基于客流流線的城市軌道車站安全可靠性評價模型*

陳 堅 李 武 鐘異瑩 代佳妮

(1.重慶交通大學交通運輸學院,400074,重慶; 2.重慶交通大學山地城市交通系統與安全重慶市重點實驗室,400074,重慶;3.重慶公共運輸職業學院運輸貿易系,402247,重慶∥第一作者，副教授)

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基于客流流線的城市軌道車站安全可靠性評價模型*

陳 堅1,2李 武1鐘異瑩1代佳妮3

(1.重慶交通大學交通運輸學院,400074,重慶; 2.重慶交通大學山地城市交通系統與安全重慶市重點實驗室,400074,重慶;3.重慶公共運輸職業學院運輸貿易系,402247,重慶∥第一作者，副教授)

為解決城市軌道交通車站運行安全可靠性科學評估的問題,從概率論的視角,以城市軌道交通車站乘客、交通服務設施、列車構成的系統為研究對象,對城市軌道交通車站安全可靠性進行了定義。結合城市軌道交通客流流線特征,建立了城市軌道交通車站節點安全可靠性評價模型和基于權聯模型下的車站系統可靠性評估方法。以重慶軌道交通3號線兩路口站為例,應用評價模型與方法,計算兩路口站進出站節點安全可靠性和車站整體系統的安全靠性。結果表明:重慶軌道交通3號線兩路口站進出站節點的安全可靠性為92.2%,整個車站系統的安全可靠性為90.4%。

城市軌道交通; 車站節點; 客流流線; 安全可靠性

First-author′s address School of Traffic and Transportation,Chongqing Jiaotong University，400074,Chongqing,China

城市軌道交通車站乘客聚散規律及系統安全可靠性直接影響城市居民日常出行及城市交通的有序穩定運行,如何科學定量描述乘客在車站內一系列活動過程及其規律,從乘客聚散角度客觀分析車站安全可靠性,已成為國內外交通行為、公共安全領域研究的熱點與重點,也是城市軌道交通規劃設計的必要組成部分。

對系統可靠性的研究已在眾多領域取得進展,如電力網絡、供水網絡、通信網絡等。但國內外學者關于城市軌道交通系統的安全可靠性探索并不多。文獻[1]最先提出了路網可靠性的概念,并以連通可靠度為路網連通狀況的重要評價指標之一;文獻[2]采用行程時間可靠度對路網日常運營情況、服務質量的穩定性以及交通需求的敏感性進行了有效分析;文獻[3]在對步行通道、售票窗口、進站檢票機、站臺等單類交通服務設施的優化配置研究中證實了設施布局對乘客分布及擁擠程度將產生影響;文獻[4]探討了城市軌道交通系統的運營安全可靠性;文獻[5]建立了地鐵綜合監控系統可靠性模型;文獻[6]以軌道交通樞紐為研究對象,通過建立換乘設施串并聯系統,分析了系統中串聯、并聯單元的可靠性對系統整體可靠性的影響。已有研究大都側重于車站設備可靠性及突發事件后的緊急疏散,未將客流特征與安全可靠性研究相結合,忽略了車站作為一個復雜系統其自身運行的安全問題。并且,目前尚沒有城市軌道交通車站安全可靠性的概念,也缺少相應的定量計算方法。

目前，我國各大城市急需結合本城市實際特點，對軌道交通車站進行科學化、系統化、人性化規劃設計、對軌道交通車站安全的管理理論與方法進行系統化研究，在此背景下,從概率論的視角,以城市軌道交通車站乘客、交通服務設施、列車構成的系統為研究對象,結合重慶市軌道交通出行特征,進行了城市軌道交通車站內部乘客流動規律及系統安全可靠性分析。

1 客流流線分析

城市軌道交通車站站內乘客流動過程中的聚散狀態變化受到多種因素的疊加影響。要研究車站設備的合理布局和使用安全可靠性,必須先分析車站客流流線的特征。本文將城市軌道交通車站客流流線分為進站流線、出站流線以及換乘流線。

