安檢互認(rèn)條件下的市郊鐵路與地鐵換乘站客流模擬仿真研究*

楊瑞霞 蘭亞京 韓寶明 周瑋騰

（1.北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，100044，北京；2.北京市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，100044，北京∥第一作者，博士研究生）

目前，城市軌道交通在許多城市已形成網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)，隨著規(guī)模的擴(kuò)大，線路間的換乘效率對(duì)乘客顯得尤為重要，部分換乘車站在運(yùn)營(yíng)期出現(xiàn)了設(shè)施設(shè)備無(wú)法滿足客流需求的現(xiàn)象。因此，前期合理的車站規(guī)劃設(shè)計(jì)，可避免或降低運(yùn)營(yíng)期間關(guān)鍵區(qū)域出現(xiàn)不可控的客流擁堵，以提高服務(wù)水平。

隨著都市圈的擴(kuò)大和城市軌道交通線路的延伸，服務(wù)于市區(qū)的地鐵與服務(wù)于市區(qū)和近郊的市郊鐵路建立了聯(lián)系，乘客通過(guò)換乘站進(jìn)行轉(zhuǎn)移。市郊鐵路為地鐵網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了大量異質(zhì)性客流，導(dǎo)致?lián)Q乘車站運(yùn)營(yíng)的不確定因素繁多：在早晚高峰，市郊鐵路一次到達(dá)的客流規(guī)模一般高于地鐵；市郊鐵路列車發(fā)車間隔和停站時(shí)間較長(zhǎng)；部分市郊鐵路的車票須在指定車站購(gòu)買，在客流組織層次與地鐵存在差異；此外，市郊鐵路與地鐵的安檢標(biāo)準(zhǔn)可能不統(tǒng)一，換乘乘客二次安檢使得換乘流線較為復(fù)雜。隨著都市圈軌道交通的發(fā)展與融合，安檢互認(rèn)工作得到了逐步推廣。從運(yùn)輸服務(wù)角度看，市郊鐵路與地鐵換乘站同傳統(tǒng)地鐵換乘站相比，更強(qiáng)調(diào)換乘時(shí)間的銜接性，同鐵路與地鐵換乘站相比，更注重?fù)Q乘的便捷性。傳統(tǒng)的“先出站再進(jìn)站”模式，對(duì)車站而言，只存在進(jìn)站和出站流線，安檢互認(rèn)改變了換乘流線，為無(wú)縫換乘提供了可能，但集中到達(dá)的鐵路客流對(duì)地鐵站廳產(chǎn)生了較大沖擊，對(duì)車站的換乘和容納能力提出了更高的要求，不僅需重新考慮安檢設(shè)備、售票設(shè)備的數(shù)量，還需對(duì)換乘區(qū)域面積、通道面積進(jìn)行合理評(píng)估。影響因素除客流量外，還包括乘客屬性及行為習(xí)慣等。因而在整個(gè)車站大背景下，安檢互認(rèn)實(shí)則上是更換了車站的運(yùn)輸組織過(guò)程，同時(shí)增大了車站換乘客流的組織難度。設(shè)立安檢互認(rèn)區(qū)往往需要通過(guò)擴(kuò)大換乘通道和站臺(tái)面積等方式做好配合。

市郊鐵路與地鐵換乘站在客流組織上會(huì)面臨更多在設(shè)計(jì)階段難以預(yù)估的問(wèn)題。傳統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)依據(jù)客流需求，配置與運(yùn)輸能力相符的設(shè)施設(shè)備數(shù)量，這種靜態(tài)計(jì)算抽調(diào)了行人走動(dòng)的過(guò)程，在運(yùn)營(yíng)期間往往會(huì)出現(xiàn)設(shè)施設(shè)備靜態(tài)能力低于實(shí)際的動(dòng)態(tài)能力、乘客感受到的服務(wù)水平低于車站提供的服務(wù)水平等現(xiàn)象。因此，做好車站設(shè)計(jì)工作對(duì)保證服務(wù)水平有關(guān)鍵性作用。

