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上，介紹Anylogic軟件的仿真建模技術流程，對仿真過程中關鍵技術進行研究。以北京地鐵宣武門站為例，建立車站2D、3D展示模型，利用仿真數據分析、評估地鐵4號線換乘2號線的制約瓶頸，提出宣武門站優化建議。驗證了Anylogic軟件在車站仿真評估應用中的可行性，并為城市軌道交通車站評估優化工作提供支持。

關鍵詞：

軌道交通；車站仿真；Anylogic；評估優化

隨著城市軌道交通網絡化程度的不斷提高，作為運輸系統基層環節的車站，客流量也迅猛增長，尤其早晚高峰時段設備設施超負荷運轉現象嚴重，大大降低了運營的安全性和運輸效率。由于車站建設時耗費了大量的人力物力，一旦建成便難于改造，因此需從客運設施布局、乘客客運組織等方面著手降低車站運營壓力。利用車站行人仿真技術對掌握車站空間占用情況，反映客流的隨機性和復雜性，分析設備設施負荷程度與布局的關系，查找進出站及換乘環節的瓶頸是一種更加科學有效的方法。

1仿真軟件選擇

綜合考慮國內外車站仿真軟件所使用的行人微觀交通仿真模型、軟件的技術成熟度和流行程度、應用領域、開放性、性價比等情況，選擇AnyLogic仿真軟件。與其它仿真軟件對比如表1所示，AnyLogic具有以下優點[1]：（1）軟件采用的行人仿真模型是目前比較被認可的行人動力學模型、社會力學模型，可以反映乘客個體走行特征及行人自組織現象；（2）軟件具有開放式的體系結構，支持與Java自定義模塊協同工作，可動態地進行數據讀寫，并將結果輸出到3D環境；（3）更貼近地鐵車站建模的需求，支持高度定制的車站開發環境，如行人分類（性別、年齡、攜包等）、行人與列車交互、行人路線規劃、各種物理環境的實現（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據分析工具。

2車站仿真技術流程

車站仿真針對業務需求情況，可分為正常方案、預測方案和疏散方案3種。正常方案目標為實現已運營車站客運組織、設備設施布局優化，預測方案目標為評估未來客流對設備設施的影響，疏散方案目標為評估突發事件下車站的疏散能力。上述3種評估流程基本一致，只是使用的數據和參數不同。一般情況下，車站仿真分為基礎資料獲取、2D與3D建模、仿真效果展示和仿真評估優化4個主要過程[2]。

3仿真關鍵技術

3.1流線組織技術

乘客在特定的車站內進站、出站和換乘流線基本是固定的。客流時間不均衡特征明顯的車站，高峰與平峰可能有所不同。Anylogic軟件在行人產生后，為了模擬乘客集散的具體過程，需配置相應的流線和目的地D1、D2…Dn來組織客流在車站內進站、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，行人流又包括進站流、出站流及換乘流。

3.2參數配置技術

車站仿真基本目標是要客觀、真實反映車站乘客在站內的活動，若達到與實際最接近的仿真效果必要條件之一就是配置準確、合理的仿真參數[4]。通過對Anylogic功能的分析，參數配置可以歸為4類。

3.3模塊封裝技術

Anylogic軟件雖然已經有描述地鐵行為的標準庫和行人庫，但是由于北京地鐵特有的客流特征和客運組織方式，需在原庫基礎上二次開發。現場調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評估優化技術

仿真過程中Anylogic可以對車站各區域客流數量及密度、設備設施利用率及排隊情況、乘客站內停留時間等進行統計分析。為了滿足客流與設備設施能力適應性評估需要，提出以下指標來識別站內瓶頸，找出薄弱環節。3.4.1瓶頸識別技術按照乘客出行過程中經過的節點順序，當前方節點的通行能力大于后方節點的通行能力時，即C4<C3<C2<C1，該區域隨著乘客數量不斷增加，密度增大，運動速度減少，產生擁塞。若要安全運行，應控制通道內各節點的運行狀態滿足以下準則：C4>C3>C2>C1，如圖3所示。當其中一個符號發生變化時出現阻塞，稱之為基于節點分析法的瓶頸識別技術。3.4.2能力適應性評估指標針對瓶頸位置，建立能力適應性評估指標，以評估瓶頸對乘客出行過程的影響程度。設備設施負荷度—統計時段內，車站供乘客使用的各項設備設施利用或占用的情況，如式（1）：式中，Si指該設備設施的負荷度；Qi指該設備設施實際客流量；Ci指該設備設施的固有通過能力。設備設施排隊人數—統計時段內，等待接收設備設施服務的乘客排隊人數，以反應進出站、檢票等資源是否足夠。瓶頸擁擠持續時間—統計時段內，瓶頸處設備設施區域密度連續高于某一閾值時的持續時間，反映通道擁擠的延續情況。