1.1 進站流線

乘客進站量的大小和車站周邊的環境密切相關。在較短的時段內,乘客進站表現出隨意性;在較長時段,乘客進站的客流量呈現峰型分布,主要表現為高峰客流和平峰客流。一般情況下,乘客進站流程如圖1所示。

圖1 乘客進站流線圖

1.2 出站流線

車站周邊環境是影響乘客出站流量大小的直接因素。在客流高峰時段內,乘客通常在列車到達車站后蜂擁下車并易于在車站某些設備處形成擁堵。等到乘客出站以后,客流逐漸分散,之前擁堵處的設備恢復到列車到站前的空閑狀態。當下一趟列車到達時,車站閑置的設備再次出現擁堵,如此反復循環。因此,乘客出站的客流特征表現出突發式增長的規律。乘客的出站流程如圖2所示。

圖2 乘客出站流線圖

1.3 換乘流線

由于商業區服務范圍內存在大量的乘客出行需求,所以換乘站一般設于商業中心區。乘客在換乘站表現出的客流規律與出站時類似,通常情況下,列車在到達換乘站時,換乘客流突發式增長。換乘結束后,換乘設備再次恢復至換乘之前的空閑狀態。乘客換乘流程如圖3所示。

圖3 乘客換乘流線圖

2 車站節點安全可靠性評價模型

2.1 車站節點安全可靠性

產品或系統在預定時間內能夠正常實現產品功能、完成預期任務的概率即為系統安全可靠性[7-8]。車站節點或系統的安全值并不是節點或系統的最大能力,而是根據乘客的行為特征、設備的物理特性以及實際情況綜合計算得出的一個理論值,如果實際值超過該理論值,從客流組織與管理的角度就有可能不安全,該值即為安全臨界值。

根據安全可靠性的概念,本文將城市軌道交通車站節點安全可靠性定義為:在一定運營條件下和規定時間內,節點能夠通過一定客流量而不存在任何安全風險的概率。

2.2 節點安全可靠性評價模型

2.2.1 模型假設

城市軌道交通車站各節點具有典型復雜性及隨機性,因此需對模型做必要假設以計算其安全可靠性。

(1) 假設乘客進出車站目的明確,僅為進站、出站和換乘;

(2) 主要考慮車站內銜接樓梯、出入口或站臺之間的通行走廊作為車站的通道;

(3) 假設車站節點的通行方向與主要客流方向一致,方便乘客通行;

(4) 不考慮乘客所攜行李對客流流量的影響。

2.2.2 模型建立

基于城市軌道車站節點安全可靠性的定義,結合高峰時期及特殊事件(如大型比賽、會展等)影響,提出定量計算公式為:

(1)

式中:

Pjd——車站節點安全可靠性;

Njd——節點斷面實際客流量;

Njd臨界——節點客流量安全臨界值；

T運營——城市軌道交通全天運營時間。

2.2.3 模型說明

當車站節點客流量超過其客流安全臨界值時,該節點是不安全的。因此,節點全天安全運營時間總和與全天運營時間之比即為節點安全可靠性概率。

3 基于權聯模型的車站系統安全可靠性分析方法

3.1 安全可靠性分析方法對比

系統安全可靠性分析方法比較常用的包括框圖法、故障樹法、馬爾可夫模型法、仿真模擬法等[9]。這些方法都有各自的特點和適用范圍。由于目前缺少從整體角度對城市軌道車站系統進行安全可靠性分析的有效方法,因此本文在對比分析多種常用分析方法的基礎上建立了城市軌道交通車站系統權聯安全可靠性分析方法。

