城市轨道交通枢纽客流仿真辅助决策技术与实践研究

李得伟,周玮腾

(1.北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室,北京 100044; 2.北京交通大学交通运输学院,北京 100044)

城市轨道交通枢纽客流仿真辅助决策技术与实践研究

李得伟1,周玮腾2

(1.北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室,北京 100044; 2.北京交通大学交通运输学院,北京 100044)

客流仿真已经成为辅助城市轨道交通设施布局评估的重要手段。然而,由于缺乏相关技术规范,利用客流仿真技术解决实际问题仍然存在许多困难。结合客流仿真的全过程,设计提出了城市轨道交通客流仿真的输入、输出、模型标定内容以及标定方法,以期对未来的客流仿真相关标准规范的制定提供借鉴意义。最后,利用自主开发的SRail系统,以北京城市轨道交通西二旗站为例进行了案例研究。

城市轨道交通;客流仿真;标准;可靠性;设计

1 概述

当前,城市轨道交通建设和运营的安全性受到了各界广泛的关注。为了提高城市轨道交通车站的设计和运营水平,解决设计和运营之间关联性弱的问题,国内一些城市引入了客流仿真技术进行城市轨道交通车站设计、运营、改建等各阶段的评估,这在一定程度上提高了城市轨道交通项目决策的科学性和合理性,弥补了相关设计和运营规范中部分因素无法量化和动态化的不足。然而,由于在客流仿真方面,我国的基础研究相对较为薄弱,缺乏整套理论体系,并且缺乏相关的技术标准规范,许多细节性工作存在很大随意性,例如:参数如何获取、模型如何标定、哪些是必须的输入和输出,结论应当如何分级等。这使得客流仿真在实际应用时面临许多困难,其结果的可靠性和准确性无法得到充分的保证,所获得结论的可信度也相对较低。国外也有伦敦、悉尼等城市将客流仿真作为大型基础设施运营前的必须工作,也开发了一些仿真工具[1]。但是,由于国外的城市轨道交通无论是从运营特点、客流规模,还是从乘客行为等方面都与国内城市存在很大的不同,因此,城市轨道交通客流仿真技术不能简单地采用“拿来主义”。尽管国内一些企业直接购买国外软件进行简单建模就进行工程使用,但建模的难易程度及应用效果仍然很难令人满意。实际上,迄今为止,尚未有一个工具或系统完全通过完整的系统化校验,其原因是缺乏相关的标准规范和充分翔实的数据。因此,有必要对城市轨道交通客流仿真过程中如何保证可靠性和准确性进行研究。

2 客流仿真的用途

城市轨道交通客流仿真是利用计算机仿真技术通过对未来某个运营场景进行模拟从而获得该场景下的运营指标,进而指导城市轨道交通车站设计或运营的一项专门技术。它可以用来解决车站设计方案、运营方案以及应急预案的评估和动态优化问题。

2.1 车站设计方案评估

我国的《地铁设计规范》(GB50157—2003)是基于前苏联的地铁设计经验发展而来的,虽然在车站的建设规模确定、敷设形式选择、总平面布置、运营管理等一些问题上作了细致的规定。然而,经过我国地铁多年运营实践发现,规范中一些设备的最大通过能力明显过大[2]。另一方面,设备的布局、换乘形式如何选择等方面的问题由于很难量化,规范中只是给出一些原则性建议。在这个前提下,只要设备规模确定,无论换乘形式如何选择,设备位置如何确定,其疏散能力是相同的,这与实际情况有较大差异。此外,由于城市轨道交通的不断发展,许多新的设备(如:AFC设备、PIS设备、屏蔽门等)对乘客行为的影响认识不深,规范中亦不完善。客流仿真通过对车站的设备、乘客及运营组织手段进行系统建模,能够较为方便地为规范中无法深入考虑的设备规模、位置、能力匹配等问题提供解决手段,从而为优化设计方案提供直接建议。通过与客流预测结合进行动态模拟,还可以为车站的使用年限、新线开通对既有站的影响等问题提供有益的评估结果。

