铁路客运站客流组织的仿真与优化

曹 洁，刘黎明，赵 宏

CAO Jie1，LIU Liming2，ZHAO Hong1

1兰州理工大学计算机与通信学院，兰州 730050

2兰州理工大学电气工程与信息工程学院，兰州 730050

1.School of Computer and Communication, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050,China

2.College of Electrical and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China

1 引言

铁路客运具有运量大、安全、准时等优点，随着交通需求的扩大，铁路客运站作为客运网络中一个重要的节点，其客流的集散与换乘直接影响到客运站的运营效率和服务质量，因而制定科学合理的客流组织方案对客运站建设及运营管理具有至关重要的作用。

国内外规范虽然对客流组织做了一些原则规定[1,2]，但对客运组织的运营方案如何分析和评价未给出详细说明。文献[3]对客流组织仿真方法进行了探讨，并运用AnyLogic仿真软件对北京西直门地铁站客流进行了动态仿真评价分析，但其评价体系及方法需进一步完善。文献[4]通过实地调查行人流的特性，利用AnyLogic建立了客流组织的仿真模型，并通过案例验证了模型的可行性，但较少涉及客运组织评价体系及方法的实现。客流交通特性是客流组织动态仿真的基础，目前多集中于行人流的步幅、步频和步速的研究[5,6]，对站内路径选择行为的研究较少。根据旅客流线分析，同一出行OD(Origin-Destination)具有多条可选路径，即有路径选择行为发生，站内行人路径选择行为通常局限于楼梯与自动扶梯设施的选择上，其对楼梯与自动扶梯选择的不同导致路径选择的不同[7,8]。本文基于客运站内行人设施选择影响机理的分析，建立行人对楼梯与自动扶梯的选择行为模型，并针对大中型客运站客流组织存在的问题，以兰州市火车站站内客流组织为例，用AnyLogic仿真软件建立客流的微观仿真模型，对站内客流的平均排队长度、平均逗留时间及平均占有空间等多指标评价体系进行评价分析，提出客流组织的优化方案。

2 客运站客流组织存在的问题

由于客运站站内空间相对狭小且封闭，特别是高峰时期，客流量大、人群密度高，大多数客运站特别是大中型车站，行人交通组织混乱，人流冲突多，安全隐患严重。目前客运站客运组织存在的问题如下：

(1)站内客流导向不明确，导致站内大厅、楼梯(或自动扶梯)等处客流流线交叉，人流冲突点多；

(2)由于空间布局的不合理，客流流线节点过多，导致乘客在站内停留等待时间增加，易形成人群拥挤；

(3)站内客流导向设施如入口安检处(机)、自动扶梯等设施设置不合理，造成通行能力不足，易造成拥挤混乱；

(4)紧急情况下客流疏散能力不足。

3 楼梯与自动扶梯选择行为模型

3.1 行人对楼梯与自动扶梯的选择影响机理分析

从站内设施布局和行人特性的角度分析，行人对楼梯与自动扶梯选择的影响因素包括内部因素和外部因素。

⑴外部因素

①楼梯（或自动扶梯）的高度

通常客运站内的楼梯和自动扶梯的高度是相等的。楼梯的高度越高，选择自动扶梯的人数就越多。

②排队长度

随着自动扶梯处排队人数的增加，行人选择楼梯的人数将有所增加。在排队人数较少时，行人几乎都会选择自动扶梯。

③行人携带行李量

携带行李较多的行人更倾向于选择自动扶梯。铁路旅客携带行李基本上以拉杆箱、双肩背包和旅行包为主，根据旅客携带行李的多少，将其携带的行李分为三类：1）携带行李较少：指乘客仅携带一个双肩包或电脑包等，一般以短途旅客为主；2）携带行李一般多：指乘客携带一个拉杆箱、一个背包或手提塑料袋等，一般以出差旅客为主；3）携带行李较多：指乘客携带一个大拉杆箱或两个及以上的普通旅行包或更多行李，一般以农民工和学生为主。

⑵内部因素

①紧急程度

行人在紧急状态或者行程安排较迫切的情况下，倾向于选择花费时间少、行人较少的楼梯。根据行人的紧急程度划分为一般、紧急两种状态。

②年龄

老年人更倾向于选择自动扶梯，青年人和中年人在行程较紧急时更容易选择楼梯进出站。将行人的年龄划分为青年人、中年人和老年人三类。

3.2 模型构建及参数标定

考虑到行人选择楼梯与自动扶梯的影响因素，采用二值Logistic回归分析方法建立行人选择行为模型，其效用函数如公式(1)所示：

其中，Q表示自动扶梯入口处的行人排队长度；H表示楼梯的高度；W表示行人携带行李量；E表示行人的紧急程度；A表示行人的年龄； α、β、γ、δ、λ、θ为待定参数；

利用SPSS软件中的回归分析模块中的二值Logistic功能对上述的效用函数进行分析，选择前向逐步法(Forward:LR)对选择模型中的影响因素进行筛选，即影响因素进入方程的依据是统计量的似然比对应的p值是否小于给定的显著性水平[9]，对观测数据进行回归分析，其结果如表1所示。

