轨道交通换乘车站客流仿真评估指标体系优化及应用

房霄虹 冯爱军 刘彦君

(1.北京市轨道交通设计研究院有限公司 北京 100068;2.北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037;3.北京交通大学交通运输学院 北京 100044)



轨道交通换乘车站客流仿真评估指标体系优化及应用

房霄虹1冯爱军2刘彦君3

(1.北京市轨道交通设计研究院有限公司 北京 100068;2.北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037;3.北京交通大学交通运输学院 北京 100044)

为更好实现客流仿真技术在轨道交通换乘车站评估中的合理、高效应用，在初步构建的轨道交通换乘车站客流仿真评估指标体系基础上，结合实际应用中的适用性，优化了换乘车站客流仿真评估指标体系，并明确了各项指标计算方法、评价范围及评价标准。最后，通过北京地铁安华桥站客流仿真实例，验证了换乘车站客流仿真评价指标体系及其评价标准的可行性、全面性及有效性。

轨道交通；客流仿真；评价指标体系；评价标准

城市轨道交通换乘站是实现客流集散的重要场所，换乘效率的高低影响到整个线网的能力和总体服务水平。动态仿真模拟乘客的真实集散行为，展现不同场景下的客流分布和流动状态，发现影响疏散效率的瓶颈点，从而可对车站设施布局和客流组织的合理性进行有效评价，并提出相应的改善建议，是保障车站建筑方案及客流组织方案合理、高效的新型技术手段，已逐步被多个城市应用于轨道交通换乘车站的设计和运营优化。但是，目前还没有形成一套系统、完整、应用性强的仿真评价指标体系，致使不同车站评估在指标的选取上存在很大差异，研究成果在横向对比上缺乏可比性，无法彼此形成参考和借鉴，同时也为动态仿真评估在更大范围内的推广应用设置了障碍。

1 初步构建的客流仿真评价指标体系及存在问题

2014年，依托北京市科委《轨道交通车站客流仿真技术研究及评价指标体系构建》课题，通过实现车站客流仿真技术在车站设计、建设、运营不同阶段的应用，初步提炼并建立了一套覆盖安全性、经济性、舒适性、便捷性4类，包含客流密度、站台滞留人数、设施设备利用率等共计10项具体指标及其标准的评价体系[1-3]。

体系初步建立后，先期利用北京地铁8号线三期工程王府井站和前门站进行应用，但在应用过程中逐步发现一些问题：1)4类评价类别划分有交叉，如客流密度既影响安全性又影响舒适性，难以明确界限；2)10个指标较繁杂，某些指标具有很强的关联性，部分指标本质区别不大；3)有些指标依靠客流仿真软件难以取得，有些即使取得也较难有量化标准；4)部分指标没有明确的指向性意义，对车站设计方案优化价值不大。

2 评价指标体系优化

传统的枢纽设计主要是参考地铁设计规范及其他建筑设计规范，采用静态和均态计算方法，对行人在车站内的微观行为特征以及突发情况考虑不足，无法准确判断车站内乘客的移动效率[3]。因此，动态仿真评价必须同时关注“平均”和“瞬时”两种状态，同时兼顾服务水平及突发事件下的紧急疏散。此外，针对初步构建的评价指标体系存在的问题，重新对指标类型进行划分，对重复、难以取得、意义不大的指标进行剔除，对指标的量化方法和量化标准进行明确，进一步对指标体系进行优化设计。

优化后的城市轨道交通换乘车站客流仿真评估指标体系主要通过能力适应性、瞬时冲击性、舒适性和紧急疏散能力四个方面进行分析构建。能力适应性主要评价设施设备能力与客流需求的匹配程度，采用单位时间内均态计算，具体指标包括客流密度、设备设施超高峰饱和度和站台滞留人数3项。瞬时冲击性主要针对换乘车站内的瓶颈识别和过程疏解，是以任意时刻和时间推移中的拥堵点变化为研究对象，指标包括瓶颈最大拥堵程度和瓶颈疏散时间2项。舒适性关注服务过程的舒适及便捷程度，以满足顾客较高层次的需求为目标，以时间或时间累积比例评价水平，设定设施服务水平和平均换乘时间为指标。紧急疏散能力指标评估换乘车站在发生紧急事故情况下，场内人员安全疏散的保障程度，以车站内所有人员撤离到安全区域所需的最少疏散时间来衡量。具体的层次划分如图1所示。

