轨道交通换乘站方案设计与仿真分析

杨莉莉

摘要：以西安地铁8号线的第16座车站为研究对象，对城市地下轨道站点交通换乘方案进行了分析，并对方案进行了仿真优化设计，基于用户均衡理论分配地铁车站内客流，并结合排队论，构建车站动态瓶颈分析模型，结合幸福林带管委会意见，将换乘通道设置在长乐中路北侧作为推荐方案。1号线改造可实现幸福林带、银泰中心与地铁三者间的互联互通，1号线与8号线换乘流线与进出站流线清晰，相互干扰较少。客流仿真模拟表明：从万寿路站1号线站台服务水平占比表明，站台拥堵水平占比39%。从仿真初始阶段至仿真结束阶段，客流密度由1人/m增至3人/m;行人平均走行时间由50 s增加至120 s;行人平均走行速度由1.3 m/s降低至0.1 m/s。建议1号线万寿路站适时启动改造工程，改造站厅与站台之间楼扶梯组，增大楼扶梯组能力;8号线车站楼扶梯及设备设置布置合理。

关键词：客流分配方案;换乘站;地下轨道;仿真

中图分类号：U231.4 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）07-0119-07

Scheme design and simulation analysis of rail transit transfer station

YANG Lili

（China Railway First Survey & Design & Research Institute Group Co.， Ltd.， Xian 710045， China）

Abstract：Taking the 16th station of Xian metro Line 8 as the research object， this paper analyzes the traffic replacement scheme of urban underground rail stations， simulates and optimizes the design of the scheme， allocates the passenger flow in the subway station based on the user equilibrium theory， and combines the queuing theory to construct the dynamic bottleneck analysis model of the station， combined with the opinions of the Happy Forest Belt Management Committee， the transfer channel is set on the north side of Changle Middle Road as a recommended scheme， and the transformation of Line 1 can realize the interconnection between the Happy Forest Belt， Yintai Center and the subway. The interchange flow line and the entry and exit station flow lines of Line 1 and Line 8 are clear and have less mutual interference. Passenger flow simulation simulation shows that the proportion of service levels on the platforms of Line 1 from Wanshou road station indicates that the level of platform congestion accounts for 49%. From the initial stage of the simulation to the end， the passenger flow density increased from 1 person/m to 3 person/m， the average walking time of pedestrians increased from 50 s to 120 s， and the average walking speed of pedestrians decreased from 1.3 m/s to 0.1 m/s. It is recommended that the Wanshou Road Station of Line 1 start the renovation project in a timely manner， renovate the escalator group between the station hall and the platform， and increase the capacity of the escalator group of the building; the escalator and equipment setting of the station building of Line 8 are reasonably arranged.

Key words：passenger flow distribution scheme; transfer station; underground orbits; simulation

城市軌道交通换乘站是作为线网交叉枢纽点存在的，实现了联通地铁网的需求，乘客通过换乘站也能够进行转线、换乘，因此地铁线路的运营质量与换乘站设计的合理性直接相关[1-3]。对于每条地铁线路来说，换乘站都是重点和难点工程，也是线路规划的锚固点，对于线路起到控制走向的作用，线网的运量、运能与换乘点、换乘方式都息息相关，深入研究换乘站的设计，能够大大提高线网规划的科学性[4]。在新建地铁线路的换乘功能中，还存在很多难点，比如可能无法满足未来的客流需求，要对顾客的行走路线非常清晰，提高对乘客的服务水平等[5]。使用交通仿真技术研究复杂性较高的交通问题，可在不参与真实系统的基础上对不同规划方案进行对比，所以能够基于交通仿真技术对城市交通换乘站进行模拟，发现问题并及时优化改善[6]。

现阶段我国正处于轨道交通事业的快速发展阶段，城市轨道交通需求也在不断提高。在此背景下亟需设计出合理高效的线网规划，一些大型城市发展节奏显著提升，而轨道线网规划却不能满足其客运需求，因此会出现部分标准车站被动的改造成为换乘站等问题[7]。由此可见，编制合理而有远见的线网规划是非常关键的。万寿路站为线网规划修编及第3期建设规划落实以后，规划新增了地铁8号线换乘站，上版线网实际上不包含该换乘站，因此在设计实施过程中，其站台宽度为12.0 m，没有换乘需要的接口与条件。考虑到车站周边换乘的复杂性及既有站改造的复杂性，为提高换乘站方案的可实施性与合理性，并优化其功能。本文选取西安地铁8号线的第16座车站作为研究对象，对城市地下轨道交通换成站客流分配方案进行分析，并对方案进行了仿真优化设计。

