地铁换乘站行人行为与设施服务水平及其仿真研究
设计者：杨涵，陈志杰，张含笑，刘欣欣，伍梦欢
指导教师：毛保华，刘智丽
（北京交通大学 交通运输学院 北京100044）
作品内容简介
以北京地铁海淀黄庄站为背景，应用AnyLogic软件建立地铁站内乘客走行模型。根据实际样本采集，研究得到各设施处乘客步速的分布情况和相对速度；发现跟随类型、拥挤程度对乘客步速影响显著。在行人行为特征分析的基础上，标定和完善了行人走行模型。通过仿真模型，得出客流密度与设施宽度的量化关系。结合服务水平的划分，给出满足不同服务等级、客流量条件的设施建议宽度，并为地铁站内设施建设提供建议。
关键字：地铁车站；行人行为特性；设施参数；服务水平；行人仿真 1．绪论
车站是乘客实现地铁出行的必经之路，车站人行设施能力对于实现车站服务功能具有重要作用。一定的通行能力以相应的服务水平为条件，两者互为前提。现有规范[7]主要从通行能力角度给出设施建议宽度，没有充分体现服务水平因素。
文献[1-3]从感知、安全、舒适、便捷等角度划分服务等级，文献[4-6]探讨了服务等级划分，将服务水平引入了地铁设施的设计，文献[8-10]研究了地铁的客流特征。总体来说，国内关于人行设施设计的研究仍较少考虑服务水平因素。
本文以地铁北京海淀黄庄站为背景，采用建模仿真软件AnyLogic6.4模拟行人在地铁站内的走行过程。AnyLogic软件以社会力模型为核心算法，在大量行人相互交织的情况下能较好的反应行人的自组织特性[11]。 2．乘客站内走行仿真建模 2.1 设定模型前提
本文研究的目的是在一定的人行设施设计长度和客流量条件下，针对于晚高峰期间地铁站内乘客走行情况，得出满足选定服务等级的站内人行设施最小设计宽度。在进行系统仿真建模之前，根据研究的目的，对系统进行一定的假设和说明以简化模型，从而降低仿真模型建立的难度和减少无关因素的干扰。本文对乘客在地铁站内通道、楼梯、站台等设施处的走行仿真模型进行一下前提假设：
（1）简化行人走行过程 将乘客在地铁站内通道、楼梯、混合楼梯的走行过程简化为：列车内乘客进入站台，通过通道离开站台；列车内乘客进入站台，通过上行的楼梯离开站台；列车内乘客进入站台，在楼梯与扶梯并列的上行“混合楼梯”中选择一种形式离开站台。
（2）简化行人个体形态 将乘客的占地空间简化为二维圆形。 （3）简化乘客到站形式 列车内乘客的到站形式简化为在列车开门时间内乘客沿站台随机到站。
（4）简化行人走行模式 将走行模式简化为乘客走行中受其他行人、墙壁、障碍物的综合作用力，且均以最短路径原则走行至各自目的地，无问路、滞留站台现象发生。 2.2 模型建立
本文以北京地铁海淀黄庄站为背景，应用建模仿真软件AnyLogic6.4模拟地铁站内通道、楼梯、扶梯等人行设施的通行情况，结合函数拟合，处理得出结果。基本做法是：
（1）设定乘客步速的分布。通过实地调查，结合数据统计分析出步速分布。 （2）设定各人行设施内乘客的步速。针对不同设施，实地调查出乘客步速。
1
（3）设定不同个体特征乘客的步速。针对不同类型乘客，调查其步速。 （4）设定乘客占用空间直径、客流结构和设施长度。实地调查统计获得。 （5）基于以上四个前提，假定不同的设施宽度及客流量条件，让计算机产生符合相应特征的随机行人，仿真模拟地铁站内通道、楼梯、混合楼梯的通行情况。选取一定区域，统计其人数，计算其密度值。经多次实验，得到多组设施宽度及其拥挤时密度值，利用Origin拟合设施宽度与客流密度的量化关系，结合服务等级算得对应于不同密度值的宽度，即可获得相应服务等级、客流量条件下的最小设施宽度。 2.3 仿真过程设计
AnyLogic中行人仿真建模包括环境建立、创建行为流程图、运行仿真和结果分析几个步骤[12]。具体仿真过程如下：