图1 评价指标体系优化后层次划分

3 评价指标分析

3.1 能力适应性指标

3.1.1 客流密度

城市轨道交通客流密度是指单位面积内所聚集的人数，单位为人/m2，数值的大小直接反映轨道交通车站区域的安全性和舒适性[4]。在动态仿真中，客流密度数值伴随行人运动动态变化，与实际运营状态相符，可分为客流密度的空间分布和时间分布。客流密度空间分布最常用的反映方式是平均客流密度，是仿真时段内各区域的密度分布平均状态。客流密度时间分布是指车站在单位时间内(高峰小时)各点客流密度达到或超过临界密度的持续时间。

3.1.2 设施设备超高峰饱和度

设施能力利用效率用超高峰小时的通过客流量与设施通过能力的比值θ表示，反映客流量的大小与设施最大通过能力的匹配程度。

式中，Qh为高峰小时通过客流量；C为设施最大通过能力；ρ为超高峰系数。

3.1.3 站台滞留人数

动态仿真中的滞留客流表示在某次列车到达前已经处于候车状态，但受列车容量限制未能乘坐该次列车离开的客流，是线路运输能力与换乘客流的匹配性的直接反映。当相交线路的运输能力与换乘客流需求不匹配时，将导致换乘乘客无法搭乘最近一趟列车而被迫滞留站台。当滞留站台人数过多时，就必然导致站台拥挤，危及安全。

MZ=Ph-Cfβ

式中，MZ为一批客流在站台的滞留人数；Ph为一批到达站台候车客流人数；Cf为到达列车在标准定员下的富余能力；β表示拥挤系数。拥挤系数的取值与乘客对车厢内拥挤的忍耐程度有关。

3.2 瞬时冲击性指标

3.2.1 瓶颈最大拥堵程度

由于客流到达规律不连续均衡及设施的通过能力有限，短时间内可能对设施造成冲击，这种冲击效应使得设施前存在客流拥堵，当拥堵人数较多时，就会在车站内部形成客流疏解的瓶颈，影响车站的其他功能，同时带来安全隐患。

车站客流堆积较为严重的地点主要有楼扶梯、闸机、安检机等，常常形成整座车站客流集散的瓶颈区，而瓶颈区域在一次次客流聚集和客流疏解过程中聚集的最大人数或最大密度就是瓶颈最大拥堵程度。

3.2.2 瓶颈疏解时间

虽然瓶颈拥堵程度对设施的影响很大，但拥堵的持续时间则是更为危险的影响因素。

瓶颈疏解时间，应从瓶颈出现时刻起，至瓶颈消失时刻止，统计其中的间隔时间。

T瓶颈=Tstart-Tstop

式中，T瓶颈为瓶颈疏解时间；Tstart表示瓶颈出现时刻；Tstop表示瓶颈消失时刻。

3.3 舒适性指标

3.3.1 设施服务水平

服务水平是针对不同行人设施上行人的疏散效率和步行舒适度的综合评价。一般用人均占用空间面积、可以达到的步行速度、步行者自由程度、超越他人与横穿人流的可能性以及安全舒适程度等作为评价行人服务水平的具体指标[5]。设施服务水平可通过仿真软件获得，通过直观的颜色深浅进行划分，进而通过统计、分析得出各区域的服务水平。

3.3.2 平均换乘时间

换乘时间指乘客由到达换乘站的某一线路列车下车时起到到达其所要换乘的线路候车时止的时间之差，是反映换乘便捷性最直观的指标。它包含换乘走行时间和换乘过程中由于排队、拥挤等导致的等待时间。平均换乘时间是所有换乘乘客换乘时间的平均值。乘客在车站n的换乘时间tn,h可表示为

tn,h=tn,b+tn,w

式中，tn,b表示换乘走行时间，tn,w表示换乘过程中的等待时间。

3.4 紧急疏散能力指标

紧急疏散能力指标以发生紧急事故情况下车站内所有人员撤离到安全区域所需的最少疏散时间来衡量。根据《地铁设计规范》、《城市轨道交通工程设计规范》等现行规范，紧急疏散时间一般指在远期或者客流控制期超高峰小时条件下，将一列进站列车所载乘客及站台上的候车乘客和工作人员从列车和站台安全撤离到站厅的最少疏散时间[6-7]。