1城市轨道交通网络客流特性分析

在轨道交通线路交织成网运输体系下，客流分布与变化特征比单一线路更复杂，一是线网客流密度不是单一变化趋势;二是属于一种多维多层次变化。轨道线网中换乘站能实现线网体系内各条线路间客流交换，使各条线路客流、客运量分布不同于单一线路。分析网络客流特性是合理、科学编制列车运输计划的基础。在网络化条件下，列车运行组织方案在保证有序、安全输送客流基础上，使换乘站衔接更有效。

1.1客流时间分布不均衡

城市轨道交通具备运行准点率高、网络可达性高、快速、安全等优势[8]。其主要吸引群体为通勤、通学城市居民，通勤客流出行时间多在早、晚高峰集中，以娱乐、休闲等目的出行居民根据个体出行费用、时间价值、舒适度等在非高峰时段会选择轨道交通以外方式出行，因而轨道交通网络客流时间分布不均衡。城市轨道交通线网客流时间分布不均衡主要体现在网络进出站客流量、换乘客流量较大的时间段集中在早晚高峰，造成站台乘客拥挤、车厢满载率高、换乘时间长。

1.2客流空间分布不均衡

在城市交通早高峰期间，大量上学、通勤客流出行使学习办公区出站客流、居住区进站客流量明显比其他覆盖区域车站要高，晚高峰因返程客流量大，除办公区、居住区周边车站客流集中，城市商业购物区周边车站有客流拥挤现象存在。在城市各功能区日趋完善、成熟情况下，城市各类用地功能区根据总体规划在不同片区布局，因乘客出行个体情况差异，造成城市轨道网络客流空间具有不均衡性分布。客流空间分布不均衡性表现在各轨道站点客流乘降量分布不均衡、线网各断面客流分布不均衡。

1.3断面客流不均衡

网络客流断面分布不均衡性包括不同线路区段断面客流差异、线路上下行方向的断面客流差异。因轨道线网中各条地铁线路运营管理相对独立，线路差异所导致的客流空间分布特征也有显著不同[9]。城市中心区域被直径线穿越，能快速输送市郊客流至城市中央区域，发挥城市中心区集聚作用且能满足换乘需求。线路全日客流断面呈中间高、两端低分布，根据换乘站所处区位不同，在换乘站相交线路方向不同，不同线路运行方向客流交换量不同。优化各线路方向到站列车、车站客流衔接、匹配，确定高效合理行车计划，对既有换乘站客流流量流向分析可用于优化各向客流换乘流线，提高组织效率，减少冲突。

2案例分析

2.1工程概况

西安市地铁8号线第16座车站为地下轨道万寿路站，换乘轨道为既有地铁1号线。地铁8号线从南到北沿林带靠西敷设，与林带同期建设，西侧为综合管廊和万寿路，东侧为规划林带商业，地铁与商业紧密衔接，使此区域公共建设更为完善，同时提升地铁和商业价值。同時8号线在此区域与其他线路形成换乘，地铁7号线为规划线路，在华清路至长缨路段从场地斜穿越，与本线在王家坟站形成换乘;地铁1号线为运营线路从长乐路地下穿越，与本线在万寿路站形成换乘，地铁6号线处于开工阶段从咸宁路地下穿越，与本线在万寿南路站形成换乘。万寿路规划道路30 m，长乐中路规划道路60 m，路口西侧已实现规划，东侧待改建中。万寿路靠近林带红线处规划有14.5 m宽下沉隧道，路面最低点为7.5 m左右，结构底埋深为9.5 m。本站站位西北象限为左右里购物中心、西光花卉市场;西南象限为黄河14街坊小区;东南、东北象限为幸福林带工程待建用地。图1为车站周边现状卫星图。

在西安市地铁8号线西影路至华清东路段万寿路车站，主要是以第4系黄土类土和人工填土作为浅部土层，有很深的地下水位，稳定埋深为24.6～28.1 m，高程为394.60～399.90 m。气候、季节、补给、地下水赋存等都会对地下水位产生直接影响，在高水位时期，将会提高地下水位;在旱季期间，将会降低地下水位，年变化幅度约为2.0～3.0 m。本站与地铁1号线换乘，地铁1号线属既有线，于2013年9月通车运营，万寿路站为地铁1号线1期工程的中间站，西安地铁初期、近期线网规划中无地铁8号线，故1号线万寿路站建设时未预留换乘条件，车站规模按照一般站设计，为地下4层12.0 m单柱岛式站台车站。西安地铁第3期规划中，地铁8号线为环线，与地铁1号线东边的换乘站为万寿路站，因此，8号线的设计需要考虑换乘及1号线的改造设计。

