城市轨道交通换乘枢纽乘客集散微观仿真研究

2015-01-02马海漫

科技视界 2015年4期

马海漫

（天津铁道职业技术学院，中国天津300240）

0 引言

近年来，随着我国国民经济的快速发展和城市化进程的加快，旅客运输需求急剧增加，而我国城市交通基础设施、交通环境和服务质量却相对滞后，严重限制了城市的发展空间，成为大型城市经济发展的“瓶颈”。根据发达国家客运交通发展的经验和规律，大型城市解决交通难题的有效途径就是发展现代化轨道交通。城市轨道交通能够快速、大运量的运送旅客，但要想在运能上适应不断增长的客运需求，必须首先以轨道交通不同线路之间的协调换乘为前提。从换乘方面来看，换乘枢纽内客流行为和规律对换乘站的换乘通过能力产生很大的影响。通过建立换乘枢纽的微观疏散仿真模型[1]进行仿真模拟，可以直观地对客流的聚集、疏散、换乘过程和人群分布状况进行动态观察，对于换乘站的设施设计和运营管理具有重要意义。

1 换乘枢纽概述

换乘枢纽[2]是三个及以上方向的城市交通线路的交汇点，是具有旅客运输组织与管理、中转换乘、信息流通和辅助服务等功能的综合性设施，是实现不同乘车方向之间、同种交通方式内部转换的场所。换乘枢纽的分类如表1所示。

表1 换乘枢纽分类

2 换乘枢纽旅客集散特性与旅客行为分析

2.1 换乘枢纽客流特性分析

与始发站和其它普通中途站相比，换乘枢纽内的客流构成与特性存在着明显的区别，其具有如下特性[3]：

2.1.1 客流高度集中

换乘枢纽除了具有普通车站的进出站客流外，还汇集有相交线路甚至全网多个车站之间的交换客流，造成换乘枢纽内客流集中，通常是普通车站客流量的数倍。

2.1.2 客流多方向、多路径

由于进出站客流、换乘客流具有不同的出行目的、出行方向，即对应不同的出行路径，必然导致存在多股客流的交织，形成多个冲突点。

2.1.3 时间、方向方面客流量不均衡

不同时段、不同换乘方向的客流量存在较大差异，这主要与旅客的生活需要和城市的布局与发展规划相关。

2.1.4 短时冲击性

轨道交通客流的到达并非连续均衡（上下班客流高峰期[4]），而是随列车的到达呈现脉冲式的分布规律，即在短时间内对换乘设施会产生冲击作用。

2.2 换乘枢纽旅客行为特性分析

旅客行为特性对车站的设计、运营管理有巨大影响，对于准确有效地组织客流集散换乘，减少旅客站内停留时间，提高运输效率，更大程度的保障旅客安全十分重要[5]。其主要特征如下：

2.2.1 就近性

在换乘路径上人们习惯选择最短路径,如在到达站台时,倾向就近选择换乘车厢,易导致站台换乘客流分布的不均衡。

2.2.2 步行速度快

前方上车旅客行走速度较快,期望尽快进入换乘设施,导致换乘路径上客流速度分布不均衡。前方下车旅客因无购票过程，整体速度较快。

2.2.3 排队性

在购票、检票、进出站、上下车时旅客会自动找寻排队人数较少的队列进行排队，使得由于就近性产生的换乘客流分布的不均衡性得到一定缓解。

3 换乘枢纽仿真概念模型

概念模型根据换乘枢纽内旅客活动的实际流程建立。旅客作为研究的主要对象，根据其来源与去向分为上车旅客与下车旅客。概念模型示意图如图1所示。

图1 旅客活动概念模型

3.1 上车旅客

设定单位时间内上车旅客（A）数量为m，其中未持有月票的旅客（B）数量所占上车旅客总数比例为α1，持有月票的旅客（C）所占比例为α2。旅客（A）进站后，其中的旅客（B）先到售票处完成购票过程，再进行检票过程；旅客（C）直接进行进站检票过程。当旅客（B）与旅客（C）完成检票过程后，进入站台候车区进行候车，当列车到达，进行上车出发过程。

3.2 下车旅客

设定单位时间内下车旅客（D）数量为n，其中需要换乘旅客（E）数量所占下车旅客总数比例为β1，而无需换乘直接出站旅客（F）数量所占比例为β2。旅客下车后，旅客（E）直接到站台候车区进行候车，当列车到达，进行上车出发过程；旅客（F）则进行出站检票（回收乘车卡）过程，离开车站。

