行人仿真問題下城市軌道交通車站仿真研究范文
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摘要：
本文在綜合比選仿真軟件的基礎(chǔ)上，介紹Anylogic軟件的仿真建模技術(shù)流程，對(duì)仿真過程中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。以北京地鐵宣武門站為例，建立車站2D、3D展示模型，利用仿真數(shù)據(jù)分析、評(píng)估地鐵4號(hào)線換乘2號(hào)線的制約瓶頸，提出宣武門站優(yōu)化建議。驗(yàn)證了Anylogic軟件在車站仿真評(píng)估應(yīng)用中的可行性，并為城市軌道交通車站評(píng)估優(yōu)化工作提供支持。
關(guān)鍵詞：
軌道交通；車站仿真；Anylogic；評(píng)估優(yōu)化
隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化程度的不斷提高，作為運(yùn)輸系統(tǒng)基層環(huán)節(jié)的車站，客流量也迅猛增長(zhǎng)，尤其早晚高峰時(shí)段設(shè)備設(shè)施超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象嚴(yán)重，大大降低了運(yùn)營(yíng)的安全性和運(yùn)輸效率。由于車站建設(shè)時(shí)耗費(fèi)了大量的人力物力，一旦建成便難于改造，因此需從客運(yùn)設(shè)施布局、乘客客運(yùn)組織等方面著手降低車站運(yùn)營(yíng)壓力。利用車站行人仿真技術(shù)對(duì)掌握車站空間占用情況，反映客流的隨機(jī)性和復(fù)雜性，分析設(shè)備設(shè)施負(fù)荷程度與布局的關(guān)系，查找進(jìn)出站及換乘環(huán)節(jié)的瓶頸是一種更加科學(xué)有效的方法。
1仿真軟件選擇
綜合考慮國(guó)內(nèi)外車站仿真軟件所使用的行人微觀交通仿真模型、軟件的技術(shù)成熟度和流行程度、應(yīng)用領(lǐng)域、開放性、性價(jià)比等情況，選擇AnyLogic仿真軟件。與其它仿真軟件對(duì)比如表1所示，AnyLogic具有以下優(yōu)點(diǎn)[1]：（1）軟件采用的行人仿真模型是目前比較被認(rèn)可的行人動(dòng)力學(xué)模型、社會(huì)力學(xué)模型，可以反映乘客個(gè)體走行特征及行人自組織現(xiàn)象；（2）軟件具有開放式的體系結(jié)構(gòu)，支持與Java自定義模塊協(xié)同工作，可動(dòng)態(tài)地進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，并將結(jié)果輸出到3D環(huán)境；（3）更貼近地鐵車站建模的需求，支持高度定制的車站開發(fā)環(huán)境，如行人分類（性別、年齡、攜包等）、行人與列車交互、行人路線規(guī)劃、各種物理環(huán)境的實(shí)現(xiàn)（屏蔽門、電梯等）、列車滿載率限制等；（4）具有靈活的圖形化操作界面和數(shù)據(jù)分析工具。
2車站仿真技術(shù)流程
車站仿真針對(duì)業(yè)務(wù)需求情況，可分為正常方案、預(yù)測(cè)方案和疏散方案3種。正常方案目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)已運(yùn)營(yíng)車站客運(yùn)組織、設(shè)備設(shè)施布局優(yōu)化，預(yù)測(cè)方案目標(biāo)為評(píng)估未來客流對(duì)設(shè)備設(shè)施的影響，疏散方案目標(biāo)為評(píng)估突發(fā)事件下車站的疏散能力。上述3種評(píng)估流程基本一致，只是使用的數(shù)據(jù)和參數(shù)不同。一般情況下，車站仿真分為基礎(chǔ)資料獲取、2D與3D建模、仿真效果展示和仿真評(píng)估優(yōu)化4個(gè)主要過程[2]。
3仿真關(guān)鍵技術(shù)
3.1流線組織技術(shù)
乘客在特定的車站內(nèi)進(jìn)站、出站和換乘流線基本是固定的。客流時(shí)間不均衡特征明顯的車站，高峰與平峰可能有所不同。Anylogic軟件在行人產(chǎn)生后，為了模擬乘客集散的具體過程，需配置相應(yīng)的流線和目的地D1、D2…Dn來組織客流在車站內(nèi)進(jìn)站、出站、換乘、上車、下車的過程[3]。一般而言，主要有行人流與列車流，行人流又包括進(jìn)站流、出站流及換乘流。
3.2參數(shù)配置技術(shù)
車站仿真基本目標(biāo)是要客觀、真實(shí)反映車站乘客在站內(nèi)的活動(dòng)，若達(dá)到與實(shí)際最接近的仿真效果必要條件之一就是配置準(zhǔn)確、合理的仿真參數(shù)[4]。通過對(duì)Anylogic功能的分析，參數(shù)配置可以歸為4類。
3.3模塊封裝技術(shù)
Anylogic軟件雖然已經(jīng)有描述地鐵行為的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)和行人庫(kù)，但是由于北京地鐵特有的客流特征和客運(yùn)組織方式，需在原庫(kù)基礎(chǔ)上二次開發(fā)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研后歸納封裝的行為模塊[5]如表3所示，部分行為模塊如圖2所示。