2.2 运营方案评估

城市轨道交通运营的核心是如何安全、快速、高效地疏解客流的问题。客流仿真技术可以为不同时段下车站客流组织(流线组织、隔离设置、引导员配置、乘降组织)、行车组织(过站、加车、间隔控制)、车站售检票设备的动态开放、站间及线间的客流协同控制等提供评估和优化手段。同时,通过客流仿真还可以进行车站的客流压力试验,可以确定车站的极限客流吞吐能力,可以为大客流条件下不同等级限流的时机、方案、持续时间、效果等进行有效评价。

2.3 应急预案评估

当有应急事件发生时,乘客的安全疏散问题非常突出,应急预案的合理性直接关系到乘客的生命和财产安全。然而,应急事件无法通过真实试验模拟还原,因此,应急预案的合理性检验具有一定的难度。通过与火灾烟气模拟、地震灾害模拟等相结合,客流仿真技术可以有效解决这一问题,实现对应急预案尤其是其中量化内容的准确评估,确保预案的可行性。

3 模型框架

城市轨道交通客流仿真可以有宏观、中观、微观等层次的建模方式。由于客流的集散具有复杂涌现和非线性动力学特性,利用宏观和中观仿真技术无法准确模拟运营场景,因此,目前国际上较为认可的方法为利用微观仿真技术对乘客个体进行建模,并进行仿真。微观仿真由于涉及参数繁多,其输入和输出需要有严格的边界控制。

3.1 模型输入

客流仿真模型的输入在一定程度上决定了模型所能够辅助决策的程度,但它又受到模型计算复杂度的影响。因此,合理的模型输入应当根据所评估的目的、对象和内容确定。综合模型构建的难易程度、运算速度、辅助决策目标等3个方面,城市轨道交通客流仿真模型的输入至少应包含如下几个方面的内容。

(1)客流模型。客流模型包括了客流分布和客流结构两部分内容。前者主要体现车站运营时间内分时段、分出入口、分去向的客流分布以及客流到达规律;后者包括不同生理属性(如性别、年龄等)、交通属性(如:出行类型、目的等)和社会属性(如收入、受教育程度等)的乘客构成参数。在评估未来场景时,客流模型还应具有根据已知的部分数据推断完整客流数据的能力。

(2)设备模型。车站的设备模型通常包括物理设备模型和服务设备模型。物理设备模型包括车站内的通道、楼扶梯等通行设施、站台、活动空间等容纳设施以及一些固定障碍物,其本身具有一定的尺寸,能够辅助或者引导乘客行走。服务设备模型包含售票窗口、检票闸机、屏蔽门、引导、广播等,对于服务设备,由于运营过程中会经常调整设备状态(例如关闭部分进站检票闸机以限流、列车到达停稳后开启屏蔽门等),因此,还需要有相应的设备运行控制模型相匹配。

(3)客流流线模型。客流流线是整个车站内不同目的的客流的移动路线,它反映了旅客在站内的移动过程和运动轨迹,必须根据客流类型分出入口分别输入。流线通常由路由节点和节点关系确定,通过构建流线模型,有助于灵活设计和有效控制旅客站内的整体流程。

(4)运营场景模型。主要包括行车组织方案和客运组织方案,城市轨道交通运营组织较为简单,其方案构成包括运营时长、行车间隔、技术作业时间等,客运组织方案含上下车组织、引导、广播等内容。

(5)旅客活动及行为模型。旅客活动模型规定了不同类型旅客在站内的活动内容,如进站旅客的购票、检票、候车等活动。旅客的行为模型则反映了不同旅客由于个体特性不同在活动时出现差异性,这既体现在宏观方面的路径选择、设备使用偏好等方面,也体现在微观的移动、加速、减速、障碍规避、排队等行为上。

(6)系统参数。包括以上各模型中涉及的技术参数以及仿真控制参数如仿真起止时间、仿真时钟、仿真输出路径等。

此外,对于火灾等应急条件下的输入还应当包括其他辅助模型,例如火灾烟气传播模型等。

3.2 模型输出

客流仿真的输出主要取决于需要解决的问题及用户需求,但对于城市轨道交通车站的客流仿真,一般性输出应至少包含如下2个方面。

(1)原始输出:通过仿真应能够输出直接用于标定和评估的原始数据,主要包括分时段断面流量、分时段车站或分区域人数及密度、平均速度、速度改变次数、不同目的旅客在各环节耗费的时间、旅客的站内等待时间、旅客的换乘时间、应急疏散时间、设备全日服务水平时间分布等。

