基于Anylogic 仿真模拟的高铁站换乘效率优化研究*——以天津西站为例

于宝霏，任 军

引言

自“十一五”计划以来，为提升高铁客运与城市内部交通的换乘便捷度，铁路枢纽内的换乘空间应运而生，用以衔接城市轨道交通、出租车、公交车、社会车和长途车等交通设施。我国近15 年建成的大型高铁客站多数采用立体式换乘布局衔接模式，各个交通设施竖向布置，换乘流线立体化，有利于提高旅客换乘效率。但由于我国的立体式换乘布局1）仍不成熟，存在一些问题影响旅客的换乘效率。国内学者对于改善铁路客站内的不足问题，提高旅客换乘效率等方面研究较多，有学者运用VISSIM 仿真软件对北京南站地下一层仿真评价分析，提出旅客换乘的瓶颈分布，并提出通过优化流线布局和设备合理配置来缓解或消除瓶颈的优化建议[1]。有学者运用ED-PLATO 仿真软件对北京站旅客出站换乘进行仿真优化研究，通过模拟发现换乘瓶颈区域并提出轨道交通和公交车分流、出租车区域合理调度等方面优化[2]。有学者运用仿真模拟方法对流线组织方案进行量化分析，提出最优策略，以提高换乘效率[3]。有学者基于Anylogic 软件对兰州西站与轨道交通1 号线换乘衔接问题进行仿真研究，提出优化导向标识、增设隔离设施分流及工作人员组织引导等改善措施[4]。

通过以上研究可知，仿真模拟研究可有效发现问题并提出优化策略，但部分研究多考虑在导向标识、设备设施、合理分流及工作人员协助引导等方面优化，对于因换乘布局衔接组织模式所引起的不足问题的研究较少。因此，本文基于天津西站换乘空间的实例，运用Anylogic 仿真软件对旅客出站换乘行为进行仿真模拟，分析这类高铁站换乘布局模式在出站换乘时存在的问题，提出相应的优化措施，以期提高旅客换乘效率。

1 研究方法

1.1 仿真模拟的基本理论

高铁站换乘空间2）作为人流密集换乘区域，旅客数量较多、流线复杂，换乘方向与目的各异，只有社会力模型可以反映出复杂行人走行的连续行为过程，能最真实的模拟实际情况，并可以统计数据,将行人行为过程定量分析。社会力模型仿真软件中技术较先进，应用较熟练的主要有 vssim 和 AnyLogic 两款。其中Anylogic 应用最为普遍；完备的建模功能，使仿真模拟更接近于现实；模型中行人情况可实现动态可视化，便于实时掌握高铁站出站层内的拥堵情况，并利用统计指标对仿真结果进行分析和评价。

故本研究运用Anylogic 软件，基于天津西站地下一层建立仿真模型，设置仿真流程图的相应参数，对旅客出站换乘情况进行仿真模拟，并利用平均换乘时间、区域客流密度分析问题，通过提出优化措施、并对改进后的模拟结果验证及对比。其中换乘效率用平均换乘时间3）与区域客流密度来衡量[5]。旅客的换乘时间越长，换乘效率越低，反之亦然。区域客流密度指某一区域内某一单位面积行人通过量，结果越大，则说明越拥堵，旅客的舒适度越低，其换乘速度减慢，换乘效率相应降低[5，6]。

1.2 研究对象

天津西站始建于1909 年，2009 年实施扩建工程，2011 年建成并投入使用。新天津西站总建筑面积23 万m2，站房主体结构为地上2 层，地下3 层，采用线上高架候车结构[7]。站房设南北广场，南广场东侧为公交车场、西侧为长途客运站，广场地下一层为南综合换乘厅，大厅东侧为轨道交通站厅层、西侧为社会停车场、西侧夹层为出租车蓄车场。站房北广场西侧为公交车场及社会停车场、地下一层为北换乘大厅，大厅东侧为出租车蓄车场。站房地下一层出站换乘通廊西侧设有出租车上客区入口（图1）。天津西站各类交通设施均围绕南北综合换乘厅立体式布置，其中出站换乘通廊可直接换乘出租车，具有部分换乘功能，因此天津西站换乘空间包括南北综合换乘厅及换乘通廊，后文统称为换乘空间[8]。

