基于客流流线的地铁站检票闸机布设研究

莫 逆 周冠宇 杨 露

（北京交通大学交通运输学院，100044，北京∥第一作者，本科生）

基于客流流线的地铁站检票闸机布设研究

莫 逆 周冠宇 杨 露

（北京交通大学交通运输学院，100044，北京∥第一作者，本科生）

分析了北京轨道交通车站行人在检票进站环节的闸机选择的行为，提出近端闸机的概念与行人优先选择近端闸机的进站流程假设，并通过实地调研分析建立了该假设的数学模型。运用仿真对常见的闸机布设方式进行改进研究，提出与客流流线呈倾斜角的闸机布设方式，通过仿真平台进行分析，该布设方式的最佳优化效果可提高人均占有空间60.9%。得到不同客流量下的闸机布设建议，为新线站厅闸机布设提供新思路。

城市轨道交通；服务效率；建模仿真；闸机布设

First-author'saddressSchool of Traffic and Transportation，Beijing Jiaotong University，100044，Beijing，China

随着地铁系统不断向着自动化、人性化发展，城市轨道交通车站自动售票（AFC）系统已经成为地铁站的标准配置系统。其终端自动检票闸机是限制车站乘客进出站的重要服务设施。目前城市轨道交通车站内的设施空间布局趋于模式化、简单化，直接导致检票闸机布设不合理，以致自动检票闸机常出现利用不均衡的现象。但在目前的设计规范和实际操作中，自动检票闸机的布设与分布缺少明确的、可操作性强的规定或说明［4］。

国内对城市轨道交通站内服务设施的布设已经开展了一定的研究，文献［1］对闸机组垂直和平行行人流线的两种布设进行了分析，得出了闸机实际的通行能力；文献［2］提出了闸机组利用的不均衡度，在分析上海典型车站闸机利用不均的基础上，提出了平行和垂直客流的差位布置闸机优化方案；文献［3］对城市轨道交通车站自动检票闸机配备数量进行了探讨；文献［5］通过对行人面对楼梯和自动扶梯的路径选择概率进行研究，得到了行人路径选择概率与该路径行走时间的Logit模型。

本文基于城市轨道交通车站乘客路径选择行为研究，分析乘客进出自动检票闸机组（以下简称，闸机组）的利用效率，主要通过对闸机与行人流线之间角度的调整来达到提高闸机排队区服务水平的目的。

1 检票闸机典型布设方式

站厅是乘客集散的主要场所，站厅布局设计优良能够提升客流集散效率，减少人力投入，降低事故发生率。由于闸机与其他设施的相对布局决定了客流流线走向和流线规模，因此在站厅设计中显得十分重要。

以北京轨道交通市区线路94个站厅为初步研究对象，对站厅闸机布设进行分类。发现闸机与客流流线之间的关系主要可以分为两类：闸机朝向与客流方向垂直布设；闸机朝向与客流方向平行布设（以下简称，平行式布设）。具体布设如图1所示。前者，具有闸机处排队方向与客流流线方向相同、标识明显等特点，有利于闸机的均衡利用，但实际应用中对站厅空间要求较高；后者，进站闸机朝向垂直于客流流线，使得闸机处排队方向与客流流线相垂直，

与《地铁设计规范》要求相违背，易导致闸机间利用不均。

图1 闸机组与客流流线平行（左）/垂直（右）布设示意图

平行式布设是现阶段主要闸机布设方式。北京市新修线路非换乘站中有62.77%的车站其进站闸机组为平行式布设，对其研究分析具有典型代表性。

2 平行式布设客流特性分析

设施利用不均衡主要与城市轨道交通车站的设施空间布局和行人的路径选择行为特征两个因素相关［6］。两者密切相关，设施空间布局是乘客进行路径选择的基础。行人路径选择具有很大的灵活性且影响因素众多。在客流量较小的情况下，行人面对一组检票闸机时倾向于选择距离最近的一个，这符合最短路径的原则。但在客流量较大时，较近闸机出现排队情况，此时行人选择路径的主要影响因素来自行人之间的作用，此时行为主要表现为行人的自组织行为［6］。

为进一步了解闸机组平行式布设下的行人行为特征，选取北京轨道交通动物园站与复兴门站的进站闸机作为研究对象。在对各闸机数据进行分析时发现，离行人到达口较近的两个闸机所经客流均占到总客流量的70%以上，具体数据如表1所示。

表1 检票进站客流分布情况

可以发现，进站乘客一般会优先选择最短路径。但由于近端闸机通过能力并不能承受全部客流，导致在较近闸机前形成瓶颈，其一般是由闸机前排队空间不足造成。

2.1 近端闸机与远端闸机

由于在闸机平行式布设的情况下，客流一般会在较近闸机处发生拥堵，为方便区分，定义：在闸机平行式布设情况下，单个闸机组中距离乘客到达处较近且其通过人数占总通过人数70%以上的多个闸机为近端闸机，其余闸机都是远端闸机。

