基于AnyLogic 仿真的城市轨道交通三线换乘站功能评价

刘善维，张 杨,2

（1. 西南交通大学,交通运输与物流学院，成都 611756；2. 综合交通运输智能化国家地方联合工程实验室，成都 611756）

0 引 言

随着我国轨道交通行业的大力发展，各大城市的地铁线路已逐渐进入成网阶段，大量换乘站随之出现。换乘站是城市轨道交通系统的锚固点，承担乘客的交通集散与中转功能[1]。换乘站设施设备的布局对安全、高效运转起着重要作用。陈伟等[2]充分考虑了行人年龄、步速、体积等对行人运动干扰，使用平均排队长度、平均逗留时间、行人密度等指标描述了成都地铁天府广场站设施设备布局、规模对站厅客流组织的影响并提出优化措施，但没有分析设施设备对换乘系统的影响，也没有考虑结伴行人之间的交叉干扰。谭宇[3]、康兆然等[4]通过换乘的顺畅性和换乘系统运行效率、服务水平，分析了两线换乘站设施布局对换乘效果的影响。晏小波[5]归纳了三线换乘的常用站型，仿真分析了各站型的特点及适用性，并从适用性角度提出了优化措施，但仅讨论了换乘客流之间的交叉影响，并未考虑进出站客流对换乘效率的影响。杨天阳等[6]使用AnyLogic 对成都地铁非遗博览园站进行仿真，有效地识别了车站拥堵点，并提出了改变行人流线、增加安检通道、调整车站设施位置等优化方案；费爽等[7]发现设置隔离设施、路径引导等措施使客流分布更加均匀，有效缓解车站拥堵，但没有考虑通过缩短发车间隔减少乘客在站台的聚集时间，进而缓解站台拥堵。Robert 等[8]发现发车间隔与平均队长呈单调递增关系，且随发车间隔的增大，平均队长增加的幅度也更大。王婵婵等[9]认为在一定行车密度下，列车疏散能力不能匹配进站及换乘流量时，随时间的推移会加重站台拥堵情况；刘东晓等[10]证明了提高线路的运营效率可以有效缓解站台拥堵，但只分析了缩短发车间隔对本线站台的影响，没有分析对他线换乘客流的影响。

以往研究多根据站厅或站台客流的相关指标对车站进行评价，客流性质较为单一，对不同性质客流的交叉影响讨论较少；优化措施主要从车站设施设备角度考虑，对车流组织讨论较少。本文在前人研究的基础上，综合考虑换乘客流和进出站客流的交叉影响，模拟拥堵点产生位置，并分析其原因，从设施设备和车流组织两方面提出措施，为优化三线换乘站设计及运营提供建议。

1 仿真过程

1.1 模型选择

行人流模型可分为宏观模型、中观模型、微观模型。宏观模型难以详细地刻画复杂的行人行为，中观模型仅能简单描述行人间的相互作用，但微观模型不仅能宏观反映行人行为，又能详细刻画行人复杂运动。目前，在计算机模拟行人行为的微观模型中，社会力模型与元胞自动机模型应用最广泛[11]。但元胞自动机模型的规则过于简单，行人速度、步行方向受到网格尺寸限制，不能十分精确地反映行人行为[12]。社会力模型认为，行人运动受内在和外界两方面社会力的影响。内在社会力即驱动力，反映人的主观意识。外在社会力包括行人间和行人与边界、障碍物之间的作用力。Helbing[13]最先通过仿真证明了社会力模型在描述行人行为时的准确性。Anvari[14]认为社会力模型提供了将车辆和行人运动相统一的可能，同时提出构建社会力模型需要额外的参数以确保模型真实可靠。Lakoba[15]认为社会力模型可以真实反映行人不与障碍物发生碰撞的意图，也反映了行人运动时的特定方向。Ji[16]、Zeng等[17]验证了社会力模型在描述行人相互作用时的准确性，因此本文选用社会力模型作为行人流模型。具体方程表示如下：

1.2 仿真对象

（1）车站介绍

根据成都地铁13 号线一期初步设计阶段的设计方案可知，新南门站为成都地铁3 号线、13号线与16 号线换乘站。新南门站位于致民路与新南路交叉路口处东侧且沿致民路车站东西向布置，站位周边客流吸引范围内用地规划以居住和教育服务用地为主。新南门站车站示意如图1 所示。

图1 新南门车站示意

（2）换乘设施设备的布置

新南门站采用“H 型”三线换乘站设计，3条线均为岛式站台，各站台设施设备见表1。

表1 新南门站换乘设施设备

（3）换乘方式

新南门站各线换乘方式见表2。

表2 各线换乘方式

（4）客流数据

远期（2048 年）新南门站早高峰换乘客流及进出站数据分别见表3、4。

表3 远期新南门站早高峰换乘客流（人/h）

表4 远期新南门站早高峰进、出站客流（人/h）

1.3 仿真参数

已建成的3 号线采用现行早高峰实际发车间隔，建设中的13 号线采用设计阶段的计划发车间隔。根据《成都市城市轨道交通线网规划修编》，规划16 号线与13 号线性质相似，因此发车间隔设置与13 号线相同。各线发车间隔及制式见表5。

