地铁典型换乘站换乘方式适配性评价研究

郑宣传，魏 运，陈明钿，高国飞，苏 畅，于松伟

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037）

地铁换乘站作为线网的核心节点及纽带，同时承载车站集散客流及线网换乘客流的双重压力，在网络化运营条件下，换乘站的站台乘客滞留、换乘设施处排队现象尤为明显，严重危及乘客出行安全、影响出行效率，给车站的运营组织工作带来极大挑战。

由于我国地铁建设起步较晚，设计之初车站客流普遍较小，缺乏地铁网络化大客流车站设计与运营经验，普遍以十字换乘的便捷、紧凑设计理念为主，如北京地铁宣武门站、西安地铁北大街站、沈阳地铁青年大街站等，导致进入运营阶段，大客流冲击下车站运营组织难题频发。为解决换乘站先天设计不合理问题，运营阶段仅能通过换乘站改造或压缩行车间隔来提升车站的客流输运能力[1-2]。然而，对于已投入运营的换乘站土建改造工程不仅耗资巨大、而且改造期间的客运组织及安全保障问题更是棘手。因此，如何根据预测客流并结合工程技术条件，科学、合理地选择换乘方式，完成车站设计方案，是城市轨道交通建设过程中的重点及难点问题，备受设计单位、建设单位、运营部门等多方关注。

目前国内大量学者对于换乘站的换乘方式的适应性做了一些定性研究[3]，但缺乏量化分析，研究手段以传统经验公式计算为主。而客流仿真评估技术将静态的设计方案与动态的运营组织相结合，充分考虑客流动态出行需求与车站设施布局，实现不同设计方案多场景下的客流动态评估，为换乘站换乘方式选择及设计方案评估提供精确依据。目前常用的行人仿真软件包括 LEGION、Vissim及 Anylogic等[4]，由于LEGION软件建模精细，统计指标丰富，因此应用最广。针对仿真结果的评价方面，地铁设计规范[5]及北京市地标[6]给出设施设备能力的具体计算方法。国内相关学者[7-9]提出平均客流密度、设施设备能力、换乘距离、密集度指数等指标，为换乘站的评估提供了基础，但对于换乘站换乘方式选取及评估方面，仅依靠车站设计人员的历史经验，停留于方案定性分析比较，缺乏量化指标分析及方案比选[10]。

针对换乘站换乘方式适应性问题，笔者提出基于LEGION软件的换乘站客流仿真评价步骤及换乘站评价指标计算方法；以沈阳地铁青年大街站为例，通过仿真评估分析车站拥挤成因并剖析十字节点换乘的适应条件与范围；提出车站结构优化及压缩行车间隔的方案并进行新仿真评价验证，分析优化方案优势及适应范围，最后对换乘站设计及换乘方式选取提出具体实施建议。

1 换乘站换乘方式评价技术思路

围绕换乘站换乘方式适应性问题，分析现有换乘站换乘方式的特征及客流适应性，提出换乘站客流仿真评价的技术路线及评价指标计算方法，实现换乘站的换乘方式适配性量化研究。

1.1 换乘方式分类

换乘站的换乘方式按照换乘客流组织方式可分为节点换乘、站厅换乘、通道换乘、组合式换乘四大类。

1.1.1 节点换乘

节点换乘分为同站台换乘及台到台节点换乘，台到台节点换乘按照两线交叉形式，分为十字型、T型、L型（见图1）；按照站台的类型，分为岛—侧，岛—岛，侧—侧3种换乘类型。由于节点换乘方式换乘距离短，十分便捷，适合换乘客流规模较小的车站，但换乘设施一般设在站台中部，占用站台等候面积，易导致入口处客流堆积、疏散速度慢，影响站台乘客候车及乘降。

图1 台到台节点换乘示意Fig. 1 Platform to platform node transfer

1.1.2 站厅换乘

站厅换乘指站台乘客下车后，通过楼扶梯到达车站站厅层，再通往另一个车站的站台进行换乘。由于下车客流朝站厅方向流动，减少站台客流的人流交织，行走速度快，避免在站台滞留拥挤，加快站台空间的周转，同时客流进入站厅后，可以进行有效的客流组织及引导，进行客流控制。与站台直接换乘方式相比，站厅换乘距离较长，且对垂直方向的设施能力要求较高。

