基于AnyLogic 仿真的城市軌道交通三線換乘站功能評價

劉善維，張 楊,2

（1. 西南交通大學,交通運輸與物流學院，成都 611756；2. 綜合交通運輸智能化國家地方聯合工程實驗室，成都 611756）

0 引 言

隨著我國軌道交通行業的大力發展，各大城市的地鐵線路已逐漸進入成網階段，大量換乘站隨之出現。換乘站是城市軌道交通系統的錨固點，承擔乘客的交通集散與中轉功能[1]。換乘站設施設備的布局對安全、高效運轉起著重要作用。陳偉等[2]充分考慮了行人年齡、步速、體積等對行人運動干擾，使用平均排隊長度、平均逗留時間、行人密度等指標描述了成都地鐵天府廣場站設施設備布局、規模對站廳客流組織的影響并提出優化措施，但沒有分析設施設備對換乘系統的影響，也沒有考慮結伴行人之間的交叉干擾。譚宇[3]、康兆然等[4]通過換乘的順暢性和換乘系統運行效率、服務水平，分析了兩線換乘站設施布局對換乘效果的影響。晏小波[5]歸納了三線換乘的常用站型，仿真分析了各站型的特點及適用性，并從適用性角度提出了優化措施，但僅討論了換乘客流之間的交叉影響，并未考慮進出站客流對換乘效率的影響。楊天陽等[6]使用AnyLogic 對成都地鐵非遺博覽園站進行仿真，有效地識別了車站擁堵點，并提出了改變行人流線、增加安檢通道、調整車站設施位置等優化方案；費爽等[7]發現設置隔離設施、路徑引導等措施使客流分布更加均勻，有效緩解車站擁堵，但沒有考慮通過縮短發車間隔減少乘客在站臺的聚集時間，進而緩解站臺擁堵。Robert 等[8]發現發車間隔與平均隊長呈單調遞增關系，且隨發車間隔的增大，平均隊長增加的幅度也更大。王嬋嬋等[9]認為在一定行車密度下，列車疏散能力不能匹配進站及換乘流量時，隨時間的推移會加重站臺擁堵情況；劉東曉等[10]證明了提高線路的運營效率可以有效緩解站臺擁堵，但只分析了縮短發車間隔對本線站臺的影響，沒有分析對他線換乘客流的影響。

以往研究多根據站廳或站臺客流的相關指標對車站進行評價，客流性質較為單一，對不同性質客流的交叉影響討論較少；優化措施主要從車站設施設備角度考慮，對車流組織討論較少。本文在前人研究的基礎上，綜合考慮換乘客流和進出站客流的交叉影響，模擬擁堵點產生位置，并分析其原因，從設施設備和車流組織兩方面提出措施，為優化三線換乘站設計及運營提供建議。

1 仿真過程

1.1 模型選擇

行人流模型可分為宏觀模型、中觀模型、微觀模型。宏觀模型難以詳細地刻畫復雜的行人行為，中觀模型僅能簡單描述行人間的相互作用，但微觀模型不僅能宏觀反映行人行為，又能詳細刻畫行人復雜運動。目前，在計算機模擬行人行為的微觀模型中，社會力模型與元胞自動機模型應用最廣泛[11]。但元胞自動機模型的規則過于簡單，行人速度、步行方向受到網格尺寸限制，不能十分精確地反映行人行為[12]。社會力模型認為，行人運動受內在和外界兩方面社會力的影響。內在社會力即驅動力，反映人的主觀意識。外在社會力包括行人間和行人與邊界、障礙物之間的作用力。Helbing[13]最先通過仿真證明了社會力模型在描述行人行為時的準確性。Anvari[14]認為社會力模型提供了將車輛和行人運動相統一的可能，同時提出構建社會力模型需要額外的參數以確保模型真實可靠。Lakoba[15]認為社會力模型可以真實反映行人不與障礙物發生碰撞的意圖，也反映了行人運動時的特定方向。Ji[16]、Zeng等[17]驗證了社會力模型在描述行人相互作用時的準確性，因此本文選用社會力模型作為行人流模型。具體方程表示如下：

1.2 仿真對象

（1）車站介紹

根據成都地鐵13 號線一期初步設計階段的設計方案可知，新南門站為成都地鐵3 號線、13號線與16 號線換乘站。新南門站位于致民路與新南路交叉路口處東側且沿致民路車站東西向布置，站位周邊客流吸引范圍內用地規劃以居住和教育服務用地為主。新南門站車站示意如圖1 所示。

圖1 新南門車站示意

（2）換乘設施設備的布置

新南門站采用“H 型”三線換乘站設計，3條線均為島式站臺，各站臺設施設備見表1。

表1 新南門站換乘設施設備

（3）換乘方式

新南門站各線換乘方式見表2。

表2 各線換乘方式

（4）客流數據

遠期（2048 年）新南門站早高峰換乘客流及進出站數據分別見表3、4。

表3 遠期新南門站早高峰換乘客流（人/h）

表4 遠期新南門站早高峰進、出站客流（人/h）

1.3 仿真參數

已建成的3 號線采用現行早高峰實際發車間隔，建設中的13 號線采用設計階段的計劃發車間隔。根據《成都市城市軌道交通線網規劃修編》，規劃16 號線與13 號線性質相似，因此發車間隔設置與13 號線相同。各線發車間隔及制式見表5。