紧急情况下人员全部疏散完毕时间公式为

Te=ta+tr+tm

式中，Te为全部疏散完毕时间；ta为紧急事件探测时间；tr为乘客反应时间；tm为乘客疏散运动时间。

4 评价指标评价范围及标准

目前仿真模拟工作中应用的标准是零散且不统一的，如，对服务水平的评价多采用美国J.J.Fruin博士于1979年所著“Pedestrain Planning and Design”一书中提出的六级服务水平，但国内许多专家学者也提出了一些不同意见。针对平均客流密度、最大拥堵程度、关键区域行人通过时间等，更是没有明确的说明。因此，针对上述8项客流仿真评估指标，分别设定其评价范围和评价标准。

评价标准至少需满足以下一项基本原则：1)遵照最严格的法规、规范、政府文件相关标准执行；2)已为业界认可或通过某种形式的业内专家评审；3)处于国内甚至国际先进水平；4)通过定性或定量方法科学论证标准合理及可靠。

仿真评价指标与标准汇总见表1。

表1 仿真评价指标与标准汇总

续表

5 实例分析

5.1 车站概况

安华桥站是北京地铁新建12号线与既有8号线的换乘车站。12号线车站沿北三环中路东西向布置，既有8号线车站沿鼓楼外大街、北辰路南北向布置。车站周边属北京的建成区域，主要以居住和商业为主[10]。

12号线安华桥站为地下3层标准岛式车站，8号线安华桥站为地下2层岛式车站。两线在安华桥站利用通道换乘。安华桥车站设计总图及客流流线组织图见图2、3。

图2 安华桥车站设计总图

图3 安华桥车站客流流线组织图

5.2 仿真测试及方案优化

根据车站平面建筑方案和客流预测数据，搭建远期早高峰车站客流行人仿真分析模型[11]。经仿真模拟，原始车站设计方案模型运行至7:25(早高峰7:00—8:00)左右发生严重拥堵，模拟被迫停止。

在原始车站设计方案中，12号线各项设施和换乘通道均能满足远期早高峰客流需求，而由于远期早高峰8号线换乘12号线的客流较大，且8号线南侧站厅楼扶梯口处流线交叉严重，造成8号线2组楼扶梯(1楼2扶)处拥堵严重，其能力无法满足远期早高峰客流需求。因此，优化后的车站设计方案在8号线车站中央增加2组上行楼梯及8换12单向换乘通道，将原始双向换乘通道改为12换8单向换乘通道，并且改变8号 线南侧2部扶梯的运行方向，从而减少该处流线交叉，缓解8号线南北两侧楼扶梯客流压力。经仿真模拟，优化后的车站设计方案模型能够顺利运行至8:00结束，最终拥堵瓶颈明显缓解或消失，车站仿真运营状态良好(见图4、5)。

5.3 评估指标对比情况

根据前文中提出的车站客流仿真评价指标体系及其评价标准，在实例选取了一些具有代表性的评价指标，通过对比车站优化前后的评价指标情况，对其优化效果进行较为全面有效的评估，评估指标选取及对比情况如表2所示。

图4 安华桥站原始设计方案平均密度图

图5 安华桥站优化设计方案平均密度图

对比指标侧站台客流密度/(人/m2)设施设备超高峰饱和度设施服务水平瓶颈最大拥堵程度/(人/m2)瓶颈疏解时间换乘时间位置 8号线下行侧站台 8号线南侧上下行扶梯 8号线站台南侧楼扶梯前排队区域 8号线站台南侧楼扶梯前排队区域 8号线站台 所有换乘方向适用标准值1.33～3<0.8良好0.8～1.0一般>1.0差 排队空间C级及以上为宜,步行空间D级及以上<3.33 在下一次列车到达前疏散完 通道换乘<5min初始方案仿真测试结果最大值3.10 上行扶梯:饱和度1.13; 下行扶梯:饱和度0.99 C级及以上服务水平时间占比为6% 最大值4.16 站台上有大量乘客滞留—优化方案仿真测试结果最大值2.22 上行扶梯:饱和度0.78; 下行扶梯:饱和度0.75 C级及以上服务水平时间占比为71% 最大值2.41 站台上高峰期有少量乘客滞留 8号线换12号线:3min57s;12号线换8号线:4min32s

