行人仿真在城市軌道交通換乘站客運現狀評價中的應用

陳明鈿，鄭宣傳，高國飛

(北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037)

我國城市軌道交通發展迅猛，同時客流需求持續激增[1]，城市軌道交通系統的客流供需矛盾日益凸顯。由于換乘站內客流結構復雜[2]，動態性和隨機性強，其客流組織問題和隱患尤為突出。因此，有必要對城市軌道交通換乘站客流組織及設施設備布局現狀進行評價，一方面有助于優化換乘站與線路的客運組織方案，另一方面可為換乘站升級改造提供客流依據。由于行人仿真具有直觀性、經濟性、高效性等特點，近年來已逐漸被廣泛應用于國內城市軌道交通換乘站設計方案評價中[2-10]，例如，余晶[2]采用行人仿真軟件Legion對地鐵佛山西站方案進行動態仿真模擬，為設計和優化車站空間布局、設施設置和車站客運組織提供了直觀的參考依據。但是，目前已有研究對于換乘站客運現狀評價中的行人仿真應用較少。本文采用行人仿真軟件Legion，通過對實際案例沈陽地鐵青年大街站建立行人仿真模型，對其設施布局和客運組織現狀進行評價分析，為車站改造及客運組織優化提供參考。

1 青年大街站概況

青年大街站為沈陽地鐵1、2號線換乘站，其中1號線(M1)為東西走向，2號線(M2)為南北走向。車站采用島側十字節點換乘(上側下島)，2號線為側式站臺，1號線為島式站臺。車站地下共分2層，其中地下一層為共用站廳層及2號線站臺層，地下二層為1號線站臺層。受周邊環境控制，兩線車站有效站臺位置固定。車站在四個象限分別設置了4處車站進出口。兩線車站通過地下一層的四條換乘通道及節點處兩站臺之間的換乘樓梯連接，實現單向換乘功能。車站的客流組織流線如圖1所示。

圖1 青年大街站客流組織流線示意圖Fig.1 Diagram of passenger flow lines in Qingniandajie Station

由于青年大街站為沈陽地鐵唯一的換乘站，每天承載大量換乘客流的出行需求。目前該站日均進站量為2.28萬人次，日均換乘量為18萬人次，高峰小時及全日換乘客流均已達初設階段遠期預測客流的15倍。由于該站設計之初的預測客流與實際開通后的運營客流偏差較大，導致目前車站擁擠狀況突出，容易出現影響運營安全的問題。

2 仿真內容及參數設置

本文所采用的行人仿真軟件為Legion SpaceWorks，該軟件被業內認為是目前最有效的行人仿真與分析工具[2, 11-12]，其核心模型是由Still提出的基于智能體(Agent)的基礎模型[13]。其中行人行為模型的參數標定，Legion公司通過大量的調研數據和仿真測試，包括其軟件在國內的一些應用項目，已經取得了良好的效果，并且實現了模型參數“本地化”，如圖2所示。

圖2 行人自由流速度參數“本地化”Fig.2 "Localization" of the velocity parameter of free flow of pedestrians

本次仿真的主要目的為通過評估青年大街站的客運現狀，找出運營組織的薄弱環節、潛在安全隱患，仿真范圍為青年大街站內的交通功能空間(乘客公共活動區域)。

根據沈陽地鐵青年大街站2017年3月份客流數據的分時統計分析結果(圖3)，青年大街站工作日各時段客流結構基本相同，均以換乘客流為主，工作日分時換乘客流量基本占總客運量的80%以上，且站內客流量最大的時段為周一早高峰(8:00—9:00)，客流量達到了30 000人/h左右。由于該時段最能突出反映青年大街站內換乘客流與換乘設施間的供給矛盾，因此確定對早高峰8:00—9:00時段進行仿真分析，并選取某周一早上8:00—9:00間的客流數據作為模型的客流輸入參數，站內客流OD如表1所示。其中，超高峰時段為8:00—8:15，超高峰系數為1.28。

圖3 沈陽地鐵青年大街站分時客流統計結果Fig.3 Passenger flow statistics of Qingniandajie Station in Shenyang Metro

表1 青年大街站內客流OD數據表Table 1 OD data sheet of passenger flow in Qingniandajie Station

根據沈陽地鐵提供的1、2號線原始票卡數據、CCTV監控視頻等資料，經統計、分析得到的青年大街站早高峰乘客特性參數如下：(1)票種比例：一卡通70%，單程票30%；(2)購票方式比例：自動售票機60%，人工售票40%；(3)安檢比例：安檢80%，不安檢20%；(4)下行樓扶梯選擇比例：扶梯52%，樓梯48%；(5)上行樓扶梯選擇比例：扶梯90%，樓梯10%。