3.1.1 安全可靠性框圖法

安全可靠性框圖法是進行系統安全可靠性評價的常用方法,該方法通過準確建立串聯結構、并聯結構、表決結構、旁聯結構等諸多邏輯結構模型來實現對系統安全可靠性的評估。

3.1.1.1 串聯結構

串聯結構,表示系統必須在所有的單元或子系統全部正常工作時才能實現其功能。所以,保證組成系統全部單元和子系統的正常工作,是實現系統高可靠性的先決條件。串聯結構的安全可靠性框圖見圖4,具體數學公式見式(2)。

圖4 串聯結構安全可靠性框圖

(2)

式中:

Pi——各系統單元或者子系統的可靠性(i=1,2,…,n);

Px——系統的可靠性。

3.1.1.2 并聯結構

并聯結構，表示完成系統規定功能的多種途徑相互獨立,并且一種處于工作狀態的途徑失效時不會影響其他途徑正常工作。當實現系統功能的所有途徑均失效時,系統將無法完成預定的任務。因此,并聯結構較串聯結構更為穩定(見圖5)。

圖5 并聯結構安全可靠性框圖

并聯結構的安全可靠性函數表達式為:

(3)

3.1.2 權聯模型

權聯系統利用不同的權重系數表示系統組成單元或子系統承擔系統整體功能的比重。如果某一單元或子系統出現問題,則系統安全可靠性根據單元或子系統的權重折減。權聯模型框圖如圖6所示。

圖6 權聯模型框圖

3.2 安全可靠性分析方法選擇

基于對可靠性框圖法和權聯模型的分析可知,各種方法對系統安全可靠性的分析側重點和適用性各有不同。其中,安全可靠性框圖法通過相應的結構模型框圖描述系統組成單元之間的邏輯關系。權聯模型則關注各系統組成單元以及子系統權重和性質對系統整體性質的影響。

由于城市軌道交通車站各節點為混聯結構,且各節點對系統整體安全可靠性的影響大小存在差異,需要采用不同權重系數定量描述,更符合權聯模型的適用范圍。因此本文采用權聯模型對城市軌道交通車站系統的安全可靠性進行分析。

3.3 基于權聯模型的安全可靠性分析方法

3.3.1 權重的確定

建立權聯模型時,系統組成單元以及各子系統的權重需要通過判斷矩陣來確定,根據相應的判斷矩陣元素值大小來反映各子系統或單元的相對重要性。矩陣元素數值一般采用自然數1至9及其倒數進行標度[16]。

確定權重系統的步驟中,首先根據子系統或單元的重要程度進行排列,再應用兩兩比較的方式確定每個子系統或單元的相對重要性,即比較2個子系統i和j,確定2個相對重要性值ui和uj,引入1至9比率標度,ui和uj的確定依據如下原則(假定uj的相對值為1):

當ui=uj=1時,表示子系統或單元i和j同等重要;

當ui=3時,表示子系統或單元i比j略微重要;

當ui=5時,表示子系統或單元i比j重要;

當ui=7時,表示子系統或單元i比j很重要;

當ui=9時,表示子系統或單元i比j絕對重要;

當二者重要性介于上述情況時,取中間值ui=2,4,6,8。

為保證科學地獲得各系統組成單元或子系統的權重系數,根據上述重要性的確定原則,兩兩比較所有元素,形成如下比較判斷矩陣W。

(4)

3.3.2 安全可靠性的計算

根據權聯模型框圖和各項權重,系統的安全可靠性可按式(5)計算。

Px=ω1P1+ω2P2+…+ωnPn

(5)

式中:

ωi——各系統單元或子系統的權重。

其他變量含義同前。

4 實例分析

4.1 重慶軌道交通兩路口車站現狀

重慶軌道交通兩路口車站位于重慶市渝中區,地處市區交通中心。西南面為菜園壩火車站和長途汽車站,東面為重慶市中心解放碑商圈,西面通往大坪、沙坪壩,同時往南坪、江北的車輛也在此處交匯,人流量和車流量很大。

