基于乘客体验的客运枢纽分级导向标识布设

黄 琼, 林建新, 王皖东, 邓登峰

(1.北京建筑大学 北京市城市交通基础设施建设工程技术研究中心， 北京 100044;2.北京建筑大学 首都世界城市顺畅交通协同创新中心， 北京 100044)

综合客运交通枢纽(以下简称枢纽)的导向标识是影响枢纽内部乘客集散的重要设施，其设计由位置、乘客行为和导向信息共同决定，其布设是一个复杂的设施选址问题。十三五全国规划重点打造150个开放式、立体化枢纽，但目前枢纽导向标识按照单一通道，根据经验在重要节点布设，存在设置点不当、信息冗长、指向模糊、功能设施难以找寻的问题。结合乘客寻路行为特征和枢纽分区进行分级布设，能够实现标识精确导向的目的，从而引导乘客便捷到达目的地，提升乘客出行体验。

国家近年来发布的GB/T 18574—2008《城市轨道交通客运服务标志》[1]、DB/T 657.1—2009《公共交通客运标志》[2]等标准规范，对各类标识的字体、图形、内容、位置提出了设置要求和原则。这些标准规范为标识系统的设计提供了基本的理论参考，但不能满足各种需求的最优布设，因此许多学者研究了标识系统的优化方法。韩艳欣等[3]运用遗传算法对标识决策点优化问题进行求解。齐二石等[4]解决了决策点在不同设施间重复计算的问题。蔺宇等[5]以空间诱导水平和引导距离最小化为目标进行模型优化，使用改进型非劣分类遗传算法求解多目标问题。但通过对标识的量化估计发现，标识的优化研究缺少行为方面的因素，因此许多学者结合寻路行为研究标识布设问题。郭凡良等[6]分析了乘客寻路行为与导向标识的相互特性, 构建仿真模型，建立了导向标识评估体系。段琦[7]建立熟悉群体与初访群体的博弈模型，得到人、导向标识、建筑环境的相互特性。TAM[8]以可见指数最大化为目标建立模型，进而确定航站楼寻路辅助系统的位置，优化航站楼的服务水平。NIU等[9]设置寻路试验，发现人们在寻路时，首先对目的地进行分区，再一步步寻路，验证了分组和分类是人们解决寻路问题的策略。由于乘客寻路过程中行为存在差异，标识需要分级设置，分级选址多应用于学校、枢纽等设施处。例如李婷婷等[10]考虑不同层级枢纽服务能力的约束，构建了基于分级选址的区域客运枢纽分层布局优化模型。此外，一些综述性的研究为构建分级选址模型提供参考。DASKIN[11]总结了覆盖模型、中值模型、中心模型的特点以及基本约束条件。FARAHANI等[12]根据服务可用性、空间配置、目标函数、覆盖范围、参数、设施、容量等特征对选址模型进行分类，并总结了覆盖模型、中心问题和中值问题的基本构建要素。

综上所述，现有研究忽视了乘客感知、认知行为与标识布设的关系，缺少对枢纽处乘客体验和空间分区的描述，但这些是乘客在空间结构复杂和功能设施繁多的枢纽内部，能够便捷寻路和提升体验的重要影响因素。本文考虑乘客寻路行为特征，结合乘客分区逐级寻找的寻路特点，提出乘客体验的概念和标识分级布设的方法，构建以设施重要度加权距离最短和路径外任意点到路径距离最短为目标的多目标线性整数规划模型。以期为枢纽导向标识布局提供理论支撑，并丰富和扩展行为要素的分级选址理论。

1 问题描述

枢纽导向标识布设是在设施重要度、最短路径、服务距离、信息数量已知的条件下，满足连续导向、分区指向等约束，实现引导乘客便捷寻找功能设施点的多流态嵌套分级选址问题。以设置两级标识为例具体描述标识的导向服务问题：在给定的枢纽空间，根据建筑布局划分功能区，导向标识设置在枢纽网络节点上，在服务距离内，通过二级标识的功能区导向服务，引导乘客到达目的地所在的功能区，再通过一级标识精确导向，引导乘客找到功能设施的具体位置；标识还具有多层信息，当乘客距离功能设施点太远时，二级标识可以通过一级标识连续导向完成远距离逐级引导，不同等级的标识提供不同导向服务，更符合乘客分区逐级的寻路特点。标识布设是一个复杂的设施选址问题，首先从选址理论特征描述分级导向标识布设关键要素，解析分级布设作用机理；其次总结乘客寻路过程的行为特征，提炼出符合乘客行为特点的模型关键约束；再次，描述乘客对功能设施重要度的感知和认知行为；最后界定乘客体验，为模型的目标函数的量化构建提供依据。以下具体说明分级导向标识布设的要素。

