鐵路客運站客流組織的仿真與優化

曹 潔，劉黎明，趙 宏

CAO Jie1，LIU Liming2，ZHAO Hong1

1蘭州理工大學計算機與通信學院，蘭州 730050

2蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，蘭州 730050

1.School of Computer and Communication, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050,China

2.College of Electrical and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China

1 引言

鐵路客運具有運量大、安全、準時等優點，隨著交通需求的擴大，鐵路客運站作為客運網絡中一個重要的節點，其客流的集散與換乘直接影響到客運站的運營效率和服務質量，因而制定科學合理的客流組織方案對客運站建設及運營管理具有至關重要的作用。

國內外規范雖然對客流組織做了一些原則規定[1,2]，但對客運組織的運營方案如何分析和評價未給出詳細說明。文獻[3]對客流組織仿真方法進行了探討，并運用AnyLogic仿真軟件對北京西直門地鐵站客流進行了動態仿真評價分析，但其評價體系及方法需進一步完善。文獻[4]通過實地調查行人流的特性，利用AnyLogic建立了客流組織的仿真模型，并通過案例驗證了模型的可行性，但較少涉及客運組織評價體系及方法的實現。客流交通特性是客流組織動態仿真的基礎，目前多集中于行人流的步幅、步頻和步速的研究[5,6]，對站內路徑選擇行為的研究較少。根據旅客流線分析，同一出行OD(Origin-Destination)具有多條可選路徑，即有路徑選擇行為發生，站內行人路徑選擇行為通常局限于樓梯與自動扶梯設施的選擇上，其對樓梯與自動扶梯選擇的不同導致路徑選擇的不同[7,8]。本文基于客運站內行人設施選擇影響機理的分析，建立行人對樓梯與自動扶梯的選擇行為模型，并針對大中型客運站客流組織存在的問題，以蘭州市火車站站內客流組織為例，用AnyLogic仿真軟件建立客流的微觀仿真模型，對站內客流的平均排隊長度、平均逗留時間及平均占有空間等多指標評價體系進行評價分析，提出客流組織的優化方案。

2 客運站客流組織存在的問題

由于客運站站內空間相對狹小且封閉，特別是高峰時期，客流量大、人群密度高，大多數客運站特別是大中型車站，行人交通組織混亂，人流沖突多，安全隱患嚴重。目前客運站客運組織存在的問題如下：

(1)站內客流導向不明確，導致站內大廳、樓梯(或自動扶梯)等處客流流線交叉，人流沖突點多；

(2)由于空間布局的不合理，客流流線節點過多，導致乘客在站內停留等待時間增加，易形成人群擁擠；

(3)站內客流導向設施如入口安檢處(機)、自動扶梯等設施設置不合理，造成通行能力不足，易造成擁擠混亂；

(4)緊急情況下客流疏散能力不足。

3 樓梯與自動扶梯選擇行為模型

3.1 行人對樓梯與自動扶梯的選擇影響機理分析

從站內設施布局和行人特性的角度分析，行人對樓梯與自動扶梯選擇的影響因素包括內部因素和外部因素。

⑴外部因素

①樓梯（或自動扶梯）的高度

通常客運站內的樓梯和自動扶梯的高度是相等的。樓梯的高度越高，選擇自動扶梯的人數就越多。

②排隊長度

隨著自動扶梯處排隊人數的增加，行人選擇樓梯的人數將有所增加。在排隊人數較少時，行人幾乎都會選擇自動扶梯。

③行人攜帶行李量

攜帶行李較多的行人更傾向于選擇自動扶梯。鐵路旅客攜帶行李基本上以拉桿箱、雙肩背包和旅行包為主，根據旅客攜帶行李的多少，將其攜帶的行李分為三類：1）攜帶行李較少：指乘客僅攜帶一個雙肩包或電腦包等，一般以短途旅客為主；2）攜帶行李一般多：指乘客攜帶一個拉桿箱、一個背包或手提塑料袋等，一般以出差旅客為主；3）攜帶行李較多：指乘客攜帶一個大拉桿箱或兩個及以上的普通旅行包或更多行李，一般以農民工和學生為主。

