老齡化背景下城軌換乘站客流組織仿真分析

段力偉，張開萍

(重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074)

根據(jù)第七次全國人口普查，2020年中國65歲及以上人口比重達到13.5%。2035年左右，60歲及以上老年人口將突破4億，在總?cè)丝谥械恼急葘⒊^30%，進入重度老齡化階段[1]。老年乘客比例增加對城軌車站運營的影響已不容忽視。在此背景下，2021年2月，中共中央、國務院印發(fā)了《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，指出要加強交通運輸人文建設(shè)，提高特殊人群出行便利程度和服務水平，健全老年人交通運輸服務體系，滿足老齡化社會交通需求，提升運輸服務人性化、精細化水平。因此，隨著客流規(guī)模逐漸變大，城軌運營不僅要考慮車站、線路、列車等客觀條件，還要考慮軌道交通乘客類型變化對站內(nèi)乘客運動帶來的影響，尤其是車站內(nèi)部發(fā)生乘客滯留或嚴重擁擠等問題。

隨著老年乘客比例增加，老年乘客出行問題逐漸受到大家的關(guān)注，秦華等[2]通過動態(tài)視野測試系統(tǒng)探究老年人夜間動態(tài)視野的變化。 Chen等[3]、 Hatamzadeh等[4]通過對重慶等特殊城市老年人上下樓梯的影響因素進行調(diào)查研究，分析老年人走行特性和不同環(huán)境下老年乘客的出行特征，為老齡化背景下城軌換乘站客流組織研究提供了理論依據(jù)。針對城軌站點客流組織題問,城軌換乘站內(nèi)行人運動受到諸多因素的影響，Bosina等[5]對現(xiàn)有文獻所提及的步行速度影響因素進行分析，并對所有可用的步行速度測量數(shù)據(jù)進行匯總，確定不同類別影響因素對步行速度所造成的影響程度，并給出同類別影響下不同因素的步行速度的參考值。Goyal 等[6]以印度德里地鐵站樓梯上的行人為研究對象。分析德里的3個地鐵車站行人在樓梯上的速度和流量的影響因素。為了進一步研究站內(nèi)客流組織問題，不少學者運用計算機軟件進行仿真分析，陳虹兵[7]利用行人仿真技術(shù)進行客流模擬，并對換乘通道進行服務水平評估并提出客流組織優(yōu)化建議。Li 等[8]也提出了基于社會力模型的微觀行人仿真，模擬地鐵站臺上乘客上下車方式，以此來探討不同客流條件下乘客行為對下車效率的影響。費爽等[9]利用行人仿真軟件北京某換乘站換乘系統(tǒng)客流組織進行仿真分析，通過辨識換乘擁堵點和擁堵原因分析，提出了擁堵點疏解方案。褚冬竹等[10]針對老年人群生理條件和行為特點與軌道交通換乘序列空間的矛盾進行相關(guān)研究。

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，在既有研究中主要對站內(nèi)乘客行動力影響的綜合影響因素展開分析，缺乏對特定因素和特定條件的量化分析，尤其是針對年齡這一重要影響因素。圍繞上述問題，現(xiàn)通過梳理乘客行動力影響因素以及乘客的行為特性和人群的交通流特性，考慮未來人口老齡化背景下乘客行動力所受影響，運用仿真平臺對換乘站乘客運動進行仿真實驗，通過對不同場景的仿真實驗，分析老年乘客比例對城市軌道交通站點內(nèi)行人運動的影響，為客流組織優(yōu)化提供依據(jù)。

1 乘客行動力影響因素分析

在城軌車站內(nèi)部，乘客走行過程是乘客行動力的外在表現(xiàn)，乘客在站內(nèi)都是采用步行的方式實現(xiàn)位移，因此乘客自身特性將對乘客在站內(nèi)的走行過程產(chǎn)生很大的影響。此外，由于站內(nèi)乘客聚集，行人間的交互作用也會對乘客行動力造成干擾。

根據(jù)文獻[2-3]等相關(guān)研究，站內(nèi)乘客行動力影響因素主要包括乘客性別、是否攜帶行李、出行目的。在城市軌道交通站點內(nèi)部男性的平均行走速度一般比女性高0.02～0.15 m/s，攜帶大型行李的乘客行走速度約為標準值的97%。同時以通勤通學為目的的乘客對軌道站內(nèi)的環(huán)境熟悉，對通勤時間把控嚴格，且攜帶行李少，走行速度較快；以休閑娛樂為目的的乘客，對整體出行時間和限制沒有明確要求，走行速度適中；而長途旅行者，攜帶行李較大導致走行速度較慢。

