城市軌道交通換乘樞紐乘客集散微觀仿真研究

馬海漫

（天津鐵道職業技術學院，中國 天津300240）

0 引言

近年來，隨著我國國民經濟的快速發展和城市化進程的加快，旅客運輸需求急劇增加，而我國城市交通基礎設施、交通環境和服務質量卻相對滯后，嚴重限制了城市的發展空間，成為大型城市經濟發展的“瓶頸”。根據發達國家客運交通發展的經驗和規律，大型城市解決交通難題的有效途徑就是發展現代化軌道交通。城市軌道交通能夠快速、大運量的運送旅客，但要想在運能上適應不斷增長的客運需求，必須首先以軌道交通不同線路之間的協調換乘為前提。從換乘方面來看，換乘樞紐內客流行為和規律對換乘站的換乘通過能力產生很大的影響。通過建立換乘樞紐的微觀疏散仿真模型[1]進行仿真模擬，可以直觀地對客流的聚集、疏散、換乘過程和人群分布狀況進行動態觀察，對于換乘站的設施設計和運營管理具有重要意義。

1 換乘樞紐概述

換乘樞紐[2]是三個及以上方向的城市交通線路的交匯點，是具有旅客運輸組織與管理、中轉換乘、信息流通和輔助服務等功能的綜合性設施，是實現不同乘車方向之間、同種交通方式內部轉換的場所。換乘樞紐的分類如表1所示。

表1 換乘樞紐分類

2 換乘樞紐旅客集散特性與旅客行為分析

2.1 換乘樞紐客流特性分析

與始發站和其它普通中途站相比，換乘樞紐內的客流構成與特性存在著明顯的區別，其具有如下特性[3]：

2.1.1 客流高度集中

換乘樞紐除了具有普通車站的進出站客流外，還匯集有相交線路甚至全網多個車站之間的交換客流，造成換乘樞紐內客流集中，通常是普通車站客流量的數倍。

2.1.2 客流多方向、多路徑

由于進出站客流、換乘客流具有不同的出行目的、出行方向，即對應不同的出行路徑，必然導致存在多股客流的交織，形成多個沖突點。

2.1.3 時間、方向方面客流量不均衡

不同時段、不同換乘方向的客流量存在較大差異，這主要與旅客的生活需要和城市的布局與發展規劃相關。

2.1.4 短時沖擊性

軌道交通客流的到達并非連續均衡（上下班客流高峰期[4]），而是隨列車的到達呈現脈沖式的分布規律，即在短時間內對換乘設施會產生沖擊作用。

2.2 換乘樞紐旅客行為特性分析

旅客行為特性對車站的設計、運營管理有巨大影響，對于準確有效地組織客流集散換乘，減少旅客站內停留時間，提高運輸效率，更大程度的保障旅客安全十分重要[5]。其主要特征如下：

2.2.1 就近性

在換乘路徑上人們習慣選擇最短路徑,如在到達站臺時,傾向就近選擇換乘車廂,易導致站臺換乘客流分布的不均衡。

2.2.2 步行速度快

前方上車旅客行走速度較快,期望盡快進入換乘設施,導致換乘路徑上客流速度分布不均衡。前方下車旅客因無購票過程，整體速度較快。

2.2.3 排隊性

在購票、檢票、進出站、上下車時旅客會自動找尋排隊人數較少的隊列進行排隊，使得由于就近性產生的換乘客流分布的不均衡性得到一定緩解。

3 換乘樞紐仿真概念模型

概念模型根據換乘樞紐內旅客活動的實際流程建立。旅客作為研究的主要對象，根據其來源與去向分為上車旅客與下車旅客。概念模型示意圖如圖1所示。

圖1 旅客活動概念模型

3.1 上車旅客

設定單位時間內上車旅客（A）數量為m，其中未持有月票的旅客（B）數量所占上車旅客總數比例為α1，持有月票的旅客（C）所占比例為α2。旅客（A）進站后，其中的旅客（B）先到售票處完成購票過程，再進行檢票過程；旅客（C）直接進行進站檢票過程。當旅客（B）與旅客（C）完成檢票過程后，進入站臺候車區進行候車，當列車到達，進行上車出發過程。

3.2 下車旅客

設定單位時間內下車旅客（D）數量為n，其中需要換乘旅客（E）數量所占下車旅客總數比例為β1，而無需換乘直接出站旅客（F）數量所占比例為β2。旅客下車后，旅客（E）直接到站臺候車區進行候車，當列車到達，進行上車出發過程；旅客（F）則進行出站檢票（回收乘車卡）過程，離開車站。

4 基于Simio的換乘樞紐仿真邏輯模型

4.1 固定設施仿真

4.1.1 進出站口

進出站口作為客流產生、消失的端口，是計算進站旅客平均站內停留時間的起點與出站旅客平均站內停留時間的終點。在通過Simio軟件建立模型過程中，可以用Source作為產生準備乘車旅客的進站口，用Sink來作為下車旅客的出站口。通過定義Source的屬性到達邏輯Arrival Logic，來設定進站客流量（單位時間內進站人數）等指標。