表5 各线发车间隔及制式

根据《中国2019 年国民经济和社会发展统计公报》将男女比例设为1.04∶1。根据《中国成年人人体尺寸》[18]、《中国未成年人人体尺寸》[19]本文拟将行人的尺寸设为服从（271，375，415）（单位：mm）的三角分布，将客流设置为1～3 人的小组。

根据王洪臣[20]、贾洪飞[21]等对地铁行人步速的研究，本文拟将该部分的参数设置做如下处理：年龄大于18 岁男性的步速设为1.1～1.3 m/s、年龄小于18 岁的男性步速设为0.9～1.1 m/s、年龄大于18 岁的女性步速设为1.0～1.2 m/s、年龄小于18 岁的女性步速设为0.8～1.0 m/s。楼梯上行人的速度设为正常步速的0.5 倍，扶梯的速度为0.65m/s，上下车时间设置为1.6 s/人。

1.4 逻辑模型

列车逻辑如图2 所示。

图2 列车逻辑

行人逻辑模型如图3 至图6 所示。

图5 节点换乘行人逻辑

2 仿真结果及分析

2.1 仿真结果

仿真进行15min，取5 次仿真结果计算各指标的平均值、方差、95%的置信区间。各站厅、站台的平均密度见表6，平均换乘距离、平均换乘时间见表7。

新南门站主要拥堵区域出现在中部站厅及各站台。中部站厅拥堵区域为图6 中A、B 两处，3 号线站台拥堵区域为图7 中C、D 两处，13 号线站台拥堵区域为图8 中E、F、G 三处，16 号线站台拥堵区域为图9 中H、I 两处。

表6 各站厅、站台平均密度

表7 新南门站各方向平均换乘距离和换乘时间

图6 中部站厅拥堵区域

图7 3 号线站台拥堵区域

图8 13 号线站台拥堵区域

图9 16 号线站台拥堵区域

2.2 结果分析

新南门站共出现9 处较严重的拥堵点，其中站厅2 处、站台7 处。拥堵点的位置及原因见表8。

表8 新南门站拥堵点产生的位置及原因

2.3 优化措施

结合拥堵原因，提出如下措施：

（1）对于A、B，考虑在各楼扶梯端部设置隔离措施，将不同方向的流线区别开，避免交叉干扰。

（2）对于C、D，从车流组织方面考虑，综合3 号线运营情况缩短发车间隔；从客流组织方面进行考虑，建议安排站务人员引导行人均匀分布在各候车区域。尤其在靠近楼扶梯端部的候车区域，站务人员应指挥行人快速通过，减少在此区域候车的行人。

（3）对于E、F、G，考虑在13 号线站台小里程端以及次大里程端增设1 座楼梯。

（4）对于H、I，考虑将16 号线次大里程端1 部下行扶梯改为上行运转。

通过调整3 号线发车间隔发现，当发车间隔缩短到150s 时，候车区域的拥堵情况有了初步缓解。优化后中部站厅、各线站台整体密度变化不大，但各拥堵点最高聚集人数有了不同程度的缓解。取5 次仿真结果并求平均值得各指标与优化前对比情况，如表9、10 所示。

表9 各站厅、站台的密度对比

表10 拥堵点最高聚集人数对比

优化后的平均换乘距离和平均换乘时间见表11。

表11 优化后的平均换乘距离和平均换乘时间

对于换乘时间，当3 号线发车间隔缩短20s时，13、16 换乘3 号线的时间分别缩短19s 和12s。说明当本线发车间隔缩短时，对他线乘客换乘时间有积极影响。不断缩短发车间隔至120s 得到3号线站台密度、他线乘客换乘时间随发车间隔变化关系如图10、图11 所示。

图10 3 号线站台密度随发车间隔变化关系

图11 换乘3 号线时间随发车间隔变化关系

由图10、图11 可知，随着发车间隔的缩短，3 号线站台密度及13、16 换乘3 号线时间都呈下降趋势，但趋势逐渐放缓。选择发车间隔120～140s 的区间进行发车间隔对站台密度和换乘时间变化的显著性分析，结果见图12、图13、图14。根据分析结果可得，发车间隔从140s 继续缩短，发车间隔对客流密度和换乘时间的变化不具有显著性。因此，考虑运营成本的同时，为满足远期新南门三线换乘站的换乘效率，3 号线最佳发车间隔为140s。

图12 发车间隔对站台密度的显著性分析

图13 发车间隔对13 线转3 线换乘时间的显著性分析

图14 发车间隔对16 线转3 线换乘时间的显著性分析

3 结束语

本文运用AnyLogic 对远期成都地铁新南门站进行仿真，发现了该站产生拥堵点的位置并分析了产生原因，从设施设备和车流组织两方面提出优化措施，验证了增设楼扶梯设施、调整扶梯运行方向、缩短发车间隔等措施的优化效果。通过分析发车间隔对换乘效果影响，得到了缩短发车间隔在缓解本线站台拥堵的同时会缩短他线乘客换乘时间的结论。通过分析站台密度、他线乘客换乘时间随发车间隔的变化关系，结合运营成本和换乘效率，得到3 号线的最佳发车间隔。

科学地检验设计方案对设计者明确方案的优缺点、验证设计思路并进行优化起着重要的作用，在设计阶段运用仿真方法检验、优化设计方案具有应用价值。