軌道交通車站運營負荷評估與優化研究

何越磊，成 建，劉志鋼，丁小兵

(1.上海工程技術大學 城市軌道交通學院，上海 201620；2.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

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軌道交通車站運營負荷評估與優化研究

何越磊1，成 建1，劉志鋼1，丁小兵2

(1.上海工程技術大學 城市軌道交通學院，上海 201620；2.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

在闡述車站運營負荷基本理論的基礎上，給出了車站運營負荷的計算和評估方法，并以上海軌道交通9號線為例，對其車站運營負荷進行計算和評估。根據運營負荷評估的結果，對運營負荷較大的車站進行客流流線優化：首先，確定了一些主要的客流流線優化指標；其次，針對客流流線優化指標提出客流流線優化的方法，主要包括通行效率優化方法和設施布局優化方法，并利用灰色定權聚類模型對各客流流線優化方案進行評價，從而得出最佳客流流線方案；最后，以上海軌道交通9號線運營負荷最高的世紀大道站為例，運用以上客流流線優化方法對其客流流線的各項指標進行優化，并利用灰色定權聚類模型進行評價，得出最優方案。

交通運輸工程；城市軌道交通；運營負荷；評估與優化；灰色定權聚類

0 引 言

隨著城市軌道交通網絡的不斷完善，其客流量迅速擴增，導致一些車站正長期處于高負荷的運營狀態，車站運營負荷不僅關系到車站的運營安全，也是決定軌道交通客運服務質量的重要因素。因此，為了衡量軌道交通各車站的運營安全性和客運服務質量，有必要從車站運營負荷的角度對各車站進行運營負荷評估。針對一些負荷較高的車站，從車站客流流線優化的角度，提出一些客流流線的優化方法和模型。這不僅可以緩解車站運營負荷壓力，同時對軌道交通的安全運營具有指導意義，對運營管理部門具有一定參考價值。

目前，對城市軌道交通車站運營安全的研究主要集中在車站通行設施的匹配、車站設施設備布局和車站客流流線三個方面。馬杰[1]對軌道交通車站樓扶梯、換乘通道、進出口的實際最大通過能力進行了研究；張興博[2]基于軌道交通車站功能需求和客流流線中涉及到的基本區域，把車站劃分成7個主要功能區，對同乘客出行密切相關的5個功能區進行研究，較全面地分析了客流流線和各個區域內關鍵設施的布置方式，為筆者的研究指明方向；夏菁等[3]對北京南站當前的客流流線組織形式進行了詳細分析，通過對客流流線進行分類和北京南站在其客流流線組織過程中存在的問題的分析，給出了一些有效的客流流線組織的優化措施和方案，為筆者的研究提供了有效參考。

然而，目前從運營負荷角度對軌道交通車站運營安全問題的研究較少。筆者在對軌道交通車站運營負荷的計算與評估分析的基礎上，針對運營負荷較大的車站進行客流流線優化研究，并結合上海軌道交通9號線實際運營數據進行案例分析，從而提高軌道交通車站的運營安全性和客運服務水平。

1 車站運營負荷評估理論

同車站運營負荷有關的設備包括站臺、自動售票機、閘機、樓扶梯、通道和出入口等。鑒于來自不同方向的客流最終都匯集于站臺并且站臺上乘客的飽和程度可以直接反映車站對客流的承載能力。因此，筆者重點對站臺高峰小時負荷ρ進行分析[4]。

島式站臺由于存在上下行乘客同站臺候車和部分列車同時到達站臺的問題，導致列車對站臺的占用重疊，故最大負荷應按照上下行列車同時到達的要求計算。無論是側式站臺或島式站臺，站臺高峰小時的負荷計算如式(1)：

(1)

式中：ρ站臺為高峰小時的站臺負荷，對于側式站臺，上下行站臺分別計算；n為高峰小時列車對數，側式站臺為單向“列/h”，島式站臺時數值相同，但單位含義為“對/h”； P集散為高峰小時實際集散客流量，包括換乘客流(換入+換出)與進出站客流總和，可通過AFC刷卡數據進行估計； P設計為站臺設計集散能力，P設計=S·f·p [S為站臺總面積；f為站臺用于乘客候車的有效系數(除去樓扶梯、售貨亭和站臺邊緣的非安全區域等占用的面積)，由于島式站臺和側式站臺設施設備的布局不同，島式站臺f=0.75，側式站臺f=0.80；p為單位面積候車人數，取1.67人/m2]。

