站客流仿真系統(tǒng)通過改進(jìn)的社會(huì)力模型，對(duì)車站空間場(chǎng)景進(jìn)行建模。在乘客碰撞行為的影響下，該模型能夠計(jì)算出乘客的期望方向和期望速度的唯一最優(yōu)解，從而得到乘客自驅(qū)動(dòng)力的唯一最優(yōu)解。同時(shí)，該模型還計(jì)算乘客與單一障礙物W之間的排斥力，并求解乘客視野范圍內(nèi)所有障礙物排斥力的總和；計(jì)算乘客與任一行人j之間的相互作用力，并求解乘客視野范圍內(nèi)所有行人相互作用力的總和。由此可得，反映乘客運(yùn)動(dòng)規(guī)律的社會(huì)力為

改進(jìn)的社會(huì)力模型考慮了乘客的碰撞行為對(duì)局部流線的影響，能夠?qū)Τ丝驮诰植苛骶€的行走方向進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，更能反映高密度客流下乘客真實(shí)的走行規(guī)律。

3.2 基于可擴(kuò)展多層設(shè)計(jì)的全局流線優(yōu)化

多線換乘車站內(nèi)乘客走行流線的復(fù)雜性高，從全局層面來看，各類流線相互交織、相互影響，具體表現(xiàn)為：同一設(shè)施節(jié)點(diǎn)處涵蓋進(jìn)站、出站、換乘線路等多種走行流線，僅靠當(dāng)前設(shè)施節(jié)點(diǎn)無法確定乘客的來源與去向，也無法準(zhǔn)確判斷乘客所屬流線，導(dǎo)致乘客的走行軌跡與實(shí)際不符。

為了解決上述問題，車站客流仿真系統(tǒng)在單一交織流線的基礎(chǔ)上，通過多源節(jié)點(diǎn)屬性判別方法實(shí)現(xiàn)了流線在不同維度的分層處理，并支持層級(jí)擴(kuò)展，通過可擴(kuò)展多層流線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)全局流線優(yōu)化。多源節(jié)點(diǎn)屬性判別方法如圖3 所示。

圖3 多源節(jié)點(diǎn)屬性判別

車站內(nèi)全局流線分為進(jìn)站層、出站層、換乘層，層級(jí)屬性floor 分別對(duì)應(yīng)不同層級(jí)，其中，floor 為自然數(shù)。由于同一種設(shè)施設(shè)備會(huì)承載多種層級(jí)的乘客，如進(jìn)站、出站、換乘的乘客均需經(jīng)過連接站廳與站臺(tái)的自動(dòng)扶梯，因此，系統(tǒng)將同時(shí)承載多種層級(jí)乘客的設(shè)施設(shè)備定義為多源節(jié)點(diǎn)，其來源節(jié)點(diǎn)屬于集合{(x1,y1),(x2,y2),···,(xm,ym)}，其中，(xm,ym)表示第m個(gè)層級(jí)的來源節(jié)點(diǎn)。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)屬于集合{(p1,q1),(p2,q2),···,(pm,qm)}，其中，(pm,qm)表示第m個(gè)層級(jí)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)流線方向追溯多源節(jié)點(diǎn)的來源節(jié)點(diǎn)(xi,yi)，由于一個(gè)來源節(jié)點(diǎn)(xi,yi)與一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)(pi,qi)可組成一對(duì)節(jié)點(diǎn)，從而確定唯一層級(jí)floor，可避免直接搜索目標(biāo)節(jié)點(diǎn)無法確定層級(jí)的情況。多源節(jié)點(diǎn)屬性判別方法可以確定設(shè)施設(shè)備多源節(jié)點(diǎn)處乘客的層級(jí)屬性，使進(jìn)站層、出站層、換乘層等乘客的運(yùn)動(dòng)軌跡互不干擾，避免不同層級(jí)間流線交叉點(diǎn)對(duì)乘客運(yùn)動(dòng)方向的干擾，降低流線設(shè)計(jì)的耦合度。