1.1.3 通道换乘

通道换乘是指在两线交叉处，车站结构完全分开，用通道和楼梯将两车站连接起来，供乘客换乘。连接通道常设于两站的站厅之间，也可直接设于站台上。对于不相邻的两座车站，通道换乘为最佳选择，但换乘通道长度一般不宜过长。这种换乘方式最有利于两条线工程分期实施，预留工程最少。

1.1.4 组合换乘

实际工程根据用地条件及需求，往往结合上述多种换乘方式，完成换乘站设计。

1.2 换乘站客流仿真评价技术

本文应用LEGION软件对换乘站进行仿真评估，仿真过程总体分为：基础资料收集、车站建模仿真、方案评价分析三大步骤（见图2）。

1）基础资料收集。基础资料包括车站设施设备详细设计CAD图纸、客流组织方案（即流线组织）、车辆运营计划（即列车时刻表）、站内客流OD表（精确至各出入口、分方向站台），行人交通特性数据（含：售票、闸机、安检设备的服务时间及客流比例）。

图2 LEGION软件仿真建模步骤Fig. 2 Modeling steps of Legion simulation software

2）车站建模仿真。对原始CAD图进行清理，整理为仿真层及展示层，导入至LEGION软件中，绘制行人仿真模块，输入仿真时段及行人交通参数，运行仿真软件。

3）方案评价分析。结合仿真结果，按照评估需求，设置统计分析区域及统计参数，从车站总体服务水平评价、设施设备能力评价、方案的总体评价3个方面全面分析，形成仿真结论及改进意见。

1.3 客流仿真评价指标对比

本文应用车站总体平均密度、设施平均密度、服务水平占比、设施能力饱和度、平均客流疏解时间等指标对换乘站的现状及换乘方式适配性进行评价。对楼扶梯及换乘通道评估设施能力饱和度，对站台评估最大承载能力饱和度，以实现车站设施设备的最大压力测试及评估，其计算方法如下。

1.3.1 设施通行能力饱和度

设施通行能力饱和度iS指设施的实际通行流量Qi与设施设计通行能力 Wc的比例，计算公式为：

其中C为设施单位通行能力，D为设施宽度。

1.3.2 站台承载能力饱和度

站台的承载能力饱和度iS′指实际站台聚集人数

iP与设计承载人数cP的比例，其计算公式为：

其中，cρ为站台设计密度，建议取值在1.33～2.5人/m2，本文为2人/m2，s为站台有效面积。

1.3.3 平均客流疏解时间

平均客流疏解时间t指一股客流ΔQ到达设施至完全疏解的时间，体现设施设备处于高密度状态的持续时间。

2 沈阳地铁青年大街站现状评估

2.1 青年大街站概况

2.1.1 车站结构及流线分析

青年大街站为沈阳地铁1、2号线换乘站，是沈阳地铁最为拥挤的车站。该站为典型岛式—侧式十字换乘站，2号线为侧式站台呈南北走向，1号线为岛式站台呈东西走向。车站地下共分2层，地下一层为共用站厅层及2号线站台层，地下二层为1号线站台层，4个出入口分设于车站四个象限。该站以节点换乘及组合换乘为主，1换2采用站台—站台节点换乘形式，1换2客流通过上行楼梯直接抵达2号线站台；2换1采用通道—站厅组合式换乘，2号线上、下行乘客到站后，分别通过1号、4号及2号、3号通道，途经东侧及西侧站厅，最后通过楼扶梯到达站台（见图3）。

图3 沈阳地铁青年大街站的结构及流线示意Fig. 3 Structure and streamline diagram of the Qingniandajie Station

2.1.2 客流构成及行车组织

从客流构成（见表 1）分析，该站以换乘客流为主，早高峰换乘客流占总乘降量的77%，早高峰换乘量高达2.6万人次，客运组织压力巨大。在行车组织上，1号线及2号线均采用6B编组形式，早高峰1、2号线行车间隔分别为4 min 15 s和5 min 33 s；行车对数分别为14对和11对，且采用错峰到站方式，停站时间均为60 s。