基于理論分析與運營實踐要求，不同車站負荷區間對應的車站運營負荷等級如表1。

表1 不同車站負荷值對應的運營負荷等級

2 9號線車站運營負荷評估

9號線各站高峰小時客流采用2014年4月8日的數據，早高峰為08:00—09:00。因各站早高峰客流均大于晚高峰客流，因此僅分析計算早高峰的負荷，利用式(1)計算得到上行和下行各車站運營負荷，見表2。

表2 9號線上下行站臺早高峰客流負荷

(續表2)

車站上行站臺下行站臺S/m2P設計P集散ρ站臺S/m2P設計P集散ρ站臺洞涇370061798990．01370061798990．01松江大學城3140524441660．063140524441660．06松江新城1280213818220．061280213818220．06松江體育中心1506251517610．051506251517610．05醉白池114819179670．04114819179670．04松江南站249741706530．01249741706530．01

由表2可見，世紀大道站上行早高峰小時站臺負荷達0.41，運營負荷等級為“二級”；商城路、肇嘉浜路、徐家匯、宜山路、桂林路、漕河涇開發區的早高峰小時站臺負荷處于0.22～0.40，運營負荷等級均為“三級”；其余車站未超過0.20，運營負荷等級均為“四級”，均在可控范圍之內。世紀大道站、陸家浜路、肇嘉浜路、徐家匯、宜山路站下行早高峰小時站臺負荷處于0.40～0.47，運營負荷等級均為“二級”；商城路、桂林路、漕河涇開發區、合川路、七寶、九亭站的早高峰小時站臺負荷處于0.20～0.40，運營負荷等級均為“三級”；其余車站未超過0.20，運營負荷均為“四級”，均在可控范圍之內。由于車站運營負荷評估等級“二級”和“三級”分別對應車站運能緊張程度為“緊張”和“較緊張”，這些車站在運營中存在較大安全隱患，一旦客流流線組織的不合理，容易導致踩踏事件，因此有必要針對這些車站進行客流流線優化，以緩解車站運營負荷壓力，保證軌道交通運營安全。

3 客流流線優化灰色定權聚類模型

在運營負荷評估的基礎上，研究車站運能提高對策，提出車站客流流線優化的一般方法，并利用灰色定權聚類模型對各優化方案進行評價。最后，得出最優的車站客流流線方案。

3.1 客流流線優化評價指標

為了保證優化指標的全面性和科學性，將客流流線優化指標分為通行效率指標和設備布局指標[5-6]，見表3。

表3 客流流線優化評價指標

1)換乘走行距離S11：表示乘客換乘完成所行走的平均距離。

2)換乘時間S12：表示乘客換乘完成所用的平均時間。

3)干擾度S13：表示乘客在換乘過程中客流流線之間相互干擾的程度，用客流流線上對沖點的數目來衡量。

4)便捷度S14：表示換乘難易度，S14=Tb/Tz(Tb為換乘步行時間，為Tz乘客出行總時間，指乘客在該站下車到上車離開所需的時間)，S14值越小換乘越容易。

5)舒適性S21：表示換乘設備對乘客的容納能力，用人均換乘面積量化。

6)安全性S22：表示車站客流流線組織的抗風險能力，“安全性較低”取1，“安全性一般”取3，“安全性較高”取5。

3.2 客流流線優化方法

3.2.1 通行效率優化方法

物理分割法、水庫式集聚分流法和源頭控制法可用于優化換乘走行距離、換乘時間、干擾度和便捷度指標，以提高客流流線的通行效率。

1)物理分割法。該方法借助移動護欄或其他設備把進出站客流與換乘客流進行分隔，以減少客流流線上對沖點的數目[7]。對沖點的減少使得客流流線之間的干擾度降低，減少了乘客換乘時間，從而使客流流線更加通暢，同時也緩解了乘客走行習慣與車站設施設備布局的矛盾，對提高客流流線的通行效率效果較顯著。

