地铁换乘站交通功能评价指标体系

郑宣传，沈瑜，董晓春，李明华*，浦姝

(1.北京城建设计发展集团股份有限公司 城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程实验室，北京 100037； 2. 南京地铁建设有限责任公司，江苏 南京210017)

换乘站作为地铁网络的重要纽带，承担着车站集散客流与线网换乘客流的双重压力，已成为制约地铁网络化安全、高效运营的瓶颈，如何实现乘客在换乘站安全、高效地便捷出行成为行业的痛点和难题。根据中国城市轨道交通协会统计数据[1]显示，截至2019年底，我国40个城市已开通城市轨道交通换乘站354座，在建换乘站高达1333座，对换乘站交通功能评价指标体系的需求十分迫切。

针对换乘站交通功能评价指标体系，国内外科研工作者做了很多相关研究，研究内容主要集中在换乘设施能力、便捷性、服务水平及仿真评价等方面。GB 50157—2013[2]规定了地铁普通车站设施能力的计算方法；郑宣传等[3]探讨了换乘站的换乘方式选取原则，认为换乘方式应与断面客流及车站客流的特征相匹配；DB 11/995—2013[4]规定不同换乘方式应考虑乘客换乘步行时间约束，避免换乘时间过长；文献[5]提出了通道、楼梯及排队区域的服务水平划分标准；Kepaptsoglou等[6]提出了城市轨道交通站台等级划分模型；Lee等[7]提出了香港地铁站楼梯服务水平的分级标准；杨亦慧等[8]通过实际调查提出了考虑信效度的地铁车站通道服务水平；Giacomini等[9]考虑服务水平、乘客需求、走行时间和延误、设施能力等因素，给出换乘站功能区布局方法；彭丹等[10]提出了换乘站运营设施能力匹配性评价方法。

既有研究侧重于换乘站某一方面的功能评价，缺乏综合性评价指标体系。本文基于南京地铁运营数据，系统构建了地铁换乘站交通功能评价指标体系，详细阐述了各指标定义及计算方法，提出了指标综合评价方法及权重确定方法，最后选取了南京地铁7个换乘站进行算例分析，并结合计算结果，验证了选取指标的合理性和有效性，探讨了本文指标体系的实用价值。

1 评价指标体系构成

为了客观评价地铁换乘站的现状问题，系统调查了北京、上海、广州、深圳、南京等多个城市地铁换乘站的现状，发现既有换乘站主要存在线网能力不匹配、车站规模不匹配、换乘便捷性差、客流冲击性高等问题(表1)。

表1 国内地铁换乘站运营现状总结Table 1 Summary of the operation status of domestic metro transfer stations

结合评价指标选取的系统性、可比性、独立性、可操作性基本原则及现状问题，从车站能力、线路能力、便捷性、安全性4个维度提出的4项一级指标及10项二级指标，评价换乘站交通功能设计的合理性，指标体系构成如图1所示。其中，设施能力适应度侧重于车站设施能力与客流需求的匹配性，而线路能力匹配度则考虑换乘站衔接线路运输能力的匹配度，二者评价对象及重点不同；舒适便捷度指乘客进出站及换乘的便捷性；冲击安全度侧重于换乘设施及站台的客流拥挤程度及持续时间评价，与客流总量、设施能力和发车对数密切相关。

图1 地铁换乘站功能评价指标体系Fig.1 Functional index evaluation system of metro transfer station

2 指标计算公式及阈值

以下从4个方面分别阐述指标的定义、评价范围、计算公式，并结合指标百分制评价方法，设置各项指标阈值。

2.1 设施能力适应度

设施能力适应度(A)用于衡量车站设施能力与客流需求的匹配性、均衡性，含以下两项指标：

(1)超高峰能力饱和度(A1)：以超高峰小时设施通过客流量与设施设计通过能力的比值表示，包含闸机、楼梯、扶梯、通道等设施。本文在文献[6]附录F.0.1的计算公式基础上，考虑设施能力折减影响，提出改进公式如下：

(1)

式中：Qh为高峰小时客流量；α为超高峰系数，取20 min最大客流的3倍与高峰小时客流量的比值[2]；N为设施设计通过能力，本文按文献[2]中9.3.14的取值标准；λ为设施能力折减系数，与客流特征、携带行李情况(见OSID图1)、环境熟悉程度有关，文献[4]规定了各类车站的系数取值建议。A1取值范围在[0, 1.2]，设定A1取值为0.6、0.8、1.0、1.2,对应评分100分、80分、60分、40分。

(2)设施能力利用不均衡系数(A2)：以各设施最大饱和度与平均饱和度的比值来衡量，评估上下行站台与不同换乘方向的能力均衡性。计算公式参考文献[4]的附录F.0.2。若该系数过大，则应优化站台设计方案或换乘客流组织方案。A2取值1.20、1.33、1.43、1.50,对应评分100分、80分、60分、40分。