對(duì)于地鐵換乘站而言，除了進(jìn)站層與出站層流線外，根據(jù)換乘線路數(shù)量，可劃分為若干個(gè)換乘層。考慮這一情況，車站客流仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多層流線具備可擴(kuò)展特性，即若該車站為n線換乘車站，則換乘層可擴(kuò)展至n層，全局流線可擴(kuò)展至n+2 層?；诳蓴U(kuò)展多層設(shè)計(jì)的全局流線優(yōu)化如圖4 所示。

圖4 可擴(kuò)展多層全局流線優(yōu)化

與單一交織流線相比，基于可擴(kuò)展多層設(shè)計(jì)的全局流線利用多源節(jié)點(diǎn)屬性判別方法實(shí)現(xiàn)了乘客的層級(jí)屬性判別，并支持自定義添加多層流線，實(shí)現(xiàn)了車站全局流線優(yōu)化，滿足不同車站仿真場(chǎng)景需求。

4 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

4.1.1 乘客仿真模塊

乘客仿真模塊包括乘客生成、乘客屬性配置、乘客仿真計(jì)算。乘客生成指調(diào)用軟件Java 的Random類的方法nextInt()在出入口產(chǎn)生一定數(shù)量的乘客。在系統(tǒng)中將抽象的乘客轉(zhuǎn)換為易于描述和操作的程序?qū)ο?，因此在站廳層二維場(chǎng)景客流動(dòng)態(tài)變化圖中用不同顏色的圓點(diǎn)表示不同類型的乘客，如圖5 所示，綠色表示進(jìn)站上車的乘客，紅色表示下車出站的乘客。換乘車站也可用其他顏色表示換入/出線路的乘客。

圖5 站廳層二維場(chǎng)景客流動(dòng)態(tài)變化

乘客屬性配置指的是乘客初始化參數(shù)的配置，包括乘客質(zhì)量、初始行走速度、前進(jìn)方向視野范圍等靜態(tài)屬性，以及當(dāng)前位置、目的地位置、期望方向、期望速度等動(dòng)態(tài)屬性。乘客屬性配置是乘客仿真模塊的計(jì)算基礎(chǔ)。乘客仿真模塊基于改進(jìn)的社會(huì)力模型，通過調(diào)用Java 類庫中的方法進(jìn)行修改和重寫乘客的動(dòng)態(tài)屬性，實(shí)現(xiàn)乘客運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的更新。讀取局部流線的起點(diǎn)和終點(diǎn)，計(jì)算乘客單步位移點(diǎn)，對(duì)單步位移點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)迭代，得到乘客在全局流線上的走行軌跡。

4.1.2 環(huán)境仿真模塊

環(huán)境仿真模塊主要用于車站仿真場(chǎng)景的繪制，以及各類設(shè)施設(shè)備的建模。環(huán)境仿真模塊還能設(shè)置自動(dòng)售票機(jī)、進(jìn)出站閘機(jī)、自動(dòng)扶梯、安檢機(jī)等多種設(shè)施設(shè)備的使用規(guī)則，例如，自動(dòng)售票機(jī)的單次服務(wù)時(shí)間、進(jìn)出站閘機(jī)的開閉狀態(tài)、自動(dòng)扶梯的運(yùn)行速度及最大承載人數(shù)、安檢機(jī)的服務(wù)效率等。

4.1.3 仿真運(yùn)行模塊

仿真運(yùn)行模塊具有客流數(shù)據(jù)加載、客流軌跡計(jì)算、仿真速度控制等功能，通過讀取數(shù)據(jù)庫的客流數(shù)據(jù)來建立乘客進(jìn)站時(shí)間與仿真動(dòng)畫幀數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。仿真運(yùn)行模塊還能夠按照進(jìn)站時(shí)間和進(jìn)站位置生成帶有屬性配置的乘客，并在對(duì)應(yīng)的動(dòng)畫幀處將乘客添加至車站客流仿真系統(tǒng)，以進(jìn)行客流軌跡計(jì)算。