1.1 选址模型特征

分级导向标识布设模型是一个多流态嵌套分级选址模型，从选址模型特征进一步解释标识分级布设问题的关键要素，具体描述如下：

1)多流态嵌套：流态是指不同等级导向标识之间的指向关系。单流态为标识只能从高等级标识到低等级标识逐级导向，而多流态为各级标识之间有多种指向关系，即标识可以逐级引导和跨级指向。如图1所示，Q1和Q2为功能区，F1、F2、F3为功能设施点。路径l2为二级标识直接指向功能设施点F1，路径l1为标识逐级引导，通过二级标识和一级标识逐级导向至功能设施点F2。导向标识还可以提供多种导向信息服务，只要在导向标识的服务范围内，功能设施点可以接受不同层级标识的指向。如图1所示，功能设施点F1同时在二级和一级标识的服务范围内，可以受到二级和一级标识导向，二级标识与功能设施点F2不在同一个功能区，需要通过二级标识引导乘客到达功能区Q1，再通过一级标识精确导向。

图1 导向标识分级布设结构示意Fig.1 Hierarchical setting schematic of GS

2)空间一致：即标识的连续导向，为了保证乘客在寻找功能设施点过程中不产生疑问，导向信息的连续表示非常重要。导向标识应在不同导向流线之间保持连续一致，避免形成导向信息的断链。如图2所示，Ol为最短路径的起点，dl1、dl2为最短路径的终点，标识设置在最短路径的节点，连续设置使得乘客更加快速找到功能设施点。

图2 标识连续导向示意Fig.2 Diagram of GS continuous orientation

1.2 乘客寻路行为特征

乘客寻路行为特征是构建分区导向、路径连续等重要约束条件的依据，为模型构建提供理论支撑。根据现有研究[13]，乘客在枢纽内部寻路过程中存在以下特点：

1)步行方向和路径的连续性。乘客在枢纽内寻路过程中受自身方向感影响，对路径节点各个方向做出判断从而得到所需路径，一系列节点体现乘客寻路时步行方向和路径连续性特征。

2)最短路径优先选择。乘客在枢纽内行走目的性强，在寻找目的地过程中不会过多停留，往往选择最短路径。

3)路径随机性。枢纽设施布局复杂，乘客行为多样，导致乘客在寻路过程中路径选择的随机性较强。

因此，模型需要考虑连续导向以符合乘客步行方向与路径的连续性特点；在最短路径上设置标识，满足乘客快速寻路的需求；路径选择的随机性增加乘客迷路的概率，标识设置需要尽可能让乘客在任意位置都能便捷寻找功能设施。

1.3 乘客感知和认知

乘客的感知和认知行为影响标识设置的路径，进而影响模型目标函数的构建。感知行为表现为乘客对功能设施点的关注程度和熟悉程度的直接反应，认知行为表现为乘客根据设施熟悉程度判断形成的重要度评价。关注程度和熟悉程度越高的功能设施，重要度越大。重要度越大的功能设施点，指向该点的标识应该越明确，使乘客找寻的时间越短。乘客希望通过标识引导快速找到功能设施点，但对所有功能设施都设置权重相同的最短标识路径不符合实际情况，例如检票口和超市，乘客对检票口的访问次数多、关注程度高、熟悉程度大，对超市的访问次数和关注程度较低，应优先考虑使目标设施点为检票口的标识路径最短，即到达检票口的时间越短。