2)水庫式聚集分流法。該方法首先把不同方向的客流匯集到同一個大型的站廳內，然后按照不同的目的把客流分流到各自的通道。水庫式聚集分流法通過先匯集再分流的方法能夠有效減少客流流線上沖突點的數目。這種流線優化方法在提高客流流線通行效率的同時，也可能會增加乘客在整個換乘過程中的換乘距離。因此，在使用該優化方法時需要權衡干擾度和換乘距離兩個指標。

3)源頭控制法。該方法分別從進站流線的源頭和出站流線的源頭，對客流進行控制。在進站流線源頭控制方面，通過限制站臺客流、站廳付費區和非付費區客流控制，限制部分出入口乘客進站或關閉部分出入口。在出站流線源頭控制方面，通過在早晚高峰時段優化列車行車組織方案，避免不同方向的列車同時到達站臺，緩解高峰時段站臺運營負荷壓力。

3.2.2 設備布局優化方法

1)AFC系統布局

AFC系統的布局要根據不同客流的走向布置，盡量避免不同方向客流流線的交叉干擾；售檢票機位置應與出入口、樓梯和自動扶梯保持適當的距離；為了避免早晚高峰時段進站客流與過閘機出站客流形成對沖，應保證售檢票機前有足夠的剩余空間并無雜物堆砌；為了方便管理，要求售檢票機根據出入口數量相對集中布置并提高檢票設備的靈活性；為提高客流流線的通行效率，可為行動不便的乘客專門設置售檢票設施[8]。

2)導向設備布局

導向設備在保證車站客流的有序高效流動方面至關重要。導向設備的布局要根據客流流線的需要，在乘客必經場所(出入口、售檢票處、樓扶梯、轉角、通道、站臺站廳等)發布必要的進出站和換乘方向信息。同時，導向設備在布置時要保持適當的連續性，避免乘客因中途導向設備中斷而迷失方向，對車站客流流線形成干擾[9-10]。

3.3 灰色定權聚類評價模型

針對表2中各指標對客流流線優化后，利用灰色定權聚類法對客流流線方案進行評價，分析優化方案的科學性和合理性。

灰色定權聚類的基本思路是根據第i(i=1,2，…,m)個評價對象的j(j=1，2，…,n)指標的觀測值uij，把第i個對象聚類為第k(k=1,2，…,q)個灰類[11]。具體步驟如下：

1)獲取聚類白化數矩陣U=(uij)m×n。

白化權函數用于表示某一數據隸屬某一灰類程度的大小。其常用形式有3種[12]。

下限測度白化權函數：

適中測度白化權函數：

上限測度白化權函數：

3)確定每個指標的聚類權wj。

確定聚類權wj的方法有層次分析法、信息熵原理和德爾菲技術等，可根據實際情況進行選擇。

4)計算模糊定權聚類系數。

4 客流流線優化案例分析

4.1 世紀大道站客流流線優化

世紀大道站作為上海軌道交通2號線、4號線、6號線和9號線匯聚的首個四線換乘樞紐站，采用站廳換乘方式，4條軌道交通線路通過共用一個站廳實現各線路之間的“零距離”換乘，共用站廳位于地下一層，以6號線站臺為界，站廳被分割成A區和B區。2號線、4號線和9號線站臺采用島式站臺形式，2號線和9號線位于地下二層，4號線位于地下三層，而6號線采用側式站臺形式，位于地下一層且橫穿世紀大道，同2號線、4號線和9號線構成“豐”字型換乘結構。

隨著上海軌道交通網絡化的基本形成，帶來了換乘站客流量的急劇上升，世紀大道站起初設計的“零換乘”方式由于各線路換乘距離過短，造成其在早晚高峰客流對沖明顯。其中，2號線和6號線分別作為上海軌道交通全網客流量最高和滿載率最高的線路，加之2號線與6號線換乘距離非常短，導致兩條線路之間客流對沖現象十分明顯，電梯和樓梯口擁堵也相當嚴重，給乘客的出行帶來了巨大安全隱患。本著緩解客流對沖以保證乘客出行安全的目的，上海申通地鐵集團有限公司對世紀大道站A區站廳進行了改造，將進站的閘機向外移動了20多m，使乘客有效換乘空間擴增了約500m2。與此同時，運營方取消了原先的短距離“零換乘”方式，實行新的換乘方案。新換乘方案關閉了6號線站臺與2號線站廳之間的卷簾門，要求乘客在2號線和6號線之間的換乘必須經過兩側的4號線或者9號線站廳繞行完成。新的換乘方案執行后，雖然在很大程度上緩解了原先直接換乘形成的強烈客流對沖壓力，卻導致了乘客換乘走行距離的增加，并且6號線站臺及兩側的通道也出現了新的堵點。由此可見，調整后換乘方案仍然沒有消除安全隱患，需要對調整方案不斷完善和優化。為了方便后面的研究，此處將“零換乘”方案和首次調整后的換乘方案分別稱為方案1和方案2，其具體客流流線見圖1和圖2(均以A區站廳為例)。

