淺析地鐵通道行人交通流特性

高彥超

（南昌市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院,江西 南昌 330038）

0 引言

近年來我國城市軌道交通隨著城市人口的快速增長迎來了新的建設(shè)高潮，地鐵作為軌道交通的重要組成部分，與傳統(tǒng)的地面公共交通相比，具有運(yùn)載能力強(qiáng)、速度快、安全準(zhǔn)時(shí)的特點(diǎn)。地鐵出行可有效解決有限時(shí)間內(nèi)長距離出行的問題，從而極大提升城市居民的出行效率。但是由于地鐵出入口數(shù)目的限定以及站臺(tái)通道空間限制，使得上下班或節(jié)假日期間容易發(fā)生擁擠和踩踏事故。根據(jù)2013年對國內(nèi)地鐵站受傷事故統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)扶梯是地鐵站最擁堵的地點(diǎn)，發(fā)生事故占總數(shù)的67%，換乘樓梯和站臺(tái)分別占16%和17%。因此，對站內(nèi)的擁擠地點(diǎn)及地鐵站通道人流特點(diǎn)進(jìn)行分析有重要意義。

1 行人行走特性分析

1.1 行人站內(nèi)行走特性分析

地鐵站內(nèi)乘客在乘坐地鐵時(shí)通常會(huì)表現(xiàn)出轉(zhuǎn)彎特性、尋路特性、障礙物躲避特性和跟隨特性。在乘車時(shí)，通行人員通常選擇路線最短的彎道內(nèi)側(cè)通行，隨著內(nèi)側(cè)乘客越來越多，彎道內(nèi)側(cè)的人群密度也變大，而外側(cè)乘客的步行速度和數(shù)量都比內(nèi)側(cè)行人大，呈現(xiàn)出明顯的分散性[1]。由于站內(nèi)通道和樓梯的內(nèi)外轉(zhuǎn)彎半徑差值較小，內(nèi)外側(cè)乘客的步行距離沒有明顯差別。因此，站內(nèi)通行人員的步行時(shí)間對路徑的影響要大于路徑選擇的影響，當(dāng)站內(nèi)人流量較大時(shí)，內(nèi)側(cè)通行人員速度明顯降低，通行人員選擇從外側(cè)繞行。

由于地鐵站內(nèi)設(shè)計(jì)復(fù)雜，站內(nèi)的指路[2]和引導(dǎo)標(biāo)識(shí)不明時(shí)，站內(nèi)乘客就會(huì)面對路徑選擇的困難，尋路行為多發(fā)生在乘客第一次乘坐地鐵或?qū)υ撥囌镜穆肪€出口了解不清時(shí)。

相關(guān)文獻(xiàn)表明，通行人員在換乘通道、乘坐站內(nèi)電梯時(shí)，大多不會(huì)更改步行速度。乘客在站內(nèi)走行時(shí)會(huì)刻意對過往人群避讓并遠(yuǎn)離障礙物，與路面十字交叉口的行人路徑相比，地鐵站的乘客路徑復(fù)雜多變，在行走的同時(shí)還要考慮與行人的距離和障礙物的距離。由于站內(nèi)引導(dǎo)行人的柵欄和通道的設(shè)置，站內(nèi)乘客通常會(huì)選擇跟隨前方乘客走行。

1.2 行人排隊(duì)特性分析

行人排隊(duì)特性可分為有序排隊(duì)性（如圖1）和無序排隊(duì)性兩種。行人有序排隊(duì)經(jīng)常出現(xiàn)在有地鐵站內(nèi)工作人員組織的特定區(qū)域或服務(wù)窗口處。以自動(dòng)售票機(jī)處排隊(duì)為例，在行人確定自動(dòng)購票機(jī)位置后，當(dāng)購票機(jī)處行人排隊(duì)有序，行人一般選擇購票排隊(duì)人數(shù)最少的機(jī)器排隊(duì)；當(dāng)購票機(jī)處行人無序購票時(shí)，通常選擇離自己最近的位置進(jìn)行排隊(duì)。行人排隊(duì)會(huì)根據(jù)其他隊(duì)列的購票速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)選擇。

圖1 行人有序排隊(duì)選擇特點(diǎn)