4.1.2 售票窗口

車站內的售票能力直接決定著旅客的平均站內停留時間與車站的輸送能力。在建模過程中，采用Server作為售票窗口，通過定義Server的能力Capacity Type（幾個同時窗口售票）和處理時間Processing Time模擬旅客購票過程。可以在不同的時間段內，增加或減小售票能力（售票窗口數量）來適應客流量的變化。

4.1.3 檢票處

無論旅客是否持有月票，檢票對于進出站旅客是一個必須的過程。在此次模型建立的過程中，根據實際檢票路徑的數量，采用“一對一”的模式，即一個Server對應一個檢票口，因此只需要通過設定Server的處理時間Processing Time就可以模擬旅客進站檢票過程。

4.2 活動實體仿真

4.2.1 旅客實體

旅客作為車站輸送的實體，他們對于空間位移的需求是整個車站、整個交通運輸系統的目的所在，也是在建模模擬過程中主要研究分析的對象。在仿真系統中，根據其來源與去向分為上車旅客與下車旅客，可以定義多個Model Entity來分別表示不同種類的旅客。通過設置Model Entity的初始速度Initial Desired Speed來模擬旅客的站內走行速度。

4.2.2 車輛實體

軌道車輛是運送旅客的載體。通過實際調查數據顯示，在客流量相對較多的開發區站大連——金石灘方向上，運輸高峰期，列車間隔為5分鐘，非高峰期間隔為10分鐘；在客流量相對少一些的九里——開發區方向上，運輸高峰期，列車間隔為10分鐘，非高峰期間隔為20分鐘。在滿足建模要求的情況下，對軌道車輛采用循環方式運行，通過設置軌道車輛在不同時間段的運行速度和運行路徑的距離，來達到規定的間隔時間，產生預定的運輸效果。在該仿真系統中，采用了3個Vehicle來模擬三個方向上的列車，并且通過定義其路徑邏輯Routing Logic，設定固定路線Fixed Route，以及設置初始速度Initial Speed來仿真軌道車輛的循環過程。

4.3 路徑仿真

路徑是指換乘樞紐內旅客行走的軌跡，通過對旅客集散換乘過程的分析，結合建模需要，可將旅客分散的走形軌跡設置成路徑并進行編號。在仿真過程中，通過路徑之間的連接，旅客根據活動需要對路徑的選擇，完成車站內旅客的的集散換乘活動。具體的旅客站內走行路徑如圖2、圖3所示。

圖2 車站一樓旅客走行路徑

圖3 車站二樓旅客走行路徑

在圖2、圖3中正方形1、2分別表示進站口1和進站口2；三角形A、D、E、H表示進站檢票口；三角形B、C、F、G表示出站檢票口；六邊形A1、B1、C1、D1、E1、F1表示樓梯在車站一樓的進出口；六邊形A2、B2、C2、D2、E2、F2表示樓梯在車站二樓的進出口；八邊形1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16表示候車區內旅客上下車位置；箭頭線表示旅客站內走行路徑，為方便實地調查各路徑距離，對路徑進行了編號，箭頭線中間的數字為路徑編號，其中路徑又分為：

4.3.1 時間路徑（箭頭線1、3、4、39、41、42）

該車站旅客檢票后通過滾動電梯和樓梯上二樓月臺，進行候車；二樓下車的旅客則通過樓梯走至一樓。在建模過程中，為方便起見，可采用TimePath來具體的定義上下樓所需時間，通過對其屬性Travel Time賦值實現樓梯的仿真。

4.3.2 距離路徑（除了表示時間路徑的箭頭線）

根據建模需要，將除了上下樓梯之外的旅客站內走形軌跡設置為Path，可以將實地測量計算獲得各條路徑的長度通過給屬性Logic Length賦值來實現路徑的仿真。

5 總結

分析城市軌道交通換乘樞紐旅客集散特點，提出旅客集散仿真的基本流程，對基于Simio的換乘樞紐旅客集散仿真系統的建立方法進行研究，構建基于個體活動的旅客集散微觀仿真模型，結合大連輕軌開發區換乘樞紐站提出了具體實現途徑。

［1］李德偉,韓寶明.鐵路客運專線車站旅客集散微觀仿真模型[J].交通運輸工程學報,2009,09(01):83-86.

［2］邵偉中,劉志剛,吳強,李素瑩.上海城市軌道交通換乘樞紐運營管理模式研究[J].中國鐵路,2008(10):64-67.

［3］李文新,周育龍.大型客運站高峰期客運組織仿真模型及其優化[J].鐵道學報,2003,25(01):15-19.

［4］王波,李曉霞,安栓莊.軌道交通換乘站客流特性分析及車站設計[J].都市快軌交通,2010,23(02):55-58.

［5］賈洪飛,楊麗麗,唐明,孟丹.綜合交通樞紐內部行人微觀特性及建模需求研究[J].綜合交通運輸體系論壇,2009,09(02):17-22.