基于客流流線的地鐵站檢票閘機布設研究

莫 逆 周冠宇 楊 露

（北京交通大學交通運輸學院，100044，北京∥第一作者，本科生）

基于客流流線的地鐵站檢票閘機布設研究

莫 逆 周冠宇 楊 露

（北京交通大學交通運輸學院，100044，北京∥第一作者，本科生）

分析了北京軌道交通車站行人在檢票進站環節的閘機選擇的行為，提出近端閘機的概念與行人優先選擇近端閘機的進站流程假設，并通過實地調研分析建立了該假設的數學模型。運用仿真對常見的閘機布設方式進行改進研究，提出與客流流線呈傾斜角的閘機布設方式，通過仿真平臺進行分析，該布設方式的最佳優化效果可提高人均占有空間60.9%。得到不同客流量下的閘機布設建議，為新線站廳閘機布設提供新思路。

城市軌道交通；服務效率；建模仿真；閘機布設

First-author'saddressSchool of Traffic and Transportation，Beijing Jiaotong University，100044，Beijing，China

隨著地鐵系統不斷向著自動化、人性化發展，城市軌道交通車站自動售票（AFC）系統已經成為地鐵站的標準配置系統。其終端自動檢票閘機是限制車站乘客進出站的重要服務設施。目前城市軌道交通車站內的設施空間布局趨于模式化、簡單化，直接導致檢票閘機布設不合理，以致自動檢票閘機常出現利用不均衡的現象。但在目前的設計規范和實際操作中，自動檢票閘機的布設與分布缺少明確的、可操作性強的規定或說明［4］。

國內對城市軌道交通站內服務設施的布設已經開展了一定的研究，文獻［1］對閘機組垂直和平行行人流線的兩種布設進行了分析，得出了閘機實際的通行能力；文獻［2］提出了閘機組利用的不均衡度，在分析上海典型車站閘機利用不均的基礎上，提出了平行和垂直客流的差位布置閘機優化方案；文獻［3］對城市軌道交通車站自動檢票閘機配備數量進行了探討；文獻［5］通過對行人面對樓梯和自動扶梯的路徑選擇概率進行研究，得到了行人路徑選擇概率與該路徑行走時間的Logit模型。

本文基于城市軌道交通車站乘客路徑選擇行為研究，分析乘客進出自動檢票閘機組（以下簡稱，閘機組）的利用效率，主要通過對閘機與行人流線之間角度的調整來達到提高閘機排隊區服務水平的目的。

1 檢票閘機典型布設方式

站廳是乘客集散的主要場所，站廳布局設計優良能夠提升客流集散效率，減少人力投入，降低事故發生率。由于閘機與其他設施的相對布局決定了客流流線走向和流線規模，因此在站廳設計中顯得十分重要。

以北京軌道交通市區線路94個站廳為初步研究對象，對站廳閘機布設進行分類。發現閘機與客流流線之間的關系主要可以分為兩類：閘機朝向與客流方向垂直布設；閘機朝向與客流方向平行布設（以下簡稱，平行式布設）。具體布設如圖1所示。前者，具有閘機處排隊方向與客流流線方向相同、標識明顯等特點，有利于閘機的均衡利用，但實際應用中對站廳空間要求較高；后者，進站閘機朝向垂直于客流流線，使得閘機處排隊方向與客流流線相垂直，

與《地鐵設計規范》要求相違背，易導致閘機間利用不均。

圖1 閘機組與客流流線平行（左）/垂直（右）布設示意圖

平行式布設是現階段主要閘機布設方式。北京市新修線路非換乘站中有62.77%的車站其進站閘機組為平行式布設，對其研究分析具有典型代表性。

2 平行式布設客流特性分析

設施利用不均衡主要與城市軌道交通車站的設施空間布局和行人的路徑選擇行為特征兩個因素相關［6］。兩者密切相關，設施空間布局是乘客進行路徑選擇的基礎。行人路徑選擇具有很大的靈活性且影響因素眾多。在客流量較小的情況下，行人面對一組檢票閘機時傾向于選擇距離最近的一個，這符合最短路徑的原則。但在客流量較大時，較近閘機出現排隊情況，此時行人選擇路徑的主要影響因素來自行人之間的作用，此時行為主要表現為行人的自組織行為［6］。