2.2 线路能力匹配度

线路能力匹配度(B)用于衡量换乘站衔接线路运输能力与客流需求的匹配程度，含以下两项指标：

(1)站台滞留人数(B1)：即定员情况下超高峰时段站台的滞留人数，与本站需要运送的客流与列车最大运送能力相关。由于实际滞留人数难以直接获取，本文以高峰小时上车量、下车量及断面量等数据计算获得。

(2)

式(2)中，n为高峰小时发车对数；Q上车、Q下车、Q断面分别指高峰小时上车量、下车量及断面量；β为列车超载率，本文取1.0；C定员为列车定员；B1为高峰时段每趟车需要上车量与列车剩余运能的差值，列车剩余运能由列车最大载客量、上个断面实际载客量及本站下客量计算得到。若B1>0，则站台乘客滞留;若B1≤0，则运能充裕。以地铁6B列车定员1460人为例，评分标准如表2所示。

表2 站台滞留人数的评分标准

(2)线路运能不均衡系数(B2)：为各线路高峰小时运能的最大值与平均值的比值，用于不同线路运能匹配性的初步估算。

(3)

式(3)中,nl为线路l高峰小时发对数,m为换乘站衔接线路数,Cl为线路l上列车定员。

根据南京地铁运营数据计算得到各换乘站的指标(见OSID图2)发现，市区、郊区线路运能差距大，衔接市区、郊区线路或外围换乘站的系数较大，而衔接同类市区线路系数较小，故评分100分、80分、60分、40分，对应同类市区线路B2为1.0、1.2、1.4、1.6，而市区、郊区线路B2为1.2、1.4、1.6、1.8。

图2 三类车站的二级指标特征图Fig.2 Characteristic map of secondary indexes for three types of stations

2.3 舒适便捷度

舒适便捷度(C)反映换乘便捷性、出入口便捷性及无障碍设施完备程度，含以下3项指标：

(1)平均换乘距离(C1)：以各换乘流线平均换乘距离衡量，单位m。考虑换乘走行步行时间约束，以平均步速60 m/min估算，按步行时间3、4、5、6 min得到C1取值180、240、300、360，对应100分、80分、60分、40分。

(2)出入口覆盖面积(C2)：以200 m为半径绘制各出入口覆盖扇形面积的总面积，单位hm2，从出入口覆盖率及可达性衡量出入口设置的合理性。对南京59个换乘站统计(见OSID图3)得到，指标阈值42.5、32.5、22.5、12.5,对应100分、80分、60分、40分。

(3)无障碍设施完备度(C3)：体现换乘站的自动扶梯、垂直电梯等无障碍设施对残障人士及携带大型行包乘客的便捷性，含进出站方向及换乘路径方向。若换乘各站每少设一个进出站无障碍电梯则减去15分，换乘流线每少设一个无障碍电梯/扶梯减去10分，总分100分，最低分为40分。

2.4 冲击安全度

冲击安全度(D)用于评价瞬时大客流对站台、换乘设施的受冲击程度及消散能力，含3项指标。

(1)换乘设施端部最大排队长度(D1)：以超高峰时段一趟下车客流到达换乘设施端部瞬时产生最大排队人数长度，评估排队区设计合理性，单位m。

(4)

(2)站台客流最大消散时间(D2)：借鉴文献[11]站台乘客疏散时间方法,用高峰小时站台一趟下车客流的消散时间，反映客流周期消散能力，单位min。

(5)

式(5)中：q下车为高峰小时内所有到站列车下车客流的最大值，岛式站台按上、下行列车同时到站的总下车人数；分母为站台垂直设施客流消散能力，含楼梯、扶梯；N1为一台自动扶梯的通过能力；m1为扶梯数量；N2为单位宽度楼梯的通过能力；Wk为楼梯宽度；m2为楼梯数量；ξk∈[0,1]为用于消散客流的楼梯能力利用率；指标D2阈值1、1.5、2、2.5,对应100分、80分、60分、40分。

(3)站台最大拥挤密度(D3)：以超高峰时段站台同时上下车时最大拥挤密度衡量站台拥挤程度，用上下车人数与侧站台面积之比来表示，单位人/m2。

(6)

式(6)中：Q下车、Q上车为下车、上车量；n为高峰小时发车对数；S站台为侧站台面积。文献[2]建议站台客流密度1.33～3.03人/m2，推荐为2.0人/m2；文献[4]建议1.33～2.5人/m2；本文阈值1.33、2.0、2.5、3.0,对应100分、80分、60分、40分。

