基于交通量匹配性的轨道交通枢纽站换乘效率分析

李成刚， 王武宏， 蒋晓蓓， 姚丽亚

(北京理工大学 机械与车辆学院， 北京 100081)



基于交通量匹配性的轨道交通枢纽站换乘效率分析

李成刚， 王武宏， 蒋晓蓓， 姚丽亚

(北京理工大学 机械与车辆学院， 北京 100081)

城市轨道交通枢纽是城市轨道交通网络的关键节点，其运营效率的高低直接决定整个轨道交通网络的运输效率. 乘客换乘效率不仅与枢纽场站的选址和设计有关，同时还与换乘设施的服务能力和服务水平有着密切的关系. 本文以北京地铁西直门站换乘设施为研究对象，经过调查预测目标年地铁西直门站的交通量，并进行换乘设施服务能力和交通需求之间的匹配性研究，判断设施利用率，从换乘便利性等角度进行换乘效率分析与评价，最终实现换乘设施的优化设计.

城市轨道交通； 交通量匹配性； 换乘设施； 优化设计

0 引言

截至2014年，北京市运营的地铁线路总里程已经超过440 km，换乘车站数量超过40个. 而北京市城市轨道交通2020年规划总里程将超过1 000 km，车站数和换乘车站数还会有较大的增幅，因此，对于新建车站尤其是换乘车站的设计具有非常重要的意义.

国内外学者在换乘设施方面进行了比较深入的研究. Bates Jr E G[1]阐述了乘客换乘设施对于乘客运输系统的重要作用，给出了换乘设施的分类，解释了脉动系统和非脉动系统的差异. Seneviratne P N等[2]系统地介绍了换乘设施的服务水平，聚焦于现有的步行设施的评价方法论并且讨论这些方法在设计过程中的有效性和有用性. 纽约大学的Zhan Guo等[3]以伦敦地铁为例进行了公共运输系统换乘不方便性成本的评估，研究了换乘设施投资和使用中的成本，以及如何降低这部分成本. Trozzi Valentina等[4]研究了排队长度、时间对乘客换乘路线选择的影响，建立了一个修改现有算法的模型来进行轨道交通内部的交通分配. 德国德累斯顿科技大学的Dirk Helbing等[5]提出行人交通流中的自组织理论，建立行人交通流模型，并通过在走廊、瓶颈处和交叉处的调查实验验证模型的正确性. Cheung等[6]在香港MTR地铁系统进行了关于行人在自动扶梯和楼梯之间选择的交通行为调查，运用缩时摄影技术获得交通量信息，研究发现行人对纵向行人交通设施下行的延误更为敏感. 北京交通大学的朱竞争[7]基于对轨道换乘站的特点、形式、轨道内部乘客特性和客流影响因素的分析，研究换乘站内部乘客特性和换乘客流特征. 北京交通大学的吴丹等[8]研究内容集中在地铁车站乘客导向标志的设计. 吴昊灵等[9]针对北京地铁西直门站的换乘方案进行了研究，主要是对换乘的流线、换乘组织进行了研究，总结了西直门站在乘客换乘组织方面的问题，并给出了解决问题的设计方案，并且对不同方案进行了评价.

前人对于轨道交通换乘设施的研究在运输组织、流线优化、交通流特性以及运用模型对客流特性进行仿真等方面取得了较多的成果. 但是，很多研究集中在宏观的场站设计、流线设计和运输组织方案设计等，针对城市轨道交通枢纽站换乘设施(通道、楼梯和扶梯)的设计较少. 本文以北京地铁西直门枢纽站换乘设施为例，通过研究换乘设施服务能力与换乘需求之间的匹配性，最终形成一般的地铁枢纽站换乘设施优化设计方法.

1 交通量预测和目标年设施匹配性研究

1.1 交通量调查

本文以北京市地铁西直门站为调查对象，获取地铁2号线、4号线、13号线之间的换乘客流以及进出口A1、A2、B、C、D、E、F的高峰客流量. 调查时间选择晚高峰17:00—18:00. 高峰时段的发车周期3条线路都能控制在2 min内，考虑到下车及步行到观测点的时间间隔，本次调查采用3 min为周期，每个观测位置统计20组数据，获取该位置处的高峰小时流率. 根据调查数据可得2013年地铁西直门站换乘OD矩阵如表1.

表1 2013年地铁西直门站换乘OD矩阵

OD矩阵中的数据均是高峰小时流率. 数字0表示没有客流量或者客流量在3 min内小于5. 由表1可知，2号线、4号线和13号线之间的客流量非常大，对于换乘设施的冲击也最大，因此在对换乘设施服务能力与交通需求之间匹配性研究时应当着重考虑. A2口出站量很大，需要较多的闸机配合.

1.2 现有交通量匹配性研究

将西直门地铁站内的换乘设施总结到平面图上，结合线路的换乘客流量，形象直观地反映设施的客流负担情况.

楼梯和自动扶梯在乘客换乘过程中具有特殊的作用，能帮助乘客实现空间内的移动. 表2中列出了楼梯和自动扶梯的属性和利用率.