為進一步了解閘機組平行式布設下的行人行為特征，選取北京軌道交通動物園站與復興門站的進站閘機作為研究對象。在對各閘機數據進行分析時發現，離行人到達口較近的兩個閘機所經客流均占到總客流量的70%以上，具體數據如表1所示。

表1 檢票進站客流分布情況

可以發現，進站乘客一般會優先選擇最短路徑。但由于近端閘機通過能力并不能承受全部客流，導致在較近閘機前形成瓶頸，其一般是由閘機前排隊空間不足造成。

2.1 近端閘機與遠端閘機

由于在閘機平行式布設的情況下，客流一般會在較近閘機處發生擁堵，為方便區分，定義：在閘機平行式布設情況下，單個閘機組中距離乘客到達處較近且其通過人數占總通過人數70%以上的多個閘機為近端閘機，其余閘機都是遠端閘機。

2.2 行人選擇閘機的影響因素分析

對行人選擇閘機的主要影響因素來自于行人與閘機的距離、閘機前是否擁擠和行人自身特性。其中平行式布設的主要的動態影響因素是近端閘機是否擁擠。行人選擇閘機的判斷行為可簡化為圖2的判斷流程。

圖2 行人判斷流程圖

3 構建行人選擇閘機行為數學模型

為能給行人判定閘機前是否擁擠這一行為一量化標準，根據實地調研，將閘機前2.88 m2矩形面積內的行人密度作為影響后續行人選擇近/遠端閘機的重要影響因素。

在動物園站，現場采集了一個高峰小時內590組近端閘機前行人密度與行人選擇閘機情況的數據，并刪去一些壞值，最后得到559組有效數據。通過MATLAB曲線擬合，導出選擇遠端閘機的人數與通過閘機總人數的比例（y）和近端閘機前行人密度（x）關系的曲線（見圖3）。曲線擬合度較高，且隨著近端閘機前行人密度的增加，y值逐漸趨于穩定。

在x達到2以后，y值接近并穩定于0.45；且實際觀測中，閘機前測試區密度難以達到3.5人/m2。行人仿真流程圖如圖4所示。

圖3 行人密度與遠端閘機選擇比例的函數擬合

圖4 行人仿真流程

4 優化方案與仿真評價

在閘機平行式布設的情況下，客流量不均勻分布、車站布局、閘機組布置以及行人路徑選擇偏好等都會引起閘機組利用不均衡的現象，導致車站的運營組織管理不便。因此，通過適當調整閘機組的布設，降低其利用的不均衡度，對提高設施利用率、減少乘客不必要的延誤等方面都有重要意義。針對閘機平行式布設，已有將閘機組每個閘機按其距離樓梯遠近逐級遞進靠前的優化布置［2］。對其仿真得到了一定的改善效果，但仍存在因錯位布設浪費閘機通過能力，實際操作困難等問題。

4.1 有傾斜角式的閘機布設

受香港地鐵站進站方向與客流方向呈傾斜角布置啟發，結合前文行人優先選擇近端閘機的行為特性，從實際應用出發提出了部分閘機朝向與行人流線呈一定傾斜角，同時其他閘機朝向不變的改善方案。即：讓選定傾斜的閘機以相鄰閘機組中心線一端點為旋轉中心，以一個閘機的寬度為半徑旋轉（見圖5，其中α為傾斜角）。

圖5 閘機旋轉角度示意圖

為定量研究不同情況下的最優角度和最優傾斜閘機數，選取傾斜角度數和傾斜閘機數為變量，構建了36組改進仿真方案，以6臺閘機為一個閘機組，高峰客流為4 200人次/h的條件為基礎，進行如下方案優化（見圖6）：