图1 天津西站综合交通枢纽交通设施布局图

1.3 研究对象参数确定

仿真软件中将旅客定义为智能主体并设置相应参数，例如旅客出站数量、旅客出站时间、旅客走行速度等。模拟开始后，各智能体根据列车时刻表出站，根据所处环境及出站换乘比例进行出站换乘。出站以各个出站口为起始点，以换乘其他交通设施入口处为终止点。统计旅客换乘交通设施的平均时间及区域客流密度。为保证仿真模拟的准确性，每个仿真将运行5 次并取其平均值。

通过分析某工作日天津西站的列车时刻表（图2）。分析当日单位小时内列车到达数量，其中，9：00～12：00、14:00～17:00及19：00～21：00 三个时间段为列车到达最集中的时段。铁路旅客出站具有短时聚集性特点，此时出站层客流量较大，易产生拥堵。

图2 天津西站某日列车到站数量

笔者某日对天津西站的换乘人流进行测算，分别选取三个高峰时间段进行人流量测算。旅客出站换乘方向分别为轨道交通、公交车、出租车、社会车、长途车、南北进站及网约车。为保证调研数据的准确性，对各个换乘交通设施入口均通过录像记录出站人数。根据调研结果统计出站旅客至其他交通设施的分支比例（表1），用于仿真模型中Pedselectoutput 模块的设置。

表1 出站旅客至其他交通设施的分支比例

2 仿真模拟结果及问题分析

2.1 模型构建

由于本研究只考量旅客出站换乘行为，对仿真模型做如下假设：旅客出站已明确换乘交通方式，换乘行为模式出站、行走、通过出入口闸机、乘坐自动扶梯再到离开等。暂不考虑进出站旅客流线交叉产生的延迟时间；自动售票机、安检与人工售票等服务产生的延迟时间；因导向标识问题产生的换乘有误，换乘往返与换乘停留等情况。假设模型中出站服务延迟时间均相同，自动扶梯固定运行速度为0.53m/s[9],行人速度为0.3～0.7m/s，不同步速的客流均匀分布[10]。

根据笔者调研测绘结果，绘制天津西站出站层、站台层及高架层平面图，导入Anylogic 软件中，依据各层平面图分别进行环境建模与行为建模（图3、4）。环境建模包括闸机位置出站起始位置及终止位置确定、各出站口行人源产生、选择模块设置及区域客流密度设置等；行为建模包括各模块进行事件输入用逻辑连接、建立行为代理模型[3，11]。其中采用某日天津西站14：00～17：00 的列车时刻表，做为旅客出站时间依据，所有旅客按照行为模型出站换乘。

图3 各个出站口与各个交通设施入口位置标注

图4 天津西站出站层行为代理模型

2.2 模拟结果

根据在Anylogic 软件中所构建的天津西站换乘空间模型，统计旅客换乘其他交通设施所需的平均换乘时间（表2）及1h 客流密度（图5）。客流密度图的密度程度从低到高为蓝色至红色，颜色越深，说明越拥挤，反之亦然。

表2 天津西站换乘衔接交通设施换乘时间仿真模拟

图5 天津西站换乘空间出站过程中1h 客流密度模拟示意图

2.3 模拟中的问题分析

2.3.1 网约车上客区位置较远

天津西站采用高架“腰部”4）进站模式，由于网络的快速发展，网约车的换乘比例逐渐增加。旅客出站换乘网约车，需乘坐南北进站自动扶梯及至高架候车层，再行走至腰部出站口到达网约车上客区完成换乘。此处的网约车上客区与换乘空间呈现立体式布局特点，但此案例中出站旅客至网约车上客区的换乘流线复杂，且换乘距离较远，使得旅客换乘时间较长（表2），换乘效率较低，此时网约车与换乘空间的布局模式并不合理，有待改进。

2.3.2 轨道交通入口区域拥堵问题

由表2 可知，旅客换乘轨道交通占比36.9%，换乘人数最多。由于笔者调研期间为新冠疫情期间，旅客换乘地铁时，需要对每位旅客进行红外线测温及电子设备的扫码登记工作，减缓了旅客的换乘速度，同时地铁主入口B2 所处位置与南出站口位置最近，旅客优先选择此入口换乘地铁，但B2 北侧为地下一层进站口，主要承载的是来自地铁的进站旅客。因此，B2 前的入口缓冲区包含两个方向的人流，在旅客出站高峰期内，同时涌现的大量旅客在地铁主入口区域形成拥堵，旅客换乘舒适度降低，进而影响旅客换乘效率（图3、6）。