行人無序排隊(duì)通常發(fā)生在地鐵站內(nèi)交換樞紐或出入口處，這是由于在這些區(qū)域行人密度更高且行人在通過狹窄通道時(shí)，行人之間的橫向距離逐步減少，隊(duì)列呈現(xiàn)不規(guī)則形狀。如圖2所示，在通過出入站口等狹小區(qū)域時(shí)，行人通常在調(diào)整自己位置的同時(shí)跟隨前方行人行走，行人會(huì)根據(jù)前方空閑空間的分布情況調(diào)整位置，此時(shí)行人不再進(jìn)行隊(duì)列選擇。

圖2 行人無序排隊(duì)選擇特點(diǎn)

1.3 行人等待特性分析

站內(nèi)行人在站內(nèi)不同位置的等待特性也各不相同，行人在乘車站臺(tái)、進(jìn)站安檢口和站內(nèi)蛇形通道的等待特性最具代表性。對于乘車站臺(tái)處的乘客，行人的隊(duì)列分布和排隊(duì)情況受地鐵到站時(shí)間和乘車間隔影響最大，在列車進(jìn)站前，行人一般在各乘車口附近離散分布，當(dāng)?shù)罔F快要進(jìn)站時(shí)，乘客會(huì)立即聚集在車門附近，呈直線分布或扇形分布，此時(shí)行人對空間要求較低，行人在候車區(qū)內(nèi)更傾向距離乘車口最近的路線。因此，在自動(dòng)扶梯口或樓梯口處的站臺(tái)乘客最多。

站內(nèi)蛇形通道[3]一般設(shè)置在地鐵交通樞紐或地鐵站乘車人數(shù)較多的站點(diǎn)，起到引導(dǎo)和規(guī)范行人乘車的作用。行人在通過蛇形通道時(shí)步行速度較低且空隙較小，行人的通行狀態(tài)可分為自由狀態(tài)、飽和狀態(tài)、擁擠狀態(tài)。當(dāng)蛇形通道內(nèi)人流較少時(shí)，行人步行速度較快，路線選擇多變，行人之間基本不發(fā)生接觸；當(dāng)蛇形通道內(nèi)人流量和密度達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，通道內(nèi)行人的步行速度基本保持勻速狀態(tài)，且保持較低速度持續(xù)通行；當(dāng)蛇形通道內(nèi)人數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，通道內(nèi)行人處于擁擠狀態(tài)，行人在通道內(nèi)步行速度大幅降低，個(gè)體間相互影響作用明顯。

2 地鐵通道限流措施對行人交通流影響

為研究地鐵通道限流措施[4]對行人交通流的影響，該文采集了南昌市地鐵1號(hào)線某地鐵站通道臨時(shí)圍欄通行人流量進(jìn)行檢查分析。在自動(dòng)扶梯口處設(shè)置了一個(gè)自動(dòng)緩沖區(qū)，車站通道圍欄的長度為1.0 m，沿著緩沖圍欄外側(cè)設(shè)置長度為1.8 m的臨時(shí)圍欄，通過改變圍欄外側(cè)與扶手間距離來研究行人流量的特點(diǎn)。如圖3所示，在觀測區(qū)域內(nèi)設(shè)置運(yùn)動(dòng)相機(jī)用于觀測記錄行人流量和行走路線，并記錄進(jìn)入通道時(shí)間。

圖3 數(shù)據(jù)觀測及處理區(qū)

為了提高計(jì)算準(zhǔn)確性和便利性，在扶梯入口處增設(shè)了錄像裝置，相機(jī)1負(fù)責(zé)記錄每個(gè)運(yùn)動(dòng)到記錄線1的乘客的時(shí)間和數(shù)目，相機(jī)2負(fù)責(zé)記錄每個(gè)運(yùn)動(dòng)到記錄線2的乘客時(shí)間及數(shù)目。通過改變圍欄的長度來探究乘客記錄乘客下車和列車運(yùn)行的數(shù)據(jù)，圍欄長度分別選取L=1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m和3.5 m。記錄結(jié)果見表1。

表1 2019年6月13、14日觀測數(shù)據(jù)

