长沙地铁万家丽广场站厅仿真及客流优化研究
第21卷第3期2021年6月
交通运输系统工程与信息
Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology
V ol.21No.3
June2021
文章编号：1009-6744(2021)03-0275-07中图分类号：U270文献标志码：A DOI:10.16097/jki.1009-6744.2021.03.035
长沙地铁万家丽广场站厅仿真及客流优化研究
谢建平*1,2，杨坤2，张译颢2，张海峰2，谢宜斌2
(1.中南大学，交通运输工程学院，长沙410075；2.长沙市轨道交通集团有限公司，长沙410000)
摘要：城市轨道交通作为居民主要出行方式，为建设更舒适的出行环境，提高乘客在站厅的进出效率，减少乘客拥堵现象。本文以长沙地铁万家丽为原型，研究已经开通运营的换乘车站，在建筑面积固定的
情况下，如何根据既有设备布局高效组织激增的进出站和换乘客流。基于万家丽近期和远期客流数据，同时重现排布验票闸机、楼梯的进出方向和位置，利用仿真软件充分验证方法的可行性和有效性。结果显示，新的排布方式可满足实际性需求，使客流组织方案与站内空间布局更加协调，一定程度上消除了乘客拥堵现象。基于仿真结果和理论计算结果对比发现，行人走行时间增加量随进站客流量的增加呈现先增后减再增的趋势，该趋势可为未来车站行人走行时间预估提供一定的理论基础。
关键词：城市交通；客流积压缓解；客流仿真模拟；地铁车站；改进措施
Station Operation Simulation and Passenger Flow Optimization
at Wanjiali Square of Changsha Metro
英耀篇XIE Jian-ping*1,2,YANG Kun2,ZHANG Yi-hao2,ZHANG Hai-feng2,XIE Yi-bin2
(1.School of Traffic&Transportation Engineering,Central South University,Changsha410075,China;
2.Changsha Metro Group Co.Ltd,Changsha410000,China)
Abstract:Urban rail transit is an important travel mode for residents.This paper focuses on the passenger flow organization at Wanjiali of Changsha Metro.The study investigates the strategies that
efficiently organize the surge of in and out of the station and optimize passenger flow with existing equipment layout and under fixed building area.The goal is to provide a more comfortable travel environment,improve the entrance and exit efficiency,and reduce passenger congestions at the station.Based on the short-term and long-term passenger flow data of Wanjiali Station, this study proposes to re-arrange the entrance and exit directions and locations of ticket checking gates and stairs,and verifies the effectiveness of the proposed method using simulation software.The results show that the new arrangement can meet the practical needs and make the passenger flow organization scheme more coordinated with the station spatial layout.To a certain extent,it eliminates passenger congestions.From a comparison between the simulation results and the theoretical calculation results,it is found that the increase of pedestrian walking time increases first,then decreases and then increases again with the increase of the number of passengers in the station,which provides a theoretical basis for the prediction of pedestrian walking time in metro station.
Keywords:urban traffic;passenger flow alleviation;passenger flow simulation;metro station;improvement measures
0引言
城市轨道交通设备设施是影响大客流的关键因素，国内外学者对此做了很多研究，文献[1]基于客流特征的城市轨道交通对车站闸机配置方案进行研究，根据车站客流量，给出进站、出站、双向闸机数量配置要点。文献[2]等针对闸机的布置，测算实际通过能力，比较不同布局下乘客行走时间、距离等指标，给出优化布局方案，解决检票闸机对客流的制约问题。文献[3]利用摄像机逐帧回放的方法统计分析地铁检票闸机处乘客属性，结合统计数