表1 青年大街站的客流构成Tab. 1 Passenger composition of the The Qingniandajie Station

2.2 现状仿真评价分析

2.2.1 仿真参数设置

本站采用国际通用的 Fruin服务水平评价标准，将服务水平划分为A～F共6个等级（见表2）。E级以上客流比较拥挤，乘客行走干扰严重，客流风险较高；F级以上乘客步行速度严重受限，客流冲突无法避免，客流风险很高。所以，E级、F级在设计时应尽量避免。系统选取2017年4月17日早高峰（8：00—9：00）实际客流及列车时刻表数据为输入，调查获取车站设施设备参数（见表3），构建沈阳青年大街站仿真模型，进行仿真评估分析。

表2 Fruin服务水平评价标准Tab. 2 Fruin Service Level Evaluation Standard

2.2.2 车站整体能力评价

从车站客流仿真结果（见图4）分析，车站整体较为拥挤，平均密度为1.44人/m2（达到E级服务水平），尤其在车站东、西侧站厅，2号线站台等候区及1换2换乘楼梯口处，客流风险较大。

表3 青年大街站仿真模型参数Tab. 3 Parameters of the Simulation Model for the Qingniandajie Station

图4 青年大街站仿真结果Fig. 4 Simulation result for the Qingniandajie Station

2.2.3 局部设施设备能力评价

本文以平均密度、超高峰饱和度及平均疏散时间3项指标衡量设施能力利用率及抗冲击能力。

指标计算结果分析（见图5），除1号、3号换乘通道能力相对饱和（饱和度超过50%）外，换乘通道整体客流疏解时间控制在2 min内，能力尚存富余；而站厅楼扶梯及1换2楼梯设施能力较为紧张（饱和度均超50%），尤其1换乘2楼梯能力不足尤为严重（饱和度达到64%），且客流疏解较为缓慢（超3 min），排队严重，潜在风险大。

图5 青年大街站的换乘通道、楼扶梯通行能力分析Fig. 5 Passenger capacity of the transfer channel and the escalator of the Qingniandajie Station

进一步分析站台，1号线站台乘降区及2号线站台能力饱和度超90%（见图6）。由于1号线为岛式站台，乘降区虽处于饱和状态，但站台总宽13.5 m，中部非乘降区可做大客流缓冲；而2号线为侧式站台，单侧宽度仅6 m，且换乘楼梯占用站台乘降设施面积，站台乘客排队严重，已无多余利用空间（见图7），因此2号线站台能力尤为紧张。

图6 青年大街站的站台承载能力分析Fig. 6 Platform carrying capacity of the Qingniandajie Station

图7 青年大街站的站台实际客流监控画面Fig. 7 Actual monitoring screen of the Qingniandajie Station

2.3 车站拥堵成因

从上述分析得到，1换2换乘能力不足、2号线站台乘降区承载能力不足以及站厅付费区承载能力不足是青年大街站目前存在三大问题。通过分析可知：

1）换乘客流与预测客流相差巨大，早高峰换乘客流2.6万/人次，是预测远期客流的13倍，远超预测客流，且达到北京同类换乘站客流规模（国贸换乘量为2.36 万/人次）。

2）列车运能不足问题凸显。车站设计之初，1、2号线的初、近、远期采用大、小交路套跑的方式分别开行12、18、30对列车，而目前两线均采用单一大交路，早高峰1、2号线实际发车分别为14对和11对，仅达到初期的水平，而换乘站客流规模远超远期，导致高峰期运力紧张，站台客流能力压力极大。

3）车站设计不合理。由于预测客流过低导致车站设计规模过小，且双层车站形式对客流组织难度极大；采用的十字站台—站台节点换乘形式，不仅占用站台空间（尤其2号线侧式站台），更加剧换乘客流对换乘设施的直接冲击，不利于客流组织及管控，若采用 T型、L型节点换乘或站厅换乘形式，既可缓解客流冲击又可避免影响高站台承载能力。