采用行人動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)進(jìn)行車站布局輔助設(shè)計(jì)已成為車站前期設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的重要手段［1］。車站客流仿真是在車站空間布局和列車運(yùn)營(yíng)組織模式下，對(duì)乘客行為和集散規(guī)律進(jìn)行再現(xiàn)的手段。國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)研究目標(biāo)和建模層次的不同，構(gòu)建了眾多的乘客走行規(guī)律仿真模型［2］。文獻(xiàn)［3］建立了客流分配模型，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的影響程度指標(biāo)識(shí)別車站能力瓶頸；文獻(xiàn)［4］采用迭代函數(shù)系統(tǒng)模型描述客流變化，并基于分形插值方法生成動(dòng)態(tài)客流；文獻(xiàn)［5］利用SRAIL 系統(tǒng)對(duì)西二旗站進(jìn)行了模擬仿真研究；文獻(xiàn)［6］利用Anylogic 軟件對(duì)地鐵車站進(jìn)行建模仿真，并通過(guò)客流仿真獲得換乘服務(wù)水平評(píng)價(jià)的指標(biāo)數(shù)據(jù)；文獻(xiàn)［7］利用Vissim 軟件對(duì)崇文門站進(jìn)行客流模擬仿真，確定了瓶頸區(qū)域；文獻(xiàn)［8］利用自主開(kāi)發(fā)的仿真軟件對(duì)換乘站進(jìn)行了客流組織仿真。

綜上所述，既有的仿真研究對(duì)象主要集中在地鐵中間站、換乘站和鐵路客運(yùn)站，對(duì)市郊鐵路與地鐵換乘站的仿真研究較少。根據(jù)市郊鐵路與地鐵換乘站客流的異質(zhì)性、列車到發(fā)規(guī)律的差異性以及換乘組織的復(fù)雜性，本文構(gòu)建市郊鐵路與地鐵換乘站客流仿真模型，利用走行流線對(duì)乘客行為進(jìn)行宏觀把控，通過(guò)元胞自動(dòng)機(jī)模型模擬乘客的微觀走行路徑規(guī)劃；并利用北京交通大學(xué)自主研發(fā)的SRAIL 系統(tǒng)模擬車站運(yùn)營(yíng)的客流場(chǎng)景，識(shí)別客流瓶頸，結(jié)合不同設(shè)備的利用率情況確定車站設(shè)施能否滿足乘客需求。該仿真模型可為車站設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)優(yōu)化提供支撐，輔助設(shè)計(jì)人員決策。

圖1 新航城站和西二旗站晚高峰客流情況

1 市郊鐵路與地鐵換乘站客流分析

市郊鐵路客流具有早晚高峰明顯的時(shí)間特征，在特殊時(shí)段的隨機(jī)性、波動(dòng)性較大［9］，而地鐵的客流特征相對(duì)多樣化。市郊鐵路與地鐵換乘站客流特征主要體現(xiàn)為以下四點(diǎn)：

1）是否安檢互認(rèn)對(duì)流線組織影響較大：市郊鐵路與地鐵的安檢標(biāo)準(zhǔn)一般存在差異，換乘乘客需二次安檢；若安檢互認(rèn)，乘客走行流線會(huì)比較復(fù)雜，提高了運(yùn)輸組織難度。

2）短時(shí)沖擊性強(qiáng)：客流隨列車的到達(dá)呈現(xiàn)脈沖分布，且市郊鐵路和地鐵列車頻率差別較大，前者帶來(lái)的換乘客流易對(duì)地鐵站廳造成短暫壓力；當(dāng)兩條線路難以滿足客流需求時(shí)，乘客會(huì)滯留站臺(tái)，造成換乘設(shè)施首尾端客流堵塞，降低了服務(wù)水平。

3）客流規(guī)模龐大：換乘站周邊地區(qū)一般呈現(xiàn)出顯著的客流集散與換乘特性，客流異質(zhì)性明顯且規(guī)模龐大，站內(nèi)客流組織除進(jìn)出站外，還需對(duì)換乘客流做好組織工作。

4）方向不均衡：同一時(shí)段、不同換乘方向的客流量有所差異，客流的潮汐性質(zhì)導(dǎo)致?lián)Q乘站的早晚高峰尤為顯著。圖1 顯示了北京城際鐵路聯(lián)絡(luò)線（即市郊鐵路S6 線）和地鐵20 號(hào)線（即R4 線）的換乘站新航城站、地鐵昌平線和13 號(hào)線換乘站西二旗站的晚高峰客流情況。相對(duì)于西二旗站，新航城站的客流規(guī)模更大。地鐵昌平線和13 號(hào)線的行車間隔分別為4 min 和2.5 min，S6 線和R4 線行車間隔分別為20 min 和4 min，S6 線運(yùn)行列車載客能力為1 998人，其他3 條線路列車能力為1 500 人。在行車間隔和列車能力方面，市郊鐵路與地鐵存在顯著的差異性，有必要對(duì)S6 線的換乘客流進(jìn)行預(yù)先安排與組織，防止造成較大的沖擊。