收稿日期：2020-11-28修回日期：2021-04-16录用日期：2021-04-21
基金项目：国家自然科学基金/National Natural Science Foundation of China(71471179)。
作者简介：谢建平(1980-)，男，湖南邵阳人，高级工程师，博士生。*通信作者：****************
江南水乡古镇
交通运输系统工程与信息2021年6月
据信息计算检票闸机通过能力。也有学者认为闸机位置的不合理布局会导致乘客在闸机前拥堵，影响乘车的集散效率[4-6]。站内常规设施布局除了直接影响行人流线效率，也会通过与车站物理结构间接影响行人走行效率。文献[7]基于社会力模型对行人在地铁车站通道走行效率进行模拟，认为当通道拐角角度小于120°时，行人走行速度会受到影响，建议在车站通道加装指示牌或者隔栏使乘客有序走行，以提高行人在车站通道的走行效率。针对换乘站，文献[8-9]提出多线换乘应预留充足空间以便于
未来客流组织。文献[10-11]表明，合理优化枢纽设施布局，可提高车站面积利用率，减少客流交叉，最终提高乘客在站走行效率。
上述文献仅在车站设计初期，依据车站规模、设施的相互影响进行研究和布局，对在计划中的车站建设具有指导意义。但是作为已经开通运营的换乘车站，在建筑面积已经固定的情况下，大面积进行重新改变布置存在一定难度，只能综合已有研究成果，根据实际的站型内既有设备设施的布局进行微小调整，并结合客流组织方案，达到减少乘客站内冲突点，缩减乘客在站时间的目的。本文以长沙市轨道交通2、5号线换乘站万家丽广场站为实际案例，基于设计初期和近期客流预测结果，对客流进行仿真模拟，出车站的客流瓶颈所在，对比不同方案，得到优化解决方案，为未来客流组织方案提供依据。
1万家丽站仿真建模
1.1现状问题分析
电脑主机响长沙市轨道2号线车站于2014年4月29日开通，万家丽广场站为2号线的第17个车站，同时也是5号线与2号线十字换乘车站，共地下三层站，分别为站厅层(地下一层)、2号线站台层(地下二层)、5号线站台层(地下三层)。图1为万家丽广场站站厅层现阶段设施布局图，南北方向为5号线走向，东西方向为2号线走向。根据现阶段实际运营情况，万家丽广场站2、5号线进站闸机、安检设备位置以及2号线进
站扶梯和出站扶梯的位置，很大程度上制约了站厅层的换乘能力；加之近期客流持续增长，对未来运营组织、导向指引等会带来很大隐患，因此优化2、5号线站厅层的进出站流线、换乘流线尤为迫切。
有鉴于此，从万家丽广场站的实际站型出发，采用“BIM模型+仿真”的方法提出优化站厅层设备布局的方案，使客流组织方案与站内空间布局相协调，减少乘客站内冲突点、
缩减乘客在站时间。
图1站厅层设施布局原方案
Fig.1Original facility layout of station hall
1.2行人源参数设置
采用MassMotion软件进行仿真模拟，可实现在BIM模型框架下最大程度还原车站物理结构和实现行人走行偏好行为规划。
行人源参数设置主要包括乘客到达率、乘客走行速度两个方面。乘客到达率指单位时间内到达的乘客数量，结合实际调研结果、长沙市城市整体发展规划和预测客流对车站各组闸机乘客到达率做相应设置，1、4、6号闸机进站客流到达率近初期分别如表1所示。
表1闸机到达率
Table1Arriving rate of entrance gate
闸机
1号
4号
6号
初期客流到达率/
(人·min-1)
67
41
2
近期客流到达率/
广发银行网上还款(人·min-1)
82
46
5
乘客走行速度指在车站内平均走行速度，参考实际调研结果，具体取值满足下限0.7m·s-1、上限1.8m·s-1，均值1.25m·s-1，方差0.2的截断正态分布。2万家丽站客流分析
万家丽广场位于长沙市市中心偏东，西边距长沙火车站直线距离约1.6km，南边距芙蓉区政府直线距离约700m，周围有万家丽国际购物广场、万家丽家具建材广场等重要建筑，是重要的客流吸引源。结合车站历史客流数据、初期(2023年)、近期(2030年)线网、车站规划和长沙市城市整体发展规
顾月霜
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划换乘客流预测数据如表2所示。初期2号线进出站客流为5号线进出站客流的7.408倍，近期2号线进站客流仅比出站客流多129人次，相比于初期1160人次更小，意味2号线出站客流矛盾进一步增大，寻求2号线进出站客流之间的平衡至关重要。
表2进出站客流预测
Table 2Passenger flow forecast
时间初期近期
5号线客流/人次进站客流4801024
出站客流10372251
2号线客流/人次进站客流61997012
出站客流
50396883
表3换乘客流预测
Table 3Forecast results of transfer passenger 时间初期/人次近期/人次
5号线上行换2号线17193323
5号线下行换2号线22983875
2号线上行换5号线9041472
2号线上行换5号线17193323
由表3可知，近期换乘客流猛增，5号线上行换2号线的客流、2号线上行换5号线的客流均为初期的1.9倍，运营单位需要在有限的空间内、快速疏散客流，这将给未来运营组织、导向指引带来巨大压力。同时，2号线总体客流量比5号线高出几倍，说明换乘客流与进出站客流之间的矛盾主要集中在2号线。
3万家丽广场站客流仿真分析及改进
3.1万家丽广场现状初、近期仿真分析
初期，假设列车到站间隔为3min ；近期，列车
到站间隔为2min 。基于初期、近期的客流预测数据，对原方案进行客流仿真，得到结果如下。
(1)初期
在原设计方案下，当客流较大时，在2号线站厅层和站台层扶梯进站处出站客流稍微出现客流拥堵，如图2所示，客流主要集中在2号线进出站楼扶梯位置，同时影响到1号组闸机的进站。
(2)近期
