地铁换乘效率仿真优化模拟分析

张海波，张馨，李正中，纪柯柯

（1.天津三号线轨道交通运营有限公司，天津 300380；2.天津市交通科学研究院，天津 300074）

随着线网规模拓展和客流量的快速增加，城市轨道交通高峰时段供需矛盾越来越突出，车站拥堵情况严重，乘客在车站集散耗时急剧增加，不仅加大运营难度，更带来较大安全风险。为提高乘客换乘效率，国内学者进行了较多研究：王雪鑫等[1]基于AnyLogic对兰州西站与轨道交通1号线换乘衔接问题进行仿真研究，提出优化导向标识、增设隔离设施分流及工作人员组织引导等改善措施；费爽等[2]以北京地铁2号线与4号线换乘站为例，构建了换乘系统客流组织的行人仿真模型，提出了增大限流力度、加强客流引导、设置导流杆、去掉折角设计等优化措施；于宝霏[3]等人利用AnyLogic仿真模拟软件对大型高铁站旅客出站换乘情况模拟，从换乘衔接布局、换乘衔接空间位置、换乘衔接数量及换乘衔接设施等方面提出优化措施；吴昊灵[4]提出了优化换乘流线及工程改造两个方案并通过VC++和VISSIM仿真验证了工程改造方案可以提高换乘效率；朱清波等[5]利用AnyLogic仿真找出换乘客流瓶颈部位，通过增加安检口服务数量、改变扶梯方向及位置，使换乘客流密度及换乘速度得到改善。

以上的仿真模拟研究可有效发现问题并提出优化措施，但普遍缺乏优化效果分析且不同车站拥堵情况不一，需进行针对性研究。本文以天津地铁营口道站为例，运用AnyLogic仿真软件对乘客换乘行为进行仿真模拟，分析换乘站存在的问题，提出相应的优化措施，为城市轨道交通车站的规划、设计与运营管理提供相应的理论和方法依据。

1 研究方法及对象

地铁站人流密集，换乘流线复杂，换乘方向与目的各异，社会力模型可以反映复杂行人走行的连续行为过程，真实反映行人行为，精确描述行人自驱动力、行人间的相互作用力、与周边环境的排斥力[6～7]。而基于此种模型的Anylogic仿真软件技术成熟、应用普遍，具有行人库和轨道库等专用插件库，能根据当前环境选择最短路径且实现了动态可视化，可实时掌握站内的拥堵情况，通过定量指标反映仿真结果[8～9]。因此，本研究利用Anylogic仿真软件建立仿真模型，以天津地铁营口道站为例，设置仿真流程图的相应参数，对换乘情况进行模拟并利用平均换乘时间、换乘速度、区域客流密度分析问题，提出优化措施并对改进前后的模拟结果进行对比分析。

营口道站位于天津的金融中心、购物中心、商业和旅游中心，是市内核心枢纽站点地铁1号线和3号线的换乘站，现有7个出入口，地下一层为站厅及地铁1号线侧式站台，地下二层为3号线岛式站台。

营口道站是天津地铁客流量最大车站之一，达到13万人次/d。随着客流量逐年提升，容量瓶颈趋于明显，尤其在客流高峰时段拥堵严重，安全形势不容乐观，需及时采取优化措施提升其通行能力。

2 模型的建立

2.1 环境模拟

模型由高度不同的2个面层组成，分别代表1号线站台层、3号线站台层；各层的空间转换通过连接各层的楼梯和自动扶梯实现；付费区设有5组楼梯连接站厅与1号线站台，3组双向楼扶梯连接站厅与3号线站台。由于研究重点为乘客的换乘行为，因此构建场景模型时对各出入口进行了简化。见图1。

图1 营口道站仿真模型

2.2 行为模拟

模拟站内行人的行为方式或运行规律，应用仿真软件的行人库：行人生成模块、行人消失模块、行人前往指定位置模块、行人接受服务模块、行人前往指定位置并等待指定时间段模块、根据指定比例或条件引导行人到达完成流程模块、设置行人通过扶梯传输模块。为准确掌握乘客换乘特性，选择工作日早高峰7：00—8：30，对楼梯口、闸机处、站台层进行实地调查，将各站厅的实际客流量、流向、行走速度、乘客占地面积等数据输入模型。

2.3 换乘路径设置

以地铁站内的行人为研究对象，建立换乘逻辑模型：乘客先在站厅层的自助售票机进行购票，随后通过安检机、闸机，经过楼梯或自动扶梯到达1、3号线站台层，等待车辆到达后，上车离开本站。对换乘客流而言，位于B1层1号线双方向客流换乘均需经过楼梯和自动扶梯到达B2层。

3 仿真分析

3.1 模拟结果

冲突点主要发生在两条线路换乘的楼梯口处，普遍存在较大规模排队，尤其右一口处，高峰时期客流量大，1号线刘园方向下车客流汇入右一口处进行下行换乘，3号线换乘1号线刘园方向客流及从A、D出站口直接出站的乘客通过右一楼梯上行，存在流线交叉干扰，导致此处客流积压。右一口处周期性最大密度在1.5～4.7人/m2，处于比较拥堵和严重拥堵状态；而安检、进出口闸机处无排队，左一口和左二口周期性最大密度在0.3～0.8人/m2，处在顺畅和一般拥堵状态之间。见图2和图3。

图2 早高峰营口道站行人密度分布

图3 换乘通道密度变化

3.2 换乘模型优化方案

考虑到车站空间有限，增加换乘设施数量或改变设施布局难以实现，因此仅对换乘路线进行优化，将瓶颈区域的客流压力分流，以达到均衡设施（主要是楼扶梯）利用的目的。具体流线优化方案：引导1号线刘园方向列车到达的乘客从右二、右四楼梯口沿路径前往右一楼梯口下楼进行换乘，右一楼梯口上行的乘客全部从右三楼梯口进入1号线刘园方向候车区域；1号线双桥河方向到达的乘客从左三、左四楼梯口沿着引导路线到达左一、左二楼梯口换乘3号线；同时，3号线换乘1号线双桥河方向的乘客沿着相应的引导路线前往1号线站台层换乘。见图4。

图4 营口道站关键节点及路线优化

3.3 换乘优化效果分析

为验证路线优化方案的可行性，利用Anylogic仿真软件对方案进模拟，时长为5 400 s。

优化乘客路径引导后，拥堵现象较为严重的左一、左二、右一楼梯口拥堵范围和强度明显减小，各楼梯利用率趋于平衡，通道内乘客走行更为顺畅。见图5。

图5 优化后站内行人密度分布

3.3.1 密度及流量指标对比

对拥堵最严重的右一楼梯口进行进一步对比分析发现，优化前右一楼梯口处最大密度为4.72人/m2，优化后最大密度仅为3.25人/m2左右，最大通行量仍然保持在1 700人左右。见图6和图7。

图6 右一楼梯口处密度

图7 右一楼梯口处人流量

3.3.2 综合指标对比

优化前换乘时间为2.32 min，优化后换乘时间为2.09 min，缩短了9.91%；流线优化前换乘速度为0.59 m/s，优化后换乘速度0.69 m/s，提升16.9%；优化前最大节点密度为4.72人/m2，优化后节点密度为3.25人/m2，减少31.14%，换乘效率得到提升，方案可以解决地铁站内局部拥堵的问题。

4 结论

1）营口道站早高峰冲突点主要发生在两条线路换乘的楼梯口处，最拥堵的区域为B1层右一楼梯口处。

2）在现有情况下，优化路线引导能使换乘时间、平均速度、最大节点密度等综合评价指标达到最佳状态。