2 市郊鐵路與地鐵換乘站客流仿真建模

常用的動(dòng)態(tài)仿真建模方法包括連續(xù)仿真和離散仿真。乘客進(jìn)出車站、購(gòu)票、安檢、進(jìn)出閘機(jī)等可通過(guò)離散仿真實(shí)現(xiàn)；速度和走行方向通過(guò)連續(xù)仿真來(lái)呈現(xiàn)。因此，車站客流仿真需兩者結(jié)合，充分集成。

車站客流仿真涉及乘客和列車2 種主體。列車的運(yùn)行路徑和到發(fā)時(shí)間是確定的，無(wú)需進(jìn)行微觀層次仿真，只需考慮乘客上下車。乘客在車站的活動(dòng)包括走行路徑規(guī)劃、控制點(diǎn)選擇和決策反饋，基于這3個(gè)階段構(gòu)建基于元胞自動(dòng)機(jī)的客流集散仿真模型，通過(guò)輸入列車和客流數(shù)據(jù)，完成車站客流仿真。

2.1 尋路模型

乘客的走行路徑指乘客自進(jìn)入車站至離開(kāi)車站期間的實(shí)際路徑，通過(guò)設(shè)置父節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)完成路徑設(shè)定，構(gòu)成有向圖。乘客在i 站內(nèi)的走行流線Li包含的控制點(diǎn)為{Ci、Mi、Si、Ni、Ji、Hi、Oi、Ti}，其依次表示客流產(chǎn)生點(diǎn)、防止走進(jìn)無(wú)效區(qū)域設(shè)定的點(diǎn)、售票點(diǎn)、安檢點(diǎn)、檢票點(diǎn)、站臺(tái)集合點(diǎn)、出站點(diǎn)和上車點(diǎn)，部分節(jié)點(diǎn)之間有嚴(yán)格的父子關(guān)系，在由父節(jié)點(diǎn)走向子節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，有多種走行方式，理論上選擇最短路徑。當(dāng)乘客受到干擾時(shí)，會(huì)適當(dāng)調(diào)整方向，呈現(xiàn)出局部隨機(jī)分布特征，本文采用Moore 型元胞自動(dòng)機(jī)模型刻畫(huà)該過(guò)程。將乘客個(gè)體看作一個(gè)元胞，乘客可活動(dòng)的空間為元胞空間（見(jiàn)圖2）。

圖2 Moore 型元胞及鄰域

在圖2 中，中心深色的元胞表示乘客，周邊被8個(gè)元胞包圍，乘客每一時(shí)刻有9 個(gè)位置作為選擇，若周圍8 個(gè)方向都被占用，將停留在原元胞中。由父節(jié)點(diǎn)A 向子節(jié)點(diǎn)B 移動(dòng)的規(guī)則如下：行進(jìn)方向有A0—A8（A0表示A 本身），乘客傾向于選擇未被占用的元胞作為下一位置；未占用的A4、A5、A6方向?qū)Τ丝偷奈^低；當(dāng)某方向的元胞被設(shè)備設(shè)施占用，舍棄該元胞。乘客i 方向A 的元胞未被占用時(shí)，Oi，A=1；元胞被占用時(shí)，Oi，A=-1；乘客i 當(dāng)前所在的元胞Oi，A=9。9 個(gè)元胞的移動(dòng)參數(shù)如下（δi，1表示乘客i沿A1方向前進(jìn)的移動(dòng)參數(shù)，余類推）：

2.2 選擇模型

控制點(diǎn)的選擇受個(gè)體屬性的直接影響，乘客屬性有性別、年齡、是否有行李、是否購(gòu)票等；乘客到達(dá)某活動(dòng)服務(wù)范圍內(nèi)且存在多種位置選擇時(shí)，會(huì)選擇效用值最高的控制點(diǎn)，這一選擇行為由Logit 模型實(shí)現(xiàn)。如站臺(tái)有多個(gè)上車點(diǎn)。在閘機(jī)處接受服務(wù)時(shí)，可能由于節(jié)點(diǎn)服務(wù)能力不足，需要等待、排隊(duì)，這是設(shè)備設(shè)施瓶頸識(shí)別的關(guān)鍵之一。刻畫(huà)乘客選擇行為的Logit 模型如下：