圖1 零換乘客流流線(方案1)

圖2 首次調整后客流流線(方案2)

由圖2可見，調整后的客流流線在9號線站廳靠近6號線站臺的電梯和樓梯處客流沖突嚴重，出現了新的堵點。因此，需要再次對方案2進行調整，應用上文的客流流線優化方法，可將圖2換乘方案調整為：2號線換乘6號線經過客流量較少的4號線站廳繞行完成(見圖3)，調整后的客流流線不僅緩解了2號線與6號線的客流對沖，而且避免了新的堵點的產生。

圖3 再次調整后客流流線(方案3)

4.2 優化方案評價

利用灰色定權聚類評價模型對以上3個方案進行評價。

Step1: 通過現場調研和查閱資料得到了3個客流流線方案的評價指標值(見表4)。

表4 世紀大道站客流流線優化評價指標

Step2：構造白化權函數

Step3:首先采用德爾菲技術確定各指標的聚類權w=(0.10，0.12，0.16，0.14，0.22，0.26)。

5 結 語

筆者在提出車站運營負荷理論的基礎上，根據車站運營負荷值的大小對車站的負荷進行評估，以定量的方式衡量各車站的運營負荷。針對運營負荷級別較高的車站，給出了車站客流流線優化的一般方法，并構建了客流流線優化的灰色定權聚類模型。該模型根據通行效率和設備布局兩大類指標，對客流流線方案進行定量評價，以確定最優的客流流線方案。結合上海軌道交通9號線實際運營數據，利用車站運營負荷理論對其各車站運營負荷值進行計算和評估，得出負荷較大的車站：世紀大道站、陸家浜路站、肇家浜路站和徐家匯站。以世紀大道站為例，對其客流流線進行優化和評價。這些理論方法和模型的提出不僅有助于緩解車站運營負荷壓力，同時也豐富了軌道交通安全管理的實踐理論。

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Evaluation and Optimization of Operational Load of Urban Rail Transit Station

He Yuelei1, Cheng Jian1, Liu Zhigang1, Ding Xiaobing2

(1. College of Urban Rail Transportation, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China;2. MOE Key Laboratory of Road & Traffic Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

The basic theory of station operational load was elaborated and then the calculation and evaluation approach of operational load of station was given. Moreover, Shanghai Metro Line 9 was taken as an example to calculate and evaluate its operational load of station. According to the evaluation results of operational load, the optimization for passenger flow routing was put forward for the stations with higher operational load so as to relieve the pressure of operational load of station. Firstly, some primary optimization indexes of passenger flow routing were ascertained. Then, the approaches of optimization for passenger flow routing were proposed on the basis of the above indexes, mainly including traffic efficiency optimization method and equipment layout optimization method; the grey fixed-weight clustering model was utilized to evaluate the optimization schemes of passenger flow routing in order to obtain the optimum scheme. In the end, Century Avenue Station of Shanghai Metro Line 9 with the highest operational load was exemplified to optimize its indexes of passenger flow routing with the proposed optimization approaches and to evaluate its passenger flow routing with the grey fixed-weight clustering model, and the optimum passenger flow routing scheme was obtained.

traffic and transportation engineering; urban rail transit; operational load; evaluation and optimization; grey fixed-weight clustering

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.29

2015-03-18；

2015-05-04

何越磊(1972—)，男，遼寧沈陽人，教授，博士，主要從事軌道交通安全與檢測技術方面的研究。E-mail:hyldoc@163.com。

丁小兵(1982—)，男，江蘇東臺人，博士研究生，主要從事城市軌道交通安全管理方面的研究。E-mail：dxbsuda@163.com。

U492.11

A

1674-0696(2015)06-156-06