客流軌跡計(jì)算是對(duì)乘客仿真模塊的單步位移按運(yùn)行幀數(shù)進(jìn)行迭代計(jì)算，通過連接乘客分段運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)全局流線，完成站內(nèi)走行過程。由于仿真時(shí)鐘對(duì)應(yīng)仿真運(yùn)行幀數(shù)，仿真倍速的控制可以通過修改每秒的運(yùn)行幀數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

4.1.4 界面設(shè)計(jì)模塊

車站客流仿真系統(tǒng)具有仿真過程可視化、仿真結(jié)果展示的功能，由界面設(shè)計(jì)模塊來實(shí)現(xiàn)。界面設(shè)計(jì)模塊由功能交互按鈕和仿真畫布兩部分組成。功能交互按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真運(yùn)行狀態(tài)的控制，包括開始、暫停、結(jié)束、一鍵仿真、倍速仿真、逐幀仿真等。仿真畫布以動(dòng)畫形式展示仿真過程，如車站二維場(chǎng)景和乘客走行過程。

4.2 系統(tǒng)功能

4.2.1 車站二維場(chǎng)景仿真動(dòng)畫

車站客流仿真系統(tǒng)通過接入乘客進(jìn)出站客流數(shù)據(jù)、上下車客流數(shù)據(jù)、車站基礎(chǔ)配置數(shù)據(jù)，按照真實(shí)比例繪制車站的二維平面圖，確定仿真模型參數(shù)。在雙優(yōu)化流線設(shè)計(jì)下，車站客流仿真系統(tǒng)基于改進(jìn)的社會(huì)力模型進(jìn)行乘客走行軌跡計(jì)算，二維場(chǎng)景客流動(dòng)態(tài)變化，如圖5 所示。

4.2.2 仿真運(yùn)行控制

為了對(duì)客流情況進(jìn)行快速推演，車站客流仿真系統(tǒng)設(shè)置了一鍵仿真和倍速仿真功能，支持客流快速推演；設(shè)置了逐幀仿真功能，支持精細(xì)化分析乘客的走行軌跡。此外，車站客流仿真系統(tǒng)還支持車站場(chǎng)景的更換、障礙物類型選擇、進(jìn)站客流量和下車客流量的添加。

4.2.3 仿真數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

（1）功能區(qū)客流量

車站客流仿真系統(tǒng)在仿真推演的同時(shí)，可實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)地鐵站內(nèi)各個(gè)功能區(qū)的客流變化情況。根據(jù)業(yè)務(wù)需求，車站客流仿真系統(tǒng)將地鐵站內(nèi)區(qū)域劃分為付費(fèi)區(qū)、非付費(fèi)區(qū)、出入口通道、設(shè)施設(shè)備區(qū)域、站廳過道、站臺(tái)候車區(qū)等多個(gè)功能區(qū)，按照一定時(shí)間間隔統(tǒng)計(jì)各功能區(qū)內(nèi)人數(shù)，為地鐵工作人員實(shí)施功能區(qū)客流管控提供數(shù)據(jù)支持。

（2）功能區(qū)擁擠度

車站客流仿真系統(tǒng)可根據(jù)功能區(qū)客流量與功能區(qū)面積的比值，計(jì)算該功能區(qū)擁擠度。當(dāng)該區(qū)域過度擁擠時(shí)，車站客流仿真系統(tǒng)產(chǎn)生客流報(bào)警，提示工作人員及時(shí)進(jìn)行客流管控疏導(dǎo)。