需要指出的是，年齡作為影響乘客行動力的重要因素，隨著人口老齡化比例不斷增加，軌道交通站內(nèi)老年乘客比例也將逐漸增多，對車站運營組織的影響不容忽視。

老年乘客對站內(nèi)乘客行動力的影響主要分為兩個方面，一是自身行動力會因為生理特征改變而受到影響，二是老年乘客對走行環(huán)境和走行空間有更高的要求，因此會對身邊其他乘客產(chǎn)生影響。通過對老年乘客生理特征的分析發(fā)現(xiàn)老年乘客不僅自身運動速度較青年乘客緩慢，對空間的需求和反應時間也和青年乘客有差異，進而導致?lián)Q乘站內(nèi)客流狀態(tài)受到影響[11-14]，具體表現(xiàn)如圖1所示。

圖1 老年乘客對城軌站內(nèi)乘客行動力影響因素分析Fig.1 Analysis of the influencing factors of elderly passengers on passenger mobility in urban rail stations

通過把乘客年齡分為兒童、青少年、青年、中年、老年5個年齡段，不同年齡段的乘客行動力有所區(qū)別[6]。根據(jù)文獻[12]相關(guān)研究顯示，綜合考慮城軌換乘站內(nèi)環(huán)境，將站內(nèi)乘客分為慢性、普通、快行三類，以行人標準速度1.34 m/s為參考值，對各種影響因素對速度的影響程度修正得到各類乘客走行速度如表1所示。

表1 乘客類別及走行速度Table 1 Passenger category and travel speed

2 老年人運動特征數(shù)據(jù)采集與分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

為進一步研究老年人運動特征，對城軌換乘站內(nèi)乘客走行速度進行數(shù)據(jù)采集。以重慶市軌道交通某換乘站為研究對象分別采集站內(nèi)老年乘客和非老年乘客的走行速度。在該站點內(nèi)設(shè)置4個數(shù)據(jù)采集點，分別采集站廳層、站臺層1、站臺層2的乘客的走行速度。數(shù)據(jù)調(diào)查采用人工計時法和視頻調(diào)查法相結(jié)合，數(shù)據(jù)采集時間為工作日8：30—9：30，各采集點具體情況如表2所示。

表2 各數(shù)據(jù)采集點具體情況Table 2 The specific situation of each data collection point

2.2 數(shù)據(jù)分析

對上述采集到的老年乘客和非老年乘客走行速度進行統(tǒng)計分析，輸出統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括走行速度均值、標準差、最小值、最大值等，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 站內(nèi)行人走行速度統(tǒng)計Table 3 Pedestrian walking speed statistics in the station

通過實地數(shù)據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，城軌換乘站內(nèi)老年乘客走行速度均值為1.05 m/s，非老年乘客走行速度為1.35 m/s，數(shù)據(jù)標準差在12%以內(nèi)，誤差較小，可以作為實驗參考數(shù)據(jù)。

3 基于AnyLogic的仿真實驗

3.1 仿真過程

仿真實驗基于AnyLogic仿真平臺，該仿真平臺基于社會力模型描述行人運動，該仿真平臺中的Pedestrian Library可直接用于城軌站點仿真建模，主要實驗流程如下：收集數(shù)據(jù)→搭建物理模型→構(gòu)建行人邏輯模型→模型驗證→仿真實驗→結(jié)果分析。其中站點物理模型根據(jù)站內(nèi)空間尺寸和設(shè)施設(shè)備布局搭建，如圖2所示。行人邏輯模型根據(jù)站內(nèi)行人運動流線和設(shè)施設(shè)備使用情況構(gòu)建，如圖3所示，其中，該站點線路2至線路1換乘需通過站廳層進行。

①為該站點站廳層；②為線路1站臺層；③為線路2站臺層圖2 實驗站點物理模型Fig.2 Experimental site physical model

圖3 行人流線邏輯模型Fig.3 Pedestrian streamline logic model

通過調(diào)查數(shù)據(jù)設(shè)置模型行人參數(shù)，目前該站點老年乘客比例約占總乘車客流的13%。為了便于實驗操作，將乘客類型分為老年乘客和非老年乘客，不同類別乘客仿真速度參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表4 仿真參數(shù)設(shè)置Table 4 Simulation parameter settings

