基于客流流线的地铁站检票闸机布设研究 摘要：分析复兴门等站行人在

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基于客流流线的地铁站检票闸机布设研究　摘　要：分析复兴门等站行人在检票进站环节的闸机选择的行为，提出近端闸机的概念与行人优先选择近端闸机的进站流程假设理论，并通过实地调研分析建立该理论的数学模型。运用仿真对常见的闸机布设方式进行改进研究，提出与客流流线呈倾斜角的闸机布设方式，通过仿真平台进行分析，最佳优化效果可提高人均占有空间60.9%。再改变客流数据，得到不同客流量下的闸机布设建议，为新线站厅闸机布设提供新思路。关键词：城市交通；服务效率；建模仿真；闸机布设；客流组织中图分类号：U231+.4ResearchonSubwayStationTicketGateMachinesLayoutbasedonPassengerFlowAbstract—ThispaperanalysesthebrakemachinechoicebehaviorofcheckinginsubwaystationsuchasFuxingmenStation,putforwardthedefinitionofproximalbrakemachineandtheprocessassumptionaboutPedestrianpreferenceofproximalbrakemachine,andobtainstheoreticalmathematicalmodelsthroughextensivefieldresearch.Thelayoutofbrakemachine,whichisproposedfromthepointofexistentofangleoffsettopassengerflow,ismodifiedbyadoptingsimulationsoftware.Simultaneously,itdrawstheconclusionthatspaceoccupancyperpeopleshouldbeincreasedto60.9%bysimulation.Bychangingthedataofpassengerflow,itcanobtainavariousoflayoutsuggestionsindifferentsituations,whichshallprovidebrandthoughtstonewsubwaylines'layoutofbrakemachine.Keywords—urbantraffic;theserviceefficiency;Modelingandsimulation;Brakemachinelayout;Passengerfloworganization91引言随着地铁系统不断向着自动化、人性化发展，轨道交通车站自动售票系统（AFC）已经成为地铁站的标准配置系统。其终端自动检票闸机是限制车站乘客进出站的重要服务设施。目前轨道交通车站内的设施空间布局趋于模式化、简单化，直接导致检票闸机布设不合理，以致自动检票闸机常出现利用不均衡的现象。但在目前的设计规范和实际操作中，自动检票闸机的布设与分布缺少明确的、可操作性强的规定或说明[4]。国内对地铁站内服务设施的布设已经开展了一定的研究，文献[1]对闸机组垂直和平行行人流线的两种布设进行了分析，得出了闸机实际的通行能力；文献[2]提出了闸机组利用的不均衡度，在分析上海典型车站闸机利用不均的基础上，提出了平行和垂直客流的差位布置闸机优化方案；文献[3]对地铁站自动检票闸机配备数量进行了探讨。文献[5]通过对行人面对楼梯和自动扶梯的路径选择概率进行研究,得到了行人路径选择概率与该路径行走时间的Logit模型。本文基于轨道交通车站乘客路径选择行为研究，分析服务设施中乘客进出自动检票闸机组（以下简称闸机组）的利用效率，主要通过对闸机与行人流线之间角度的调整来达到提高闸机排队区服务水平的目的。9 1检票闸机典型布设方式站厅是乘客集散的主要场所。站厅布局设计优良能够提升客流集散效率，减少人力投入，降低事故发生率。而闸机与其他设施的相对布局由于其决定客流流线走向和流线规模等作用，在站厅设计中显得十分重要。通过对北京地铁市区线路94个站厅为初步研究对象，对北京市地铁站厅闸机布设进行分类。发现闸机与客流流线之间的关系主要可以分为两类：闸机朝向与客流方向垂直布设；闸机朝向与客流平行布设（下文简称平行式布设）。具体布设如图1。前者站厅存在闸机处排队方向与客流流线方向相同、标识明显等特点，有利于闸机的均衡利用，但实际应用中对站厅空间要求较高；后者进站闸机朝向垂直于客流流线，使得闸机处排队方向与客流流线相垂直，与地铁设计规范要求相违背，易导致闸机间利用不均。平行式布设是现阶段主要闸机布设方式。北京市新修线路非换乘站中有62.77%的车站其进站闸机组为平行式布设，对其研究分析具有典型代表性。图1闸机组与客流流线平行（左）/垂直布设（右）示意图Fig.1Parallellayoutofbrakeunit(left)/Verticallayoutofbrakeunit(right)2平行式布设客流特性分析设施利用不均衡主要与两个因素相关：一是轨道交通车站的设施空间布局，二是行人的路径选择行为特征[6]。两者密切相关，设施空间布局是乘客进行路径选择的基础。