（1）2臺近端閘機全傾斜，傾斜范圍為5°至80°，均勻間隔取12個方案；

（2）2臺近端閘機與1臺遠端閘機傾斜，傾斜范圍為5°至60°，均勻間隔取12個方案；

（3）2臺近端閘機與2臺遠端閘機傾斜，傾斜范圍為5°到45°，均勻間隔取12個方案。

在評定方案的優化效果方面，選取6臺閘機前6塊試驗區（1.80 m2）所測行人密度的方差與平均值作為基礎數據。其中，方差的降低代表閘機利用分布均勻，平均值的降低代表進站擁擠程度減弱，皆為改進方向。將原始布置與改進后布置相比可知，方差變化不大，平均值均有顯著地降低，仿真基本達到了優化效果（見圖7）。

圖6 各優化方案示意圖

圖7 平均密度與方差優化前后比較

4.2 優化方案評價

為選取最優方案，將密度與方差進行歸一化處理，其值分布在［0，1］。繼而，依據主觀經驗與相對重要程度比較，降低閘機前密度相比閘機均衡利用更具有實效性，因而賦予方差0.3、平均值0.7的權重并求和，最終得到同一客流強度、各個優化方案的特征值。顯然，該特征值越大則優化效果越好。

在數據處理方面，基于MATLAB對某一客流強度、某一近端閘機布置個數的情況下不同角度的特征值進行曲線擬合，擬合區間為x∈［傾斜角α°，45°］，并選擇相關性較高的曲線。針對閘機平行式布設時高峰4 200人次/h的實際客流量得出各優化方案特征值曲線圖，結果如圖8所示。

圖8 優化方案特征值曲線圖

根據數據分析，得出理論最優情況為：2臺近端閘機傾斜26°（見圖9）。比較曲線可以發現，傾斜2臺閘機與傾斜4臺閘機的曲線都只有單個峰值；傾斜3臺閘機有2個峰值，說明傾斜角與特征之間有一定的波動性。

5 不同人流量情況下的改進方案

考慮到實際高峰小時客流量，在調整行人流量數據時分別設定其為3 200人次/h、2 200人次/h，得出不同客流量下的最優改進方案。其中：①4 200人次/ h客流量下傾斜3臺閘機；②2 200人次/h客流量下傾斜4臺閘機；③3 200人次/h客流量下傾斜4臺閘機。這3種情況下，曲線區間小、波動劇烈、擬合相關性低，加之優化時往往優先考慮近端閘機少的情況進行角度調整，故舍去這3種情況。最終的結果見表2。

圖9 26°傾斜角2閘機方案仿真界面

表2 不同客流量、近端閘機數情況下傾斜角度調整結果

在每種客流情況下，都給出了多個最佳改進方案，主要考慮到不同情況下的適用性：①若進站閘機需要應對多個方向客流，在相近特征值下，傾斜少數閘機的方案更優；②若只需應對單方向大客流，取特征值較大者。

綜上所述，參照HCM 2000排隊等待行人服務水平標準（見表3），給出不同客流量情況下改進前

后的服務水平對比表，結果見表4。

表3 HCM2000排隊等待行人服務水平標準

表4 不同客流量下最優方案的優化效果

需要說明的是，實際調研中測試區2.88 m2內行人數達到10人或以上的情況（服務水平D）時，近端閘機前排隊行人過度擁堵混亂，行人行為假設與流線分析均出現問題。故本次研究的服務水平在A -C間。同時，由于同一服務等級下行人占有空間的數值分布較大，針對有改進效果但未提升服務等級的情況，以人均占有面積提高百分比來進行優化程度的評價。

