轨道交通车站检票闸机布局的仿真研究

付 佳，李季涛，边 可

（1. 沈阳铁路局 大连站，辽宁 大连 116001；2. 大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028）

在与人们日常生活息息相关的城市公共交通方面，轨道交通正扮演着越来越重要的角色。随着轨道交通客流量的日益增加，车站拥挤程度随之增大，其中检票闸机的布置影响着整个车站的集散效率。针对轨道交通车站检票闸机布局进行仿真研究不仅可以归纳现有布局形式、发现不足、比选方案，而且还能够提出合理化建议，从而提高车站集散和乘客出行的效率。一些学者利用仿真软件建立仿真模型[1-3]来研究检票闸机的布局形式；在检票闸机配置数量及利用不均衡度方面[4-5]同样有许多学者进行了深入的研究。结合既有车站检票闸机布局，定义平行式布局和垂直式布局2种典型的闸机布置形式，在此基础上，分别建立行人仿真模型，根据仿真输出结果对闸机的布局方案进行比较分析。

1 轨道交通车站检票闸机布局现状及分类

1.1 检票闸机参数

以大连轻轨3号线为例进行实地调研，沿线各车站内的进出站检票均采用三杆式检票闸机，其各项参数如下：①闸机形式：三杆式；长、宽、高分别为135、30、103cm；②每小时通过能力：磁卡和非接触式 IC 卡分别为1500人/h 和1800人/h。

1.2 自动检票闸机典型布局方案

受车站的结构、站台形式和周围场地条件等影响，轨道交通车站站厅检票闸机的布置有不同的形式。通过对大连轻轨3号线沿线11个车站进行调研分析发现，一般情况下检票闸机的布置可以归纳为2种典型形式，即平行式布局与垂直式布局。

（1）乘客进站及出站方向与乘客进站检票方向平行，定义此种布局形式为平行式布局，如图1所示。

（2）乘客进站及出站方向与乘客进站检票方向相互垂直，定义此种布局形式为垂直式布局，如图2所示。

2 基于人流密度的路径规划算法

图1 平行式布局

图2 垂直式布局

基于人流密度的路径规划[6，7]是利用连续不断更新的密度信息来实时引导乘客通过拥挤环境，将距离信息与人群密度信息联系起来衡量一条路径的可利用条件。在仿真过程中，首先将环境划分成一系列不重叠的区域，每个区域只包含1条中轴线；其次，将中轴线的顶点与最近障碍物的端点连接起来，这些线段将环境划分成一系列走行区域：ε = { R1，…，Rm}，每个走行区域有且只有1条中轴线，如图3所示。

图3 导航网络

环境中的中轴线以蓝色表示，橙色线段连接了中轴线的一个顶点和距离其最近障碍物的端点。将每一个走行区域的人流密度值作为此区域中轴线的权重，由此形成一张加权网络图 G =(V，E)，网络图 G 有一系列点 V 和边 E，从而迅速为每一位乘客决定一条路径。乘客一旦移动，所有走行区域的密度值将随之更新。考虑到所有走行区域的密度值可求，每条中轴线的密度值也可以计算。任何一条中轴线 e∈E 的密度值可以看作是包含此中轴线 e 的走行区域的密度值。令‖e‖表示中轴线 e 的长度， 即为 e 的密度值。则在任意中轴线 e 的走行时间可以表示为

式中：tmin(e)指以最大速度穿过中轴线 e 所需的最小时间；w 是一个非负的权重值，取值在0和1之间，是介于距离最短路径和人群密度最小路径间的插值，如果 w =0，乘客将寻找最短路径，随着 w 的增加，乘客将越来越希望避开人群密集的区域，如果 w =1，乘客将选择最快速的路径；tdelay(e)指由于人流密度而引起的额外通过时间，计算公式为

式中：vmax为乘客的最大速度。

乘客在选择路径时，受到各种力的作用，并导致乘客规划决定最终的走行路径。首先，为了确保乘客始终在一定的路径范围中，一个由边界障碍物发出的边界力 Fb施加在乘客上，保证乘客与墙、街道、建筑等保持一个安全距离；其次，需要一个导向力 Fs将乘客引向其目的地；第三，当乘客在路径中移动时需要避障力 Fo使乘客能够避开路径上的静态和动态的障碍物及其他乘客。作用在位于 x 位置的乘客的力 F 可以定义为