设施利用率高于70%的设施有4处，已经出现拥挤、排队情况，设施利用率较高，但是效率会降低. 同时还有一些设施的利用率不足30%，未能充分发挥换乘设施的效用.

图1 通行类换乘设施布局图

序号12345678设施楼梯自动自动楼梯自动楼梯自动楼梯自动楼梯楼梯规格/m12112511125123数量521//211221222客流量141801000034004820136401418035803100设计流量210001620081001735024600254501480014800利用率068062042028055056024021序号9101112131415161718设施楼梯楼梯楼梯楼梯楼梯楼梯楼梯楼梯自动楼梯楼梯规格/m42525255222122数量22221211224客流量584013060732097601864011850574084401606017560设计流量1480018500185001850018400168008400155001680033600利用率039071040053101071068054096052

通道连接了不同线路，在换乘路线中发挥着重要的作用，通道内有楼梯和自动扶梯实现不同平面的移动. 通道能缓冲换乘客流，降低客流量的波动性，减少对设施的瞬时冲击. 通道的属性和利用率如表3所示.

序号1表示4号线换乘2号线的环形通道，其规格相同都是4 m通道；序号2表示13号线通往2号和13号线的客流量换乘区域，大量客流在此分流；序号3和4分别指13号线换乘4号和2号的专用通道.

由表3可知，通道的利用率普遍偏低，均不足50%，所以，目前情况下，瓶颈位置不出现在通道内，尤其是不出现在通道段上. 而通道的端点多是站台端点或者出站口，对于出站口，客流交叉，但是由于进出站乘客客流量较小且分散，所以没有出现拥挤现象. 对于站台端点，由于换乘客流量巨大，且呈现波动性，波峰到来时2个方向的换乘客流会交叉，通道的客流量剧增.

表3 通道属性和利用率

北京交通大学的张慧慧等[10]在对北京地铁进出站设施通行瓶颈问题的定量分析中得出，当设施利用率超过70%时，开始出现排队、拥挤现象. 本文就以设施服务能力的70%作为评价设施是否能有效提供服务的标准. 楼梯和自动扶梯设施利用率超过70%的设施如表4所示.

表4 利用率超过70%的换乘设施

数据反映出来的4个位置分别为4号线东厅楼梯、2号线南厅楼梯、2号线到4号线楼梯和通往13号线站台的楼梯. 这4个位置的高峰小时客流量都超过了10 000，对设施的需求最大. 这与实际换乘感受是一致的，这些位置出现了明显的拥挤和排队现象.

楼梯13、14和10位于站台的两端，拥挤和排队现象会占用大量站台空间，这给换乘和上下车带来了很大的压力，在晚高峰时段，2号线站台拥挤现象严重. 楼梯13是混行楼梯，经过其客流主要有2号线出D口和C口客流、2号线转13号线部分客流、13号线转2号线所有客流客流量巨大，超过了设施能提供的服务能力，所以该楼梯周期性的出现拥挤现象. 楼梯17位于13号线站台下，用于将2号线和13号线客流输送至13号线站台，由于该楼梯只有2个2 m楼梯组成，服务能力有限，所以楼梯上乘客行走速度缓慢，排队现象严重. 楼梯14是由2个方向，2个通道共同组成，是地铁西直门站最小的楼梯，也是换乘距离最短的通道. 该楼梯位于地铁2号线站台的中央，承担了几乎所有2号线转4号线的客流. 其位置本身就占据了2号线站台的大片区域，使得2号线南厅和北厅被分隔开，中间通行的通道仅1 m有余. 这样的设计为换乘乘客带来巨大便利的同时也给本已十分狭小的站台带来了巨大的压力.

1.3 交通量预测和目标年设施匹配性研究

由于本文只是对北京地铁西直门站客流量进行预测，数据较小而且换乘流线较简单，所以本文采用经典的Fratar法对换乘数据进行预测. 假设地铁西直门站3条线路的换乘客流量和进出站流量增长幅度与北京地铁2号线、4号线、13号线3条线路总交通量增长幅度一致. 同时，各线路客流量的增长情况等价于地铁西直门站各线路之间的交通发生量. 因此如果能够获取近10年来北京地铁2号线、4号线和13号线的年客流量数据，便可以预测2020年各线路的客流量数据，然后比较目标年和基础年的客流量数据便可以得到增长率. 图2展现了2003—2012年3条线路客流量变化情况.

图2 2号线、4号线和13号线在2003—2012年 客流量变化情况

2020年在不进行大规模建设的前提下，换乘设施的服务能力没有太大变化. 但是各电梯承载的客流量发生了较大的变化，如表5中的预测客流量，以设施利用率为标准判断哪些设施服务能力不足，便于后期的设计.

由于2020年客流量的增加，有一些换乘设施将无法满足使用要求. 因此，将不符合要求的设施总结如表6.

各个设施的位置如图3所示，图中黑色楼梯即为不符合要求的设施.