2.2设计客流

2.2.1地铁8号线万寿路站预测客流

根据表1所示的西安地铁8号线早中晚期客流数据对比，计算对比初、近、远期早晚高峰客流数据，明确控制期客流。

车站设计客流：（3 605+3 922+3 533+10 815）×1.41/28=1 102人/h。

通过计算对比初、近、远期早高峰客流数据，明确远期客流为控制期客流。8号线换乘客流示意图，如图2所示。

总设计客流：（3 605+3 922+3 533+10 815）×1.41=30 844人/h;

8号线换1号线：（2 325+845+1 162+904）×1.41=7 383人/h;

1号线换8号线：（1 893+844+1 170+1 164）×1.41=7 151人/h;

总换乘客流：7 383+7 151=14 534 人/h;

分析客流资料，总设计客流30 844人/h，总换乘客流14 534人/h，本站总体换乘客流偏大，换乘比例47%。

2.2.2地铁1号线万寿路站预测客流

西安地铁1号线全线没有小交路，根据客流数据对比，初、近、远期早高峰客流均分别大于其相应的晚高峰客流，计算对比初、近、远期早高峰客流数据，明确控制期客流，结果如表2所示。

车站设计客流：（391+3 480+5 409+536）×1.24/30=18 051×1.41/30=461人;

通过计算对比初、近、远期早高峰客流数据，明确远期早高峰客流为控制期客流。其中，

上车设计客流量：（391+5 409）×1.41=8 178 人/h;

下车设计客流量：（3 480+536）×1.41=5 663 人/h。

2.3应急处置方案

2.3.1换乘设计思路

设计思路1：换乘通道的布置应结合既有1号线站厅层流线统筹考虑，避免换乘客流与进出站客流相互交叉。

设计思路2：换乘通道的布置应考虑便捷，通道宜短，尽量避免引起多余的拆迁量。

2.3.2换乘形式分析

万寿路站与既有地铁1号线进行换乘，地铁1号线属既有线，已运营多年，地铁1号线万寿路站建设时未预留换乘条件，为地下4层12.0 m双柱岛式站台车站，综合考虑现状条件，因此，地铁1号线万寿路站未跨路口，设置在交叉路口西侧道路下方，车站和公共区域路口距离较远，垂直电梯和公共区2组楼扶梯布局紧凑，车站规模较小，节点换乘难度显著提高。在设计8号线车站时，要与周边的车站站位与条件充分结合，通过换乘通道连接两线车站，实现付费区的换乘;地铁1号线万寿路站西端区间与8号线线路交叉，为减小对地铁1号线西端盾构区间的影响，使用车站跨路口的设计模式。

3方案比选

1号线是从长乐路东西敷设，且为2013年9月开通运营的已建成车站，8号线是从万寿北路南北敷设。1号线上版线网规划中没有考虑该点换乘，其站台宽度为12 m，且没有换乘接口。本次研究考虑采用通道换乘的形式，以减少对1号线车站的影响。以减小对1号线车站的影响。通过换乘通道连接1号线，通过双向向循环客流的方式提高换乘安全性水平。通过改造1号线站厅公共区，在1号线站厅层侧墙上开洞，增设换乘大厅，在8号线站厅层使用楼扶梯引入换乘通道，实现双向客流换乘。使用同期明挖的方式进行施工，在原1号线Ⅰ号口南侧位置设计8号线Ⅳ号出入口，在1号线Ⅲ号出入口北侧设置8号线的换乘通道。通过楼扶梯在1号线站厅层与8号线站台层进行换乘通道的接入，并实现换乘。图3为换乘通道纵剖面图。

3.1车站方案研究

原南侧的换乘通道调整到北侧及对1号线万寿路站及左右里综合出入口的改造。南侧换乘通道移至北侧的优点是缩短换乘通道长度，减少拆迁;与银泰中心、幸福林带商业的互联互通。