⑵內部因素

①緊急程度

行人在緊急狀態或者行程安排較迫切的情況下，傾向于選擇花費時間少、行人較少的樓梯。根據行人的緊急程度劃分為一般、緊急兩種狀態。

②年齡

老年人更傾向于選擇自動扶梯，青年人和中年人在行程較緊急時更容易選擇樓梯進出站。將行人的年齡劃分為青年人、中年人和老年人三類。

3.2 模型構建及參數標定

考慮到行人選擇樓梯與自動扶梯的影響因素，采用二值Logistic回歸分析方法建立行人選擇行為模型，其效用函數如公式(1)所示：

其中，Q表示自動扶梯入口處的行人排隊長度；H表示樓梯的高度；W表示行人攜帶行李量；E表示行人的緊急程度；A表示行人的年齡； α、β、γ、δ、λ、θ為待定參數；

利用SPSS軟件中的回歸分析模塊中的二值Logistic功能對上述的效用函數進行分析，選擇前向逐步法(Forward:LR)對選擇模型中的影響因素進行篩選，即影響因素進入方程的依據是統計量的似然比對應的p值是否小于給定的顯著性水平[9]，對觀測數據進行回歸分析，其結果如表1所示。

表1 Logistic回歸方程變量值

由表1分析可知行人對樓梯與自動扶梯的選擇行為主要受到排隊長度和行人緊急程度的影響，其顯著性水平分別為0.039和0.018，小于規定的閾值0.05，其選擇行為的Logistic回歸模型為(自動扶梯設置為1)為：

其中，回歸系數α的值為-0.712；δ的值為-1.861；θ的值為6.213.

則行人選擇樓梯的概率為：

4 客運組織動態仿真評價分析

4.1 社會力模型

在對客運站行人交通特性及行為研究的基礎上，采用基于社會力模型的AnyLogic仿真軟件，建立客流的微觀仿真模型，并通過仿真方法及評價指標對客流組織進行直觀、定量的分析和評價。

社會力模型是Helbing等人[10,11]在對行人行為特征研究的基礎上，借鑒bolzman運動方程的形式建立起來的。社會力模型認為行人的運動形態符合牛頓第二定律，行人行為是在各種內在作用力及周圍環境相互影響下作出的反應。模型認為行人共受到三種作用力的影響：⑴行人i的自驅動力，主觀意識對個體行為的影響可化為個體所受自己施加的“社會力”，體現了行人以渴望的速度移動到目的地的動機；⑵行人i和j之間的作用力，試圖與其他行人保持一定距離的所施加的“力”；⑶行人i與障礙物w之間的作用力，邊界和障礙對人的影響類似于人與人之間的作用。模型用如下方程組表示：

其中,mi為行人i的質量；vi為行人的速度；表示行人i在t時刻的期望速度標和

單位期望方向矢量的乘積； vi(t)為行人i在t時刻的實際速度矢量；τi表示行人i將實際速度調整到期望速度的松弛時間，與加速度有關；fi為行人i的自驅動力；fij為行人i和j之間的作用力；fiw為行人i和障礙物w的相互作用力；描述行人i和行人j在未接觸情況下，行人i的社會力參數；Bi描述行人i和行人j在未接觸情況下，行人i的社會力參數；k描述行人i和行人j擠壓重疊時，行人i受到的斥力大小參數；u描述行人i和行人j擠壓重疊時，行人i受到的摩擦力大小參數；g(?)為Bool函數，當行人i和行人j擠壓重疊時取值1，其他情況取值0；為行人i和行人j的半徑之和；dij為行人i和行人j的圓心距；表示有行人j指向行人i的單位方向矢量；為行人i和行人j在t時刻二者之間的速度差；

4.2 仿真建模流程

AnyLogic行人流微觀仿真建模主要由行人庫來實現，其核心算法為社會力模型。應用AnyLogic建立客運站客流組織仿真建模的流程圖如圖1所示。

圖1 客流組織仿真建模流程圖

AnyLogic行人仿真建模主要包括兩大部分：環境（environment）和行為（behavior）。環境不僅包括車站空間布局，還把服務設施(如售票窗口、安檢、檢票口等)和步行設施(如自動扶梯、樓梯、水平通道等)以及這些設施前的隊列都看作是環境的一部分。利用演示庫中的直線、折線、矩形等繪圖工具可以繪制模型的活動區域范圍即墻壁、服務窗口(售票口、進站閘機)、樓梯與自動扶梯以及這些設施前的隊列。