3.4評(píng)估優(yōu)化技術(shù)
仿真過程中Anylogic可以對(duì)車站各區(qū)域客流數(shù)量及密度、設(shè)備設(shè)施利用率及排隊(duì)情況、乘客站內(nèi)停留時(shí)間等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。為了滿足客流與設(shè)備設(shè)施能力適應(yīng)性評(píng)估需要，提出以下指標(biāo)來識(shí)別站內(nèi)瓶頸，找出薄弱環(huán)節(jié)。3.4.1瓶頸識(shí)別技術(shù)按照乘客出行過程中經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)順序，當(dāng)前方節(jié)點(diǎn)的通行能力大于后方節(jié)點(diǎn)的通行能力時(shí)，即C4<C3<C2<C1，該區(qū)域隨著乘客數(shù)量不斷增加，密度增大，運(yùn)動(dòng)速度減少，產(chǎn)生擁塞。若要安全運(yùn)行，應(yīng)控制通道內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)滿足以下準(zhǔn)則：C4>C3>C2>C1，如圖3所示。當(dāng)其中一個(gè)符號(hào)發(fā)生變化時(shí)出現(xiàn)阻塞，稱之為基于節(jié)點(diǎn)分析法的瓶頸識(shí)別技術(shù)。3.4.2能力適應(yīng)性評(píng)估指標(biāo)針對(duì)瓶頸位置，建立能力適應(yīng)性評(píng)估指標(biāo)，以評(píng)估瓶頸對(duì)乘客出行過程的影響程度。設(shè)備設(shè)施負(fù)荷度—統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，車站供乘客使用的各項(xiàng)設(shè)備設(shè)施利用或占用的情況，如式（1）：式中，Si指該設(shè)備設(shè)施的負(fù)荷度；Qi指該設(shè)備設(shè)施實(shí)際客流量；Ci指該設(shè)備設(shè)施的固有通過能力。設(shè)備設(shè)施排隊(duì)人數(shù)—統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，等待接收設(shè)備設(shè)施服務(wù)的乘客排隊(duì)人數(shù)，以反應(yīng)進(jìn)出站、檢票等資源是否足夠。瓶頸擁擠持續(xù)時(shí)間—統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，瓶頸處設(shè)備設(shè)施區(qū)域密度連續(xù)高于某一閾值時(shí)的持續(xù)時(shí)間，反映通道擁擠的延續(xù)情況。
3.52D與3D接口技術(shù)
車站3D綜合展示包括車站主體建模、站內(nèi)客流展示、設(shè)備設(shè)施狀態(tài)展示，其功能實(shí)現(xiàn)需由2D仿真提供相應(yīng)的乘客信號(hào)并通過數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)。接口內(nèi)容如圖4所示。
3.5.1車站主體建模結(jié)合
2D仿真的CAD圖紙，通過現(xiàn)場(chǎng)拍照、3D灰模建立、貼圖等工作完成車站實(shí)體建筑及設(shè)備設(shè)施建模。建模時(shí)2D仿真需提供圖紙?jiān)c(diǎn)坐標(biāo)、層編號(hào)、區(qū)域劃分及設(shè)備編號(hào)，以達(dá)到站內(nèi)客流、設(shè)備設(shè)施狀態(tài)與2D仿真一致。
3.5.2站內(nèi)客流展示及設(shè)備設(shè)施狀態(tài)展示
3D綜合展示一次性獲得2D仿真總體信息，包含基本控制命令、設(shè)備初始狀態(tài)、列車時(shí)刻表等；再通過主體建模中已明確的位置及編號(hào)信息，以1s的間隔向2D仿真服務(wù)器端請(qǐng)求個(gè)體ID的位置及設(shè)備ID的狀態(tài)信息，最終在3D中展現(xiàn)出來。
4地鐵宣武門站實(shí)例驗(yàn)證
4.1基本情況宣武門站是地鐵
2號(hào)線和4號(hào)線的換乘車站，兩條線布置呈“+”字型布局，換乘時(shí)通過東西兩側(cè)的通道進(jìn)行換乘。宣武門站的大客流集中在工作日早高峰7:00～9:00，尤其4號(hào)線換2號(hào)線（以下簡(jiǎn)稱“4換2”）的客流量達(dá)到宣武門站總集散量的50%，客流集中且大，給車站客運(yùn)組織造成了很大壓力。目前在換乘站廳采用圍欄繞行的方式限流，以降低乘客到達(dá)通道的集中性。
4.2數(shù)據(jù)處理
按照車站仿真建模流程，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)研后，完成了乘客個(gè)體特征、客流分布規(guī)律等參數(shù)收集及CAD圖紙修改，標(biāo)定了層級(jí)、區(qū)域劃分及設(shè)備編號(hào)，在軟件中對(duì)仿真參數(shù)、流線組織及客運(yùn)組織等內(nèi)容進(jìn)行了配置，并通過現(xiàn)場(chǎng)拍照完成3D建模。
4.3仿真展現(xiàn)