(2)导出输出:仿真还应输出面向用户需求的关键导出数据,通常含有反映系统安全性、通畅性、协调性及舒适性等4个方面的指标,具体包括:车站总体疏散能力、设备能力与客流需求的适应性、设备利用的均衡程度、车站设备瓶颈位置、排队系统平均排队长度、服务台忙期、旅客逗留时间、旅客延误时间等。

3.3 模型结构

图1 城市轨道交通客流仿真模型结构

综合城市轨道交通客流仿真模型的输入和输出,确定模型的基本结构如图1所示。在特定场景下的应用,其结果应当符合已知的行人行为规律,仿真效果能够再现已知的行人集散效果。从定量到定性主要有3方面。

(1)基本图。交通流基本图反映了“速度-流量-密度”之间的关系规律,行人流作为交通流的一类,也有其内在规律。美国高速公路通行能力手册[4]中给出的平道上行人流基本图的基本趋势如图2所示,对应于不同地区,不同设施,尽管该图会有所差异,但基本趋势一般不具有很大变化。因此,客流仿真结果应该服从这一规律。此外,还应当服从“快即是慢”“冲击波”等交通流特性。

图2 行人交通流基本图

4 模型标定

由于旅客行为数据的普遍缺乏,目前,世界上的客流仿真模型均未得到充分的标定和验证[3]。作为用于指导实际决策的系统,为了保证仿真结果的可用性,其模型的标定应该从以下几方面进行。

4.1 标定内容

4.1.1 基础标定

模型的基础标定是指客流仿真作为行人微观仿真

(2)自组织行为。行人流具有自组织特性,这是行人流与其他交通流的重要区别。已经发现的行人流自组织特性包括自动渠化、瓶颈摆动、流动斑纹、“z”形轨迹、扇形疏散图等,在输入适当的参数后,客流仿真模型的结果应当能够再现这些特性(图3)。

图3 行人自组织特性

(3)死锁问题。除非在极度拥挤情况下(密度＞7人/m2),客流的疏散很少出现移动停滞现象,这主要是由于乘客个体具有很大的灵活性。因此,科学合理的模型应当正确反映这一客观现象,避免正常仿真过程中的死锁现象发生。

4.1.2 场景标定

城市轨道交通客流除具有行人仿真的一般规律外,还有许多特殊性,客流仿真结果特殊的场景需求。这主要包括2个方面。

(1)典型场景。车站模型具有一定的复杂性,但构成车站的各部分仿真具有一定的规律。结合站内旅客的流线及设备分布情况,可以将整个车站的标定划分为通道场景、疏散场景、路径选择场景、服务场景、上下车场景等5类场景分别标定。

(2)运营场景。满足了以上的标定,表示所构建的客流仿真模型具有可用性。然而,以上模型仅仅是普适性标定,未考虑不同输入条件组合下的标定。在进行实际应用时,由于每个车站的实际输入条件不同,仿真结果可能会有所差异。为了正确预测未来情况,对于已经投入实际运营的车站,在进一步仿真前,首先应做充分调研,并将现实模型进行一定简化后加载到仿真系统中,进行参数的调整和标定,使仿真结果最大限度地接近现实情况。

4.2 标定方法

城市轨道交通车站是一个由多种服务设施组成的复杂系统,对客流仿真的标定宜进行分段标定法。即对站台集散、售检票机、楼扶梯选择等分别建立单独的模型进行各自标定。由于大多数车站都有CCTV系统,因此,可以利用该系统进行相关数据的采集和标定工作。在满足所有各子系统标定后进行运营场景的综合标定,从而达到准确模拟的目的。

5 实践

5.1 SRail简介

SRail是笔者开发的专用于轨道交通设施设计方案及运营方案仿真评估的系统。具有客流生成、客流仿真、统计分析、数据回放、三维仿真等功能。其核心为客流仿真模型。为了验证模型的可用性,进行了本文所提出的各项标定。基础标定的相关步骤及过程见文献[1]。本文仅对模型在西二旗站的场景标定及应用进行案例研究。