3.52D與3D接口技術

車站3D綜合展示包括車站主體建模、站內客流展示、設備設施狀態展示，其功能實現需由2D仿真提供相應的乘客信號并通過數據接口實現。接口內容如圖4所示。

3.5.1車站主體建模結合

2D仿真的CAD圖紙，通過現場拍照、3D灰模建立、貼圖等工作完成車站實體建筑及設備設施建模。建模時2D仿真需提供圖紙原點坐標、層編號、區域劃分及設備編號，以達到站內客流、設備設施狀態與2D仿真一致。

3.5.2站內客流展示及設備設施狀態展示

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、設備初始狀態、列車時刻表等；再通過主體建模中已明確的位置及編號信息，以1s的間隔向2D仿真服務器端請求個體ID的位置及設備ID的狀態信息，最終在3D中展現出來。

4地鐵宣武門站實例驗證

4.1基本情況宣武門站是地鐵

2號線和4號線的換乘車站，兩條線布置呈“+”字型布局，換乘時通過東西兩側的通道進行換乘。宣武門站的大客流集中在工作日早高峰7:00～9:00，尤其4號線換2號線（以下簡稱“4換2”）的客流量達到宣武門站總集散量的50%，客流集中且大，給車站客運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，以降低乘客到達通道的集中性。

4.2數據處理

按照車站仿真建模流程，經過現場踏勘調研后，完成了乘客個體特征、客流分布規律等參數收集及CAD圖紙修改，標定了層級、區域劃分及設備編號，在軟件中對仿真參數、流線組織及客運組織等內容進行了配置，并通過現場拍照完成3D建模。

4.3仿真展現

以某工作日早高峰7:00～9:00的進出站及換乘客流、列車運行時刻表、列車滿載率為輸入數據，對宣武門站早高峰的客流情況進行了仿真，2D仿真展示及3D展示如圖5、圖6所示。

4.4瓶頸識別及評估

4.4.1瓶頸識別

根據《地鐵設計規范》中對設備設施通行能力的界定[7]，4換2過程中各部位能力C南/北側樓扶梯>C限流圍欄<C通道>C2號線樓梯。根據瓶頸識別技術，限流圍欄、2號線樓梯均為4換2過程中的瓶頸。但由于限流圍欄設置的目的就是分散乘客集中到達速度，所以不界定為瓶頸。而2號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為高峰時段的仿真密度圖，可清晰看出瓶頸位置。

4.4.2瓶頸評估指標

（1）樓梯負荷度2號線樓梯負荷度如圖8所示。從7:20開始負荷度就處于100%左右，一直持續到8:40，樓梯負荷度大，持續時間長。（2）樓梯排隊長度為了說明排隊人數的狀態，輔以該區域密度說明，如圖9所示。高峰時2號線上行樓梯排隊人數35人左右，最高達45人，區域密度遠大于等候區域臨界安全經驗值2.4p/m2，最高達到3.73p/m2，已經非常擁擠[8]。（3）樓梯擁擠持續時間按照樓梯走行區域的臨界安全經驗值，當樓梯密度大于2.1p/m2時，樓梯已非常擁擠。從7:20～8:40約80min，2號線樓梯的密度持續高于臨界值，最高時達到2.93p/m2，如圖10所示，持續時間達80min。

4.4.3改造優化建議

拓寬2號線上行樓梯寬度。2號線上行樓梯的能力較西北、西南兩側通道的合計能力小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號線站臺兩側柱子及內部結構影響，改造已建成的站臺困難較大。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性。（1）優化限流圍欄設置。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。在站廳設置限流圍欄繞行的基礎上，在通道口增加分批放行的限流措施。

5結束語

本文在車站日益增長的客流壓力背景下，基于Anylogic軟件對車站仿真的技術流程、關鍵技術及瓶頸識別方法、評估指標等內容進行了研究，并以地鐵宣武門站為例進行軟件的應用驗證，分析了宣武門站4號線換乘2號線的瓶頸，提出了宣武門站改造優化建議。仿真結果顯示與現場具有較高的一致性，說明Anylogic在車站仿真評估上具有較強的可行性和適用性。

參考文獻：

[1]胡明偉,史其信.城市軌道交通車站客流組織的仿真和評價[J].交通信息與安全，2009，27（3）.

[2]杜海暉.大型客運站客流組織動態仿真系統實現方法的研究[D].北京：北京交通大學，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估[J].鐵路計算機應用，2012，21（8）.

[4]劉啟鋼，杜旭升，楊旭.大型鐵路客運站客流組織仿真技術研究[J].鐵路運輸與經濟，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需求說明書[R].2011.

[6]陸奕婧，鄒曉磊.城市軌道交通車站客運組織評價[J].交通科技與經濟，2009，11（1）.

[7]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB50517―2013地鐵設計規范[S]．北京：中國建筑工業出版社，2013．

[8]胡清梅.城市軌道交通車站客流承載能力的評估與仿真研究[D].北京：北京交通大學，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