图6 1h 时轨道交通入口区的客流密度图

2.3.3 出租车上客区入口数量少，容易形成换乘瓶颈

出租车上客区入口位于换乘通道西侧，目前仅设置一处。根据笔者调研发现，为保证换乘有序，出租车上客区设有工作人员指引，但由于仅设置一处换乘入口，旅客换乘速度较慢，在旅客出站高峰期内，旅客换乘数量增加，瞬间造成旅客停滞现象，产生拥堵排队现象（图7）。

图7 1h 时出租车入口处的客流密度图

2.3.4 公交车入口位置较远

南公交车场位于南站前广场东侧，包含公交车落客与上客区，距出站口位置较远，且旅客至南出站口后需横跨整个南综合换乘厅至东侧换乘自动扶梯上至地面层，到达公交车场。根据调研发现，南出站口至南公交车场入口水平距离约196m，仿真换乘时间约835秒。根据预测，天津西站铁路客流中，公交车承担25%[12]，但由表1 可知，南北公交车的换乘共占比16.58%，其中南公交车场承载主要的公交路线，仅占比7.54%，由于换乘距离较远，旅客换乘时易优先选择轨道交通等其他交通设施，是换乘占比减少的因素之一。

3 换乘优化模拟

根据Anylogic 模拟的数据统计和问题分析，对天津西站出站层换乘空间布局提出以下改进措施并进行优化模拟：

3.1 换乘衔接布局模式优化

根据目前已建成的站房条件，调整相应换乘衔接入口位置，出站层换乘通道东侧调整为网约车上客区，分别设G1、G2 入口（图8）。设计之初，换乘通道东侧为出租车上客区，目前暂未开通[13]。

图8 优化后出租车上客区入口位置及网约车

3.2 换乘衔接位置优化

改变轨道交通进站口的位置。目前开放的轨道交通入口有五处，经过调研发现，多数旅客换乘优先选择入口B2（图9a），但B2 距南出站口位置较近，且与北侧火车站进站口相临，进站前缓冲空间较小。当大量旅客出站换乘轨道交通时，与进站旅客易发生冲突，堵塞人流（图9a）。现根据实际情况及满足防火规范的前提下调整如下：B1、B2 合并为B1，B1 向东、向北各移到10m，扩大轨道交通进站前的缓冲空间，同时与换乘南公交及南进站的客流及早分流，避免流线交叉（图9b）。

图9 轨道交通入口位置及缓冲区（9a：优化前；9b：优化后）

3.3 换乘衔接数量优化

增加出租车上客区入口数量（图8）。在设计之初，出租车上客区位于出站换乘通道两侧，目前仅开设通道西侧入口E1，增开出站换乘通道西侧E2 入口，增加出租车上客区入口数量，提高换乘选择机率，可有效缓解出租车入口区的排队拥堵情况。

3.4 换乘衔接设备优化—增加设施设备

南综合换乘厅靠近公交车位置处增设两部水平自动人行道电梯（图10），电梯设置速度为0.7m/s。可有效提高旅客换乘速度，缩短换乘时间。

图10 换乘大厅公交车入口区（10a：优化前；10b：优化后）

4 优化结果对比

根据不同优化措施的模拟数据相互比较得出结论如下：

改变网约车上客区位置对旅客换乘时间影响最大，模拟数据显示优化后换乘网约车平均时间为246 秒，较优化前换乘时间减少了11min，优化了72.7%（表3）。同时在模拟密度图中也未见拥堵现象（图11b）。

表3 优化前后换乘时间比较

图11 优化前后出租车入口处客流密度图对比（11a：优化前；11b：优化后）

根据笔者调研发现，网约车上客点均设置在高架进站平台处，且根据规定，网约车在高架平台的停留时间较短，且出站旅客从负一层至二层高架候车层之间的路线比较复杂，且导向标识较少，导致部分旅客无法按时上车，旅客的换乘体验感极差。通过改变网约车与换乘空间的布局衔接位置可大幅提高旅客换乘网约车的换乘效率，进而减少旅客换乘距离，减少旅客绕行时间。因此换乘衔接布局位置对旅客换乘效率影响最大。

改变轨道交通进站口位置可有效减缓轨道交通入口处排队拥堵情况，模拟中轨道交通入口处区域最大密度值优化了40%（表4、图12）。由于轨道交通在前期规划时与站房主体的位置关系基本确定，因此换乘空间与地站站厅层的位置关系也基本确定，但无法改变其换乘布局位置的情况下，调整换乘空间与地铁的换乘衔接处位置，换乘距离不变的情况下，减少旅客的拥堵现象，也可提高旅客的换乘舒适度，进而提高旅客换乘效率。可知换乘空间与占比最大的交通设施的衔接位置对旅客换乘效率影响较大。

