基于AnyLogic 的兰州西站客流换乘优化仿真研究

杨楠

（中国铁路兰州局集团有限公司科技和信息化部 工程师，甘肃 兰州 730000）

0 引言

高铁枢纽站是城市对内对外的主要人流集散点和运输节点，其客流组织优化、换乘效率与城市总体交通系统服务水平关联密切，也与站内乘客安全息息相关。 站内设施的布局及设计标准都决定了旅客在站内换乘的效率及舒适性，而乘客在不同服务设施处的路线选择行为、排队行为等也为枢纽内的设施布局进一步提供了理论依据。

国外专家对综合交通枢纽内部换乘的研究起步较早，Maged Dessouky 研究了怎样能够使铁路客运枢纽内火车的进站时间与换乘交通方式的发车间隔相协调，进而降低乘客的换乘等待时间，提升铁路客运枢纽的换乘效率[1]；Fruin 对轨道交通枢纽内换乘客流做了大量的调查，并通过统计分析，得出枢纽内不同换乘设施同行人速度、密度、流量之间的关系[2]；Bates E.G 对城市综合客运枢纽旅客换乘人数与换乘设施规模及先进性程度之间的能力匹配进行了研究，分析了综合客运枢纽各种换乘设施应配置的规模数目问题[3]。 大部分国外研究者致力于站区位置选择、设施布局优化以及旅客换乘流线等方面的研究。 我国专家学者对于高速铁路与地铁的换乘衔接问题的研究也正在逐步深入，李冰玉等对城市轨道交通网络大客流拥堵传播机理进行了探讨[4]；吴娇蓉等对换乘旅客通过换乘设施间隔时间进行了调查，并在此基础上根据检票机与安检仪的通行能力，分析了不同的旅客特征下换乘设施的通过能力[5]；陆铖提出运用客服设备进行站内换乘， 建立了无障碍评价指标体系进行系统评价，并利用VISSIM 仿真软件对北京南站站内换乘行人进行了仿真[6]；陈利红阐述了宏观、中观、微观的行人模型，比较了各个模型，运用AnyLogic 对西安北大街换乘站进行了仿真研究，找出瓶颈并提出优化意见[7]。 我国研究者对于高速铁路与地铁的换乘衔接问题的研究， 主要涉及轨道交通的内部换乘优化，旅客客流组织，客流、换乘匹配等宏观问题，在微观上的研究还是相对较少。

兰州市为狭长的河谷型城市，兰州西站为其境内最大规模的路网型铁路客运枢纽站，也是目前兰州市内唯一的高铁、地铁换乘站，日客流量达5 万余人次。 对枢纽站的空间布局以及设施设备进行合理的优化，从而提高整个枢纽的换乘效率，对促进城市规划和区域内综合交通体系的完善都具有重要意义。

1 客流流线组织

车站的进站客流在检票前是较为分散的，旅客会根据自己的目的与行为习惯而选择不同的走行路径。 大多数客流的进站流程是大致相同的，包括到站、问询、购票、实名验票、安检、候车、检票乘车等， 部分已持票的旅客和不进行托运行李的旅客，会更加快捷地通过上述路程。 中转旅客可以根据其换乘时间的长短，自行选择跟随普通旅客检票上车或者在站内实现无缝换乘。 而出站旅客客流则为瞬时客流，呈脉冲式的特点，主要表现为短时人流量大，走行速度快，并在站前广场迅速疏散。 旅客进、出站流程如图1 所示。

图1 旅客进、出站流程图

本文以兰州西高铁站与地铁的换乘客流为背景，兰州西站换乘地铁的客流需要先出站到北广场然后换乘地铁，采用站外换乘模式，客流流线上的设备主要有出站口、楼梯、自动扶梯、售票口、安检口和检票口、地铁站台。 楼梯和扶梯是旅客在换乘过程中必须通过的设施，连接着不同的层面。

兰州西客站中与本文相关的楼梯和自动扶梯主要有：高铁客流在下车后从站台到出站口的楼梯与自动扶梯，乘客检票进入付费区后从检票层进入地铁站台层。 其中，乘客从站台进入出站通道的楼梯均为单向自上而下的设置，而地铁口与地铁付费区内的自动扶梯有上有下，楼梯也是上下混行。 地铁客流需乘坐扶梯或者走楼梯到达地铁付费区，然后乘坐两层扶梯才能到达地面层，购票进站，再乘坐扶梯到达候车室。 其环境建模立体图如图2 所示。