表1 Logistic回归方程变量值

由表1分析可知行人对楼梯与自动扶梯的选择行为主要受到排队长度和行人紧急程度的影响，其显著性水平分别为0.039和0.018，小于规定的阈值0.05，其选择行为的Logistic回归模型为(自动扶梯设置为1)为：

其中，回归系数α的值为-0.712；δ的值为-1.861；θ的值为6.213.

则行人选择楼梯的概率为：

4 客运组织动态仿真评价分析

4.1 社会力模型

在对客运站行人交通特性及行为研究的基础上，采用基于社会力模型的AnyLogic仿真软件，建立客流的微观仿真模型，并通过仿真方法及评价指标对客流组织进行直观、定量的分析和评价。

社会力模型是Helbing等人[10,11]在对行人行为特征研究的基础上，借鉴bolzman运动方程的形式建立起来的。社会力模型认为行人的运动形态符合牛顿第二定律，行人行为是在各种内在作用力及周围环境相互影响下作出的反应。模型认为行人共受到三种作用力的影响：⑴行人i的自驱动力，主观意识对个体行为的影响可化为个体所受自己施加的“社会力”，体现了行人以渴望的速度移动到目的地的动机；⑵行人i和j之间的作用力，试图与其他行人保持一定距离的所施加的“力”；⑶行人i与障碍物w之间的作用力，边界和障碍对人的影响类似于人与人之间的作用。模型用如下方程组表示：

其中,mi为行人i的质量；vi为行人的速度；表示行人i在t时刻的期望速度标和

单位期望方向矢量的乘积； vi(t)为行人i在t时刻的实际速度矢量；τi表示行人i将实际速度调整到期望速度的松弛时间，与加速度有关；fi为行人i的自驱动力；fij为行人i和j之间的作用力；fiw为行人i和障碍物w的相互作用力；描述行人i和行人j在未接触情况下，行人i的社会力参数；Bi描述行人i和行人j在未接触情况下，行人i的社会力参数；k描述行人i和行人j挤压重叠时，行人i受到的斥力大小参数；u描述行人i和行人j挤压重叠时，行人i受到的摩擦力大小参数；g(•)为Bool函数，当行人i和行人j挤压重叠时取值1，其他情况取值0；为行人i和行人j的半径之和；dij为行人i和行人j的圆心距；表示有行人j指向行人i的单位方向矢量；为行人i和行人j在t时刻二者之间的速度差；

4.2 仿真建模流程

AnyLogic行人流微观仿真建模主要由行人库来实现，其核心算法为社会力模型。应用AnyLogic建立客运站客流组织仿真建模的流程图如图1所示。

图1 客流组织仿真建模流程图

AnyLogic行人仿真建模主要包括两大部分：环境（environment）和行为（behavior）。环境不仅包括车站空间布局，还把服务设施(如售票窗口、安检、检票口等)和步行设施(如自动扶梯、楼梯、水平通道等)以及这些设施前的队列都看作是环境的一部分。利用演示库中的直线、折线、矩形等绘图工具可以绘制模型的活动区域范围即墙壁、服务窗口(售票口、进站闸机)、楼梯与自动扶梯以及这些设施前的队列。

行人的行为通过流程图的方式实现，从行人库中拖动相关对象到工作区间并设置相关属性，然后依次将对象连接起来。

4.3 动态评价方法

对建立好的微观模型运行仿真，通过可视化的动态显示和输出图形、数据，进行定量统计分析。本文从乘客的流畅性、效率性、协调性三个方面对仿真模型进行动态评价。流畅性主要体现在平均排队长度；效率性体现在乘客在站内平均逗留时间；协调性主要指乘客在站内的拥挤度即人均占有空间。具体实现方法如下：