1.4 乘客体验界定

体验是指亲身经历或实地领会。范春梅等[14]构建了高速列车乘客体验与再乘意愿模型，从感官、情感、思考3个方面阐述乘客体验。胡斌等[15]从通达性、便捷性、舒适性以及文化性4个方面总结乘客心理体验的内涵，提出地铁设计现存问题及策略。刘永平等[16]提出以乘客为核心的枢纽规划设计理念，具体表现在节约出行时间、优化出行服务、提升出行品质3个方面。本文将乘客体验定义为乘客寻找目标设施时，受枢纽要素(如导向标识)影响下的心理反应和行为举止。为了解乘客对体验的需求，前期设置了问卷调查，结果表明在枢纽内按标识行走能节省时间以及标识易找寻这2项的综合评分最高。根据乘客寻路特点以及对标识服务水平的期望，乘客体验具体表现为在枢纽内部导向标识指引下，乘客路径找寻过程所需的时间和寻路过程中的便捷性。分级导向标识布设模型需要充分考虑寻路时间短以及标识易找寻的乘客体验最佳要素，使得标识布设更加人性化、合理化。

2 模型假设

根据问题描述的分级导向标识引导过程，本文分别从枢纽建筑结构、网络构成和标识设置条件3个方面提出以下假设条件：

1)模型根据枢纽内部功能设施的服务类型和服务区域划分功能区，例如根据检票口和售票口所在区域，分别划分为候车区和售票区。

2)枢纽的网络结构除了建筑边界没有现实意义外，其他弧段均为双向弧段，导向标识备选点和功能设施点均是有限点的集合，并都在网络节点上。

3)模型只考虑客流量对路径影响不大的情况，枢纽的服务水平只与乘客走行距离、导向标识明确程度有关；在枢纽内部，乘客按照导向标识的导向信息，通过最短路径寻找功能设施点；所选定的导向标识信息都有效可视，每个层级导向标识指向信息数量有限，根据需求具体设定。

3 模型构建

首先，构建具有拓扑性质的无向方格网作为枢纽网络，根据功能设施点位置划分功能区，并设置网络节点间距离，细化网络结构。其次，定义0-1决策变量以确定导向标识的位置、层级和所属路径。最后，定义设施重要度加权距离最短以及路径外任意点到路径距离最短为乘客体验最佳的量化指标，并为目标函数；设置标识层级、路径连续、信息数量等约束条件，构建基于乘客体验的分级导向标识布设的多目标线性整数规划模型。本文提出的标识布设模型加入分级约束，将前K条最短路径作为标识布设的备选路径，因此将模型命名为K最短路分级模型。根据问题描述和基本假设，抽象导向标识和功能设施点所在的网络为无向交通网络G=(V，A)，V为网络中节点的集合，A为网络中弧的集合。模型具体构建如下。

3.1 决策变量

xis为0-1决策变量，如果在节点i设置s层级的导向标识，xis=1，否则为0，∀i∈I,s∈S。

yij为0-1决策变量，如果导向标识点i指向节点j，yij=1，否则为0，∀i∈I,j∈J。

3.2 目标函数

乘客看见导向信息时，会认为目标地点距离很近，希望能用最短的时间找到功能设施点。然而枢纽功能设施种类复杂，乘客对功能设施点的需求存在差异。因此重要度越大的功能设施，标识的导向距离应越短，从而满足乘客快速寻路的需求。以设施重要度加权距离最短(寻路时间短)为优化目标函数，其计算式为：

(1)

式(1)中：wj为功能设施点j的权重，用来衡量乘客对功能设施点j的访问需求量；dij为节点i和节点j间的网络距离，单位为m。

此外，枢纽空间环境复杂，乘客行为多样，路径选择的随机性较强。乘客希望在枢纽的任意位置都能找到指向目的地的标识。以标识设置路径外任意点到路径距离最短(标识易找寻)为优化目标函数，其计算式为：

(2)

式(2)中：yik为0-1决策变量yij中的j=k的情况，表示在i点指向路径上的中间节点k的决策；dik为节点i和节点k之间的网络距离，单位为m。

3.3 约束条件

3.3.1 标识层级

导向标识布设需要确定标识的层级，式(3)可以确定导向标识点i的层级，如果设置二级导向标识，则标识层级s可以取0,1,2。s=0表示节点i不设置导向标识；s=1,2分别表示在节点i设置一级、二级导向标识。