行人的行為通過流程圖的方式實現，從行人庫中拖動相關對象到工作區間并設置相關屬性，然后依次將對象連接起來。

4.3 動態評價方法

對建立好的微觀模型運行仿真，通過可視化的動態顯示和輸出圖形、數據，進行定量統計分析。本文從乘客的流暢性、效率性、協調性三個方面對仿真模型進行動態評價。流暢性主要體現在平均排隊長度；效率性體現在乘客在站內平均逗留時間；協調性主要指乘客在站內的擁擠度即人均占有空間。具體實現方法如下：

（1）平均排隊長度

平均排隊長度L指同一組服務點前所有旅客流線排隊長度的平均值，其值越大表示客運站客流的流暢性越差。

其中li為站內服務點前某條隊列上的排隊長度；n 為站內同一服務點前的隊列數。

（2）平均逗留時間

平均逗留時間T指行人從客運站入口到達候車室所花費時間的平均值。在所經路徑距離相同的情況下，其值越大表示所經路徑越擁堵。

其中ti為行人i在站內從入口到候車室所用的時間；n為行人流量。

（3）人均占有空間

人均占有空間D指一定區域內人均所占有的面積。

其中S為站內區域的面積，n為此區域內的行人流量。

5 實例應用分析

5.1 蘭州火車站空間布局

依據仿真建模流程建立蘭州火車站客流組織仿真模型并對其進行動態仿真分析和評價。實例的環境建模如圖2所示，共有A、B兩個入口，東西兩個出口，第一、二候車室分別位于一樓大廳東西兩側，分別有兩部自動扶梯及樓梯連接一樓和二樓候車大廳。

圖2 客運站環境模型圖

鐵路客運站的流線按流動方向和接受服務的過程可以分為：進站客流、出站客流和換乘客流，由于車站客流流線復雜，本模型主要模擬進站客流，仿真模型中的行人行為流程圖如圖3所示。

圖3 客運站行人行為流程圖

5.2 仿真參數設置

本模型的仿真時間步長為 0.3，行人到達率為每小時 2500人，屬于高峰時段，乘客選擇自動扶梯進入站臺的概率設為80%，選擇樓梯進入站臺的概率為20%，排隊服務為自動選取較短的隊列。

5.3 仿真結果及分析

仿真檢驗主要采用觀察法，檢驗仿真能不能逼真地再現客運站站內客流的實際交通情況。模型運行結果顯示乘客在樓梯和自動扶梯處的排隊、等待區域停留、流線交叉等方面能夠近似的模擬實際情況，仿真結果如圖4所示。由于實驗室條件有限，所建模型不能夠完全模擬實際情況，但模擬的結果還是能夠反映現實存在的問題并給出建議。

圖4 客流組織仿真結果

⑴從A、B兩個入口通過安檢后進入第一、二候車室的乘客與進站后需通過自動扶梯或樓梯進入二樓候車大廳的乘客流線存在交叉沖突。仿真結果顯示乘客在自動扶梯處的排隊長度急劇增加，排隊長度已明顯阻礙大廳人員的流動，因此建議在高峰時段，單獨為一樓第一、二候車室的乘客開辟安檢通道。修改后的模型具有三個獨立的乘客入口通道，仿真結果顯示此措施不僅可以減少乘客進站客流之間形成流線交叉沖突點數，而且減少了乘客在站內的停留次數，降低乘客在站內所用時間，提高了通行速度，在對候車室客流進行分流的同時，限制旅客提前進站時間，能夠在一定程度上緩解候車室客流瓶頸。

⑵在站前廣場車站入口處安裝指示牌，對三個不同入口乘客的分流進行標示或者安排工作人員在客流高峰時段進行引導，便于乘客快速通過安檢進入候車區域。

6 結束語

通過對客運站內行人交通特征及客運組織流線進行實地觀測和分析，建立了行人對樓梯與自動扶梯的選擇行為模型，并基于AnyLogic仿真軟件建立客流的微觀仿真模型，對蘭州市火車站客流組織進行了動態仿真分析，找到客流的瓶頸(集中在樓梯與自動扶梯處)，提出客流組織流線的優化方案，為實際運營管理和客運站建設提供決策參考依據。

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