4 基于Simio的换乘枢纽仿真逻辑模型

4.1 固定设施仿真

4.1.1 进出站口

进出站口作为客流产生、消失的端口，是计算进站旅客平均站内停留时间的起点与出站旅客平均站内停留时间的终点。在通过Simio软件建立模型过程中，可以用Source作为产生准备乘车旅客的进站口，用Sink来作为下车旅客的出站口。通过定义Source的属性到达逻辑Arrival Logic，来设定进站客流量（单位时间内进站人数）等指标。

4.1.2 售票窗口

车站内的售票能力直接决定着旅客的平均站内停留时间与车站的输送能力。在建模过程中，采用Server作为售票窗口，通过定义Server的能力Capacity Type（几个同时窗口售票）和处理时间Processing Time模拟旅客购票过程。可以在不同的时间段内，增加或减小售票能力（售票窗口数量）来适应客流量的变化。

4.1.3 检票处

无论旅客是否持有月票，检票对于进出站旅客是一个必须的过程。在此次模型建立的过程中，根据实际检票路径的数量，采用“一对一”的模式，即一个Server对应一个检票口，因此只需要通过设定Server的处理时间Processing Time就可以模拟旅客进站检票过程。

4.2 活动实体仿真

4.2.1 旅客实体

旅客作为车站输送的实体，他们对于空间位移的需求是整个车站、整个交通运输系统的目的所在，也是在建模模拟过程中主要研究分析的对象。在仿真系统中，根据其来源与去向分为上车旅客与下车旅客，可以定义多个Model Entity来分别表示不同种类的旅客。通过设置Model Entity的初始速度Initial Desired Speed来模拟旅客的站内走行速度。

4.2.2 车辆实体

轨道车辆是运送旅客的载体。通过实际调查数据显示，在客流量相对较多的开发区站大连——金石滩方向上，运输高峰期，列车间隔为5分钟，非高峰期间隔为10分钟；在客流量相对少一些的九里——开发区方向上，运输高峰期，列车间隔为10分钟，非高峰期间隔为20分钟。在满足建模要求的情况下，对轨道车辆采用循环方式运行，通过设置轨道车辆在不同时间段的运行速度和运行路径的距离，来达到规定的间隔时间，产生预定的运输效果。在该仿真系统中，采用了3个Vehicle来模拟三个方向上的列车，并且通过定义其路径逻辑Routing Logic，设定固定路线Fixed Route，以及设置初始速度Initial Speed来仿真轨道车辆的循环过程。

4.3 路径仿真

路径是指换乘枢纽内旅客行走的轨迹，通过对旅客集散换乘过程的分析，结合建模需要，可将旅客分散的走形轨迹设置成路径并进行编号。在仿真过程中，通过路径之间的连接，旅客根据活动需要对路径的选择，完成车站内旅客的的集散换乘活动。具体的旅客站内走行路径如图2、图3所示。

图2 车站一楼旅客走行路径

图3 车站二楼旅客走行路径

在图2、图3中正方形1、2分别表示进站口1和进站口2；三角形A、D、E、H表示进站检票口；三角形B、C、F、G表示出站检票口；六边形A1、B1、C1、D1、E1、F1表示楼梯在车站一楼的进出口；六边形A2、B2、C2、D2、E2、F2表示楼梯在车站二楼的进出口；八边形1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16表示候车区内旅客上下车位置；箭头线表示旅客站内走行路径，为方便实地调查各路径距离，对路径进行了编号，箭头线中间的数字为路径编号，其中路径又分为：

4.3.1 时间路径（箭头线1、3、4、39、41、42）

该车站旅客检票后通过滚动电梯和楼梯上二楼月台，进行候车；二楼下车的旅客则通过楼梯走至一楼。在建模过程中，为方便起见，可采用TimePath来具体的定义上下楼所需时间，通过对其属性Travel Time赋值实现楼梯的仿真。

4.3.2 距离路径（除了表示时间路径的箭头线）

根据建模需要，将除了上下楼梯之外的旅客站内走形轨迹设置为Path，可以将实地测量计算获得各条路径的长度通过给属性Logic Length赋值来实现路径的仿真。