地铁交叉换乘站饱和状态优化研究

李雨潇，朱谊彪，郭启航

（长安大学公路学院，陕西西安 710064）

作者简介：李雨潇（1992－），女，长安大学公路学院硕士研究生，交通运输规划与管理专业。

朱谊彪（1993－），男，长安大学公路学院硕士研究生，桥梁与隧道工程专业。

郭启航（1990－），男，长安大学公路学院硕士研究生，交通工程专业。

摘 要：随着城市轨道交通系统的网络化发展，为了应对当前换乘站客流增长的严峻形势，在分析换乘站设施设备服务水平，设施设备之间的联系、客流的特点、客流组织和流线设计方法等基础上，建立一套适用于大客流换乘站的客流组织优化体系，并选取流线方案的评价指标，在基于灰色定权聚类法的条件下，建立方案评价体系。最后通过对西安北大街换乘站的实例分析，选出了最优的流线设计方案，为换乘站的设计和运营管理提供了参考依据。

关键词：城市轨道交通；换乘站；服务水平；饱和状态；客流组织；流线设计；优化

Abstract：With the development of urban rail transit network system，in order to deal with the grim situations of the growth of passengers in current transfer stations，through the analysis about the service level of transfer station facilities，links be－tween facilities，traffic characteristics，traffic organization and streamline design methods，establish the traffic organizations optimization system and demonstrate the feasibility of the evaluation system which provides a reference and decision－making program for transfer stations．

Key words：Transfer station；Service level；Saturation；Traffic organization；Optimization

1 引言

为了解决换乘站饱和状态下的客流拥堵问题，进一步提高换乘站的疏散能力和服务水平，需要对换乘站客流进行合理控制，优化客流流线，从而达到改善服务质量的目的。具体从三方面入手：对车站设施设备服务水平分级；提出合理的客流控制方法，设计客流流线；建立换乘方案评价体系。

目前，国内外关于车站设施设备服务水平分级的方法有基于乘客感知的服务水平分级方法［1－3］、有通过分析换乘站内部乘客特性、客流特征等影响因素的方法［4－6］，美国交通部门出版的《Transit Capacity and Quality of Service Manual－2nd Edition》［7］在考虑设施设备通行能力影响因素的基础上，提出了基于人均占用空间的服务水平划分标准，美国华盛顿市政部门出版的《Lev－el of Service Standards》［8］重点分析和制定了运输服务水平的相关规范，并对指标体系的建立提出了相关要求。Dixon［9］，Abishai［10］等从定性、定量角度提出了服务水平分级的方法。国内外对于客流控制方法的研究还处于初级阶段，没有特别成熟的理论，但可以从车站乘客行为研究和路径选择行为［11－12］，以及设施设备布局优化，行人流线设计优化［13－14］等方面进行具体研究。

2 换乘站设施设备服务水平分级及饱和状态定义

2．1 设施设备服务水平分级

2．1．1 设施设备服务水平分级描述

如前文所述，服务水平的分级方法多种多样，不同的情况，采用的分级方式也有所不同。在《美国公共交通通行能力和服务质量手册（第二版）》TCQSM（II）中，以人均占用空间为主要衡量指标，将步行通道、楼梯、排队等待区域等设施设备服务水平分为六级［7］，具体分级标准见附表1至附表3。对于自动扶梯、闸机的服务水平分级方法，王久亮［3］学者通过分析拟合流量、速度、密度三者之间的关系曲线，在基于乘客感知的基础上，对自动扶梯、闸机服务水平进行了分级，具体见附表4至附表5。

2．2 饱和状态定义

为了更加形象的反应服务水平的变化趋势，在基于乘客感知的基础上，将服务水平通过行人状态予以体现，具体概括为以下4种（见表1）：

表1 饱和状态定义

根据《美国公共交通通行能力和服务质量手册（第二版）》TCQSM（II）中对各级服务水平的描述，基于乘客感知的行人状态可以做如下定义，如表2所示：

表2 基于乘客感知的行人状态

2．3 换乘站内瓶颈环节的判断

《地铁设计规范》［15］中对车站各设施设备的最大通过能力做出了详细规定。一般情况下，当客流量超过了设施设备的最大通过能力，客流在设施设备处集结，服务质量下降，形成瓶颈。但由于换乘站是一个有机整体，站内的设施设备相互联系、相互影响，所以各个设施设备的协调运作是决定瓶颈形成的最重要的因素。若只通过最大通过能力与客流量的关系来判断是不够的。因此本文对瓶颈环节的识别是通过实测数据分析各设施设备的服务水平，将服务水平最低的设施设备作为该换乘站内的瓶颈环节。