3 指标综合评价方法

3.1 单项指标评分方法

3.1.1 计算指标结果

按指标计算公式得到指标取值，若指标含多种设施/方向的评价，则先计算单个设施/方向的指标值，再取该项指标最大值作为指标的计算结果。以超高峰能力饱和度A1为例，若存在楼梯、扶梯、闸机、通道等待评价设施，则应先计算单个设施的指标值A1,s，然后再求结果集合中的最大值。

A1=max{A1,s|s=1,2,3,…,m}，

(7)

其中，{A1,s|s=1,2,3,…,m}为待计算设施指标值A1,s的集合，Qh,s、αs、λs、Ns各为设施s高峰小时客流量、超高峰系数、设施能力折减系数及设施设计通过能力。

3.1.2 计算指标评分

得到指标计算结果后，将各项指标阈值划分为优(100，80]、中(80，60]、差(60，40]3个等级。除指标C3为直接对照评分得到外，其余9项指标值均采用每一级分段差值方法计算得到，若指标超出上限或下限值，取最高分或最低分。

(8)

式(8)中，Pg,max为第g级得分上限；Zg,max、Zg,min为第g级阈值上限及下限；Z(i)为指标值，计算完二级指标得分后，通过加权评分得到一级指标得分与总得分。

3.2 综合评价方法

3.2.1 层次分析法概述

层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是一种层次权重决策分析方法，具有科学性、系统性、层次性及实用性优点，可满足本文地铁换乘站方案综合评价需求。首先将评价指标体系分为目标层(总得分)、准则层(一级指标)、指标层(二级指标)，其次构造判断矩阵，然后计算权重系数并进行一致性检验，最后计算一级指标与总得分。

3.2.2 构造判断矩阵

判断矩阵是对同一层次的各元素关于上一层次的重要性的两两比较矩阵。在判断矩阵R中每个元素rij为同一层次两项指标i与j重要度的评分。其打分规则采用1～9分“九级标度法”[12]进行成对比较，评分越高则前者相对后者越重要。

(9)

3.2.3 计算权重系数

采用和积法计算权重系数及最大特征根的步骤如下：

3.2.4 一致性检验

归一化的权重系数应进行一致性检验，检验系数是否合理。一致性检验指标IC，其计算如式(10)所示。若IC<0.1表明逻辑清晰，计算的指标权重可接受。

IC=λmax/(m-1)，

(10)

其次检验判断矩阵的随机一致性ICR，其值为IC与IR的比值，IR为同阶平均随机一致性指标，取值标准见文献[12]。若ICR<0.1，则判断矩阵具有一致性。

4 算例分析

4.1 算例车站介绍

选择南京地铁大行宫站、新街口站、柳洲东路站、鼓楼站、南京站、马群站及浮桥站7个换乘站对指标的合理性、有效性进行分析验证，输入车站设计图与客流数据进行指标评价。由于柳洲东路站、马群站、浮桥站为在建/规划换乘站，新衔接线路尚未开通，数据来源为预测客流，其余4站已开通运营，选取2019年5月10日的南京地铁运营统计数据验算。

4.2 单项指标结果分析

4.2.1 独立性验证

为进一步验证所提指标的独立性，应用SPSS软件对算例车站的二级指标结果进行相关性分析，发现A1与D2、A2与C1、D1与D2的Pearson相关系数分别为0.873、0.852、0.784，显著性(双侧)水平各为0.010、0.015、0.037，均小于0.05，从统计学上存在特征相关。然而，从评价对象及物理含义分析，A1评价对象为车站通过设施、D2评价对象为站台，二者评价重点不同且相对独立；A2与C1虽然样本数据存在关联，但评价对象及物理含义不相关；D1面向端部设施评价，包括进出站及换乘流线的楼扶梯、通道等设施，而D2则限定在面向站台评价，对象不同也相对独立。故上述指标具有独立性，可应用于换乘站评价。

4.2.2 指标计算及评分

指标计算结果(表3)整体与车站现状较为吻合。如大行宫站的A1、C2、D1、D2、D3五项指标较差，该站高峰小时换乘客流超1.1万人，换乘设施能力紧张，3号线站台仅13 m，导致客流拥挤，西南方向无出入口导致便捷性差。新街口站与大行宫站指标特征相似，但该站出入口达24个，C2指标较好。鼓楼站B2与D3指标较低，其1号线与4号线发车对数差距大，导致线路运能不匹配及站台客流拥挤。南京站和马群站A2及C1指标均较低，其换乘通道近300 m，换乘便捷性差，且均含侧式站台，上、下行站台设施能力不均衡系数较大。

表3 算例车站单项指标计算结果

对指标得分结果分析发现，有些车站的各项指标得分特征比较接近，故计算两两车站Pearson系数以分析车站相似度，结果表明：大行宫站—新街口站、大行宫站—柳洲东路站、新街口站—柳洲东路站的相关系数各为0.742、0.727、0.554，鼓楼站—浮桥站相关系数为0.741，南京站—马群站相关系数为0.883，相似度高；而其他车站之间相关系数均小于0.5。