由以上結果可以看出，閘機的傾斜布設一定程度上能改變閘機前排隊等待行人的服務水平，不同客流量下改進情況的行人占有空間都有了一定的提升。

6 結語

本文對仿真結果進行了分析，提出近端閘機的概念與一般情況下優先選擇近端閘機的行人行為理論；以該理論為基礎提出了與客流呈傾斜角的閘機布設優化方案，給出不同客流情況下的閘機布設優化方案。并以閘機組內閘機前密度的平均值與方差評價優化效果，發現在到達客流量為4 200人次/h情況下，最優布置方案為2臺近端閘機傾斜26°；在3 200人次/h情況下，最優布置方案為2臺近端閘機傾斜44°；在2 200人次/h情況下，最優布置方案為2臺近端閘機傾斜26°。其中在4 200人次/h情況下，優化意義最大且人均占有面積提高了60.9%。整個研究為城市軌道交通車站閘機布設提供了一新思路。

但是，由于現實中沒有部分傾斜設置的閘機組，所以理論具有一定的局限性。文中通過實地調研構建了行人閘機選擇行為的數學模型，但模型中的數據標定來自于平行式布設，在閘機傾斜時是否仍然適用該理論缺少相應實際數據支持。

［1］ 王子甲，陳峰，羅誠.軌道交通車站檢票閘機布局的仿真優化［J］.北京交通大學學報：自然科學版，2011，35（6）：28.

［2］ 馮建棟，吳嬌蓉，金昱，等.軌道交通自動檢票閘機組利用不均衡度研究［J］.城市交通，2010（3）：28.

［3］ 何潔.城市軌道交通自動檢票機配置數量的研究［J］.鐵道通信信號，2008，44（10）：14.

［4］ GB 50157—2003 地鐵設計規范［S］.

［5］ Cheung C Y，Wiliam H K Lain.Pedestrian route choice between escalator and stairway at MTR stations［J］.Journhal of Transportation Enginering，1998（5）：277.

［6］ 陳艷艷，張廣厚，史建港.擁擠行人交通系統規劃及仿真［M］.北京：人民交通出版社，2010.

京滬高鐵運送旅客突破2億人次

新華網北京4月13日電（記者齊中熙、樊曦）2014年4月13日9時30分，自2011年6月30日開通運營的京滬高速鐵路運送旅客宣告突破2億人次。

2013年2月28日，在京滬高鐵開通運營1年8個月之際，京滬高速鐵路運送旅客突破1億人次；而僅1年2個月后，這條世界上一次建成標準最高、線路最長、中國歷史上一次投資規模最大的高速鐵路的運送旅客量就實現了翻番，再次展示出其巨大的輸送潛能。

開通以來，京滬高速鐵路股份有限公司堅持以市場為導向，以市場決定資源配置，進一步完善運行圖，并建立了隨季節、隨市場變化靈活調整的彈性機制。針對商務座、特等座、一等座實施分時段、分車次客票特惠方案，促使列車客座率均有不同程度提升，成為高鐵探索市場靈活客票機制的一種重要方式。

各沿線鐵路局努力提高客運服務質量，大力改進站車服務形式，提升京滬高速鐵路服務品牌效應，使高速鐵路不斷地被人們認可，成為出行的首選。

（摘自2014年4月13日《新華網》）

Layout of Subway Station Ticket Gate Machines Based on Passenger Flow

Mo Ni，Zhou Guanyu，Yang Lu

The passenger behaviorin choosing the gate machines of Beijing metro is analyzed，a definition of proximal gate machine and the process assumption about pedestrian's preference of proximal gate machine is put forward，and a mathematical model through field research is established. By adopting the simulation software，the layout of gate machine from the point of angle offset to passenger flowis modified.The simulation platform analysis shows that the space occupancy area per capitacould be increased to 60. 9%by improvement.Then，a various layout schemes of gate machine layout according to different passenger flows could be obtained，which provides new thoughts for thelayout of gate machineat new subway stations.

urban rail transit；service efficiency；modeling and simulation；gate machine layout

U 293.22

2013-07-17）