4.2 兩路口站出入口節點安全可靠性分析

4.2.1 出入口節點安全可靠性臨界值

根據城市軌道交通兩路口站客流流向,可將車站出入口通道分為進站通道、出站通道和換乘通道,是乘客在站內通行的必經之路。出入口(通道)安全可靠性臨界值是根據高峰時段車站通道內客流的調查數據確定。兩路口站早高峰時段單向通道客流相關數據：平均密度為1.87 人/m2,平均速度為0.63 m/s。

通道的單向臨界值

Ntddx=3 600×ρtddx×vtddx

(6)

式中:

Ntddx——單向通道通臨界值;

ρtddx——單向通道客流密度;

vtddx——單向通道客流速度。

由于乘客在雙向混行通道中受對向客流交叉影響,會使得通道通行能力有所降低。取客流交叉影響系數為αjc,則乘客在雙向混行通道走行時通道的臨界值Ntdsx為:

Ntdsx=(1-αjc)×Ntddx

(7)

代入數據得:

Ntdsx=(1-αjc)×Ntddx=3 393人/(m·h)

將此臨界值平均到15 min,即848人/(m·15 min)。

4.2.2 安全可靠性計算

由于兩路口車站出入口較多,以4號出入口(通道)為例進行分析,一天內的調查數據見表1。在早高峰(7:30—9:30)、晚高峰(16:30—18:30)時段內,兩路口站出入口(通道)客流量超過安全可靠臨界值848人/(m·15 min)的時間段有:8:00—8:15、8:15—8:30、8:45—9:00、17:15—17:30、17:30—17:45,總計75 min,即1.25 h。重慶輕軌交通3號線全天運營時間為16 h。

則兩路口站出入口(通道)節點安全可靠性為:

所以,兩路口車站出入口(通道)節點的安全可靠性為92.2%。

表1 兩路口站4號出入口早、晚高峰客流量

4.3 兩路口站系統安全可靠性計算

兩路口站大系統可視為由諸多子系統權聯的大系統。這些子系統包括出入口(通道)子系統、安檢子系統、人工售票子系統、自動售票子系統、檢票機子系統、樓梯或自動扶梯子系統以及站臺子系統。各子系統的安全可靠性可根據式(1)計算求得,各子系統可靠性見表2。

表2 兩路口站各子系統可靠性

依據權聯模型式(4)的計算方法,確定各子系統的權重系數。通過各子系統的相對重要性建立判斷矩陣,結果如下:

因此兩路口站系統的安全可靠性為:

Px=ω1P1+ω2P2+ω3P3+ω4P4+ω5P5+

ω6P6+ω7P7=0.904

5 結語

本文提出了城市軌道交通車站安全可靠性的概念及其定量化方法。從乘客出行流線的角度,將城市軌道交通車站大系統劃分為若干子系統,在計算各子系統安全可靠性基礎上,構建了權聯模型以綜合評估城市軌道交通車站總體安全可靠性。但各子系統安全臨界值的確定及子系統間的相互影響機理仍需要進一步深入研究。

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Security Evaluation Model of Urban Rail Transit Station Based on Passenger StreamlineCHEN Jian, LI Wu, ZHONG Yiying, DAI Jiani

To solve the problem of scientific assessment on urban rail transit station operation security reliability, the systems of passenger flow, service facilities and train marshaling are taken as the research targets to define the security reliability from the perspective of probability theory. In combination with the characteristics of rail transit passenger flow, a security evaluation model for station nodes and the evaluation method of station system are established based on weight union model. Finally, the evaluation method and model are used at Lianglukou Station on Chongqing rail transit Line 3 to calculate the security of the node and the whole station system. The result shows that the security reliability at the access nodes on Line 3 is 92.2%, and the security reliability of whole station system is evaluated as 90.4%.

urban rail transit; station node; passenger streamline; security reliability

*國家自然科學基金項目(51308569)；重慶市基礎與前沿研究計劃項目(cstc2013jcjA30002)

U 298： U 231.4

10.16037/j.1007-869x.2016.05.013

2015-06-02)