以某工作日早高峰7:00～9:00的進(jìn)出站及換乘客流、列車運(yùn)行時(shí)刻表、列車滿載率為輸入數(shù)據(jù)，對(duì)宣武門站早高峰的客流情況進(jìn)行了仿真，2D仿真展示及3D展示如圖5、圖6所示。
4.4瓶頸識(shí)別及評(píng)估
4.4.1瓶頸識(shí)別
根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)設(shè)備設(shè)施通行能力的界定[7]，4換2過程中各部位能力C南/北側(cè)樓扶梯>C限流圍欄<C通道>C2號(hào)線樓梯。根據(jù)瓶頸識(shí)別技術(shù)，限流圍欄、2號(hào)線樓梯均為4換2過程中的瓶頸。但由于限流圍欄設(shè)置的目的就是分散乘客集中到達(dá)速度，所以不界定為瓶頸。而2號(hào)線上行樓梯較通道能力小17750p/h，為4換2流線中客流通行的制約瓶頸。圖7為高峰時(shí)段的仿真密度圖，可清晰看出瓶頸位置。
4.4.2瓶頸評(píng)估指標(biāo)
（1）樓梯負(fù)荷度2號(hào)線樓梯負(fù)荷度如圖8所示。從7:20開始負(fù)荷度就處于100%左右，一直持續(xù)到8:40，樓梯負(fù)荷度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。（2）樓梯排隊(duì)長(zhǎng)度為了說明排隊(duì)人數(shù)的狀態(tài)，輔以該區(qū)域密度說明，如圖9所示。高峰時(shí)2號(hào)線上行樓梯排隊(duì)人數(shù)35人左右，最高達(dá)45人，區(qū)域密度遠(yuǎn)大于等候區(qū)域臨界安全經(jīng)驗(yàn)值2.4p/m2，最高達(dá)到3.73p/m2，已經(jīng)非常擁擠[8]。（3）樓梯擁擠持續(xù)時(shí)間按照樓梯走行區(qū)域的臨界安全經(jīng)驗(yàn)值，當(dāng)樓梯密度大于2.1p/m2時(shí)，樓梯已非常擁擠。從7:20～8:40約80min，2號(hào)線樓梯的密度持續(xù)高于臨界值，最高時(shí)達(dá)到2.93p/m2，如圖10所示，持續(xù)時(shí)間達(dá)80min。
4.4.3改造優(yōu)化建議
拓寬2號(hào)線上行樓梯寬度。2號(hào)線上行樓梯的能力較西北、西南兩側(cè)通道的合計(jì)能力小17750p/h，按照上行樓梯單位寬度的通行能力約需要拓寬4.8m。但由于2號(hào)線站臺(tái)兩側(cè)柱子及內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，改造已建成的站臺(tái)困難較大。將擁擠位置前移至站廳，降低封閉通道人群擁擠踩踏的危險(xiǎn)性。（1）優(yōu)化限流圍欄設(shè)置。考慮將站廳限流圍欄（位置2）2.3m寬度縮為1m，通行能力將由23000p/h降低為10000p/h，可與樓梯能力相匹配，如圖11所示。（2）加大站廳限流力度。在站廳設(shè)置限流圍欄繞行的基礎(chǔ)上，在通道口增加分批放行的限流措施。
5結(jié)束語
本文在車站日益增長(zhǎng)的客流壓力背景下，基于Anylogic軟件對(duì)車站仿真的技術(shù)流程、關(guān)鍵技術(shù)及瓶頸識(shí)別方法、評(píng)估指標(biāo)等內(nèi)容進(jìn)行了研究，并以地鐵宣武門站為例進(jìn)行軟件的應(yīng)用驗(yàn)證，分析了宣武門站4號(hào)線換乘2號(hào)線的瓶頸，提出了宣武門站改造優(yōu)化建議。仿真結(jié)果顯示與現(xiàn)場(chǎng)具有較高的一致性，說明Anylogic在車站仿真評(píng)估上具有較強(qiáng)的可行性和適用性。
參考文獻(xiàn)：
[1]胡明偉,史其信.城市軌道交通車站客流組織的仿真和評(píng)價(jià)[J].交通信息與安全，2009，27（3）.
[2]杜海暉.大型客運(yùn)站客流組織動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.
[3]李洪旭，李海鷹，樊校，許心越.基于Anylogic的地鐵車站集散能力仿真分析評(píng)估[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，21（8）.
[4]劉啟鋼，杜旭升，楊旭.大型鐵路客運(yùn)站客流組織仿真技術(shù)研究[J].鐵路運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2012，32（10）.
[5]北京市軌道交通指揮中心二期工程信息中心系統(tǒng)需求說明書[R].2011.
[6]陸奕婧，鄒曉磊.城市軌道交通車站客運(yùn)組織評(píng)價(jià)[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2009，11（1）.
[7]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50517―2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013．
[8]胡清梅.城市軌道交通車站客流承載能力的評(píng)估與仿真研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.
作者：趙路敏 鄭宇 謝金鑫 單位：北京市軌道交通指揮中心 北京市工程咨詢公司