步骤1：创建模型动画。在动画编辑器中按实际尺寸绘制人行设施布局图，绘制封闭的仿真区域，定义客流入口、出口。
步骤2：设计设施区域。为实现设施间行人步速的变化，将不同设施区域地面设置为移动。
步骤3：添加行人流。设置行人步速v(单位：m/s)、占地空间直径d(单位：m)等行人对象属性。
步骤4：设计客流源。设置客流结构、乘客到达频率（即客流量Q(单位：p/h)）。
步骤5：设计模型流程图。在混合楼梯实验中，使用pedSelectOutput对象实现乘客在两并列设施间的选择 。
步骤6：运行模型并查看动画。
步骤7：收集统计数据。每10s动态统计目标区域内客流密度ρ(单位：p/(m2))。
步骤8：更改客流量Q和设施宽度B(单位：m)，重复步骤6、7进行多次仿真，得到不同宽度、客流量条件下各人行设施的客流密度情况。 3．乘客走行模型参数标定 3.1 乘客的步速分布
为获得各人行设施的速度分布，选取工作日晚高峰时期，在北京地铁海淀黄庄站以通道、扶梯、楼梯（分上行、下行）、瓶颈（扶梯、站台的连接区域）等人行设施为研究区域，以跟踪法测算乘客速度，采用w检验方法得出瓶颈和下行楼梯乘客步速在显著性水平α为0.05下分别符合平方根正态分布和对数正态分布[13]，见表1。其他设施乘客步速的分布形式复杂，仿真过程中将其简化为均匀分布，以减少对仿真结果的干扰。
表1 不同人行设施的乘客步速分布函数
分布函数参数
设施 样本量 分布密度函数
均值μ 方差σ
瓶颈
374
f(v,?,?)?12??2???exp??????v????22??2???0.86
-0.20
0.197
下行楼梯 325
f(v,?,?)?12??2??2exp??Inv????2?2???
0.246
通道 259 f(v)=1/(1.34-0.96) 1.39 0.012 上行楼梯 194 f(v)=1/(0.93-0.55) 0.79 0.012 扶梯 101 f(v)=1/(1.01-0.63) 0.87 0.012 3.2 不同设施的乘客步速
为获得各处设施乘客的速度，选取北京地铁海淀黄庄站不同设施开展实地调查，本项目
2
初期对此作了深入研究[14]，表2为各设施的乘客步速情况。由表可看出，以扶梯为1，其他设施的换算系数为：瓶颈0.85，上行楼梯0.91，上行楼梯0.93，通道1.6。
表2 不同设施的乘客步速和相对速度（m/s）
设施
通道 上行楼梯 扶梯 站台
速度
? 1.39 0.79 0.87 1.20 ?? 0.19 -0.41 -0.33 0 附注1：? 平均步速，?? 相对站台各设施地面移动速度 3.3不同个体特征乘客的步速
为获得不同个体特征乘客的速度，选取北京地铁海淀黄庄站对不同个体特征的行人步速开展调查。本项目初期对此进行了深入研究[15]，发现相较于年龄、性别，跟随类型和拥挤情况对步速影响更显著。由于拥挤情况随乘客走行不断变化，而跟随类型相对固定，因此，选择跟随类型划分行人流更为准确。行人流的结构取实际测量数值。表3为不同跟随类型乘客的平均步速，由表可得结伴步速为单独的70%~83%。
表3 不同跟随类型乘客的平均步速(m/s)
设施
通道 楼梯 扶梯
行人类型
结伴 1.06 0.61 0.76 单独 1.51 0.82 0.92
附注2：表中楼梯步速为斜坡步速 3.4 其他参数
仿真模拟中，取d～U [0.3,0.4]。客流结构取背景车站客流结构实地调查结果。设施长度取其实际长度。乘客在扶梯、楼梯间的选择概率根据调查取扶梯/楼梯=0.8/0.2。 4．仿真模型难点与解决
本文针对社会力模型的局限性、乘客走行目标的动态变化、列车到站模式和软件的局限性对仿真模型的难点进行了解决。