3.1.1方案1：换乘通道北侧设置方案

万寿路站换乘通道北侧布置图，如图4所示。

由图4可知，将换乘通道设置于长乐中路北侧，利用银泰中心改造后的左右里商业地下既有结构，与既有1号线衔接，形成付费区换乘通道，同时在换乘通道设置出站闸机，可直接进入银泰中心，与银泰中心互联互通。该方案优点：利用改造的左右里既有结构部分作換乘通道，节约工程投资，拆迁量较少;利用换乘通道与银泰中心衔接，加强幸福林带与银泰中心间的互联互通;换乘距离相对南侧方案短，相对便捷。该方案缺点：受1号线站厅层布置影响，对既有1号线改造量较大，改造期间1号线万寿路站需停运。

3.1.2方案2：换乘通道南侧设置方案

万寿路站换乘通道南侧布置图，如图5所示。

由图5可知，将换乘通道设置于长乐中路南侧，在1号线站厅付费区侧墙开洞，增设换乘大厅连接换乘通道，构建完善的付费区换乘通道。其具有以下优点：对既有1号线影响较少，改造期间不影响1号线万寿路站正常开通运营。该方案缺点：换乘通道长度较长，不便捷;引起的拆迁量较大，需拆除黄河小区2栋6层住宅楼及地铁出入口部分商业建筑。

结合幸福林带实际，将换乘通道设置在长乐中路北侧作为推荐方案，虽然1号线存在大量改造工程，但从长远考虑，可实现幸福林带、银泰中心与地铁三者间的互联互通，带动区域经济增长;1号线与8号线换乘流线与进出站流线清晰，相互干扰较少，受拆迁因素影响较少，具有一定的可实施性。

4客流流线设计及仿真优化

4.1换乘通行能力计算

本站换乘通道宽度按10.0 m净宽设置。高峰时间段的换乘客流量为13 322 人/h;通道为1 m时，其双向通过能力为4 000 人/h，即T=10.0×4 000=40 000人≥ 13 322 人，经过计算，车站换乘通道宽度满足换乘乘客通过要求。

4.2客流动态仿真

本次仿真范围包括8号线站厅及站台、1号线站厅及站台、换乘通道，行人设施包括自动售票机、安检设备、进出站闸机、楼扶梯等。行人仿真图面、行人可通行空间示意图分别如图6、图7所示。

4.3客流动态仿真优化

车站设施适应短时大客流冲击的情况可以表现为最大客流密度图[10]，具体如图8所示。

由图8可知，超高峰时段，8号线站厅基本处于A～E级;进站闸机及楼扶梯组入口出现拥堵排队（F级）。1号线进站厅基本处于较为舒适等级（A～C级），少数区域处于D级，在售票机、安检、进站闸机、进站楼扶梯组入口处服务等级为E～F级，使用率高，客流密度大;出站厅楼扶梯组及其入口前部出现大面积拥堵排队（F级）。2线2个方向换乘通道基本处于E级，客流密度较大。

8号线站台候车区域处于拥挤（E级）水平，上行扶梯及北部、中部两部楼梯入口出现拥堵排队（F级）。1号线站台候车区域及各楼扶梯组入口出现大面积拥堵排队（F级）。从万寿路站平均客流密度图可以看出，在超高峰时段，8号线站厅基本处于较为舒适等级（A～C级）;进站闸机出现拥堵排队（F级）。1号线进站厅基本处于较为舒适等级（A～C级）;在售票机、进站闸机处出现E级，使用率高，客流密度较大;出站厅楼扶梯组及其入口前部出现大面积拥堵排队（F级）。2线2个方向换乘通道基本处于较为舒适等级（A～C级）。8号线站台内环方向候车区域及楼扶梯组处于D级，外环方向候车区域基本处于舒适等级（C级）。1号线站台下行候车区域基本处于C～D级，上行候车区域及各楼扶梯组入口出现大面积拥堵排队（F级）。车站最大客流密度、平均客流密度分别处于D～E级、B～C级，这表明车站可以对短时大客流冲击有一定的抵抗性，未表现出大面积拥堵，且空间利用率较高;同时，在非高峰时间段，车站内部舒适级别较高。本站本次方案8号线与该要求相符合，但根据平均客流密度与最大客流密度来看，1号线站厅及站台楼扶梯组入口和出口出现大面积F等级，拥堵严重。

4.3.18号线换乘至1号线

8号线站台的客流密度及服务水平占比，结果如图9所示。

由图9可知，从8号线站台的客流密度及服务水平占比可以看出，8号线站台有10%的行人处于拥堵水平，比较拥挤占44%，舒适级别（A～C级）占46%。客流分布情况随着列车进站离站呈现较规则波动，客流密度主要集中在0.5～1.4 人/m。