2.2 行人选择闸机的影响因素分析

对行人选择闸机的主要影响因素来自于行人与闸机的距离、闸机前是否拥挤和行人自身特性。其中平行式布设的主要的动态影响因素是近端闸机是否拥挤。行人选择闸机的判断行为可简化为图2的判断流程。

图2 行人判断流程图

3 构建行人选择闸机行为数学模型

为能给行人判定闸机前是否拥挤这一行为一量化标准，根据实地调研，将闸机前2.88 m2矩形面积内的行人密度作为影响后续行人选择近/远端闸机的重要影响因素。

在动物园站，现场采集了一个高峰小时内590组近端闸机前行人密度与行人选择闸机情况的数据，并删去一些坏值，最后得到559组有效数据。通过MATLAB曲线拟合，导出选择远端闸机的人数与通过闸机总人数的比例（y）和近端闸机前行人密度（x）关系的曲线（见图3）。曲线拟合度较高，且随着近端闸机前行人密度的增加，y值逐渐趋于稳定。

在x达到2以后，y值接近并稳定于0.45；且实际观测中，闸机前测试区密度难以达到3.5人/m2。行人仿真流程图如图4所示。

图3 行人密度与远端闸机选择比例的函数拟合

图4 行人仿真流程

4 优化方案与仿真评价

在闸机平行式布设的情况下，客流量不均匀分布、车站布局、闸机组布置以及行人路径选择偏好等都会引起闸机组利用不均衡的现象，导致车站的运营组织管理不便。因此，通过适当调整闸机组的布设，降低其利用的不均衡度，对提高设施利用率、减少乘客不必要的延误等方面都有重要意义。针对闸机平行式布设，已有将闸机组每个闸机按其距离楼梯远近逐级递进靠前的优化布置［2］。对其仿真得到了一定的改善效果，但仍存在因错位布设浪费闸机通过能力，实际操作困难等问题。

4.1 有倾斜角式的闸机布设

受香港地铁站进站方向与客流方向呈倾斜角布置启发，结合前文行人优先选择近端闸机的行为特性，从实际应用出发提出了部分闸机朝向与行人流线呈一定倾斜角，同时其他闸机朝向不变的改善方案。即：让选定倾斜的闸机以相邻闸机组中心线一端点为旋转中心，以一个闸机的宽度为半径旋转（见图5，其中α为倾斜角）。

图5 闸机旋转角度示意图

为定量研究不同情况下的最优角度和最优倾斜闸机数，选取倾斜角度数和倾斜闸机数为变量，构建了36组改进仿真方案，以6台闸机为一个闸机组，高峰客流为4 200人次/h的条件为基础，进行如下方案优化（见图6）：

（1）2台近端闸机全倾斜，倾斜范围为5°至80°，均匀间隔取12个方案；

（2）2台近端闸机与1台远端闸机倾斜，倾斜范围为5°至60°，均匀间隔取12个方案；

（3）2台近端闸机与2台远端闸机倾斜，倾斜范围为5°到45°，均匀间隔取12个方案。

在评定方案的优化效果方面，选取6台闸机前6块试验区（1.80 m2）所测行人密度的方差与平均值作为基础数据。其中，方差的降低代表闸机利用分布均匀，平均值的降低代表进站拥挤程度减弱，皆为改进方向。将原始布置与改进后布置相比可知，方差变化不大，平均值均有显著地降低，仿真基本达到了优化效果（见图7）。

图6 各优化方案示意图

图7 平均密度与方差优化前后比较

4.2 优化方案评价

为选取最优方案，将密度与方差进行归一化处理，其值分布在［0，1］。继而，依据主观经验与相对重要程度比较，降低闸机前密度相比闸机均衡利用更具有实效性，因而赋予方差0.3、平均值0.7的权重并求和，最终得到同一客流强度、各个优化方案的特征值。显然，该特征值越大则优化效果越好。

在数据处理方面，基于MATLAB对某一客流强度、某一近端闸机布置个数的情况下不同角度的特征值进行曲线拟合，拟合区间为x∈［倾斜角α°，45°］，并选择相关性较高的曲线。针对闸机平行式布设时高峰4 200人次/h的实际客流量得出各优化方案特征值曲线图，结果如图8所示。

图8 优化方案特征值曲线图

根据数据分析，得出理论最优情况为：2台近端闸机倾斜26°（见图9）。比较曲线可以发现，倾斜2台闸机与倾斜4台闸机的曲线都只有单个峰值；倾斜3台闸机有2个峰值，说明倾斜角与特征之间有一定的波动性。

5 不同人流量情况下的改进方案

考虑到实际高峰小时客流量，在调整行人流量数据时分别设定其为3 200人次/h、2 200人次/h，得出不同客流量下的最优改进方案。其中：①4 200人次/ h客流量下倾斜3台闸机；②2 200人次/h客流量下倾斜4台闸机；③3 200人次/h客流量下倾斜4台闸机。这3种情况下，曲线区间小、波动剧烈、拟合相关性低，加之优化时往往优先考虑近端闸机少的情况进行角度调整，故舍去这3种情况。最终的结果见表2。