表5 各線發車間隔及制式

根據《中國2019 年國民經濟和社會發展統計公報》將男女比例設為1.04∶1。根據《中國成年人人體尺寸》[18]、《中國未成年人人體尺寸》[19]本文擬將行人的尺寸設為服從（271，375，415）（單位：mm）的三角分布，將客流設置為1～3 人的小組。

根據王洪臣[20]、賈洪飛[21]等對地鐵行人步速的研究，本文擬將該部分的參數設置做如下處理：年齡大于18 歲男性的步速設為1.1～1.3 m/s、年齡小于18 歲的男性步速設為0.9～1.1 m/s、年齡大于18 歲的女性步速設為1.0～1.2 m/s、年齡小于18 歲的女性步速設為0.8～1.0 m/s。樓梯上行人的速度設為正常步速的0.5 倍，扶梯的速度為0.65m/s，上下車時間設置為1.6 s/人。

1.4 邏輯模型

列車邏輯如圖2 所示。

圖2 列車邏輯

行人邏輯模型如圖3 至圖6 所示。

圖5 節點換乘行人邏輯

2 仿真結果及分析

2.1 仿真結果

仿真進行15min，取5 次仿真結果計算各指標的平均值、方差、95%的置信區間。各站廳、站臺的平均密度見表6，平均換乘距離、平均換乘時間見表7。

新南門站主要擁堵區域出現在中部站廳及各站臺。中部站廳擁堵區域為圖6 中A、B 兩處，3 號線站臺擁堵區域為圖7 中C、D 兩處，13 號線站臺擁堵區域為圖8 中E、F、G 三處，16 號線站臺擁堵區域為圖9 中H、I 兩處。

表6 各站廳、站臺平均密度

表7 新南門站各方向平均換乘距離和換乘時間

圖6 中部站廳擁堵區域

圖7 3 號線站臺擁堵區域

圖8 13 號線站臺擁堵區域

圖9 16 號線站臺擁堵區域

2.2 結果分析

新南門站共出現9 處較嚴重的擁堵點，其中站廳2 處、站臺7 處。擁堵點的位置及原因見表8。

表8 新南門站擁堵點產生的位置及原因

2.3 優化措施

結合擁堵原因，提出如下措施：

（1）對于A、B，考慮在各樓扶梯端部設置隔離措施，將不同方向的流線區別開，避免交叉干擾。

（2）對于C、D，從車流組織方面考慮，綜合3 號線運營情況縮短發車間隔；從客流組織方面進行考慮，建議安排站務人員引導行人均勻分布在各候車區域。尤其在靠近樓扶梯端部的候車區域，站務人員應指揮行人快速通過，減少在此區域候車的行人。

（3）對于E、F、G，考慮在13 號線站臺小里程端以及次大里程端增設1 座樓梯。

（4）對于H、I，考慮將16 號線次大里程端1 部下行扶梯改為上行運轉。

通過調整3 號線發車間隔發現，當發車間隔縮短到150s 時，候車區域的擁堵情況有了初步緩解。優化后中部站廳、各線站臺整體密度變化不大，但各擁堵點最高聚集人數有了不同程度的緩解。取5 次仿真結果并求平均值得各指標與優化前對比情況，如表9、10 所示。

表9 各站廳、站臺的密度對比

表10 擁堵點最高聚集人數對比

優化后的平均換乘距離和平均換乘時間見表11。

表11 優化后的平均換乘距離和平均換乘時間

對于換乘時間，當3 號線發車間隔縮短20s時，13、16 換乘3 號線的時間分別縮短19s 和12s。說明當本線發車間隔縮短時，對他線乘客換乘時間有積極影響。不斷縮短發車間隔至120s 得到3號線站臺密度、他線乘客換乘時間隨發車間隔變化關系如圖10、圖11 所示。

圖10 3 號線站臺密度隨發車間隔變化關系

圖11 換乘3 號線時間隨發車間隔變化關系

由圖10、圖11 可知，隨著發車間隔的縮短，3 號線站臺密度及13、16 換乘3 號線時間都呈下降趨勢，但趨勢逐漸放緩。選擇發車間隔120～140s 的區間進行發車間隔對站臺密度和換乘時間變化的顯著性分析，結果見圖12、圖13、圖14。根據分析結果可得，發車間隔從140s 繼續縮短，發車間隔對客流密度和換乘時間的變化不具有顯著性。因此，考慮運營成本的同時，為滿足遠期新南門三線換乘站的換乘效率，3 號線最佳發車間隔為140s。

圖12 發車間隔對站臺密度的顯著性分析

圖13 發車間隔對13 線轉3 線換乘時間的顯著性分析

圖14 發車間隔對16 線轉3 線換乘時間的顯著性分析

3 結束語

本文運用AnyLogic 對遠期成都地鐵新南門站進行仿真，發現了該站產生擁堵點的位置并分析了產生原因，從設施設備和車流組織兩方面提出優化措施，驗證了增設樓扶梯設施、調整扶梯運行方向、縮短發車間隔等措施的優化效果。通過分析發車間隔對換乘效果影響，得到了縮短發車間隔在緩解本線站臺擁堵的同時會縮短他線乘客換乘時間的結論。通過分析站臺密度、他線乘客換乘時間隨發車間隔的變化關系，結合運營成本和換乘效率，得到3 號線的最佳發車間隔。

科學地檢驗設計方案對設計者明確方案的優缺點、驗證設計思路并進行優化起著重要的作用，在設計階段運用仿真方法檢驗、優化設計方案具有應用價值。