(3)

式(3)中：xis为标识层级的决策变量，xis=1表示在节点i设置s层级导向标识，否则为0。

3.3.2 功能设施点至少指向

标识需要满足覆盖所有功能设施点的基本导向功能，式(4)表示至少有1个标识含有某个功能设施点的指向信息，保证乘客能通过标识找到功能设施点的位置。

(4)

3.3.3 功能设施点相关性

标识需要设置在有意义的路径上。即枢纽内部一般不会发生起讫点均为出站口的走行路径，因此2个出站口之间是没有关联的。如果起讫点为商店、检票口的路径是有关联的，在该路径上布设导向标识是有意义的。式(5)表示2个功能设施点间的相关性，标识只设置在相关设施点的路径上。

(5)

式(5)中：V为枢纽网络节点的集合；rij为节点i和节点j的相关性参数，rij=1表示i和j的路径是有意义的，否则为0。

3.3.4 分区导向

结合枢纽建筑布局，考虑乘客分区寻找功能设施点的寻路特点，设置分区导向约束。二级标识实现功能区域总体导向功能，一级标识可以精确导向。式(6)约束了只有二级标识才能跨区指向，一级标识只能指向同一区域的功能设施点。式(7)根据功能区的大小约束各级标识设置的最少数量，保证每个功能区不同级别的导向标识数量分布合理。

yij≤xis∀i∈Qq,j∉Qq,s=2

(6)

(7)

式(6)中：Qq为枢纽的功能区内节点的集合，q表示任意1个功能区。

3.3.5 路径连续导向

标识设置需要满足连续性原则，即乘客在寻找功能设施点过程中，确保导向标识的覆盖性和完整性。标识信息也应连续设置，确保乘客在进出站、换乘等寻找设施的过程中，不产生疑问。式(8)为标识设置路径上的中间节点k被指向以及指向下一节点的路径连续约束；式(9)为标识路径上多层导向标识连续指回路径终点的约束。

(8)

(9)

式(9)中：ykd为决策变量yij的特殊表示，ykd取值为1表示标识设置路径上的节点k设置有指向终点dl的信息。

3.3.6 标识服务距离

导向标识设置点与导向点之间的距离要在标识的最大服务范围内，标识才能发挥作用，因此需要约束标识服务距离，其约束计算式为：

(10)

式(10)中:M为较大的数；V为枢纽网络的节点；dik为节点i与节点k之间的网络距离，单位为m。

3.3.7 指向信息数量

乘客需要在多个标识信息中快速准确找到目的地的指向信息，信息过多会降低乘客筛选有用信息的效率，降低乘客体验。因此，各级标识指向的信息数量需约束在一定的范围内，其约束计算式为：

(11)

式(11)中：ns为s层级导向标识最多设置的指向信息数量。

3.3.8 非负约束

分级导向标识布设模型的决策变量均为正整数，且为0-1变量，式(12)保证变量的取值为0或1。

(12)

4 模型求解方法

基于乘客体验的分级导向标识布设模型是一个多目标线性整数规划模型，采用CPLEX求解，定义模型的目标函数，将不同的目标排序并执行词典优化。求解步骤如下：

4)运行CPLEX求解，读取并检验结果。

5 算例分析

5.1 网络构建与参数选取

如图3所示，算例网络为简化方格网，由25个节点组成，图中节点1～11为功能设施点，节点12～25为算例网络的路径节点。根据算例网络的大小，设置两级导向标识；根据功能设施点的服务类型将枢纽网络划分为休闲娱乐区、候车区和售票区。为满足导向标识不同层级的服务距离，考虑人的视距要求，网络的边长设置为10 m。网格构建时需要确定节点间的关联属性，以保证标识设置在有实际意义的路径上。在路径选取方面，给出关联起讫点之间的前K条最短路径作为已知条件，根据模型约束条件和目标函数选取1条作为标识的设置路径。

图3 案例网络模型Fig.3 Model of case network

根据现有研究[17]给出基于行为的设施重要度wj，见表1。

表1 基于行为的设施重要度

5.2 求解结果

模型使用CPLEX软件求解，导向标识点层级分布情况如图4所示，共设置了7个二级标识点，1个一级标识点。

图4 分级导向标识点指向信息和层级分布Fig.4 Orientation information and distribution of hierarchical GS