图9 26°倾斜角2闸机方案仿真界面

表2 不同客流量、近端闸机数情况下倾斜角度调整结果

在每种客流情况下，都给出了多个最佳改进方案，主要考虑到不同情况下的适用性：①若进站闸机需要应对多个方向客流，在相近特征值下，倾斜少数闸机的方案更优；②若只需应对单方向大客流，取特征值较大者。

综上所述，参照HCM 2000排队等待行人服务水平标准（见表3），给出不同客流量情况下改进前

后的服务水平对比表，结果见表4。

表3 HCM2000排队等待行人服务水平标准

表4 不同客流量下最优方案的优化效果

需要说明的是，实际调研中测试区2.88 m2内行人数达到10人或以上的情况（服务水平D）时，近端闸机前排队行人过度拥堵混乱，行人行为假设与流线分析均出现问题。故本次研究的服务水平在A -C间。同时，由于同一服务等级下行人占有空间的数值分布较大，针对有改进效果但未提升服务等级的情况，以人均占有面积提高百分比来进行优化程度的评价。

由以上结果可以看出，闸机的倾斜布设一定程度上能改变闸机前排队等待行人的服务水平，不同客流量下改进情况的行人占有空间都有了一定的提升。

6 结语

本文对仿真结果进行了分析，提出近端闸机的概念与一般情况下优先选择近端闸机的行人行为理论；以该理论为基础提出了与客流呈倾斜角的闸机布设优化方案，给出不同客流情况下的闸机布设优化方案。并以闸机组内闸机前密度的平均值与方差评价优化效果，发现在到达客流量为4 200人次/h情况下，最优布置方案为2台近端闸机倾斜26°；在3 200人次/h情况下，最优布置方案为2台近端闸机倾斜44°；在2 200人次/h情况下，最优布置方案为2台近端闸机倾斜26°。其中在4 200人次/h情况下，优化意义最大且人均占有面积提高了60.9%。整个研究为城市轨道交通车站闸机布设提供了一新思路。

但是，由于现实中没有部分倾斜设置的闸机组，所以理论具有一定的局限性。文中通过实地调研构建了行人闸机选择行为的数学模型，但模型中的数据标定来自于平行式布设，在闸机倾斜时是否仍然适用该理论缺少相应实际数据支持。

［1］ 王子甲，陈峰，罗诚.轨道交通车站检票闸机布局的仿真优化［J］.北京交通大学学报：自然科学版，2011，35（6）：28.

［2］ 冯建栋，吴娇蓉，金昱，等.轨道交通自动检票闸机组利用不均衡度研究［J］.城市交通，2010（3）：28.

［3］ 何洁.城市轨道交通自动检票机配置数量的研究［J］.铁道通信信号，2008，44（10）：14.

［4］ GB 50157—2003 地铁设计规范［S］.

［5］ Cheung C Y，Wiliam H K Lain.Pedestrian route choice between escalator and stairway at MTR stations［J］.Journhal of Transportation Enginering，1998（5）：277.

［6］ 陈艳艳，张广厚，史建港.拥挤行人交通系统规划及仿真［M］.北京：人民交通出版社，2010.

京沪高铁运送旅客突破2亿人次

新华网北京4月13日电（记者齐中熙、樊曦）2014年4月13日9时30分，自2011年6月30日开通运营的京沪高速铁路运送旅客宣告突破2亿人次。

2013年2月28日，在京沪高铁开通运营1年8个月之际，京沪高速铁路运送旅客突破1亿人次；而仅1年2个月后，这条世界上一次建成标准最高、线路最长、中国历史上一次投资规模最大的高速铁路的运送旅客量就实现了翻番，再次展示出其巨大的输送潜能。

开通以来，京沪高速铁路股份有限公司坚持以市场为导向，以市场决定资源配置，进一步完善运行图，并建立了随季节、随市场变化灵活调整的弹性机制。针对商务座、特等座、一等座实施分时段、分车次客票特惠方案，促使列车客座率均有不同程度提升，成为高铁探索市场灵活客票机制的一种重要方式。

各沿线铁路局努力提高客运服务质量，大力改进站车服务形式，提升京沪高速铁路服务品牌效应，使高速铁路不断地被人们认可，成为出行的首选。

（摘自2014年4月13日《新华网》）

Layout of Subway Station Ticket Gate Machines Based on Passenger Flow

Mo Ni，Zhou Guanyu，Yang Lu

The passenger behaviorin choosing the gate machines of Beijing metro is analyzed，a definition of proximal gate machine and the process assumption about pedestrian's preference of proximal gate machine is put forward，and a mathematical model through field research is established. By adopting the simulation software，the layout of gate machine from the point of angle offset to passenger flowis modified.The simulation platform analysis shows that the space occupancy area per capitacould be increased to 60. 9%by improvement.Then，a various layout schemes of gate machine layout according to different passenger flows could be obtained，which provides new thoughts for thelayout of gate machineat new subway stations.

urban rail transit；service efficiency；modeling and simulation；gate machine layout

U 293.22

2013-07-17）