式中：

Ui，k——控制點(diǎn)k 對(duì)乘客i 的效用值；

ti，k——乘客i 到達(dá)控制點(diǎn)k 的時(shí)間；

pi，k——控制點(diǎn)k 的人數(shù)；

si，k——控制點(diǎn)k 對(duì)于乘客i 的服務(wù)水平；

Pi，k——乘客i 選擇控制點(diǎn)k 的概率；

α、β、γ——?dú)w一化系數(shù)；

εi，k——隨機(jī)變量，服從正態(tài)分布。

當(dāng)控制點(diǎn)出現(xiàn)擁堵并超過(guò)乘客可接受范圍時(shí)，乘客規(guī)避并舍棄該控制點(diǎn)。

2.3 規(guī)避模型

乘客的感知直接影響乘客的決策。乘客選擇能夠最快到達(dá)目的地的方向前進(jìn)，但前方乘客的行走速度會(huì)影響該乘客的速度與選擇：若需要超越，優(yōu)先右側(cè)超越，若右側(cè)有阻礙，會(huì)呈現(xiàn)規(guī)避行為，可能會(huì)選擇放慢速度，等待其他人通過(guò)后，再超越；也可能選擇左側(cè)超越，當(dāng)左側(cè)超越失敗時(shí)，放慢速度?，F(xiàn)通過(guò)式（4）刻畫(huà)這一行為，在每一步長(zhǎng)時(shí)間對(duì)乘客的環(huán)境感知進(jìn)行計(jì)算：

式中：

E（Oi，A）——乘客的超越函數(shù)；

W（Oi，A）——乘客規(guī)避、放慢速度函數(shù)；

λi、ηi、φi、si——乘客對(duì)待移動(dòng)距離、超越、規(guī)避、速度差的態(tài)度參數(shù)；

Δv——速度差。Δv=max｛0，vi-v｝，vi為乘客當(dāng)前速度，v 為前方乘客速度，當(dāng)Ai方向的元胞未被占用時(shí)，v=0。

根據(jù)乘客活動(dòng)目的的不同，將客流分為進(jìn)站客流、出站客流和換乘客流。由于地鐵和市郊鐵路客票的差異性，乘客需刷卡離開(kāi)某一系統(tǒng)，再刷卡進(jìn)入另一系統(tǒng)，結(jié)合不同車站安檢的差異性，客流的走行路徑如圖3。

圖3 不同客流的走行路徑

2.4 基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的SRAIL 系統(tǒng)

通過(guò)四元模型校驗(yàn)法驗(yàn)證模型與實(shí)際客流移動(dòng)的相似程度。包括使用基本圖校驗(yàn)、自組織校驗(yàn)、比較分析校驗(yàn)和實(shí)際校驗(yàn)法，文獻(xiàn)［9］測(cè)試調(diào)查乘客速度和流量的關(guān)系并與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，兩者非常接近，說(shuō)明模型可較好地反映乘客移動(dòng)情況；直接觀察仿真過(guò)程發(fā)現(xiàn)，乘客具有良好的自動(dòng)渠化、流動(dòng)斑紋等主要的自組織現(xiàn)象；對(duì)運(yùn)營(yíng)車站進(jìn)行模擬仿真，將仿真結(jié)果同實(shí)際現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了模型的合理性與可用性?；谏鲜鲵?yàn)證結(jié)果，本文利用基于該元胞自動(dòng)機(jī)客流仿真模型的SRAIL 系統(tǒng)對(duì)換乘站進(jìn)行仿真。

3 實(shí)例應(yīng)用

市效鐵路與地鐵的換乘站新航城站目前處于設(shè)計(jì)方案確定階段，根據(jù)預(yù)測(cè)，選擇客流規(guī)模最大的晚高峰小時(shí)17：30—18：30 作為仿真時(shí)段，新航城站和西二旗站以通勤客流為主，乘客行為特征相似，且該仿真模型已成功應(yīng)用于西二旗站［10］。因此客流仿真參數(shù)依據(jù)西二旗站確定，此外，根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］確定設(shè)備設(shè)施能力。依賴可視化仿真過(guò)程，對(duì)兩種方案進(jìn)行評(píng)估。