（3）出站客流量

車站客流仿真系統(tǒng)可統(tǒng)計(jì)運(yùn)營(yíng)當(dāng)日一定時(shí)間段內(nèi)出站客流量，展示各個(gè)出入口的客流承載壓力，評(píng)估和優(yōu)化重點(diǎn)出入口處的流線設(shè)計(jì)。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

本文將車站客流仿真系統(tǒng)應(yīng)用于某地鐵站，對(duì)其客流情況進(jìn)行仿真推演。車站客流仿真系統(tǒng)根據(jù)該站某常態(tài)工作日運(yùn)營(yíng)當(dāng)天的客流預(yù)測(cè)結(jié)果，自動(dòng)分析當(dāng)日客流分布情況，輸出的某時(shí)段站廳站臺(tái)客流分布熱力圖，如圖6所示。

圖6 某時(shí)段站廳站臺(tái)客流分布熱力圖

圖7 展示了各出入口實(shí)時(shí)擁擠度排名情況，其中，右側(cè)的數(shù)據(jù)表示出入口實(shí)時(shí)擁擠度；箭頭表示環(huán)比擁擠度趨勢(shì)，向上表示當(dāng)前時(shí)段的擁擠度增加，向下表示當(dāng)前時(shí)段的擁擠度降低。

圖7 各出入口實(shí)時(shí)擁擠度排名

車站客流仿真系統(tǒng)將車站重點(diǎn)區(qū)域劃分為多個(gè)功能性區(qū)域，不同功能區(qū)在未來2 h 內(nèi)的擁擠度預(yù)警如圖8 所示。當(dāng)擁擠度超過70%時(shí)，車站客流仿真系統(tǒng)產(chǎn)生預(yù)警，并按擁擠度程度，對(duì)不同等級(jí)的預(yù)警采用不同的顏色。同時(shí)，車站客流仿真系統(tǒng)還統(tǒng)計(jì)車站內(nèi)產(chǎn)生預(yù)警的功能區(qū)個(gè)數(shù)，以便及時(shí)提醒工作人員對(duì)相關(guān)功能區(qū)實(shí)施針對(duì)性管控措施。

圖8 車站功能區(qū)擁擠度預(yù)警

以功能區(qū)1 號(hào)線換乘通道為例，其未來一段時(shí)間內(nèi)的客流趨勢(shì)如圖9 所示，其中，藍(lán)色表示進(jìn)入功能區(qū)客流趨勢(shì)，黃色表示離開功能區(qū)客流趨勢(shì)，紅色表示通過1 號(hào)線換乘通道進(jìn)行換乘的客流趨勢(shì)。車站客流仿真系統(tǒng)通過預(yù)測(cè)客流變化趨勢(shì)，提前預(yù)測(cè)該區(qū)域是否會(huì)產(chǎn)生客流擁堵，以幫助站務(wù)人員制訂客流管控預(yù)案。

圖9 某功能區(qū)客流趨勢(shì)

根據(jù)客流推演結(jié)果，車站客流仿真系統(tǒng)得到各出站口客流量的分布情況，如圖10 所示。

圖10 各出入口出站客流量分布

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于雙優(yōu)化流線的城軌車站客流仿真系統(tǒng)，通過引入碰撞行為對(duì)社會(huì)力模型中乘客自驅(qū)動(dòng)力的影響，實(shí)現(xiàn)了局部流線的優(yōu)化，并通過可擴(kuò)展多層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了全局流線的優(yōu)化。車站客流仿真系統(tǒng)以某地鐵站為例進(jìn)行常態(tài)運(yùn)營(yíng)日客流仿真推演，展示車站客流熱力圖，并統(tǒng)計(jì)了站內(nèi)各功能性區(qū)域?qū)崟r(shí)客流量、擁擠度、預(yù)測(cè)客流演化趨勢(shì)、各出站客流量等指標(biāo)，幫助站務(wù)人員更好地進(jìn)行車站管理。未來，本文將針對(duì)大客流情況下的客流管控問題進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)客流的全方位感知與疏解。