目前1號線及2號線均采用B型車6節編組形式，工作日1號線早高峰行車間隔達到255 s，2號線早高峰行車間隔為280～333 s；1號線早高峰發車14對，2號線早高峰發車11對；兩線在青年大街站均停站60 s。仿真模型中的列車到達間隔按現行周一早高峰的列車運行圖方案確定。乘客在售、檢票口(機)的延誤時間參照地鐵車站建筑設計規范與實際調研最大通行能力取值，如表2所示。

表2 售檢票口(機)延誤時間分布Table 2 Delay time distribution of ticket entrances (machines)

由于在地鐵的客流集散過程中，特別是由于下車客流的集中到達，在站臺和樓、扶梯等節點出現瞬間的高密度人流屬于比較正常的現象，所以在評價過程中更多地使用平均密度和高密度持續時間更能體現節點潛在的安全隱患。對于客流密度分級服務水平評價，本文采用國際上較為通用的Fruin服務水平評價標準[14]，如表3所示。

表3 Fruin服務水平分級及描述表Table 3 Fruin service level classification and description table

3 仿真結果分析

3.1 車站整體分析

青年大街站整體平均密度為1.44人/m2(E級)，整體密度最大值達到2.45人/m2(F級)。除了站廳非付費區外，車站早高峰整體客流密度較大，整體服務水平較低，參見圖4，5。服務水平在E級(密度大于1人/m2)的乘客占所有乘客的63%，其中23%的乘客達到了F級(密度大于2人/m2)，存在較大客流風險。

圖4 青年大街站整體平均密度分布圖Fig.4 Mean density distribution map of Qingniandajie Station

圖5 青年大街站整體服務水平分布圖Fig.5 Overall service level distribution map of Qingniandajie Station

圖6為車站整體高密度持續時間分布圖，可知東西兩側站廳換乘樓扶梯、站臺節點換乘樓扶梯周圍區域高密度(2人/m2)持續時間均達到10 min以上，是整個車站的擁擠點和能力瓶頸區域。

圖6 青年大街站高密度持續時間分布圖Fig.6 High density duration distribution map of Qingniandajie Station

3.2 站廳區域分析

站廳的非付費區和付費區的客流密度區別明顯，非付費區平均客流密度為0.22人/m2，而付費區為1.21人/m2，客流密度相差5.5倍，參見圖7。非付費區處于服務水平E級以下(大于1.08人/m2)的乘客占比僅1%，而付費區處于服務水平E級以下(大于1.08人/m2)的乘客占比高達59%，乘客在付費區內行走舒適度較低。其原因在于該站高峰時段以換乘客流為主(換乘比例達90%)，2號線換乘1號線客流需經站廳付費區換乘，導致付費區整體客流密度大。

圖7 站廳平均密度分布圖Fig.7 The average density distribution map of the station halls

付費區內的樓扶梯以及部分拐角處為西側站廳的瓶頸區域，平均密度出現紅色(F級)區域，其原因在于限流圍欄、立柱存在導致通道寬度變小，通行能力降低，且樓扶梯是通行能力的瓶頸點。東側站廳客流密度分布情況與之相同。

3.3 站臺區域分析

1號線站臺區域整體平均密度為0.85人/m2。站臺總體客流分布不均勻，表現為乘降區及樓扶梯等候區密度大，其他區域密度小。站臺乘降區域處于D級以下服務水平(大于1.54人/m2)的乘客占比為33%，服務水平適中。站臺中部及東西兩端的等候區域客流密度較低，尚未充分利用，建議可考慮適當增加該區域的空間利用率。

2號線站臺區域整體密度較大，平均密度達到1.26人/m2。站臺區域處于D級及D級服務水平以下(大于1.54人/m2)的乘客占比為51%，服務水平一般。站臺兩端的過軌樓扶梯(一樓一扶)客流密度低，且減小了2號線站臺兩端乘降區域寬度，降低了該區域的服務水平。

表4為站臺容納能力的計算結果，可以看出，1號線站臺乘降區處于飽和狀態，但由于1號線為島式站臺，高峰時上下行乘客可以共用站臺等候區域，且該區域的能力利用率低，因此1號線站臺整體能力還有一定富余；2號線站臺區域已經接近飽和狀態，且為側式站臺，沒有多余可利用的空間，容納能力比較緊張，在乘客上下車時有較大的客流風險。