表5 2020年通行类换乘设施属性和利用率数据

表6 2020年不符合要求的通行类换乘设施

图3 2020年不符合要求的通行类换乘设施

由表6可知，1号楼梯、13号楼梯、15号楼梯和17号楼梯的设施利用率都超过了1.0，设施的服务能力将出现很大的不足. 3号自动扶梯1∥2指的是，目前运行1台自动扶梯，另有一台正在建设，等到2020年其服务能力会是16 200，利用率为91%. 而17号楼梯承担了所有进站口和2号线及4号线通往13号线站台的客流量，但该楼梯只有2个2 m楼梯，观测显示该楼梯客流行动缓慢，往往是上一个高峰还没结束下一个高峰就又到来，设施负担非常重，因此此处应当增加1部自动扶梯或者增加2个2 m楼梯. 1号楼梯共有6组，每组1.2 m，目前使用中的只有5组，该组楼梯共有8级，坡度较缓，因此虽然客流量较大，但是并不一定会出现拥挤现象.

2 瓶颈设施优化设计方案

由于地铁西直门站建成较早，基本的换乘设施已经建设完成，因此在进行换乘设施的改善设计中尽量避免大规模的基础设施建设. 为达到标志标线引导、交通管理与控制和设施建设相结合，同时尽可能引导客流单向组织，避免双向混行的目的，设计方案如下.

方案1：在2号线站台中段换乘4号线的楼梯处增加引导标志，将部分2号线换乘13号线的乘客引导至4号线站台，与4号线客流汇合，沿11号和4号楼梯进入13号线换乘通道. 合理调整高峰时段的发车间隔，错开2号线双向列车的到站时间，另外，还需要在2号线南厅处增设可变信息电子引导标志，可以将高峰时段部分2号线转4号线乘客引导至2号线南端，通过环形换乘通道换乘至4号线.

本方案减少了由2号线北端换乘13号线的乘客，降低了6号、2号和12号楼梯的负荷，同时提高了3号、4号楼梯的设施利用率，提高了其通行效率. 但是本方案也增加了14号楼梯和11号楼梯的压力，增加了4号线站台的客流量. 所以还需要2号线和4号线列车的发车间隔相协调.

方案2：13号线换乘2号线和4号线的通道中增加2个设施，其一位于1号线和4号线分流处，增加1处通道通往2号线北厅楼梯. 其二位于13号线换乘2号线中段，增加1处楼梯直接通往4号线. 同时，12号楼梯应当增加引导标志，将其楼梯1.5 m设为自北向南单向通行，专为13号线转2号线设计. 2号线增加引导标志，将2号线换乘13号线客流引导至南厅通过环形换乘通道与4号线换乘客流汇合，换乘到13号线. 其位置如图4所示.

图4 新增设施位置立体图

设置这一通道的目的在于缓解16号楼梯、自动扶梯和13号楼梯、11号和15号楼梯的压力，提高西南换乘通道设施利用率，同时提高4号楼梯和3号自动扶梯的效率.

方案3：开通西北环形换乘通道，在2号线换乘13号线合流位置增加引导标志，将部分换乘13号线客流引导至4号楼梯，与4号线换乘13号线乘客合流. 这样不仅可以增加4号线换乘2号线的路线选择，又能分担2号线换乘13号线客流，减小6号楼梯和2号楼梯的压力.

以上3条方案不是相互独立的，应当组合使用.

现有设施和设计后的设施布局图如图5和图6所示.

图5 现有换乘设施布局图

图6 设计换乘设施布局图

3 结论

本文以北京地铁西直门站的换乘设施为研究对象，经过调查判断设施利用率，进行换乘设施服务能力和交通需求之间的匹配性研究，最后实现换乘设施的优化设计. 本文在对西直门站换乘设施的设计中增加了1段通道和1个楼梯，配以各线路的管控手段，对于解决部分设施服务能力不足的问题具有明显的作用. 同时，本文中调查数据不够充实，可能导致较大的随机误差. 今后的研究可以对设计方案进行仿真，更好地观察优化设计对换乘设施的改善程度.

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[8] 吴丹. 地铁导向系统的设计原则和风格化设计研究[D]. 北京： 北京交通大学， 2009.

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Analyzing the Efficiency of Transfer Facilities in Subway Station Based on the Compatibility of Traffic Volume

LI Cheng-gang, WANG Wu-hong, JIANG Xiao-bei, YAO Li-ya

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081，China)

Transfer stations are the nodes of the urban rail transport network, which directly determines the efficiency of the system. Passengers transfer efficiency is related not only to hub station siting but also related to transfer facilities service capacity and the level of service. This research used the data from the Beijing Xizhimen subway station transfer facilities; the projected traffic volume in the target year was used to research the compatibility of transfer facilities service capacity and the traffic demand, estimate the transfer efficiency in terms of convenience, and optimize the design of transfer facilities.

urban rail transit; the compatibility of traffic volume; transfer facilities; optimal design

10.13986/j.cnki.jote.2015.03.010

2014- 10-30.

李成刚(1990—)， 男， 硕士研究生， 研究方向为交通安全. E-mail: elane100@163.com

U 231+.4

A

1008-2522(2015)03-45-07