3 沈阳地铁青年大街站优化方案评价

3.1 优化方案建议

为解决青年大街站的能力不足问题，提出压缩行车间隔、优化车站结构及组合优化3种优化方案建议。

方案1：压缩行车间隔。将1、2号线行车间隔压缩至3 min，早高峰行车能力提高至20对/h，且上下行列车均采用错开1 min 30 s到站。

方案2：优化车站结构。取消南北侧过轨楼梯及1换2楼梯；取消1换2的楼梯，东、西厅各增加1组楼扶梯，将1换2客流从原来站台—站台直接换乘形式改为站台—站厅—站台换乘（见图8）。

图8 青年大街站优化结构方案Fig. 8 Civil reconstruction plan of the Qingniandajie Station

方案 3：组合优化方案。同时实施压缩行车间隔并优化车站结构。

3.2 优化方案仿真结果分析

为定量评估这3种方案对青年大街站的运营状态改善效果，假设其他输入条件均不变化情况下，利用LEGION软件重新建模仿真评估，从车站整体能力改善及重点设施设备能力改善方面进行分析。

从对车站关键设施设备的改善效果分析（见图9），压缩行车间隔，对于车站整体运力及站厅付费区、站台的运行状态改善效果明显，但对提升站厅楼扶梯和1换2设施能力作用不大，其主要原因在于无法解决十字换乘站的站台到站台直接换乘带来的问题；而方案2（优化车站结构）中改变1换2原有换乘形式后，能减缓客流直接换乘对双向站台的冲击，且方便车站运营人员对换乘客流的有效疏解和及时管控，但未根治车站运能不足的问题，若同时实施压缩行车间隔及优化车站结构（方案3），则能够达到根治目标。

图9 3种优化方案降低客流平均密度比例对比Fig. 9 Comparison of three kinds of modification schemes to reduce the average density of passenger flow

从设施设备的平均客流疏解时间对比分析（见图10），3套方案均能减少站厅楼扶梯的客流疏解时间；与方案一相比，方案2改变原有1换2的节点换乘方式，能够加快换乘楼扶梯的客流疏解；组织换乘通道的单向客流换乘组织方式，虽然会导致换乘通道的客流压力增大，导致换乘通道客流疏解时间增加，但能够减少客流对冲风险，且利于进一步采取客流控制措施，保证乘客安全。

图10 3种优化方案的平均客流疏解时间对比Fig. 10 Comparison of three kinds of modification schemes to reduce the average evacuation time

由上述分析得到，压缩发车间隔能够提升车站的整体能力及设施设备的能力，极大改善换乘车站能力不足问题，若换乘站所属线路的车辆配属、折返能力、存车能力充足，则应进一步压缩行车间隔。通过优化车站结构，采用站厅换乘方式，能够解决节点换乘的弊端，且有利于车站进一步的客运组织及管理改善，并提高设施设备利用率，降低客流冲突。采用站厅或长通道换乘形式，延长换乘距离，对于保障客运组织安全意义重大。

4 结语

本文针对地铁换乘站换乘方式适配性评价问题提出了各种换乘方式，尤其针对十字节点换乘方式问题，以沈阳地铁青年大街站为例，进行仿真评价分析，剖析车站拥挤成因并提出解决方案。并对压缩发车间隔、优化车站结构、组合方案3种改造方案仿真评价及指标进行计算对比，发现压缩发车间隔对提升车站运能，缓解车站整体、站台、站厅客流拥挤更加有效，但未根本解决换乘设施客流风险问题；优化车站结构解决直接换乘弊端，极大缓解换乘设施的客流冲击力，但未解决运能不足问题；若双管齐下同时实施能达到根治效果。

由于十字换乘形式常适用于换乘量较小且对便捷性要求高的车站，对于市区或大客流换乘站，建议在工程设计方案中尽量避免，条件允许下尽量改为T字型或L型换乘形式，且换乘站设计方案宜通过仿真量化评估后方可实施。由于换乘站改造工程劳民伤财且对乘客出行干扰极大，因此尽量在设计阶段充分考虑预测客流偏差及线网调整等因素，对换乘站设计方案做好充分的风险性评估及防控，尤其对换乘方式的选择需重点考虑客流的特点及行车能力等因素，并在设计阶段充分考虑后期运营阶段实施客流引导及管控的方案，并预留足够的站内空间便于实施，从而防范不确定性大客流对换乘站运营的冲击。