表4 站臺容納能力計算結果Table 4 Calculation results of the capacity of platforms

3.4 樓扶梯排隊區域分析

西側站廳樓扶梯平均密度1.16人/m2，最高密度3.03人/m2；東側站廳樓扶梯平均密度1.17人/m2，最高密度2.99人/m2。站廳東、西側樓扶梯的服務水平均較差，服務水平處于E級以下(大于1.54人/m2)乘客占總人數的67.5%，尤其是下行扶梯及其排隊區域以及其側前方立柱與圍欄之間的狹窄區域，高峰時排隊較為嚴重，易造成擁擠。

1號線換乘2號線樓梯中，西側樓梯平均密度1.20 人/m2，最高密度3.08 人/m2；東側樓梯平均密度1.38 人/m2，最高密度3.36 人/m2；最大密度均超過了3 人/m2，排隊嚴重，安全隱患較大。兩部樓梯的服務水平均較差，服務水平處于E級以下(大于1.54 人/m2)乘客占總人數的80%。

相比于站廳樓扶梯和1號線換乘2號線樓梯，2號線站臺四部過軌樓梯的客流密度較低，服務水平均在C級，空間利用率較低。

各換乘樓扶梯的通過能力計算結果如表5所示，可以看出，幾組樓扶梯的超高峰飽和度較高，平均在50%以上，尤其是M1換M2的兩組樓梯，飽和度達到了65%左右。客流疏解時間較長，平均都在200 s以上，但小于列車的最小發車間隔(255 s)，能夠隨時間周期性消散，不存在客流滯留積聚的風險。

表5 換乘樓扶梯通過能力計算結果Table 5 Calculation results of the carrying capacity of transfer stairs and escalators

3.5 換乘通道區域分析

1號(東北角)、3號(西南角)換乘通道的平均客流密度約為0.6人/m2，最大客流密度達到2.5人/m2左右；2號(西北角)、4號(東南角)換乘通道的平均客流密度小于0.4人/m2，最大客流密度小于1.75人/m2，比1、3號換乘通道密度小。通道服務水平處于E級以下(大于1.08人/m2)的乘客均占60%左右，服務水平一般。

換乘通道的通過能力計算結果如表6所示，換乘通道的總體能力基本滿足高峰客流的需求，尤其是2、4號換乘通道的能力利用率較低，平均在31%以下；通道內客流能夠隨時間周期性疏散，疏解時間在2 min以內，不存在累加積聚的危險。因此換乘通道存在一定的能力富余空間，并非青年大街站的換乘瓶頸點。

表6 換乘通道通過能力計算結果Table 6 Calculation results of the carrying capacity of the transfer channels

3.6 車站流線組織分析

目前，該站的客流流線組織比較合理，沖突點較少。1號線換2號線客流采用站臺中部樓梯換乘；2號線換1號線客流通過站廳進行換乘，換乘客流不存在交叉對沖。通過在站廳設置限流圍欄進行客流緩沖，一定程度上緩解2號線換1號線客流對站廳的樓扶梯客流沖擊，延緩換乘客流對1號線站臺的沖擊。但高峰期，由于1號線換2號線通過樓扶梯直接換乘，缺乏緩沖區域，容易在樓梯口處形成客流堆積，形成高密度區域(圖8)；對于1號線站臺存在一定的安全隱患。目前2號線的部分進站客流，與2號線換1號線及出站客流需共用換乘通道，會造成短時的客流對向沖突；現若將部分1號線換2號線客流引導至站廳換乘，則會加劇對沖客流的沖突，導致通道能力的下降(圖9)。由于換乘通道的能力較為富裕，因此可在通道內設置導流護欄，該措施能夠避免對向行人沖突，提高通行效率[15]。

圖8 M1站臺換乘樓梯客流堆積現象Fig.8 Passenger flow accumulation on transfer stairs of M1 platform

圖9 換乘通道內的客流沖突Fig.9 Passenger flow conflicts in transfer corridors

4 車站擁擠成因分析

4.1 設計階段預測換乘量偏低，而實際換乘壓力巨大

目前沈陽地鐵線網運營的僅有2條線，且1號線及2號線僅有唯一的換乘站，線網結構尚未成熟。該站設計初的遠期(2035年)早高峰預測換乘量只有2 000多人次，全日換乘客流約2.5萬人次；而現狀(2017年4月17日)僅早高峰小時的換乘量為2.6萬人次，是設計初預測的遠期早高峰換乘量的12.5倍，甚至高于北京最擁擠的兩線換乘站——國貿站的換乘量(2.2萬人次)，換乘壓力巨大。由于該站總體的設計依據為當時的客流預測數據，因此車站的規模并不大，只有上下兩層，兩條線路共用站廳，且采用島側式十字節點換乘方式，難以適應大客流沖擊，導致目前站臺及設施設備能力緊張的情況。