3 轨道交通车站检票闸机布局仿真分析

3.1 模型基础数据

针对轨道交通车站进行实地调研与分析后，确定乘客的一系列基础数据如下：①乘客进站到达时间间隔呈现指数分布规律， 平均每隔1s 进站1人；②乘客通过检票闸机时间服从正态分布，平均通过时间为1.77s，最大值为6.4s，最小值为0.5s，方差为0.46；③以大连市轻轨3号线泉水站为例，早高峰期间行车间隔为4min，到达下车的乘客数平均在50人 左右。

3.2 轨道交通车站检票闸机布局仿真对比分析

根据调研数据和检票时间分布，在前述的基于人流密度路径规划算法基础上，利用 PD(Pedestrian Dynamics)软件，分别建立了轨道交通车站检票闸机平行式布局和垂直式布局的仿真模型，并进行了仿真实验。仿真得到2种布局人流密度如图4和图5所示，密度图中的颜色图例如表1所示。

从图4和图5的人流密度仿真结果可以看出：①在平行式布局中，由于乘客进站方向与进站检票方向平行，行人视野能够及时达到检票区域从而迅速判断前方拥挤情况并及时选择、调整路径，每个进站检票闸机处的客流量基本呈均匀分布，所以在图中大部分区域颜色呈浅灰色；②在垂直式布局中，由于乘客流线需要转向，导致靠近行人一侧的闸机使用率明显高于离行人较远的闸机，大量进站客流在此处聚集等待进站，造成了严重的拥堵，形成了黑色拥挤区域。从分析结果可知，平行式布局形式在检票闸机利用均衡度及乘客在车站空间分布合理性等方面优于垂直式布局。

图4 平行式布局仿真密度结果

图5 垂直式布局仿真密度结果

表1 密度图颜色说明表

3.3 存在流线交叉的布局形式

通过实地调研发现，在既有的车站设计中，部分车站存在乘客流线交叉现象，即由于售票室、进出站检票闸机地点设置不合理，导致乘客进站、买票、检票与出站乘客流线相互重叠。为此，分别建立了存在流线交叉的平行式布局和垂直式布局形式如图6和图7所示，通过仿真计算，得到其密度结果如图8和图9所示。

由图8可知，流线交叉导致乘客进站买票效率降低，售票室附近出现繁忙现象，并且进一步导致了进站检票口处出现严重拥挤。在图9中，进站买票乘客与出站乘客在车站大门及售票室附近均出现了拥挤现象，流线的冲突同时还使乘客出站效率降低，出站方向客流通行不畅，同样由于垂直布局使靠近行人一侧的闸机的使用率明显高于离行人较远的闸机，大量进站客流在此处聚集等待进站，进一步导致了进站检票处的严重拥挤。可见，无论何种布局形式，流线交叉对于乘客疏散是十分不利的，在车站布局设计时应尽量避免。

图6 存在流线交叉的平行式布局

图7 存在流线交叉的垂直式布局

图8 交叉平行布局仿真密度结果

图9 交叉垂直布局仿真密度结果

4 结论

经过仿真比分较析，可以得出以下结论：平行式布局明显优于垂直式布局；不存在流线交叉的布局优于存在流线交叉的布局形式。主要原因在于：①平行式布局减少了进站乘客流线的转向，使乘客流线顺畅、乘客视野开阔，这有利于乘客及时对前方拥堵情况进行判断进而选择高效路径；②垂直布局使靠近行人一侧的闸机的使用率明显高于离行人较远的闸机，大量进站客流在此处聚集等待进站，导致进站检票处的严重拥挤；③若在车站布局中存在流线交叉现象，流线重叠冲突会导致乘客进出站、路径选择效率的降低，并进一步导致乘客在车站门口及进站检票口处出现严重拥挤。

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[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，2011，35(6)：28-32.

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[3]张 盛. 城市轨道交通地下车站行人设施规模和布局评价方法研究[D]. 北京：北京交通大学，2011.

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