行人路径选择具有很大的灵活性且影响因素众多。在客流量较小的情况下，行人面对一组检票闸机时倾向于选择距离最近的一个，这符合最短路径的原则。但是在客流量较大时，较近闸机出现排队情况，此时行人选择路径的主要影响因素来自行人之间的作用，此时行为主要表现为行人的自组织行为[6]。为进一步了解闸机组平行式布设下的行人行为特征，选取地铁动物园站与复兴门站的进站闸机作为研究对象。在对各闸机数据进行分析时，发现离行人到达口较近的两个闸机所经客流均占到总客流量的70%以上，具体数据如表1所示。表1检票进站客流分布情况Table1Check-instationpassengerflow’sdistribution站名选择通过的客流比例前两台闸机闸机组其他闸机动物园站A口侧73.81%26.19%动物园站B口侧72.56%27.44%复兴门站73.21%26.79%9 可以发现，进站乘客一般会优先选择最短路径是主要原因。但由于近端闸机通过能力并不能承受全部客流，导致在较近闸机前形成瓶颈，其一般是由闸机前排队空间不足造成。1.1近端闸机与远端闸机由于在闸机平行式布设的情况下，客流一般会在较近处闸机发生拥堵，为方便区分，定义：在闸机平行式布设情况下，单个闸机组中距离乘客到达处较近且其通过人数占总通过人数70%以上的多个闸机为近端闸机，其余闸机都是远端闸机。1.2行人选择闸机的影响因素分析行人选择远端闸机进入收费区行人离开站厅层行人选择近端闸机进入收费区行人通过安检行人判定近端闸机是否拥挤？否是对行人选择闸机的主要影响因素来自于行人与闸机的距离，闸机前是否拥挤和行人自身特性。其中平行式布设的主要的动态影响因素是近端闸机是否拥挤。行人选择闸机的判断行为可简化为图2的判断流程。图2行人通过闸机判断流程Fig.2Pedestriansjudgmentprocessofpassinggate2构建行人选择闸机行为数学模型为能给行人判定闸机前是否拥挤这一行为一量化标准，根据实地调研，将闸机前2.88m2矩形面积内的行人密度作为影响后续行人选择近/远端闸机的重要影响因素。9 在动物园站，现场采集了一个高峰小时内590组近端闸机前行人密度与行人选择闸机情况的数据，并删去一些坏值，最后得到559组有效数据。通过MATLAB曲线拟合，导出选择远端闸机的人数与通过闸机总人数的比例（y）和近端闸机前行人密度（x）关系的曲线（如图3）。曲线拟合度较高，且随着近端闸机前行人密度的增加，y值逐渐趋于稳定。在x达到2以后，y值接近并稳定于0.45；且实际观测中，图3行人密度与远端闸机选择比例的函数拟合Fig.3Functionfittingofthepedestriandensityandtheremotegateselectionproportion闸机前测试区密度难以达到3.5人/m2。流程图如图4所示。行人选择远端闸机与近端闸机的比例为45:55行人选择近端闸机否是行人离开站厅层行人通过安检行人判定近端闸机前等待区行人密度是否达到2？密度大于3.5？行人选择远端闸机是否图4行人仿真流程Fig.4Pedestriansimulationprocess1优化方案与仿真评价在闸机平行式布设的情况下，客流量不均匀分布、轨道交通车站布局、闸机组布置以及行人路径选择偏好等都会引起闸机组利用不均衡的现象，导致车站的运营组织管理不便。因此，通过适当调整闸机组的布设，降低其利用的不均衡度，对提9 高设施利用率、减少乘客不必要的延误等方面都有重要意义。针对闸机平行式布设，已有将闸机组每个闸机按其距离楼梯远近逐级递进靠前的优化布置[2]。对其仿真得到了一定的改善效果，但仍存在因错位布设浪费闸机通过能力，实际操作困难等问题。1.1有倾斜角式的闸机布设图5闸机旋转角度示意图Fig.5Brakemachineoptimizationsolutionα旋转中心远端闸机近端闸机受香港地铁站进站方向与客流方向呈倾斜角布置启发，结合前文行人优先选择近端闸机的行为特性，从实际应用出发提出了部分闸机朝向与行人流线呈一定倾斜角，同时其他闸机朝向不变的改善方案。具体来说：让选定倾斜的闸机以相邻闸机组中心线一端点为旋转中心，以一个闸机的宽度为半径旋转(如图5，其中α为倾斜角)。为定量研究不同情况下的最优角度和最优倾斜闸机数，选取倾斜角度数和倾斜闸机数为变量，构建了36组改进仿真方案，以六个闸机为一组闸机，一小时高峰客流为4200人/小时的条件为基础，进行如下方案优化（如图6）：1)2个近端闸机全倾斜，倾斜范围为5°至80°,均匀间隔取12个方案。2)2个近端闸机与1个远端闸机倾斜，倾斜范围为5°至60°,均匀间隔取12个方案。2近端2远端闸机2近端1远端闸机2近端闸机注：从左至右依次为方案1、2、3图6各优化方案示意图Fig.1Optimizationsofeachschemes3)2个近端闸机与2个远端闸机倾斜，倾斜范围为5°到45°，均匀间隔取12个方案。在评定方案的优化效果方面，选取六个闸机前六块实验区（1.80m2）所测行人密度的方差与平均值作为基础数据。其中，方差的降低代表闸机利用分布均匀，平均值的降低代表进站拥挤程度减弱，皆为改进方向。将原始布置与改进后布置相比可知，方差变化不大，平均值均有显著地降低，仿真基本达到了优化效果（如图7）。