根据特征相关性将车站归为三类(图2)。图2(a)为能力不足型，含大行宫站、新街口站、柳洲东路站3站，雷达图上显示A1、D2、D3得分均较低，A2、B1、B2、C1、C3得分较高，表现为设施能力不足、站台客流拥挤、站台乘客滞留特征；图2(b)为能力均衡型，含鼓楼站及浮桥站，各项指标评分较高，其A1、A2、B1、C1、C2、C3、D2得分较接近，整体能力比较均衡；图2(c)为换乘不便型，含马群站与南京站，其A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D3指标得分接近，两站均为岛-侧换乘站，存在侧式站台能力不均衡系数大、换乘距离较远问题。

4.3 综合指标评价分析

4.3.1 指标权重计算

邀请专家按照“九标度法”进行评分，综合专家意见共构建了5个判断矩阵。

(1)准则层的判断矩阵为：

(2)指标层的4个判断矩阵各为：

(3)根据判断矩阵，计算得到各层归一化权重系数。

一级指标A、B、C、D权重系数各为0.47、0.17、0.10、0.26。二级指标A1、A2权重系数各为0.8、0.2，B1、B2权重系数各为0.7、0.3，C1、C2、C3权重系数各为0.54、0.16、0.3，D1、D2、D3权重系数各为0.26、0.11、0.63。

(4)一致性检验。由于RA1～A2、RB1～B2为二阶判断矩阵，完全一致，故无需检验。一级指标判断矩阵Rs的λ均值为4.046，IC与ICR值各为0.015、0.017；二级指标判断矩阵RC1～C3的λ均值为3.009，IC与ICR值各为0.005、0.008；二级指标判断矩阵RD1～D3的λ均值为3.039，IC与ICR值各为0.019、0.033。上述判断矩阵IC、ICR值均小于0.1，故通过一致性检验。

4.3.2 综合评分分析

将车站各项二级指标的评分乘以指标权重，得到一级指标及综合指标的评分结果(图3)。一级指标评分表明：大行宫站、新街口站的指标A、D得分均较低，不足60分，设施能力不足及客流冲击安全问题突出；柳洲东路站指标A、B、D得分均不足60分，车站、线路运能不足尤为凸显，故一级指标可直观评价换乘站设计方案的合理性。综合得分结果表明：浮桥站、鼓楼站评分超80分，情况较好；马群站、南京站、新街口站及大行宫站评分为60～80，情况一般；柳洲东路站总评分58分，整体交通状况较差，评分结果与该站实际情况十分吻合。

图3 综合指标评分结果Fig.3 Comprehensive index score result

4.3.3 方案优化建议

以柳洲东路站为例探讨换乘站的方案优化建议，该站为南京地铁3号线(已运营)与11号线(在建)的换乘站，其指标A1、B1、D3得分各为40分、40分、48分，表现为3号线上行站台的扶梯设施能力不足、站台乘客滞留及客流拥挤等问题。其原因包括：(1)3号线上行站台为进城方向，高峰小时断面量超3万人次，列车拥挤，乘客无法上车，最大滞留人数超1100人；(2)3号线为侧式站台，上下行站台分离，侧站台仅2.5 m宽，候车面积较小，最高密度达2.8人/m2；(3)该向站台高峰进站客流超1.68万人，扶梯通行能力紧张；(4)早高峰3号线换入客流为13 144人，高于换出客流7 875人，增加了3号线上行站台的压力。建议：(1)增加3号线上行方向行车密度，加开小交路列车，提升该区段的线路运能；(2)优化柳洲东路站的客流控制措施，通过调控3号线进站与换入客流，降低站台客流总量；(3)加强3号线下行楼扶梯端部的客流引导，避免客流过度拥挤产生踩踏风险。

5 结语

本文通过对多个城市换乘站的现状问题分析，提出了面向系统性评价换乘站交通功能的二层10个评价指标体系，结合南京地铁实际运营统计数据，给出了地铁换乘站功能评价指标综合评价方法。通过南京地铁7个车站的数据验证分析表明，评级指标体系能够表征不同车站的分类特征，综合反映车站在设施能力、线路运能、舒适性和安全性等方面存在的交通功能设计问题。以综合评价分析结果为基础，可对车站提出具有针对性的优化建议，支撑换乘站的设计、运营和改造等工作。

论文中采用判断矩阵确定指标权重系数，存在专家打分的主观性偏差，需进一步考虑完善；另外，本文所述便捷性指标仅限于地铁系统，未考虑与其他交通方式的衔接，后续综合枢纽的评价工作将进一步完善。