3.2 仿真模型驗證

為驗證仿真模型的有效性和準確性，在模型搭建完畢后先進行20次重復模擬實驗，通過模擬實驗統(tǒng)計各流線行人平均速度。再對不同方向的客流進站速度進行抽樣實地調(diào)查，通過仿真計算結(jié)果與實地調(diào)查結(jié)果間的相對誤差來驗證仿真精度，具體結(jié)果如表5所示。

表5 模型驗證結(jié)果Table 5 Simulation verification result

驗證結(jié)果顯示，各流線仿真速度和真實調(diào)查速度誤差在10%之內(nèi)，說明該模型能很好地描述該站點的真實情況，可以用于進一步的仿真研究。

4 結(jié)果分析及優(yōu)化建議

4.1 結(jié)果分析

為研究老年乘客增加時，對站內(nèi)行人運動的影響，通過設(shè)置不同客流規(guī)模和不同老年乘客比例場景進行仿真分析，并輸出行人行動力表征指標，如乘客站內(nèi)走行速度、乘客站內(nèi)停留時間、乘客換乘時間等。

4.1.1 乘客站內(nèi)走行速度

首先對進站乘客進行速度分析，隨著老年乘客比例的增加，仿真實驗發(fā)現(xiàn)站內(nèi)乘客平均速度呈減小的趨勢，如圖4所示，按照當前老年乘客比例為13%時，乘客速度由1.3 m/s下降至1.22 m/s，隨著未來老年乘客比例的不斷增長，在中老年乘客比例達到40%時，乘客速度將下降至1.19 m/s。

圖4 老年乘客比例與速度變化Fig.4 The proportion of elderly passengers and the change in speed

為進一步驗證老年乘客比例對站內(nèi)客流速度的影響，考慮未來站內(nèi)客流規(guī)模同時擴大的場景，分別設(shè)置不同客流規(guī)模的仿真實驗場景。根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB 50157—2013)中對城軌站臺承載能力規(guī)定，站臺上人流密度為0.33～0.75 m2/人，實驗站點進站客流約為站點總客流量21%,計算得該站點可容納進站客流規(guī)模為8 064～18 327人/h，目前該站點高峰小時客流約為7 000人/h，考慮車站客流的時空分布特征和未來客流規(guī)模增長，實驗設(shè)置6個實驗對照組對客流規(guī)模為4 000～9 000人/h，進行仿真實驗。

通過反復實驗測得不同客流規(guī)模下不同老年乘客比例對站內(nèi)客流速度的影響，如圖5所示。當進站客流規(guī)模為4 000人/h時，站內(nèi)乘客運動相對自由，站內(nèi)乘客運動平均速度區(qū)間為1.21～1.6 m/s，當進站客流規(guī)模達到9 000人/h時，站內(nèi)乘客運動平均速度區(qū)間為1.18～1.41 m/s。

圖5 站內(nèi)乘客速度變化Fig.5 Changes in the speed of passengers in the station

4.1.2 乘客站內(nèi)停留時間

乘客站內(nèi)停留時間表征站內(nèi)客流周轉(zhuǎn)時間，是城市軌道交通站點運營效率的重要指標。仿真實驗結(jié)果如圖6所示，乘客站內(nèi)停留時間目前變化區(qū)間為136.5～158.2 s，隨著老年乘客比例增加時，乘客站內(nèi)停留時間也會逐漸增加，當老年乘客比例達到40%時，乘客站內(nèi)停留時間最多將增加到170 s。此外，當老年乘客比例達到極端情況即70%以上時，乘客站內(nèi)停留時間趨于穩(wěn)定范圍內(nèi)波動。

圖6 乘客進站停留時間變化Fig.6 Changes in the stop time of passengers

為進一步考察老年乘客對站內(nèi)乘客活動的影響，對老年乘客比例為0～40%的實驗場景進行進一步實驗，通過關(guān)聯(lián)密度層生產(chǎn)站內(nèi)客流密度圖并以此識別站內(nèi)客流擁堵點，并輸出乘客通過站內(nèi)擁堵點的時間。圖7所示為該站點客流規(guī)模為4 000人/h時，不同老年乘客比例對站內(nèi)客流密度的影響，該站點內(nèi)部客流擁堵點主要集中在站廳層左右兩側(cè)的樓扶梯處和換乘通道處。

