基于AnyLogic的城市軌道交通車站設施布局仿真與優化研究

譚彬彬

摘 要：城市軌道交通車站是城市軌道交通網絡的關鍵節點。車站內服務設施的布局直接影響乘客流線的選擇，是緩解站內擁堵的重要因素。本文分析了不同服務設施布局下的客流沖突。基于AnyLogic構建不同設施布局模型模擬客流，總結不同設施布局的優缺點。根據西安地鐵2號線小寨站布局，模擬了某工作日的低峰期客流。針對乘客密度圖的瓶頸所在，提出優化方案并再次建模仿真，并提出了緩解車站擁堵的建設性建議。

關鍵詞：城市軌道交通 車站設施布局 仿真 AnyLogic

1 引言

關于城市軌道交通車站設施布局優化的文獻較多。這些模型主要利用元胞自動機模型和社會力模型來描述不同設施的乘客分布，優化設施布局方案。例如，張[1]針對城市軌道交通車站服務設施的集散特點，建立了一套LOS評價體系。這套評價體系創造性地從乘客和運營商兩個方面設置了具體的評價指標。張[2]定義了城市軌道交通車站“集散能力瓶頸”的概念，并對瓶頸進行了詳細分類，并找出了相應的識別方法。鐘和紀[3]利用蜂窩的概念對城市軌道交通車站的車站環境和乘客行為進行建模，研究了乘客與車站服務設施之間的關系。

本文基于 AnyLogic 模擬車站內的乘客行為，并根據不同設施布局下的乘客密度圖識別客流瓶頸。針對設計缺陷進一步提出優化方案，并應用仿真程序驗證了優化方案的有效性。

2 乘客服務設施布局特點

本節從單一或組合設施的角度，分析客運服務設施的布局。

2.1 單一服務設施的布局

自動檢票機的布局如圖1所示。即I.“兩邊進，中間出”型，II.“中間進兩邊出”型，III.“長邊排列”型和IV.“短邊排列”型。對于布局I，進站乘客從站廳兩側進站，出站乘客從站廳中間出站。這種布局內部沒有沖突和相互干擾。此外，進站閘機向付費區凹陷，客流空間較豐富。出站閘機集中布置，乘客選擇更多。II的布局與I正好相反。對于布局III，進出站閘機沿站廳長邊依次排列。這種閘機排列最為集中。乘客很容易找到檢票口。此外，閘機的通行方向可根據進出站客流的相對量進行調整。對于布局IV，進出站閘機沿站廳短邊對稱布置。因此很容易設置信息導向標志。但是，非付費區域未連接，不能用作地下通道。

2.2 組合服務設施一體化布局

本節主要論述安檢設施、售票設施和自動檢票口的整體組合布局。布局分為四種類型，如圖2所示。“順列型”將安檢設施、售票設施和檢票設施沿直線布置。進出站流線基本平行，有效隔離客流。但當客流量較大時，排隊取票的乘客會干擾直接進站的乘客。“并列型”是安檢設施、售票設施和檢票設施分別位于三條平行線上。這種布局允許乘客在安檢之后或之前購買機票。因此，安檢設施與售票設施之間的客流交叉嚴重。與“順列型”相比，排隊取票的乘客對直接進站的乘客影響較小。“垂直型”是指其中一個或兩個設施同時垂直于其余設施。進站客流根據是否購票在出入口通道附近分流，減少碰撞和沖突。“三角型”，即安檢設施、售票設施和檢票設施呈三角形布局。安檢后，一部分乘客到自動售票機處購票，另一部分乘客到檢票機處檢票，減少進出站乘客之間的干擾。