续表

由表2的评价指标对比可以看出，优化方案与原方案相比，在客流密度、拥堵程度、服务水平、瓶颈疏解时间方面均有明显改善，车站换乘方面的便捷性也符合相应要求。该实例验证了本文提出的车站客流仿真评价指标体系及其评价标准，具有较高的可行性、准确性、有效性及全面性。

6 结论

本文在初步构建的轨道交通换乘车站客流仿真评估指标体系基础上，对体系进行了进一步深化研究，将评估指标体系重新划分为能力适应性、瞬时冲击性、舒适性、紧急疏散能力4类，合计包含客流密度、设施设备超高峰饱和度、服务水平等8项具体指标，消除了原体系指标分类之间的交叉，在指标的选取上更加注重差异性、可量化及对设计方案优化有明确意义。并且，通过北京地铁安华桥站对优化后的评估指标体系进行了实例分析，验证了指标体系及其评价标准具有较高的可行性、全面性及有效性，未来将可应用于更多轨道交通换乘车站的客流仿真评估工作。

[1] 房霄虹，冯爱军.轨道交通车站客流仿真评估指标体系研究[C]//智慧城市与轨道交通论文集.北京，中国城市出版社，2015.

[2] 褚冬竹，林雁宇，魏书祥.轨道交通站点影响域行人微观

仿真方法与城市设计应用[M].重庆：重庆大学出版社，2015：58-59.

[3] 北京市轨道交通设计研究院有限公司.轨道交通车站客流仿真技术研究及评估指标体系构建[R].北京，2014.

[4] 武勇彦，刘小明，魏中华，等.换乘交通枢纽行人设施布局仿真评价研究[J].交通信息与安全，2012，30(3)：74-77.

[5] 李得伟.城市轨道交通枢纽乘客集散模型及微观仿真理论[D].北京：北京交通大学，2007.

[6] 地铁设计规范:GB 50157—2013[S].北京:中国建筑工业出版社, 2013.

[7] 城市轨道交通工程设计规范:DB 11/995—2013[S].北京:北京地方标准出版社,2014.

[8] Fruin J.J. Pedestrian Planning and Design[M].New York, NY, USA, 1971.

[9] 城市轨道交通工程项目建设标准：建标104—2008[S].北京：中国计划出版社，2008.

[10] 北京市市政工程设计研究总院有限公司.北京地铁12号线工程方案设计(第二篇 第一册 第十分册 安华桥站)[R].北京，2015.

[11] 刘杰，江峰，胡万欣，等.基于换乘条件的轨道交通列车运行图缓冲时间设置[J].铁道运输与经济，2015，37(6)：80-84.

(编辑：郝京红)

Optimization and Application on Evaluation Index System of Passenger Traffic Simulation in Urban Mass Transit Transfer Stations

Fang Xiaohong1Feng Aijun2Liu Yanjun3

(1. Beijing Rail and Transit Design & Research Institute Co.,Ltd., Beijing,100068;2. Beijing Urban Construction Design & Development Group Co.,Ltd., Beijing, 100037;3. School of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing,100044)

To better realize the reasonable and efficient application of the passenger traffic simulation technology in urban mass transit transfer stations, based on primary construction of evaluation index system of passenger traffic simulation in transfer stations, and combining the feasibility of the index in practical use, the evaluation index system is optimized.Then the calculation method, evaluation scope and evaluation criteria of each evaluation index were proposed.Finally, through Beijing subway station Anhuaqiao, the evaluation index system and evaluation criteria were verified feasible, comprehensive and effective.

urban mass transit; passenger traffic simulation; evaluation index system; evaluation criteria

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.05.014

2015-12-23

2016-09-14

房霄虹，女，博士，高级工程师，主要从事城市轨道交通规划、设计工作，47260983@qq.com

北京市科技新星计划(Z141106001814027)

1672-6073(2016)05-0068-06

U231.4

A