由于列車乘客選擇乘坐電梯的人數(shù)較多，將表格中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理發(fā)現(xiàn)當(dāng)通道圍欄的長度改變時(shí)，使用地鐵車站內(nèi)自動(dòng)扶梯的行人數(shù)目隨列車下車人數(shù)的增加而增長。觀測結(jié)果與文獻(xiàn)[5]在伯明翰火車站開展的觀測結(jié)果大致相同，這一研究結(jié)果表明，隨著站內(nèi)步行人數(shù)的增加，在較早時(shí)間段下車的乘客更容易搶占自動(dòng)扶梯，自動(dòng)扶梯人數(shù)隨后下車乘客的增大始終保持滿載狀態(tài)。因此，自動(dòng)扶梯很容易達(dá)到最大通行量，后續(xù)下車的行人為了減少步行時(shí)間，通常會(huì)選擇樓梯通行代替自動(dòng)扶梯。

3 城市地鐵站行人流模型

地鐵站內(nèi)的乘客步行路線是人們研究行人流的典型案例，根據(jù)行人流的特點(diǎn)劃分為微觀模型、中觀模型和宏觀模型，其中中觀模型和微觀模型以及宏觀模型互有聯(lián)系，但是三者對研究主體的細(xì)致程度和描述范圍有所不同，三者之間模型關(guān)系如圖4所示。

圖4 行人仿真模型層次關(guān)系圖

微觀模型是從行人的個(gè)體出發(fā)，通過對行人的具體運(yùn)動(dòng)行為和選擇進(jìn)行詳細(xì)描述的一類仿真模型，具體對行人的性別、年齡、心理狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)愛好等特征，對單個(gè)行人在不同車站環(huán)境、不同車站場景中采取的活動(dòng)方式進(jìn)行細(xì)致描述。中觀模型是指考慮行人在不同場景下發(fā)生活動(dòng)的先后順序及短期內(nèi)行人的決定，它可以對宏觀模型中的行人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化和行人空間分布特征進(jìn)行描述分析，是對行人對車站內(nèi)部環(huán)境改變和站內(nèi)行人之間互相影響的刻畫。宏觀模型是指考慮站內(nèi)行人群體可能會(huì)發(fā)生那些運(yùn)動(dòng)，發(fā)生運(yùn)動(dòng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和先后順序關(guān)系，但缺少對行人外界因素影響的反應(yīng)描述。在對地鐵站內(nèi)通道行人交通流進(jìn)行研究時(shí)，宏觀模型對個(gè)體的運(yùn)動(dòng)行為描述較為粗糙，通常采用人流量、通行密度、步行速度三者之間綜合關(guān)系對群體進(jìn)行特征分析。

Hoogendoorn根據(jù)日常行人交通流特點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)方式提出了三個(gè)層次的模型，分別是戰(zhàn)略層、戰(zhàn)術(shù)層和操作層。以行人乘坐市區(qū)地鐵通行為例，在戰(zhàn)略層模型構(gòu)建上，行人要一次完成通過入站安檢、購票、乘車、下車、出站這幾個(gè)活動(dòng)；接下來行人要對戰(zhàn)術(shù)層的全部活動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)操作，行人需要先進(jìn)入地鐵站內(nèi)，購買車票，通過安全檢查后，從站臺(tái)處上車，然后到達(dá)目的下車點(diǎn)下車，最后出站。這一系列的活動(dòng)順序及活動(dòng)行走路線都是有明確的規(guī)劃，是需要在戰(zhàn)術(shù)層完成的；而行人在地鐵車站內(nèi)乘坐地鐵時(shí)的一系列活動(dòng)中包含的步行速度、躲避障礙物時(shí)間、在哪個(gè)站臺(tái)門口上下車的個(gè)體行為屬于微觀操作層面，對于地鐵車站行人仿真微觀特性研究主要包括格子氣模型、磁力場模型、社會(huì)力模型和元胞自動(dòng)機(jī)模型。