4.3.21號线换乘至8号线

1号线换乘至8号线换乘通道服务水平占比图，具体如图10所示。

由图10可知，从1号线换乘8号线换乘通道的客流密度及服务水平占比可以看出，通道内服务水平主要处于A～C级别，占比共78%，拥挤占22%。通道内虽然换乘客流较大，但行人密度较小且稳定，在0.4～0.6人/m。

从万寿路站最大客流密度图和平均客流密度图可以看出，1号线地下2层站厅楼扶梯组及其入口、站台候车区域及楼扶梯组入口出现大面积拥堵排队（F级）。从万寿路站1号线站台服务水平占比可以看出，站台拥堵水平占比39%。随着仿真时长的增加，站台行人密度持续增大，行人平均走行时间逐渐增大，疏散缓慢，从仿真初始阶段至仿真结束阶段，客流密度由1人/m增加至3人/m;行人平均走行时间由50 s增加至120 s;行人平均走行速度由1.3 m/s降低至0.1 m/s。综合仿真结果，建议1号线万寿路站适时启动改造工程，改造站厅与站台之间楼扶梯组，增大楼扶梯组能力。根据客流仿真模拟成果，8号线车站楼扶梯及设备设置布置合理，1号线楼扶梯及设备设施布置较为合理，能基本满足客流的需求，车站站台局部存在拥堵，但楼扶梯组数、站台宽度已经成为目前设计方案能考虑的最大规模;根据客流仿真模拟成果，换乘通道宽度满足通行要求，舒适度较好，换乘通道内的楼扶梯数量满足要求。

5结语

本文以西安地铁8号线的第16座车站为研究对象，对城市地下轨道交通换成站客流分配方案进行了分析，并对方案进行了仿真优化设计。

（1）基于用户均衡理论分配地铁车站内客流，并结合排队论，构建车站动态瓶颈分析模型，对站内服务台平均排队长度和等待时间进行计算，通过定量分析的方式获取车站动态瓶颈点;

（2）结合幸福林带管委会意见，将换乘通道设置在长乐中路北侧作为推荐方案，从长远考虑，1号线改造可实现幸福林带、银泰中心与地铁三者间的互联互通，带动区域经济增长，1号线与8号线换乘流线与进出站流线清晰，相互干扰较少;

（3）客流仿真模拟表明，从万寿路站1号线站台服务水平占比表明，站台拥堵水平占比39%。从仿真初始阶段至仿真结束阶段，客流密度由1人/m增加至3 人/m;行人平均走行时间由50 s增加至120 s;行人平均走行速度由1.3 m/s降低至0.1 m/s。建议1号线万寿路站适时启动改造工程，改造站厅与站台之间楼扶梯组，增大楼扶梯组能力;8号线车站楼扶梯及设备设置布置合理，无存在问题，无需优化设计方案。

【参考文献】

[1]张瑞，李静婧，刘葛辉，等.地铁车站客流瓶颈识别与疏解方案优化研究[J].交通信息与安全，2019，37（2）：128-133.

[2]HUANG K， ZHENG X， CHENG Y， et al. Behavior-based cellular automaton model for pedestriandynamics[J].Applied Mathematics and Computation，2017，11（9）：1 036-1 048.

[3]袁坚，王鹏，王钺，杨欣.基于时空特征的城市轨道交通客流量预测方法[J].北京交通大学学报，2017，41（6）：42-48.

[4]王竞飞，周庆.大型轨道交通枢纽站流线组织与优化—以天津站地铁站为例[J].天津城建大学学报，2018，24（1）：13-19.

[5]陈彬彬.城际铁路地下站客流流线仿真与优化研究[D].成都：西南交通大学，2019.

[6]禹丹丹，韩宝明，董宝田，等.基于换乘协同的轨道交通网列车时刻表优化模型[J].中国铁道科学，2015，36（4）：129-135.

[7]王培恒，沈嘉曦.基于城际铁路客流动态分配的列车开行方案优化生成[J].交通运输工程与信息学报，2016，14（1）：81-86.

[8]刘杨，陈娟，马剑.基于用户均衡理论的疏散人员出口分配方法[J].中国安全科学学报，2018，28（10）：44-49.

[9]SCHEEPMAKER G M， GOVERDE R M P， KROON L G. Review of energy-efficient train control and timetabling[J].European Journal of Operational Research，2017，257（2）：355-376.

[10]玛依拉·艾则孜.城际铁路为主导的综合客运枢纽换乘衔接布局与规划研究[D].西安：长安大学，2018.