（1）根据社会力模型，行人在行进中受三方面作用力，在较窄(1.5m以下)的楼梯处易呈直线排列前行，与实际交错状分布不符，所以在站台楼梯实验（楼梯、混合楼梯实验）中，适当减小行人直径，以获得较符合实际情况的仿真效果。表4为折算后各设施的行人对象属性。
表4 行人对象属性
v(m/s) 混合行人流中所占比例
设施 d(m)
单独 结伴 （单独/结伴）
通道 [1.04,1.34] [0.96,1.30] [0.3,0.4] 16/9 楼梯 [0.63,0.93] [0.55,0.89] [0.2,0.3] 8/2 扶梯 [0.71,1.01] [0.63,0.97] [0.2,0.3] 16/9 （2）岛式站台中车内乘客进站设计。岛式站台中，当两方向列车到达车站间隔较小，站台楼梯易发生拥堵，车站集散能力受到严重限制。仿真实验中，利用Java语言编写触发条件，实现两侧列车间隔30s到达。此外，列车到站后，乘客将在列车开门时间内进入站台。仿真设计中，将行人流到达频率设为一较大值，同时设定到达乘客的人数上限（根据客流结构设定），以实现乘客在35s内进入站台。
（3）混合楼梯的选择模型。一般来说，混合楼梯处，乘客更倾向选择扶梯离开站台，但客流量较大，扶梯入口形成严重拥堵时，乘客选择楼梯的概率会显著提高。仿真实验中利用Java语言编写触发条件，实现：当扶梯入口瓶颈区域（6.2m×2.6m的矩形）范围内客流密度
3
大于6p/m2，原来选择扶梯上行的乘客选择楼梯离开站台。
（4）密度数据的实时采集。AnyLogic软件并不直接提供客流密度的统计曲线，且以数值形式导出较困难，实际仿真过程中，利用PedArea内置函数Size()实时统计划定区域内的人数，运算获得其密度；同时，以10s为触发条件，编写Java语言使生成的数值每10s动态导入Access数据库中。 5．仿真结果分析 5.1 仿真数据处理
根据AnyLogic仿真结果，获得在不同客流量、设施宽度条件下的随时间变化的客流密度共计2520条数据。人行设施的服务水平主要受其拥堵状态限制，所以应选取拥挤状态下的密度值。以仿真时间为横轴，客流密度为纵轴绘制折线图，密度随仿真时间推移先增加后减小。随时间推移，密度增加梯度突然减小，且其之后一定区间（区间大小视具体情况而定）内曲线上下波动的那个点即为突变点。同样，密度减小的梯度突然增大，曲线结束波动的点也为突变点。两突变点间密度的平均值即为拥挤情况的密度。低客流时密度曲线没有波动性，只有一个峰值，则取峰值为拥挤密度。 5.2 仿真数据分析
5.2.1 客流密度与设施宽度的定量关系
利用Origin对不同客流量条件下的客流密度、设施宽度数据进行拟合。通过拟合，发现：
（1）通道、楼梯的密度-宽度关系均符合二次根式，
ρ?l?mk?B?n (1)
式中：ρ——密度（p/m2），B——宽度（m），表5为拟合函数的系数。
表5 拟合函数系数表
设施 Q(p/h) l m n k R2
2000 1.08 -0.33 2.08 1 0.973 4000 2.52 -0.83 2.04 1 0.946
通道 6000 3.81 -1.19 1.79 1 0.978
8000 4.87 -1.49 1.89 1 0.984 10000 6.08 -1.76 1.77 1 0.980 2000 1.40 -0.45 2.05 1 0.934 4000 3.23 -1.00 2.17 1 0.986
楼梯 6000 0.01 1.24 7.78 -1 0.970
8000 1.13 0.96 8.28 -1 0.980 10000 1.98 0.71 7.97 -1 0.952
（2）混合楼梯中扶梯密度、楼梯密度与楼梯宽度的关系均符合二次多项式，
