行人仿真问题下城市轨道交通车站仿真研究范文
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摘要：
本文在综合比选仿真软件的基础上，介绍Anylogic软件的仿真建模技术流程，对仿真过程中关键技术进行研究。以北京地铁宣武门站为例，建立车站2D、3D展示模型，利用仿真数据分析、评估地铁4号线换乘2号线的制约瓶颈，提出宣武门站优化建议。验证了Anylogic软件在车站仿真评估应用中的可行性，并为城市轨道交通车站评估优化工作提供支持。
关键词：
轨道交通；车站仿真；Anylogic；评估优化
随着城市轨道交通网络化程度的不断提高，作为运输系统基层环节的车站，客流量也迅猛增长，尤其早晚高峰时段设备设施超负荷运转现象严重，大大降低了运营的安全性和运输效率。由于车站建设时耗费了大量的人力物力，一旦建成便难于改造，因此需从客运设施布局、乘客客运组织等方面着手降低车站运营压力。利用车站行人仿真技术对掌握车站空间占用情况，反映客流的随机性和复杂性，分析设备设施负荷程度与布局的关系，查找进出站及换乘环节的瓶颈是一种更加科学有效的方法。
1仿真软件选择
综合考虑国内外车站仿真软件所使用的行人微观交通仿真模型、软件的技术成熟度和流行程度、应用领域、开放性、性价比等情况，选择AnyLogic仿真软件。与其它仿真软件对比如表1所示，AnyLogic具有以下优点[1]：（1）软件采用的行人仿真模型是目前比较被认可的行人动力学模型、社会力学模型，可以反映乘客个体走行特征及行人自组织现象；（2）软件具有开放式的体系结构，支持与Java自定义模块协同工作，可动态地进行数据读写，并将结果输出到3D环境；（3）更贴近地铁车站建模的需求，支持高度定制的车站开发环境，如行人分类（性别、年龄、携包等）、行人与列车交互、行人路线规划、各种物理环境的实现（屏蔽门、电梯等）、列车满载率限制等；（4）具有灵活的图形化操作界面和数据分析工具。
2车站仿真技术流程
车站仿真针对业务需求情况，可分为正常方案、预测方案和疏散方案3种。正常方案目标为实现已运营车站客运组织、设备设施布局优化，预测方案目标为评估未来客流对设备设施的影响，疏散方案目标为评估突发事件下车站的疏散能力。上述3种评估流程基本一致，只是使用的数据和参数不同。一般情况下，车站仿真分为基础资料获取、2D与3D建模、仿真效果展示和仿真评估优化4个主要过程[2]。
3仿真关键技术
3.1流线组织技术
乘客在特定的车站内进站、出站和换乘流线基本是固定的。客流时间不均衡特征明显的车站，高峰与平峰可能有所不同。Anylogic软件在行人产生后，为了模拟乘客集散的具体过程，需配置相应的流线和目的地D1、D2…Dn来组织客流在车站内进站、出站、换乘、上车、下车的过程[3]。一般而言，主要有行人流与列车流，行人流又包括进站流、出站流及换乘流。
3.2参数配置技术
车站仿真基本目标是要客观、真实反映车站乘客在站内的活动，若达到与实际最接近的仿真效果必要条件之一就是配置准确、合理的仿真参数[4]。通过对Anylogic功能的分析，参数配置可以归为4类。
3.3模块封装技术
Anylogic软件虽然已经有描述地铁行为的标准库和行人库，但是由于北京地铁特有的客流特征和客运组织方式，需在原库基础上二次开发。现场调研后归纳封装的行为模块[5]如表3所示，部分行为模块如图2所示。
3.4评估优化技术
仿真过程中Anylogic可以对车站各区域客流数量及密度、设备设施利用率及排队情况、乘客站内停留时间等进行统计分析。为了满足客流与设备设施能力适应性评估需要，提出以下指标来识别站内瓶颈，找出薄弱环节。3.4.1瓶颈识别技术按照乘客出行过程中经过的节点顺序，当前方节点的通行能力大于后方节点的通行能力时，即C4<C3<C2<C1，该区域随着乘客数量不断增加，密度增大，运动速度减少，产生拥塞。若要安全运行，应控制通道内各节点的运行状态满足以下准则：C4>C3>C2>C1，如图3所示。当其中一个符号发生变化时出现阻塞，称之为基于节点分析法的瓶颈识别技术。3.4.2能力适应性评估指标针对瓶颈位置，建立能力适应性评估指标，以评估瓶颈对乘客出行过程的影响程度。设备设施负荷度—统计时段内，车站供乘客使用的各项设备设施利用或占用的情况，如式（1）：式中，Si指该设备设施的负荷度；Qi指该设备设施实际客流量；Ci指该设备设施的固有通过能力。设备设施排队人数—统计时段内，等待接收设备设施服务的乘客排队人数，以反应进出站、检票等资源是否足够。瓶颈拥挤持续时间—统计时段内，瓶颈处设备设施区域密度连续高于某一阈值时的持续时间，反映通道拥挤的延续情况。
3.52D与3D接口技术
车站3D综合展示包括车站主体建模、站内客流展示、设备设施状态展示，其功能实现需由2D仿真提供相应的乘客信号并通过数据接口实现。接口内容如图4所示。
3.5.1车站主体建模结合