3 饱和状态优化方案拟定

3．1 换乘站客流特点分析

从宏观角度看，客流具有复杂性、多选择性、方向不均衡性、短时冲击性的特点。从微观角度看，客流是一种行人流的状态，对客流进行微观分析可以从速度、密度及流量三个参数考虑。下面具体分析行人在各个设施设备处的微观特性：

表3 各设施设备处行人特性

3．2 内部设施优化

换乘站内部设施设备的最小长度、宽度、最大通过能力等参数在《地铁设计规范》中都有所规定。其中站台、站厅等空间类设施一旦建成，其容纳能力便基本确定，想提高其能力比较困难。对于楼梯、自动扶梯、闸机、通道等设施设备，考虑到上述客流的微观特性，其通过能力可以通过以下方法提高。

3．2．1 设施设备通过能力优化

（1）通过能力优化：

通道：尽量采用单向通道，或利用分隔栏将通道进行双方向隔离；通道宽度的突变处，将直角改建为弧度，如图1所示。

楼扶梯：利用分隔栏将楼梯双向分离；对于自动扶梯可提高传输速度。

图1 通道突变处优化前后对比图

检票闸机：增加数量；改用双向门扉式闸机提高通过能力；闸机前设栏杆，渠化排队区域；为残疾人士设置专用闸机通道。

站台：对客流长期处于饱和状态的站台，可适当加长站台；对客流突发性增长的站台，可通过围栏控制到达站台的客流量。

（2）布局优化：

功能布局优化：利用安检机、AFC设备、检票闸机、服务中心等客运服务设备的合理布局来控制和引导客流。

引导法优化：设置导向标志、服务信息标志以及栏杆铁马等设施实现对客流的引导作用。

3．3 客流流线设计优化

流线设计的研究对象可以分为两个层面：流线网络和流线个体。

（1）流线网络设计：根据客流量实施重要度排序设计、流线相互错开设计等方法，综合考虑进站、出站以及换乘流线，使得流线设计有利于整个换乘站，达到系统最优。

（2）流线个体设计：对同一种流线，确定其起终点及初始流线、基于服务水平的瓶颈环节分析，考虑乘客自身需要和偏好选择，修正初始流线，并进行多方案对比完成流线设计，达到用户最优。

4 实例分析西安北大街换乘站

北大街换乘站属于结点换乘，车站布置形式是一个典型的“十”字型，其中1号线站台是侧式站台，2号线站台是岛式站台，两个站台以阶梯为基础错层连接。该站为地下三层结构，负一层是站厅层，负二层是1号线站台和换乘层，负三层是2号线的站台层。

4．1 换乘站设施设备服务水平分级

周继彪［16］学者在研究综合交通枢纽的行人交通特性时，对西安北大街换乘站的客流状况进行了录像调查，主要采集了晚高峰期间枢纽内各基础设施处的行人流量、速度、密度等数据，见附表6至附表8。根据服务水平分级标准得到如下结果：

表4 北大街换乘站设施设备服务水平分级

4．2 换乘站饱和状态及瓶颈环节判定

根据本文对饱和状态的定义可知，北大街站水平通道行人为自由流状态，换乘通道为影响或饱和状态，自动扶梯为饱和甚至是过饱和状态，楼梯为影响或饱和状态，站台为影响状态，闸机为影响状态。其中自动扶梯、楼梯服务水平相对较低，为该站的瓶颈环节。

因此，北大街站饱和状态下的设施设备优化主要考虑换乘通道、自动扶梯、楼梯的优化。流线网络设计尽量使得各流线不同时经过同一楼扶梯。

4．3 换乘站客流流线优化

由于北大街换乘站只承担了1号线和2号线之间的换乘，换乘流线比较简单，因此，该站的流线设计主要考虑站厅层内进、出站客流影响。流线设计方案如下：

方案一：各流线走行距离较短，较好地满足了流线个体的设计需求，但流线间相互影响较大，存在2个冲突点和拥挤点，一定程度上降低了换乘效率。具体方案如图2所示。

方案二：由于C出入口通道处是大型商场，进站客流量大，该方案利用分隔栏将不同目的客流分离开来，减少客流一同涌入南向售检票厅，从而避免了拥挤点的出现。该方案也存在2个客流冲突和拥挤点，楼扶梯使用率低，浪费了宝贵资源。具体方案如图3所示。

方案三：各方向流线走行距离短，只存在一处冲突和拥挤点，换乘效率高，并且各个楼扶梯能力分配较均匀，是相对理想的流线设计方案。具体方案如图4所示。

图2 流线设计方案一

图3 流线设计方案二

图4 流线设计方案三

5 基于灰色系统理论的方案评价

5．1 评价体系指标选取

本文从运行效率和设施布局合理性两方面选择了6个评价指标：换乘行走距离、换乘时间、干扰度、便捷度、舒适性、安全性。通过对西安北大街换乘站进行实地数据采集，运用灰色理论指标量化方法［17］，得到上述三个流线设计方案的评价指标量化值见表5：