4 地鐵站內(nèi)行人流誘導(dǎo)與管控

近年來國內(nèi)地鐵站因?yàn)樾腥瞬忍6]或站內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)引發(fā)的安全事故時(shí)有發(fā)生，為了避免此類事件發(fā)生，需要對地鐵站內(nèi)行人流進(jìn)行管理規(guī)劃。通過對車站內(nèi)通行人員在內(nèi)站臺(tái)、通道、自動(dòng)扶梯的人流量和區(qū)域密度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過分析處理得到不同站內(nèi)地點(diǎn)的“流量—密度—速度”關(guān)系。結(jié)合站內(nèi)監(jiān)控路線和人工現(xiàn)場觀察的方法對站內(nèi)通行人員路線、數(shù)量和候車特性等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得到不同時(shí)間段內(nèi)通行人員的數(shù)目及路線的變化規(guī)律。

當(dāng)?shù)罔F站內(nèi)設(shè)置多層結(jié)構(gòu)時(shí)，站內(nèi)乘客選擇乘坐扶梯或樓梯這樣垂直向的設(shè)施到達(dá)其他樓層，在發(fā)生火災(zāi)或其踩踏事故時(shí)，乘坐電梯是不被允許的，只能選擇扶梯或樓梯進(jìn)行安全疏散。站內(nèi)樓梯的臺(tái)階高度、寬度、扶梯坡度以及扶梯或電梯設(shè)置方向都會(huì)對站內(nèi)行人流狀態(tài)產(chǎn)生影響。因此，在對地鐵站多層結(jié)構(gòu)的樓梯和扶梯設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮站樓梯或扶梯的設(shè)計(jì)參數(shù)對內(nèi)通行人員流量的影響，若設(shè)計(jì)樓梯或扶梯的寬度、高度布設(shè)不合理，會(huì)造成站內(nèi)通行人員嚴(yán)重?fù)矶拢＜睍r(shí)刻還可能造成死亡。站內(nèi)垂直向通行設(shè)備對行人流影響明顯，垂直向樓梯或扶梯數(shù)的寬度越大、數(shù)量相對越多，站內(nèi)通行人員通行效率越高。相關(guān)研究表明地鐵站內(nèi)通行人員選擇樓梯或自動(dòng)扶梯的比例直接影響了站內(nèi)通行人員的通行特征，當(dāng)樓梯的設(shè)計(jì)寬度與自動(dòng)扶梯寬度相差不大時(shí)，40.1%的乘客會(huì)選擇樓梯而不選擇自動(dòng)扶梯（樓梯和扶梯相鄰），而樓梯的寬度改為初始寬度的2倍時(shí)，選擇樓梯通行的乘客上升到57.8%，對于站內(nèi)換乘通行距離較長的乘客，選擇自動(dòng)扶梯通行的人數(shù)明顯增多。因此，在站內(nèi)通行距離較短的車站，應(yīng)適當(dāng)加寬樓梯寬度增加站內(nèi)行人流通行能力，對于站內(nèi)通行距離較長的車站，應(yīng)提高自動(dòng)扶梯的占比，增加通行人員的通行效率。

結(jié)合乘客對自動(dòng)扶梯和樓梯選擇的變化規(guī)律，相關(guān)研究人員考慮了不同影響因素（分為外部因素和內(nèi)在因素）下乘客的管理方法。外部因素包括乘客路徑和站內(nèi)建筑環(huán)境之間的影響，站內(nèi)的建筑環(huán)境和設(shè)計(jì)風(fēng)格會(huì)對乘客的走行效率有顯著影響。例如在站臺(tái)處拉設(shè)引導(dǎo)橫幅或播放廣告都會(huì)對乘客的步行速度產(chǎn)生影響；內(nèi)在因素主要包括乘客的年齡、性別、是否攜帶行李等行人特性，現(xiàn)在已經(jīng)有很多學(xué)者對通行人員的內(nèi)在因素進(jìn)行量化處理來研究地鐵車站行人流的特點(diǎn)。

5 結(jié)語

地鐵作為城市人民出行的主要交通工具，站內(nèi)乘客的走行效率和行人交通流特點(diǎn)對地鐵的運(yùn)行效率有著重要影響。該文著重對地鐵站內(nèi)乘客的行走特性進(jìn)行了總結(jié)，主要包括對站內(nèi)行人的行走特性、排隊(duì)特點(diǎn)、等待特性進(jìn)行分析研究，并對影響走行效率的站內(nèi)限流措施和行人流模型的種類劃分進(jìn)行了闡述說明，最后總結(jié)了站內(nèi)行人流的管理和研究方法。