5.2 西二旗站应用

西二旗站是北京城市轨道交通13号线与昌平线的换乘站,是北京城市轨道交通网络中首条郊区线的尽头与城区线中间站衔接的车站。经调研发现西二旗站主要存在早、晚客流滞留拥堵情况严重,车站服务水平低,列车最小追踪间隔远大于设计间隔及部分客服设施设备设计能力不能得到有效发挥的问题。本文通过仿真实验对西二旗站早高峰小时客流运营状况进行评估,通过评估找出西二旗车站的站台拥挤情况、检票闸机开放数量及列车行车间隔之间的关系,发现车站能力瓶颈,达到优化线路列车发车间隔,降低车站拥挤程度,提高车站整体服务水平和运行效率的目的。

依据前期车站环境、物理设施设备、客流数据等调研结果进行建模,并对西二旗站仿真模型进行场景标定,主要对客流仿真的设施设备进行分段标定,从售检机的通过情况、站台的集散情况分别进行标定。

(1)早高峰闸机单位时间通过流量的仿真输出数据与实际调研数据对比,误差为4%;早高峰仿真闸机累积通过流量数据对比误差为3%。仿真模型的系统输出数据误差在实际调研数据误差范围可信以内(图4)。

图4 进站闸机单位时间通过量和累计时间通过量的仿真输出数据与实际调研数据比较

(2)通过仿真拥挤区域和现实的直观比较发现,早高峰仿真站台聚集人数与实际调研站台聚集人数数据对比,误差为5%(图5)。早高峰仿真区域拥挤情况与实际运营中拥挤情况对比,拥挤情况基本吻合,如图6所示。

图5 站台聚集人数仿真实验输出与实际对比

图6 仿真区域拥挤与实际运营中拥挤情况对比

通过对模型闸机疏散场景和站台拥挤场景的标定,验证了模型的实际有效性和真实准确性,形成西二旗站仿真模型并进行仿真实验,如图7所示。最终得出以下仿真结论及建议:

图7 西二旗站仿真模型及实验状况

(1)昌平线能力受到西二旗站换乘能力的限制,无法进一步提高行车密度;

(2)西二旗站早高峰进出站量高,导致闸机短时间聚集人数较高,有大批乘客滞留现象,应增设闸机数量对客流进行有效疏解。

(3)在客流高度交织的情况下,昌平线站台因发车间隔较低存在安全隐患。在现有运输组织手段条件下,适应的昌平线发车间隔应为6.2min。

(4)车站瓶颈设施服务水平早高峰为E级。为提高站内服务水平,解决大客流的拥堵问题应采用多级限流措施。

6 结论

针对目前城市轨道交通枢纽内客流仿真缺少标准的问题,在进行多年客流仿真试验和实践的基础上,提出了客流仿真的输入、输出及标定的具体方法,并在笔者开发的SRail系统中进行了综合应用。在实际车站运营过程中,由于设备动态多样、旅客行为也随时间、空间、客流结构等的不同有所不同,考虑这些复杂因素的系统化仿真建模标准构建,将是下一步的研究方向。

[1] 李得伟.城市轨道交通乘客集散模型及微观仿真理论研究[D].北京:北京交通大学,2007.

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Decision-making Technology and Application of Passenger Flow Simulation in Urban Rail Transit

LI De-wei1, ZHOU Wei-teng2
(1. State Key Lab of Rail Traffic Control and Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. Department of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Passenger flow simulation has served as an important tool to assess the layout of facilities in urban rail transit system.However,there are some difficulties in the application for solving the actual problems,due to the lack of technical standard.This article proposes the input,output,model calibration contents and calibration method of passenger flow simulation in combination with its whole process.The framework proposed could provide references for establishing the passenger flow simulation standard in the future.At last,taking the Xierqi Station of Beijing urban rail transit as an example,a case study is introduced by using the SRail system which had been developed autonomously.

urban rail transit;passenger flow simulation;reliability;design

U115;TP391.9

A

1004 -2954(2012)12 -0001 -04

2012 -04 -23

国家自然科学基金资助项目(61004105);教育部高等学校基本科研业务费(2011JBM159);国家科技支撑计划(2009BAG12A10)

李得伟(1982—),男,副教授,博士,E-mail:lidw@bjtu. edu.cn。