表5 北大街流线方案评价指标值

5．2 评价指标权重系数确定

应用信息熵［13］原理确定各指标的聚类权，其结果如表6：

表6 评价指标权重系数计算

由表6可知，评价指标的权重向量为：W＝（0．017，0．038，0．338，0．038，0．338，0．231）

5．3 换乘方案灰色定权聚类评价

5．3．1 评价信息矩阵确定

将指标分为“越大越优”和“越小越优”型，对指标值进行转化：

（1）越大越优型指标转化：

（2）越小越优型指标转化：

5．3．2 评价灰类及白化权函数确定

确定评价灰类，就是要确定评价灰类的等级数、灰类的灰数及灰类的白化权函数［13，17］。本文选取优、良、中、差4个灰类，其分别对应的白化权函数fi如图5所示：

图5 白化权函数图

如图5所示，第一类：优，灰数设定为［0，0．9，∞）；第二类：良，灰数设定为［0，0．8，1．6］；第三类：中，灰数设定为［0，0．7，1．4］；第四类：差，灰数设定为［0，0．3，0．6］。

5．3．3 灰色评价权矩阵确定

（1）对第i个换乘方案的第j项评价指标属于第λ个灰类的灰色评价系数记为；第i个换乘方案的第j项评价指标属于各个灰类的总灰色评价系数记为：

（2）第i个换乘方案的第j项评价指标属于第λ个灰类的灰色评价权记为：

因本文取了4个评价灰类，故第i个换乘方案的第j项指标对各评价灰类的灰色评价权向量记为：

从而可得第i个换乘方案的各项评价指标对各评价灰类的灰色评价矩阵C（）i。

根据以上方法，可得方案一、方案二、方案三的灰色评价矩阵C（）i，计算结果如下所示：

5．4 综合评价

灰类的权系数向量为：Φ＝（φ1，φ2，φ3，φ）4 ＝（0．9，0．8，0．7，0．）3，最终可得第i个换乘方案的综合评价值γ（）i值最大者即为最终选择方案，也是最佳方案：

因此根据5．2节中计算出的权重向量W和5．3．3节计算出的各方案的灰色评价矩阵可得综合评价向量：

由上可知，方案一所属灰类为“优”，方案二所属灰类为“中”，方案三所属灰类为“优”，所以方案一和方案二为较好的流线设计方案，为求得最优方案，下面将D（）i单值化，得：γ（）1＝0．741，γ（）2＝0．707，γ（）3＝0．759，比较可知γ（）3＞γ（）1＞γ（）2，则方案三为最优方案，所得结果跟第四章中方案的定性评价结果一致，说明该评价方法是合理可行的。

6 结论

前人的文献对客流组织的研究主要是从车站管理方面考虑的，而本文是通过对设施设备服务水平分析，优化瓶颈环节，设计客流流线，对设施设备进行必要的改建，并对优化方案进行评价，选取最优方案，为以后换乘站的设计和优化提供了决策方案。

参考文献

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［3］ 王久亮．城市轨道交通车站设施设备服务水平分级与能力计算方法研究［D］北京：北京交通大学交通运输学院，2011．

［4］ 向兵，孙有望．城市轨道交通乘客服务水平评价方法研究［J］．城市轨道交通研究，2008，25（2）：5－9

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［6］ 陈光，张宁，陈晖，黄卫．城市轨道交通服务水平评价体系研究［J］．都市快轨交通，2008，21（6）：5－9

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［15］GB／G50l57－2013，地铁设计规范［S］，2013．

［16］周继彪．综合交通枢纽行人交通特性及安全疏散研究［D］西安：长安大学，2014

［17］易靖远．基于灰色系统理论的城市客运枢纽换乘方案评价．［J］．兰州交通大学学报，2008，27（3）：89－92．

附录

表1 步行通道的服务水平分级标准

表2 楼梯的服务水平分级标准

表3 排队等待区域的服务水平分级标准

备注：①本文为了计算的方便，将平均人间距取为0．3m。

表4 自动扶梯服务水平分级标准

表5 闸机服务水平分级标准

注：其中A级对应于TCQSM（II）中的A、B、C级的合并，B、C、D级分别对应于D、E、F级。

表6 北大街换乘站各设施设备行人流平均速度统计表

表7 北大街换乘站各设施设备行人流平均流量统计表

表8 北大街换乘站各设施设备行人流平均密度统计表