4.2 發車間隔大，高峰運能略顯不足

目前沈陽地鐵1號線的最小發車間隔是255 s，2號線的最小發車間隔是280 s。線路設計階段，1、2號線的初、近、遠期采用大小交路套跑的方式分別開行12、18、30對列車。目前青年大街站的運營客流已達遠期設計客流規模，但行車方案仍采用初期的規模配置，兩條線路均采用單一大交路運行，早高峰1號線實際發車14對，2號線發車11對，因此導致高峰期運力緊張，站臺客流壓力大。

4.3 車站換乘設施等瓶頸區域空間緊張

由于青年大街站2號線為側式站臺，且站臺寬度有限(兩側均為6 m，最窄處僅有2.4 m)，因此導致站臺容納能力有限(按2人/m2計算能容納1 329人)。大量候車乘客進入站臺導致整體密度偏大，尤其是在列車到達后、乘客上下車的瞬間，站臺的最大瞬時客流飽和度接近100%，幾乎沒有多余的容納空間，具有一定的客流風險。

另外，由于1號線換2號線的方式為“臺-梯-臺”的節點換乘，換乘環節中唯一的換乘樓梯寬度有限(3.2 m)，缺少客流緩沖區域，容易造成換乘設施起點處人員堆積密度較大，且需要較長時間(210 s左右)才能消散完畢。若2號線站臺乘客數量飽和，則換乘的乘客只能站在樓梯上排隊等待換乘，不利于疏導客流，存在安全隱患。

5 改進措施

5.1 線路運營調節方面

壓縮1、2號線高峰小時發車間隔。由于沈陽地鐵1、2號線的換乘客流需求巨大，而線路運能卻明顯不足，運力與運能間的不匹配導致了換乘節點上的乘客滯留，是造成青年大街站內整體客流密度大、服務水平低的根本原因。因此，通過壓縮發車間隔來提高線路運能，是降低青年大街站客流密度、提高站內設施服務水平的最有效手段。

壓縮發車間隔的可用措施包括實行大小交路套跑、增配車輛等，具體措施的可行性需結合線路運營條件深入分析，本文中不作具體分析。

5.2 車站土建改造方面

若短期內無法提高1、2號線的運能，則可以考慮青年大街站的土建改造措施，以達到提高站內瓶頸設施能力、一定程度上緩解客流風險的目的。具體的改造建議包括以下幾點：

(1)適當擴大東西兩側站廳付費區的面積。在有條件的情況下可將原非付費區改為付費區，同時增加外擴廳作為非付費區，這樣付費區可增加近2/5的面積；同時通過重新設計站廳的限流圍欄，合理組織進、出站和換乘流線，提高站廳的空間利用率和均衡性。

(2)適當增加2號線站臺的局部寬度，增加其容納面積。例如，站臺南北兩側的4組過軌樓扶梯，由于通過客流量小、客流密度低、空間利用率低，將一樓一扶組合改成一部樓梯后，該處站臺寬度可增加1.875 m，面積可增加15.8 m2左右，4組樓扶梯共可增加126人的容納能力；還可以取消站臺中部的換乘樓梯，該處站臺寬度可增加2.3 m，面積可增加15.6 m2,4部樓梯共可增加125人的容納能力，但該措施同時需要措施(3)共同配合。

(3)增大乘客的換乘走行距離。取消1號線換2號線的換乘節點樓梯后，將換乘客流從1號線站臺引導至站廳，再將客流從站廳引導至換乘通道進行換乘，減緩客流對換乘設施的短時客流沖擊，減緩客流對站臺的客流沖擊。但該措施提高了站廳兩側樓扶梯的壓力，因此可在措施(1)的基礎上在新付費區新增一組通向1號線站臺的樓扶梯，既緩解原樓扶梯的壓力，同時可增加1號線換2號線的換乘能力。

6 結語

通過行人仿真對城市軌道換乘站客流組織及設施設備布局現狀進行評價，有助于優化換乘站與線路的客運組織方案，同時為換乘站升級改造提供客流依據。本文運用Legion行人仿真軟件對沈陽地鐵青年大街站的客運組織和設施布局現狀進行了仿真實例評價分析研究。評價結果表明，青年大街站早高峰整體服務水平較低，其客流瓶頸區域集中在四部換乘樓扶梯和站臺區域。

本研究采用了服務水平、設施能力和客流疏解時間等指標進行評價，但這些指標并不能完全反映城市軌道交通換乘站的客運現狀，還需要結合行人仿真之外的方法和工具，從換乘站的能力適應性、短時沖擊性、舒適便捷性、疏散安全性、運營經濟性等方面入手，形成完整的換乘站運營評價指標體系，對換乘站進行全面、客觀的評價，這也是今后研究的改進方向。