ρ= a0 + a1×B +a2×B 2 (2)
式中：ρ——密度（p/m2），B——宽度（m），表6为拟合函数的系数。 5.2.2 基于服务水平的设施宽度取值方法
我国地铁设计规范规定，为保证一定通过能力，通道宽度不应小于2.5m，楼梯不小于2m。在建立设施宽度与客流密度量化关系的基础上，结合地铁设计规范，借鉴文献[4]以行人占用空间、 步速、自由度、超越可能性为依据，针对北京地铁站内楼梯、通道制定的A-F六个服务等级，见表7，即可算得满足相应服务水平要求的设施合理宽度。针对不同客流量，本文提出通道的建议宽度见表8，楼梯建议宽度见表9，混合楼梯的建议宽度见表10。
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表6 拟合函数系数表
Q (p/h) a0 a1 a2 R2 2000 2.09 -0.70 0.07 0.941 4000 4.18 -1.37 0.13 0.961
扶梯 6000 4.28 -1.33 0.12 0.976
8000 4.15 -1.18 0.10 0.962
5.14 -1.64 0.15 10000 0.973
2000 0.47 -0.14 0.01 0.971 4000 1.00 -0.34 0.03 0.957
楼梯 6000 0.93 -0.26 0.03 0.866
3.96 -1.04 0.09 0.938 8000
10000 6.16 -1.78 0.16 0.915
对表8-10进行分析，得出以下两个特点：
（1）随着服务水平的提高，步行楼梯的建议宽度也相应增加，并且远大于设计规范的建议宽度。以6000p/h时的步行楼梯建议宽度为例，其设计规范中的值为2.4米。但是仿真的结果显示，当服务水平为E级时，需要步行楼梯宽度7.7米；而当服务水平提高到A级时，需要步行楼梯宽度12.4米，相比E级时提高了约60%。此外，通道的建议宽度与服务水平关系的特点和楼梯类似。因此，单独的楼梯和通道都具有占地多，服务水平难以改善的特点。
（2）相同服务水平下，在步行楼梯旁加装自动扶梯，即采用混合楼梯，楼梯的建议宽度明显减小。同样以6000p/h时的混合楼梯为例，当步行楼梯和自动扶梯的服务水平都达到A级时，需要步行楼梯宽度5.1米，约为单独步行楼梯时宽度的40%。而另一方面，当自动扶梯的服务水平为E级时，相应的步行楼梯的宽度却为B级。因此，混合楼梯具有占地少，服务水平易于改善，但是两设施利用不均衡的特点。
表7 地铁站通道与楼梯服务水平
密度上限 平均步速
服务水平 步行自由度 超越他人可能性 2
（p/m） （m/s）
A 0.21 1.65 自由选择步速 自由超越 B 0.29 1.63 步速偶尔受限制 无法轻易超越 C 0.50 1.56 步速受到限制 无法超越 通道D 0.74 1.48 步速受到明显限制 无法超越，偶尔停滞
E 1.60 1.15 步速明显降低 无法超越，可能停滞 F ∞ ∞ 步速严重降低 无法超越，经常停滞 A 0.61 1.30 自由选择步速 自由超越 B 0.89 1.22 步速偶尔受限制 无法轻易超越 C 1.13 1.14 步速受到限制 无法超越 楼梯D 1.61 0.97 步速受到明显限制 无法超越，偶尔停滞
E 2.83 0.59 步速明显降低 无法超越，可能停滞 F ∞ ∞ 步速严重降低 无法超越，经常停滞
6．结论
本文针对地铁站内乘客走行系统，建立走行模型，标定相应参数，模拟站内通行过程，得出服务水平与设施宽度的量化关系，为站内人行设施设计提供一套人性化，精细化的设施宽度取值方法。本研究做了以下几个工作：
（1）针对乘客走行模式，建立人行设施内乘客走行仿真模型。本文通过简化行人走行过
5
设施