图2 兰州西站环境建模立体图

2 仿真参数分析及环境构建

AnyLogic 软件是一款以社会力模型作为基础的仿真软件，通过行人库进行客流仿真，利用模块创建人行设施（如车站、出入口、通道等），通过改变参数控制行人的行为及设备通过能力等属性，也可以用流程图表达行人在仿真过程中的行为步骤，确定行走路线。 其行人库的建模又包括行为建模和环境建模。

2.1 行人参数

2.1.1 行人尺寸人的最大体宽和最大体厚定义了行人尺寸，体现了行人站立时的空间占用情况， 在不同的季节、携带行李不同的情况下， 行人的尺寸也会发生变化。 本文中利用半径来大概定义行人尺寸，考虑行李、着装等，取行人半径为0.45 m。

2.1.2 行人速度

行人速度主要受到旅客性别、年龄、身体状况、行李大小等的影响，差异较大。 一般行人速度的统计是确定一块直行区域，测量其长度，然后统计行人从进入到离开的时间，得出行人的平均速度，通常采用下一公式：

式中：△l 表示旅客在区域内的实际走行距离；V 表示旅客在区域内的速度；t2表示旅客离开区域的时间；t1表示旅客进入区域的时间。

经统计，旅客的走行距离平均值为1.32 m/s，本文设置为1.3～1.4 m/s。

2.1.3 携带行李情况

携带行李的大小能够影响行人的空间占用情况以及行进速度，对于客流流线上各个环节都有一定的影响。 经统计，在乘客中携带大型行李包裹的旅客约占44.6%，本文取45%。

2.1.4 行人结伴情况

结伴出行与单人的行动特性稍有不同， 在行进速度上要慢于单个行人， 且结伴行人存在着聚集分散再聚集的过程，在售票的服务过程中也存在差异。据统计，结伴行人数量约为总人数的1/4，其中两人结伴约占60%，三人或三人以上结伴约占40%。

2.2 环境参数

兰州西站出入口扶梯的参数为： 运行速度0.65 m/s，高10 m，宽1 m，其对应的通过能力分别是8 100 p/h 以及9 600 p/h。 一般情况下，实际通行能力约为理论通行能力的90%，即自动扶梯载客输送能力为：9 600*0.9=8 640 p/h。 楼梯则与自动扶梯配合使用，台阶高度在135～150 mm,宽度在300～340 mm。 高峰时段，扶梯产生拥堵，舒适度降低，部分旅客会选择通过楼梯上下。 而如果在此基础上旅客继续集结，超过扶梯的承受能力时，会出现拥堵的情况，甚至与之相互配合的楼梯也会发生排队拥堵。

不同的人群选择的购票方式也有所不同，同时人工购票窗口与自动售票区也会产生交织干扰。 车站共设有74 个人工售票口和48 个自动售票机，根据现有的研究以及实地考察统计，轨道交通人工售票口的平均服务时间在10～15 s 之间， 平均服务率为4.8 p/min，自动售票机的平均服务时间是15～17 s，平均服务率为4 p/min。

地铁由于人群不易疏散，安检必不可少，而安检成为限制换乘旅客速度的一个关键性环节，在旅客行李安检的过程中，往往会出现“行李等人”的情况，并且偶尔会出现拿错行李的情况，增加换乘时间。 根据已有研究和实际统计，携带行李的旅客通过安检仪的最大通行能力是1 685 人/h，有大约9%的旅客没有携带行李，所以每台安检仪的最大通过能力为1 852 人/h， 人均接受服务的时间为2.54 s。本文将每个人接受服务的时间设置在2～3 s 之间。

检票区是分割站厅、站台的区域，其通过能力根据我国现行《规范》[8]规定及相关研究，确定旅客通过闸机的速度平均值为3～4 s 之间。

3 基于AnyLogic 的换乘客流仿真优化

兰州西站地上二层为候车层，东西两侧共有24个进站口。 地上一层为站台层，主要进行售票、实名认证以及检票服务，目前有部分售票处尚未开放。地下一层为出站层，有南北两个出站口。兰州西站内部的设施数目和各设施属性参数由表1、表2 给出。

表1 客运服务设置数量表

表2 车站各环境设施仿真参数

各个行人个体选择的行为方式复杂且随机，人流中不同的行人有着不同的选择，或选择直接进站候车，或去人工窗口售票，或去自助售取票，不同选择的过程中就会产生行人流的交叉。 高铁、地铁的人流模块分别如图3、图4 所示，行人参数设置则由表3 给出。