圖7 站臺客流密度圖Fig.10 Platform passenger flow density map

通過對乘客通過站內(nèi)樓梯的時間進行采集，如表6所示，乘客通過樓梯的時間增加占站內(nèi)停留總時間增加的28%～82%，是乘客站內(nèi)停留時間增加的主要原因。

表6 老年乘客比例與站內(nèi)通過時間變化Table 6 The proportion of elderly passengers and the change of transit time in the station

4.1.3 乘客換乘時間

通過仿真實驗發(fā)現(xiàn)平均換乘時間整體上隨老年乘客比例增加而增加，意味著老年乘客的增多，站內(nèi)乘客的行走過程受到了不同程度的限制，尤其是在不同站臺換乘過程中，換乘通道的實際通過能力受限，站內(nèi)換乘時間表現(xiàn)出不同程度的增加。如圖8所示，當老年乘客比例由10%變?yōu)?0%時，各方向上換乘時間平均增加11%，當老年乘客比例由20%變?yōu)?0%時，各方向換乘時間平均增加24%。

圖(b)、圖(c)表示老年乘客比例增加后各換乘路線換乘增加時間，如：圖(b)中“(+93)”表示老年乘客比例為20%與老年乘客比例為10%相比，線路2上行換乘線路1上行時間增加93 s圖8 換乘時間變化Fig.8 Change in transfer time

4.2 適老化背景下城軌站點優(yōu)化建議

通過仿真實驗發(fā)現(xiàn)，隨著老年乘客比例增加，城市軌道交通站內(nèi)乘客行動力會受到一定影響，從而導致站內(nèi)乘客走行速度變慢，進站時間和換乘時間增加。為適應老齡化乘客逐漸增多的未來場景，應考慮老年乘客出行便利性和站內(nèi)客流瓶頸處的客流疏解，結(jié)合本次仿真實驗結(jié)果分析，提出適老背景下城市軌道交通站點優(yōu)化建議如下。

(1)根據(jù)老年乘客比例從0增加到40%時，站內(nèi)乘客速度從 1.61 m/s下降到1.37 m/s，導致站內(nèi)乘客滯留增多的問題，結(jié)合《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB 50157—2013)提出的站臺人流密度取0.33～0.75 m2/人，因此在考慮人口老齡化情況下地鐵站臺設(shè)計時人流密度可選擇較高的設(shè)計標準，如0.6～0.75 m2/人。

(2)老年乘客比例從0增加到40%時，乘客站內(nèi)停留時間增加約21%，隨著老年乘客站內(nèi)停留時間增長，建議在站內(nèi)候車區(qū)域應增加候車休息區(qū)以及座椅，并且考慮在站廳層和站臺層增加慢行乘客引導服務，如增加工作人員引導服務或在站內(nèi)設(shè)置便于老年乘客獲取的“大字版”標識信息，以改善老年乘客困難獲取站內(nèi)信息而導致進站滯留時間增加的情況。

(3)考慮到老年乘客比例增加后，乘客在站內(nèi)的換乘時間增加顯著(11%～24%)，因此建議在未來的規(guī)劃設(shè)計中考慮老年人換乘信息需求，設(shè)計具有針對性的換乘引導標識，并增加換乘通道自動人行道、自動扶梯等配置數(shù)量，以提高老年乘客的換乘效率和換乘舒適度。

5 結(jié)論

(1)借助仿真實驗針對考慮老年化背景下的城軌換乘站客流組織問題，從乘客行動力影響因素出發(fā)，分析老年乘客對站內(nèi)客流狀態(tài)影響的具體原因。

(2)以重慶市某換乘站為例，根據(jù)老年乘客比例、總體客流規(guī)模，設(shè)計了多場景仿真實驗。實驗發(fā)現(xiàn)，隨著老年乘客的增加，站內(nèi)行人運動速度會有所下降，同時乘客進站時間、設(shè)施通過時間和換乘時間都有一定程度的增加，尤其是通過樓梯這類高差明顯且寬度受限的區(qū)域。

(3)針對適應老年乘客比例逐漸增多的情況下的城軌車站設(shè)計運營提出了針對性建議，為實現(xiàn)城市軌道交通人文建設(shè)，健全老年人交通運輸服務體系，滿足老齡化社會交通需求提供思路。