随着客流量增加，如图3所示，2号线站厅层进出站客流拥挤情况加剧，客流拥堵影响主要集中在进出站的楼扶梯和1、3、4号闸机组位置；同时5号线进出站楼扶梯的进站处也形成客流拥堵，出站通道不能满足乘客出站，在站厅形成客流积压，且随着时间的推移越积越多，导致整个站厅拥堵。因此，采取有效措施解决拥堵情况成为焦点。
3.2万家丽广场改进措施及结果分析
可以采取以下几点措施改变站厅层的拥堵情况：①改变闸机的进出站方式，如采取双向进出站闸机等；②增加站厅面积；③步行楼梯设计成上下双行楼梯等。但万家丽广场站为已建成车站，目前使用的闸机为单向旧闸机，考虑成本和时间问题，无法完成双向闸机改造；如图4所示，步梯在原设计中仅为1.2m 宽，除去扶手等空间宽约1m ，中间无法通过铁马护栏等方式隔开进出站行人，只能采取人
为组织客流引导的方式改变进出站方式。鉴于扩大站厅存在局限性，根据现场情况考虑改变5、6号组闸机进出方式，
以减少客流冲突。
图2初期站厅原方案仿真结果
Fig.2Simulation result of original station hall in early
stage
图3近期站厅原方案仿真结果
Fig.3Simulation result of original station hall during
recent period
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图4万家丽地铁站扶梯现状
Fig.4Optimized facility layout of station hall
提出如下优化设计方案：
(1)南侧5号线楼扶梯的进出站由原来的2进站1出站，改为2出站1进站模式，将闸机、安检机位置重新布局，即5号闸机组和6号闸机组位置互换，使客流进出站位置调换，减少1号闸机进站客流与原5号闸机出站客流的冲突。
(2)将东侧2号线楼扶梯的进出站由原来的2进站1出站，改为2出站1进站模式，对上下两侧进出站闸机的方向进行调换，即3号闸机组和4号闸机组位置互换。具体变化如图5所示。由于2号线扶梯宽度小，将其由进站改为出站方式，通过人为引导，
增加标识的方式解决。
图5站厅层设施布局优化方案
Fig.5Optimized facility layout of station hall
采用MassMotion 软件对优化方案进行仿真模拟，结果显示：
(1)根据数值仿真结果，初期优化方案中站厅层的拥堵情况改善明显，未形成客流拥堵情况。说明调换2号线进站扶梯和出站扶梯的位置和方
向，可以有效改善2号线方向拥堵情况，具体如图6
所示。
图6初期站厅优化方案仿真结果
Fig.6Simulation result of optimized station hall in early stage
对比原方案和优化方案的客流平均进出站时间，结果如表4所示。可以看出5号线、2号线方向：进站乘客从验票道离开的平均时间分别缩短了0.21min ，0.39min ；出站乘客耗时分别缩短了0.26min ，0.28min 。说明优化设计方案有效地缩减了乘客在站时间，且改善效果显著。
表4乘客进出站平均时间(初期)
Table 4Average time of passengers entering and leaving
(2)近期
相较于原方案，更换2号线进站扶梯和出站扶
梯的位置，有效减少了进站客流与出站客流之间的流线冲突，方便了2号线出站客流的走行。优化方案中进出站位置的拥堵现象明显减轻，具体如图7所示。可以看出，闸机进出方向的变化对站厅层客流疏解可以起到一定的改善作用。
对比客流平均进出站时间，近期优化方案的通过能力明显优于原方案，结果如表5所示。可以看出5号线、2号线方向：进站乘客从验票道离开的平
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均时间分别缩短了0.2min ，0.22min ；出站乘客耗时分别缩短了0.31min ，1.19min 。虽然优化方案没有办法完全解决进出站拥堵情况，但是在很大程度上降低了拥堵程度，
缩短了乘客拥堵时间。
图7近期站厅优化方案仿真结果
Fig.7Simulation result of optimized station hall during
recent period 表5乘客进出站平均时间(近期)
Table 5Average time of passengers entering and leaving
3.3理论计算与仿真模拟差异比较
为进一步验证仿真结果的有效性，还原乘客在车站内走行全过程，以分析外界因素对乘客走行影响程度，期望总结得到外界因素与客流集散规律，因此需区分仿真模拟与理论计算的差异。
福州地税表4和表5中提到的乘客“从验票到离开”进站全过程包含检票闸机通过、站内走行、站台等待。建立乘客站内走行全过程理论模型为
t in =t 1+t 2+t 3
(1)t out =t 1+t 2
(2)t 1=
μ()λμ2
P 0
()C -1!()Cμ-λ2
+1
μ
(3)t 2=L v ˉ
(4)t 3=h 2
(5)
P 0=éë
êê
êêêêùûúúúúúú∑n =0C -1ρn n !+ρc
C !æèçöø÷1-ρC -1
(6)
ρ=λCμ
(7)
式中：
t in 为进站总时间；t out 为出站总时间；t 1为检票闸机等待时间，该过程假设乘客到达满足泊松分布，闸机服务时间满足负指数分布；
λ为乘客到达率；μ为闸机服务时间；ρ为闸机服务强度；n 为顾客数，
C 为闸机数量；P 0为无人使用闸机的概率；t 2为乘客站内走行时间；L 为乘客走行距离；v ˉ为乘客走行平均速度；
t 3为乘客站台平均等待时间；h 为列车发车间隔。
理论与仿真结果如表6所示。
表6理论与仿真结果对比
鉴于近期列车发车频率较初期发车频率更大，因此近期“从验票到离开理论平均时间”均比初期
的更小；无论初期还是近期，“从验票到离开仿真平均时间”均比“从验票到离开理论平均时间”更大，
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