表4 优化前后客流密度对比

图12 优化前后轨道交通入口处客流密度图对比（12a：优化前；12b：优化后）

增加出租车上客区入口数量，有效减缓入口通道处的人流拥堵情况。模拟结果显示，出租车上客区入口区域最大密度值优化了28.57%，平均客流密度优化了42.86%（表4、图11），换乘出租车的旅客其换乘舒适度有明显提升[4]。出租车的换乘特性为线性换乘，此类换乘衔接方式易形成拥堵现象。因此，出租车与换乘空间的换乘衔接数量是影响旅客换乘效率关键因素。

增设两部水平自动人行道电梯，优化模拟结果表示，换乘南公交车的旅客平均换乘时间807 秒，换乘时间优化3.35%（表3）。公交车场由于前期规划已经确定，后期改动较难，针对此类无法调整换乘位置的交通设施，可从换乘衔接设备方面提供优化策略，在换乘距离不变情况下，尽可能提高旅客换乘速度，可减少旅客换乘时间，进而提升旅客换乘效率。

结论与展望

总体而言，换乘空间衔接模式对旅客换乘效率有一定影响。本文从换乘布局衔接，换乘衔接位置，换乘衔接数量，换乘衔接设备等方面，针对大型高铁站立体式换乘布局模式提出优化策略。针对每一类交通设施均提出不同的优化策略。根据调研结果可知，公交车的换乘比例有所减少，网约车的换乘比例有所增加。针对目前时代发展现状，天津西站对新兴网约车上客区位置设置并不理想，调整换乘布局模式，优化网约车上客区位置。根据优化结果可知，调整网约车布局位置，对旅客换乘效率具有较大影响，可达到更好服务旅客的目的。针对此类网约车或出租车，其特点是即停即走，旅客上客区有限，易产生拥堵现象，应该在设计之初优先考虑其布局位置，以便更好的服务旅客，针对已经建成的高铁站存在类似问题，可优先将此类交通设施就近考虑或与社会车场合并设置，且上客区数量应该合理设置，以提高旅客换乘效率。针对无法改变其布局位置的公交车场及长途车场的问题，为提高旅客换乘效率，可提高旅客换乘速度，例如增加设备设施，可有效改变现状。轨道交通仍是旅客换乘的优先选择，但其换乘衔接布局位置相对固定，因此，针对此类型的交通设施，通过改变换乘衔接入口位置，可有效降低旅客换乘时的拥堵情况，例如通过改变入口区空间位置，扩大入口缓冲空间，减少多个方向旅客交叉情况，降低入口处的区域客流密度，可有效提升旅客换乘舒适度，提高旅客换乘效率。仿真结果与实际优化结果会存在一定差异，但该结果在一定程度上反映了优化的可行性。针对已建成的高铁站现存问题，从换乘布局衔接模式方面提出解决措施，可大幅改进换乘现状。

文章以天津西站为评价对象，仅是立体式换乘空间布局类型的其中一类[14-16]，但不少问题仍具有普遍性和代表性。改善换乘空间布局衔接模式，从旅客的角度出发考虑问题[17]，是建筑走向人性化的关键所在。

图、表来源

图1：作者改绘（底图来自百度地图）；

图3：底图根据实际调研绘制；

其余图、表均由作者绘制。

注释

1）立体式换乘布局模式指高铁站内设有独立的综合换乘厅，用以衔接各个交通设施，各类交通设施围绕综合换乘厅立体式布置，旅客可实现“零换乘”。

2）换乘空间是高铁客站最核心的空间之一，用以衔接其他交通设施及换乘进出站。本文将换乘空间的研究范围定义为枢纽内承载换乘功能，衔接多种交通换乘设施的封闭空间。换乘空间具体包括综合换乘厅、直接换乘至交通设施的换乘通廊，其中换乘通廊若只做出站分流之用，则不将其归入换乘空间。其中站前广场具有部分换乘功能，但其形式较为单一，因此本文不做重点研究，不将其划入本文换乘空间的研究范畴。

3）平均换乘时间指旅客在综合交通枢纽内，在不同换乘目的地行走消耗的平均时间。

4）腰部进站是在站房侧面、线路站场上方设置车行高架落客平台。