导向标识指向信息结果见表2，结果显示，不同层级的导向标识指向信息数量为33个。其中节点16的指向信息均为区域内设施点，标识等级为一级，其余导向标识均为二级标识，覆盖的指向信息数量较多。

模型求解结果显示：

表2 导向标识指向信息

1)通过导向标识在最短路径的优化设置，对比标识设置路径与最短路径的节点信息，导向标识设置点明显少于最短路径经过的节点。特别是直达顺直的路段，标识仅设置在方向变化的节点处，从而减少导向标识指向信息的数量，实现分级导向标识作用下的优化设置。

2)权重越大的功能设施点，受到标识指向次数越多，乘客找寻功能设施点越便利。由表3可知，节点11的权重最大(0.14)，结果显示节点11受到标识指向次数为5次，节点1的权重最小(0.05)，标识指向该节点的次数为1次。

表3 设施被指向次数

3)分级导向标识布设能够逐级分区引导乘客快速找到功能设施点。如图5所示，起讫点分别为节点3和节点6，最短路径为节点3→11→18→15→9→16→6，标识设置路径为节点3→11→15→16→6。首先通过二级标识点(节点11和节点15)，引导乘客从候车区到达休闲娱乐区，再通过一级标识点(节点16)指向售票区的功能设施点(节点6)。分级模型解决了单一层级的信息层次不清晰的问题，突出了导向标识、枢纽建筑功能分区以及服务距离的层次关系。

图5 导向标识分级布设结果解析Fig.5 Analytic diagram of hierarchical GS setting

5.3 模型比较

为了突出分级和K条最短路径要素对标识布设的影响，在本文构建的K最短路分级模型基础上，忽略分级约束构成K最短路无分级模型，改变路径要素集合构成单一路径分级模型。这2个模型与传统的K最短路分级模型、单一路径无分级模型对比，分别从目标函数值和标识指向信息数量分析对比结果。

1)根据表4显示，K最短路分级模型相比于单一路径无分级模型，乘客找寻功能设施点距离减少约45%；由模型对比结果可知，分级布设模型的设施重要度加权距离远远小于无分级布设模型；分级导向标识布设使得设施重要度越大的设施导向距离越短，满足乘客快速寻路的需求，提升乘客体验。由于算例网络较小，而且为方格网，路径外任意点到路径距离的对比结果差异不大。

表4 目标函数值对比

2)无分级模型只设定了一个标识的最大指向信息数量，没有分级设置，因此标识指向信息总数较多。根据表5显示，K最短路分级模型的指向信息总数最少，相比于单一路径无分级模型，导向标识指向信息的数量减少了约31%，降低乘客接受无效信息的频率，保证乘客更加清晰准确地寻找功能设施点信息，快速做出寻路决策，提升乘客的寻路效率。

表5 导向标识信息数量

6 结论

1)通过与单一路径无分级模型对比，分级导向标识布设模型的标识信息数量减少了约31%，乘客找寻功能设施点的距离减少了约45%，具有标识信息数量少、乘客走行距离短的指标优势。结合乘客在寻路过程中分区域逐级寻找、方向与路径连续、最短路径优先选择以及对功能设施点的感知和认知差异的行为要素进行分级导向标识布设更加合理，能够实现路径找寻所需距离最短和便捷寻路的乘客体验最优布设。

2)改进传统选址模型，充分考虑功能设施点相关性、分区导向约束、路径连续、标识服务距离和指向信息数量，构建以设施重要度加权距离最短和路径外任意点到路径距离最短为目标的多目标线性整数规划模型，实现分区导向和功能设施点的精确导向，解决标识指向模糊、信息冗长、导向信息断链的问题。

3)基于乘客体验的客运枢纽分级导向标识布设方法，还能用于解决根据不同交通条件下进行道路分区域管理的交通基础设施布局问题。但本文未考虑枢纽客流状态对乘客行进的影响，仅分析算例求解结果，后续将面向实际枢纽网络，进一步分析基于乘客体验的分级导向标识布设的特点和优势。