3 城市軌道交通車站設施布局仿真與評價

本節主要采用軟件對城市軌道交通車站內一些典型設施布局的優缺點進行仿真評價，找出客流的關鍵瓶頸。分析的目的是為后期的復雜案例研究提供基礎的理論支持。

3.1 AnyLogic的仿真原理和過程

具體建模分析過程包括：

● 根據車站布局對環境進行建模。

● 使用流程圖根據進站和出站流線對乘客行為進行建模。

● 設置流量參數。

● 開始仿真，輸出行人密度圖。

● 分析行人密度圖的紅點，找出客流瓶頸。

3.2 組合服務設施布局仿真與評價

進出站客流量為每小時1000人次。安檢設施服務時間統一設置為2-3秒。售票機1-2分鐘，自動檢票機1-2秒。仿真得到的長期乘客密度圖如圖3所示。

“順列型”布局中的客流高密度點一般沿進站流線分布，在安檢設施、售票機和進站閘機附近形成高密度區域。這種布置形式較為簡單，在城市軌道交通車站中較為常見。“并列型”布局的客流瓶頸主要集中在進出站閘機附近，自動售票機前的客流密度較高。即使是沒有服務設施的地區，也顯示出一定的人流密度。因為乘客可以選擇多種路線。“垂直型”和“并列型”布局是極其相似的。只是改變安檢設施的方向。不過該布局規定了安檢和購票的先后順序。所以進站流線比前者更順暢。三角形布局最差，客流密度高的區域最大。

4 實際案例的仿真和優化

本文選擇位于西安市小寨商圈的小寨地鐵站作為優化目標。小寨地鐵站是西安地鐵2、3號線的換乘站。該站為三層地下車站，有六個出入口。

現有設施布局簡介： 2號線站廳是典型的“中間進，兩側出”的形式。 A、D通道各配備一臺安檢設備，B、C通道共用一臺安檢設備。車站大廳北面有八臺自動售票機。售票亭設置在對面。北面的安檢設施、售票機、進出站閘機整體布局呈典型的三角型。在南面，是典型的順列型。北有6個進站閘機，南有5個出站閘機。兩側各有7個出站閘機。3號線的站廳比較特別。首先，自動售票機、安檢設施和進站閘機的整體布局是一種特殊的垂直型。北面有7個出站閘機。中間有4個進站閘機。在南面，有7個閘機。安檢設施設置為前一后一。售票機位于車站中央。售票亭與它們垂直。

當前設施布局的仿真和評估：首先將CAD背景圖導入AnyLogic軟件，為車站環境建模提供基礎支持。環境建模結果如圖5所示，然后建立乘客行為邏輯流程圖如圖6所示，結束建模過程。客流數據以實際調查為準。從仿真模型中得到未來一小時的乘客密度圖，如圖7所示。

從上圖可以看出，2號線站廳主要客流瓶頸集中在A、D通道自動售票機前和進站閘機，以及B通道附近。3號線站廳主要客流瓶頸集中在E通道附近的安檢設施、進出站閘機。

優化設施布局的仿真與評價：為與自動售票機保持較遠距離，A、D通道附近安檢設施將移至出入口方向，避免客流過度集中，降低客流密度。同時取消A、D通道之間的鐵馬，這里的鐵馬是為了將乘客與過街乘客隔開。然后，在通道A和D附近的進站閘機處增加一列閘機。由于進站閘機與扶梯入口之間的距離難以改變，無法降低扶梯入口前的客流密度。此外，面向B、C通道的安檢設施分開設置，不再像以前那樣共用一臺安檢設備。同時，拆除鐵馬。

F通道附近的安檢設備將短距離移動至站廳，與出入口保持較遠距離。然后在最近的進站閘機處增加兩列，取消西邊的進站閘機。改變閘機的通過方向，使它們成為出站閘機。同樣，在實際中也不可能改變自動扶梯與進站閘機之間的相對距離。最后，優化設施布局后的小寨站模擬客流密度圖如圖8所示。從圖中可以看出，客流密度略有下降。優化設施布局有效緩解了站廳擁堵。

5 結論

本文通過行人仿真軟件AnyLogic的仿真評價，探討城市軌道交通不同設施布局的適用性、優缺點。以西安地鐵小寨站為例進行布局優化。未來的研究可以涉及微觀的乘客行為選擇模型，使研究更加深入和細致。

參考文獻：

[1]張盛.城市軌道交通地下車站行人設施規模和布局評價方法研究[D].北京交通大學，2011.

[2]張慶瑜.城市軌道交通車站設施設備布局優化方法研究[D].北京交通大學，2016.

[3]鐘圳偉，紀慶革.考慮行人相對速度的改進社會力模型的驗證與評估[J].計算機科學，2020，47（02）：88-94.