2D仿真的CAD图纸，通过现场拍照、3D灰模建立、贴图等工作完成车站实体建筑及设备设施建模。建模时2D仿真需提供图纸原点坐标、层编号、区域划分及设备编号，以达到站内客流、设备设施状态与2D仿真一致。
3.5.2站内客流展示及设备设施状态展示
3D综合展示一次性获得2D仿真总体信息，包含基本控制命令、设备初始状态、列车时刻表等；再通过主体建模中已明确的位置及编号信息，以1s的间隔向2D仿真服务器端请求个体ID的位置及设备ID的状态信息，最终在3D中展现出来。
4地铁宣武门站实例验证
4.1基本情况宣武门站是地铁
2号线和4号线的换乘车站，两条线布置呈“+”字型布局，换乘时通过东西两侧的通道进行换乘。宣武门站的大客流集中在工作日早高峰7:00～9:00，尤其4号线换2号线（以下简称“4换2”）的客流量达到宣武门站总集散量的50%，客流集中且大，给车站客运组织造成了很大压力。目前在换乘站厅采用围栏绕行的方式限流，以降低乘客到达通道的集中性。
4.2数据处理
按照车站仿真建模流程，经过现场踏勘调研后，完成了乘客个体特征、客流分布规律等参数收集及CAD图纸修改，标定了层级、区域划分及设备编号，在软件中对仿真参数、流线组织及客运组织等内容进行了配置，并通过现场拍照完成3D建模。
4.3仿真展现
以某工作日早高峰7:00～9:00的进出站及换乘客流、列车运行时刻表、列车满载率为输入数据，对宣武门站早高峰的客流情况进行了仿真，2D仿真展示及3D展示如图5、图6所示。
4.4瓶颈识别及评估
4.4.1瓶颈识别
根据《地铁设计规范》中对设备设施通行能力的界定[7]，4换2过程中各部位能力C南/北侧楼扶梯>C限流围栏<C通道>C2号线楼梯。根据瓶颈识别技术，限流围栏、2号线楼梯均为4换2过程中的瓶颈。但由于限流围栏设置的目的就是分散乘客集中到达速度，所以不界定为瓶颈。而2号线上行楼梯较通道能力小17750p/h，为4换2流线中客流通行的制约瓶颈。图7为高峰时段的仿真密度图，可清晰看出瓶颈位置。
4.4.2瓶颈评估指标
（1）楼梯负荷度2号线楼梯负荷度如图8所示。从7:20开始负荷度就处于100%左右，一直持续到8:40，楼梯负荷度大，持续时间长。（2）楼梯排队长度为了说明排队人数的状态，辅以该区域密度说明，如图9所示。高峰时2号线上行楼梯排队人数35人左右，最高达45人，区域密度远大于等候区域临界安全经验值2.4p/m2，最高达到3.73p/m2，已经非常拥挤[8]。（3）楼梯拥挤持续时间按照楼梯走行区域的临界安全经验值，当楼梯密度大于2.1p/m2时，楼梯已非常拥挤。从7:20～8:40约80min，2号线楼梯的密度持续高于临界值，最高时达到2.93p/m2，如图10所示，持续时间达80min。
4.4.3改造优化建议
拓宽2号线上行楼梯宽度。2号线上行楼梯的能力较西北、西南两侧通道的合计能力小17750p/h，按照上行楼梯单位宽度的通行能力约需要拓宽4.8m。但由于2号线站台两侧柱子及内部结构影响，改造已建成的站台困难较大。将拥挤位置前移至站厅，降低封闭通道人群拥挤踩踏的危险性。（1）优化限流围栏设置。考虑将站厅限流围栏（位置2）2.3m宽度缩为1m，通行能力将由23000p/h降低为10000p/h，可与楼梯能力相匹配，如图11所示。（2）加大站厅限流力度。在站厅设置限流围栏绕行的基础上，在通道口增加分批放行的限流措施。
5结束语
本文在车站日益增长的客流压力背景下，基于Anylogic软件对车站仿真的技术流程、关键技术及瓶颈识别方法、评估指标等内容进行了研究，并以地铁宣武门站为例进行软件的应用验证，分析了宣武门站4号线换乘2号线的瓶颈，提出了宣武门站改造优化建议。仿真结果显示与现场具有较高的一致性，说明Anylogic在车站仿真评估上具有较强的可行性和适用性。
参考文献：
[1]胡明伟,史其信.城市轨道交通车站客流组织的仿真和评价[J].交通信息与安全，2009，27（3）.
[2]杜海晖.大型客运站客流组织动态仿真系统实现方法的研究[D].北京：北京交通大学，2011.
[3]李洪旭，李海鹰，樊校，许心越.基于Anylogic的地铁车站集散能力仿真分析评估[J].铁路计算机应用，2012，21（8）.
[4]刘启钢，杜旭升，杨旭.大型铁路客运站客流组织仿真技术研究[J].铁路运输与经济，2012，32（10）.
[5]北京市轨道交通指挥中心二期工程信息中心系统需求说明书[R].2011.
[6]陆奕婧，邹晓磊.城市轨道交通车站客运组织评价[J].交通科技与经济，2009，11（1）.
[7]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50517―2013地铁设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2013．
[8]胡清梅.城市轨道交通车站客流承载能力的评估与仿真研究[D].北京：北京交通大学，2011.
作者：赵路敏 郑宇 谢金鑫 单位：北京市轨道交通指挥中心 北京市工程咨询公司