9 图7平均密度（左）与方差（右）优化前后比较Fig.7Averagedensityandvariancecomparedbeforeandafteroptimization1.1优化方案评价为选取最优方案，将密度与方差进行归一化处理，其值分布在[0,1]。继而，依据主观经验与相对重要程度比较，降低闸机前密度相比闸机均衡利用更具有实效性，因而赋予方差0.3、平均值0.7的权重并求和，最终得到同一客流强度、各个优化方案的特征值。显然，该特征值越大则优化效果越好。在数据处理方面，基于MATLAB对某一客流强度、某一近端闸机布置个数的情况下不同角度的特征值进行曲线拟合，拟合区间为x∈[倾斜角α°,45°]，并选择相关性较高的曲线。针对闸机平行式布设时高峰小时4200人/时的实际客流量得出各优化方案特征值曲线图，结果如图8所示。图8不同优化方案的特征值比较Fig.8Comparisonofdifferenteigenvaluesabouttheoptimizedscheme根据数据分析，得出理论最优情况为：2个近端闸机倾斜26度。比较曲线可以发现，倾斜2个闸机与倾斜4个闸机的曲线都只有单个峰值；倾斜3个闸机有两个峰值，说明倾斜角与特征之间有一定的波动性。9 图926°倾斜角2闸机方案仿真界面Fig.9Interfaceof26inclineanglewith2brakemachines’optimizationscheme1不同人流量情况下改进方案考虑到地铁实际高峰小时客流量，在调整行人流量数据时分别设定其为3200人/小时、2200人/小时，得出不同人流量下的最优改进方案。其中：1）4200人/小时客流量下倾斜3闸机；2）2200人/小时客流量下倾斜4闸机；3）3200人/小时客流量下倾斜4闸机。这3种情况下，曲线区间小、波动剧烈、拟合相关性低，加之优化时往往优先考虑近端闸机少的情况进行角度调整，故舍去这3种情况。最终的结果如表2。表2不同客流、近端闸机数下倾斜角度调整结果Table2Thebestsolutionunderdifferentpassengerflowandproximalbrakemachine客流（人/时）近端倾斜闸机数（台）倾斜角度（°）特征值22002260.863350.8432002440.803310.7242002260.754180.84在每种客流情况下，都给出了多个最佳改进方案，主要考虑到不同情况下的适用性。若：1）若进站闸机需要应对多个方向客流，在相近特征值下，倾斜少数闸机的方案更优；2）若只需应对单方向大客流，取特征值较大者。综上所述，参照HCM2000排队等待行人服务水平标准（表3），给出不同人流量情况下改进前后的服务水平对比表，结果如表4。表3HCM2000排队等待行人服务水平标准Table3HCM2000queuedforpedestrianservicelevelstandard服务水平等级行人占有空间(m2/人)9 A>1.2B0.9-1.2C0.6-0.9D0.3-0.6E0.2-0.3F<0.2表4不同客流量下最优方案的优化效果Table4theoptimizationeffectofdifferentoptimalsolutionunderdifferentpassengerflow客流(人/时)近端倾斜闸机数（台）倾斜角度(°)行人占有空间(m2/人)服务水平人均占有空间提高(%)4200000.642C00.0%2261.033B60.9%4180.866C34.9%3200000.996B00.0%2441.218A22.3%3311.147B15.2%2200001.522A00.0%2262.275A49.5%3351.883A23.7%需要说明的是，实际调研中测试区2.88m2内行人数达到10人或以上的情况（服务水平D）时，近端闸机前排队行人过度拥堵混乱，行人行为假设与流线分析均出现问题。故本次研究的服务水平在A-C间。同时，由于同一服务等级下行人占有空间的数值分布较大，针对有改进效果但未提升服务等级的情况，以人均占有面积提高百分比来进行优化程度的评价。由以上结果可以看出，闸机的倾斜布设一定程度上能改变闸机前排队等待行人的服务水平，不同人流量下改进情况的行人占有空间都有了一定的提升。1结语本文对仿真结果进行了分析，提出近端闸机的概念与一般情况下优先选择近端闸机的行人行为理论；以该理论为基础提出了与客流呈倾斜角的闸机布设优化方案，给出不同客流情况下的闸机布设优化方案。并以闸机组内闸机前的密度的平均值与方差评价优化效果，发现在到达客流为4200人/小时情况下，最优布置方案为2个近端闸机倾斜26°；在3200人/小时情况下，最优布置方案为2近端闸机倾斜44°；在2200人/小时情况下，最优布置方案为2近端闸机倾斜26°。其中在4200人/小时情况下，优化意义最大且人均占有面积提高了60.9%。整个研究为地铁站闸机布设提供了一新思路。但是，由于现实中没有部分倾斜设置的闸机组，所以理论具有一定的局限性。文中通过实地调研构建了行人闸机选择行为的数学模型，但模型中的数据标定来自于平行式布设，在闸机倾斜时是否仍然适用该理论缺少相应实际数据支持。参考文献[1]王子甲陈峰罗诚.轨道交通车站检票闸机布局的仿真优化[J].北京交通大学学报：自然科学版，2011，9 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