（1）平均排队长度

平均排队长度L指同一组服务点前所有旅客流线排队长度的平均值，其值越大表示客运站客流的流畅性越差。

其中li为站内服务点前某条队列上的排队长度；n 为站内同一服务点前的队列数。

（2）平均逗留时间

平均逗留时间T指行人从客运站入口到达候车室所花费时间的平均值。在所经路径距离相同的情况下，其值越大表示所经路径越拥堵。

其中ti为行人i在站内从入口到候车室所用的时间；n为行人流量。

（3）人均占有空间

人均占有空间D指一定区域内人均所占有的面积。

其中S为站内区域的面积，n为此区域内的行人流量。

5 实例应用分析

5.1 兰州火车站空间布局

依据仿真建模流程建立兰州火车站客流组织仿真模型并对其进行动态仿真分析和评价。实例的环境建模如图2所示，共有A、B两个入口，东西两个出口，第一、二候车室分别位于一楼大厅东西两侧，分别有两部自动扶梯及楼梯连接一楼和二楼候车大厅。

图2 客运站环境模型图

铁路客运站的流线按流动方向和接受服务的过程可以分为：进站客流、出站客流和换乘客流，由于车站客流流线复杂，本模型主要模拟进站客流，仿真模型中的行人行为流程图如图3所示。

图3 客运站行人行为流程图

5.2 仿真参数设置

本模型的仿真时间步长为 0.3，行人到达率为每小时 2500人，属于高峰时段，乘客选择自动扶梯进入站台的概率设为80%，选择楼梯进入站台的概率为20%，排队服务为自动选取较短的队列。

5.3 仿真结果及分析

仿真检验主要采用观察法，检验仿真能不能逼真地再现客运站站内客流的实际交通情况。模型运行结果显示乘客在楼梯和自动扶梯处的排队、等待区域停留、流线交叉等方面能够近似的模拟实际情况，仿真结果如图4所示。由于实验室条件有限，所建模型不能够完全模拟实际情况，但模拟的结果还是能够反映现实存在的问题并给出建议。

图4 客流组织仿真结果

⑴从A、B两个入口通过安检后进入第一、二候车室的乘客与进站后需通过自动扶梯或楼梯进入二楼候车大厅的乘客流线存在交叉冲突。仿真结果显示乘客在自动扶梯处的排队长度急剧增加，排队长度已明显阻碍大厅人员的流动，因此建议在高峰时段，单独为一楼第一、二候车室的乘客开辟安检通道。修改后的模型具有三个独立的乘客入口通道，仿真结果显示此措施不仅可以减少乘客进站客流之间形成流线交叉冲突点数，而且减少了乘客在站内的停留次数，降低乘客在站内所用时间，提高了通行速度，在对候车室客流进行分流的同时，限制旅客提前进站时间，能够在一定程度上缓解候车室客流瓶颈。

⑵在站前广场车站入口处安装指示牌，对三个不同入口乘客的分流进行标示或者安排工作人员在客流高峰时段进行引导，便于乘客快速通过安检进入候车区域。

6 结束语

通过对客运站内行人交通特征及客运组织流线进行实地观测和分析，建立了行人对楼梯与自动扶梯的选择行为模型，并基于AnyLogic仿真软件建立客流的微观仿真模型，对兰州市火车站客流组织进行了动态仿真分析，找到客流的瓶颈(集中在楼梯与自动扶梯处)，提出客流组织流线的优化方案，为实际运营管理和客运站建设提供决策参考依据。

[1]中华人民共和国铁道部主编.铁路车站及枢纽设计规范(GB50091-2007)[S].北京:中国计划出版社,2007.

[2]NFPA 130 Standard for fixed guide way transit and passenger rail systems 2007 ed.[S].USA:National Fire Protection Association,2007.

[3]于璐,张喜.城市轨道交通枢纽进站客流辅助决策研究[J].物流技术,2011.30(05):135-138.

[4]Ming-wei Hu.A survey and simulation of passenger flow organization of the Shenzhen urban rail transit station[C]//ICCTP,2011:2991-2997.

[5]陈然,董力耘.中国大都市行人交通特征的实测和初步分析[J].上海大学学报：自然科学版, 2005.11(01):93-97.

[6]柳伍生,余朝玮.地铁站楼梯行人流交通特征的数据拟合分析[J].计算机工程与应用,2008.44(03):50-52.

[7]贾洪飞.综合交通客运枢纽仿真建模关键理论与方法[M].北京:科学出版社,2011.

[8]CY Cheung, William Lam.Pedestrian Route Choices between Escalator and Stairway in Hong Kong Mass Transit Railway Stations [J].Journal of Transportation Engineering, 1998, 124(3):277-285.

[9]唐明.客运枢纽行人交通行为模型与仿真算法研究[D].长春:吉林大学,2010.

[10]Helbing D, Molnar P.Social Force Model for pedestrian Dynamics [J].Physical review E, 1995,51(5):4282-4286.

[11]Helbing D, Buzna L, Johansson A and Werner T.Self–organized pedestrian crowd dynamics:experiments, simulations, and design solutions [J].Transportation Science, 2005, 39(1):1-24.