图3 高铁行人流线模块

图4 地铁行人流线模块

表3 行人各模块参数

在完成设施布局建模和行人行为建模后，就可以开始仿真实验，各场景如下：

场景一：模拟兰州西站现状下，旅客从高铁换乘地铁的流线，分析各设备的利用率以及旅客换乘的总时间。 兰州西客站共有四个出站口，每个出站口设出站闸机四台，仿真为简化模型，设置一个出站口。

场景二：模拟兰州西站现状下，旅客从地铁换乘高铁的流线，分析各设施的利用率以及旅客换乘的总时间。 兰州西客站在出发层和候车层都设置了进站口以及售票处，本文只考虑旅客从出发层进站的情况。

场景三：模拟客流高峰大客流的情况下，兰州西站高铁与地铁的换乘流线，分析设施的拥堵情况以及旅客换乘的总时间。

其中场景一与场景二同时驱动，二者会相互影响产生交叉，场景三中的客流量由兰州西客站的日最大聚集量所得， 流线上各设施的数目如表4 所示，仿真效果图如图5 所示。

表4 流线上各设备数目 个

图5 旅客在出站口、安检口、售票处的仿真效果

场景一仿真结果分析：在现状下，旅客从高铁下车到地铁上车花费的时间在6 min 到10 min 之间，平均值在8.5 min 左右。 行人在高铁出站口和地铁安检口相对较为拥堵，各占40%与21%，各个服务环节的拥堵率如图6 所示。

图6 地铁——高铁各服务设施拥挤率

场景二仿真结果分析：在现状下，旅客从地铁下车到高铁检票进站花费的时间在10～17 min 之间，平均值在13.5 min 左右。 行人在地铁出站口和高铁安检口以及高铁认证口相对较为拥堵， 各占26%、21.6%和21.9%， 各个服务环节的拥堵率如图7 所示。

场景三仿真结果分析：当客流量激增后，部分设施设备会出现大量排队拥堵的情况，整个系统内部后期行人的换乘时间也大幅度地增长，后期到达的旅客，换乘时间会较平时延迟6 min 左右，多处设施出现排队聚集情况，在安检口以及验票口最为严重，旅客换乘时间呈对数正态分布。

图7 高铁——地铁各服务设施拥挤率

根据以上仿真结果及存在的问题，提出优化措施如下：

1） 对于高铁出站闸机， 在人流量大的时候，可以将闸机完全打开， 减少旅客在闸机处的延误时间，快速疏散客流。

2） 对于地铁安检口的行人拥堵，可以加开一到两个安检口，提高区域的服务能力。 同样的，在高铁验票口与安检口，也可以增加服务设施以提高旅客的通行能力。

3） 在通道内部，加强站内的流线导向，设置指示牌，引导旅客走向。 可以设置不同地标，将不同的旅客进行分流，规定其走行路线，减少流线的交叉。

4） 改变排队的队形走向，将直线型排队方式改变为蛇形队列，提高同等区域内旅客的容纳度。

5） 改变部分设施的空间布局。

在采取上述优化措施后， 分别截取了仿真6 min 的高铁换乘地铁行人密度分布图（图8）以及仿真10 min 的地铁换乘高铁行人密度分布图（图9），未出现大量的排队现象。 由于旅客在排队时采取了蛇形队列，减小了旅客的走行速度，且在高铁出站的时候将去往地铁、公交、出租车的流线进行指引，较之未优化前提高了旅客的疏散速度，减少了流线的交叉，也缩短了排队等待行人的排队长度。

将地铁售票处的售票位置进行重新布局，减少了旅客的走行距离。 在仿真运行一个小时后，经统计，旅客从高铁下车到地铁上车换乘所花费的时间大概在8～12 min 之间，平均换乘时间为10 min，较未优化前缩短了4 min；旅客从地铁下车到高铁进站乘车所花费的时间大概在10～16 min，平均换乘时间为13 min，较未优化前缩短了3 min。显然，优化是有效果的。

图8 高铁换乘地铁行人密度分布图

图9 地铁换乘高铁行人密度分布图

4 结论

本文针对兰州西客站的高铁与地铁换乘客流流线进行仿真研究优化分析， 建立不同的场景模型，找出换乘流线组织的薄弱节点，提出优化措施后并再次进行仿真实验， 获得了较好的仿真结果，证明了优化措施的可行性，也为兰州西站应对以后日益增长的客流量提供了依据。