3.1 案例建模

方案一為兩側(cè)交通軸方案，地鐵進(jìn)、出站閘機(jī)分別為12 臺(tái)和8 臺(tái)，市郊鐵路進(jìn)、出站閘機(jī)分別為24臺(tái)和12 臺(tái)，對(duì)稱布置市郊鐵路和地鐵售票窗口各4處；方案二為中央交通軸方案，地鐵進(jìn)、出站閘機(jī)分別為12、16 臺(tái)，市郊鐵路進(jìn)、出站閘機(jī)分別為20、18臺(tái)，對(duì)稱布置城際鐵路和地鐵售票窗口各4 處。地鐵站臺(tái)為島式，市郊鐵路站臺(tái)為側(cè)式。在乘客均勻進(jìn)站下對(duì)兩種方案在正?？土骱蜆O端客流（大型會(huì)展期間）下的晚高峰小時(shí)分別進(jìn)行仿真。

3.2 仿真結(jié)果與分析

本文對(duì)為極端客流下新航城站站廳層客流密度仿真過(guò)程，選擇性地對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行量化分析。

3.2.1 特殊聚集區(qū)域客流狀況

由仿真結(jié)果可知，方案一中，地鐵進(jìn)站閘機(jī)處正?？土飨碌膮^(qū)域密度最高值約0.81 人/m2，極端客流下為1 人/m2；方案二中，東西兩側(cè)地鐵進(jìn)站閘機(jī)區(qū)域密度相仿，客流密度較方案一顯著偏低。

方案一的換乘大廳承受了來(lái)自所有進(jìn)站口的客流壓力，極端客流下密度為1.32 人/m2，較擁堵；兩處安檢設(shè)施分別承擔(dān)了5 個(gè)方向的客流壓力，表現(xiàn)出較高的擁擠度；正?？土飨?，西側(cè)安檢通道最大密度為1.51 人/m2，東側(cè)為1.3 人/m2。極端客流下安檢通道區(qū)域密度變化見(jiàn)圖4。

建議方案一增加安檢設(shè)施并調(diào)整安檢入口方向，減少安檢乘客與南北走向通道乘客的沖突。

圖4 方案一極端客流下西側(cè)安檢通道區(qū)域密度

3.2.2 設(shè)施設(shè)備利用水平

兩種方案下進(jìn)出站閘機(jī)的流率見(jiàn)表1。市郊鐵路進(jìn)站閘機(jī)流率隨列車發(fā)車間隔呈現(xiàn)有規(guī)律的波動(dòng)。新航城站的樓扶梯整體使用率較低，大多低于3人/10 s。

表1 進(jìn)出站閘機(jī)流率 單位：人/10 s

3.2.3 區(qū)域服務(wù)水平

區(qū)域服務(wù)水平是對(duì)不同設(shè)施的行人疏散效率和步行舒適度的綜合評(píng)價(jià)，用單人可使用的空間面積來(lái)表示。方案一極端客流的服務(wù)水平較差，屬D 級(jí)；方案二正?？土鞯姆?wù)水平屬B 級(jí)，極端客流的服務(wù)水平為C 級(jí)。從仿真結(jié)果的地鐵進(jìn)站閘機(jī)處乘客的等待行為可以看出，方案一地鐵進(jìn)站閘機(jī)處排隊(duì)等待現(xiàn)象較為顯著，換乘大廳和東西兩側(cè)南北通道的客流交叉明顯。建議方案一增加地鐵進(jìn)站閘機(jī)數(shù)量；擴(kuò)大車站南北通道面積，以減小進(jìn)出站客流的擁堵。

3.2.4 主要換乘流線換乘耗時(shí)

兩種方案下?lián)Q乘乘客的平均換乘耗時(shí)見(jiàn)圖5。兩種方案的市郊鐵路換乘地鐵耗時(shí)明顯低于地鐵換乘市郊鐵路的時(shí)間，換乘客流量和列車到達(dá)頻率對(duì)換乘購(gòu)票時(shí)間有較為明顯的影響。同一方案下，是否購(gòu)票對(duì)同一換乘客流的時(shí)間影響不大，可推測(cè)車站換乘設(shè)施的布局和能力對(duì)乘客換乘有一定的影響。

圖5 乘客平均換乘耗時(shí)

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)市郊鐵路與地鐵換乘站的分析研究，利用基于元胞自動(dòng)機(jī)的SRAIL 系統(tǒng)完成了安檢互認(rèn)條件下新航城站的站內(nèi)客流仿真。通過(guò)分析兩種方案的仿真結(jié)果，對(duì)車站設(shè)備設(shè)施配置、流線組織等提出了相應(yīng)的建設(shè)。由于客流數(shù)據(jù)來(lái)源的局限性，未能精確得到進(jìn)出站口的客流量，乘客屬性的刻畫(huà)還不夠細(xì)致，這些還需作進(jìn)一步完善。