轨道交通车站十字冲突区域优化研究

2022-11-29向红艳石统洲

计算机仿真 2022年10期

向红艳，石统洲

(重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074)

1 引言

随着城市轨道交通的快速发展，选择乘坐城市轨道交通出行的乘客越来越多。在出行高峰时段，城市轨道交通换乘站客流密度高、行人速度慢、换乘通道容易产生瓶颈、拥挤问题严重，具有一定的安全隐患。因此，解决通道拥堵问题，提高车站内客流换乘效率，对城市轨道交通的运营管理水平的提升具有重要意义。

在上述成果基础上，尝试进一步研究轨道车站内的十字换乘冲突区域，分析冲突区域的行人行为。提出该区域的行人交流组织方案，并比较优化前后的效果。

2 十字换乘区域冲突问题

2.1 瓶颈竞争问题

在平峰时段，行人在轨道车站的换乘空间充足，行人用较快的速度通过换乘通道，实际速度接近期望速度，行人流整体速度较快，通过效率高，瓶颈不易产生；在早、晚高峰时段，行人在换乘通道内个人空间进一步缩小，当行人实际速度小于期望速度时，换乘进出口产生拥挤，行人之间存在空间竞争，速度下降，由此产生瓶颈，进而影响行人的通过效率。在发生特殊事件或紧急情况时，行人的紧张程度等心理因素会使期望速度大幅提高，产生的竞争行为更加严重，瓶颈处更加难以引导。根据文献[8]，当行人密度为10.5人/m2时，行人受到平均作用力为1100N；行人密度为7.5人/m2时，行人所受平均作用力为400N。这种作用力导致行人在瓶颈的速度降低，产生了瓶颈口处的“拥堵传播”现象，如图1所示。

图1 瓶颈口“拥堵传播”现象

行人期望速度在一定时间内难以满足时，部分行人撤离该区域，受到撤离行人影响，越来越多的行人撤离，原本行人间产生的平衡作用力被打破，但接着又有新的行人和撤离行人复返后，又会形成更严重拥堵现象。所以当行人的期望速度越大，通行能力越低，出现“拥堵传播”现象。

2.2 十字冲突问题

城市轨道交通内部换乘主要有4种方式[9]：平行换乘、通道换乘、T字换乘及十字换乘。平行换乘方式绕行距离短，但平行换乘会失去同站台一半的换乘量。通道换乘方式占地多、绕行距离长，一般情况下，作为车站间没有同期施工时的替代方法。T字换乘及十字换乘方式，相对平行换乘及通道换乘来说，绕行距离短、方向性强、占地面积小，节约成本，在实际中大量应用。

十字冲突发生区域一般具有封闭性、多向性特征。根据行人运动方向不同，行人流线相互交织，空间竞争加剧，严重时行人会发生停止、穿插、超越等现象，即发生冲突。如图2所示，当两个不同方向的行人流相遇时，流量越大产生的冲突强度较，冲突区域的面积随之变大，效率随着降低，安全隐患增加。

图2 十字冲突

3 建立行人冲突行为模型

3.1 基于Massmotion的建模过程

MassMotion是新一代用于行人模拟和人群分析的微观仿真软件，该软件核心算法为社会力模型，主要用于预测人群与周围建筑环境的交互行为。

社会力模型(Helbing，1995)从经典力学角度分析行人在运动过程中的受力问题，该运动力由行人在移动过程中受到自身产生的驱动力、行人之间作用力、行人与障碍物间的作用力等3部分组成[10]。社会力模型如式(1)(2)所示

图5可看出:在不同节点密度情况下,RPL-FAHP平均存活的节点数大于0.8×ETX+0.2×RE和0.6×HC+0.4×RE。表明RPL-FAHP综合考虑各个路由度量,全面综合评价候选父节点,从而选择最优节点为偏好父节点,改善网络性能。

Fall=Fai+∑Fij+∑Fio

(1)

(2)

3.2 仿真环境

运用Massmotion仿真软件对原始十字冲突区和改造后的十字冲突区进行模拟仿真，得到十字冲突区域行人滞留数量、行人进出口速度和行人密度的仿真结果并对比分析。其中，行人类别分为16种情况如表1所示。

表1 行人分类

如图3所示，在十字冲突区周围设置4组检测线及1个行人滞留检测区，其中，1号及3号检测线对十字冲突区入口处进行数据采集，采集将要进入十字冲突区的行人；十字冲突区出口处放置2号及4号检测线进行数据采集，采集离开十字冲突区的行人数据；检测区用来检测十字冲突区的行人滞留数量。

图3 仿真检测器设置

3.3 仿真结果分析

对某轨道交通车站早晚高峰时段进行了客流量及行人速度统计，以实测数据作为系统输入。其中，由西向东高峰客流量为4558人/h，由北向南客流量为4321人/h，通道宽度设置为4m，仿真时间900s。

如图4所示，仿真运行后，在十字冲突区域产生了拥堵传播现象，两股行人流产生交替穿过、避让、停顿的现象，其中年龄较小且未携带行李的男性通过速度最快、年龄较大携带行李的女性通过速度最慢。

图4 某轨道交通车站十字冲突区域现状仿真

如图5可知，检测区滞留行人数量从仿真起始阶段逐渐上升，5分钟后到达最大数量，之后稳定在50人左右直至仿真结束。

图5 行人滞留量

由图6的行人速度比率图可以发现，仿真起始阶段，十字冲突区域入口处没有产生拥堵现象，检测线采集的行人速度在0.56-0.96m/s以上的比例较大，仿真运行一段时间后，由于行人在瓶颈口的拥堵，检测得到的速度快速下降，0.56m/s以下占比超过70%。在出口处，行人刚穿过十字冲突区时的速度在0.56-0.96 m/s以上的比例较大，随着仿真的继续，行人的速度产生了较大的波动，但整体趋势显示行人的速度依旧在0.56m/s以下。

在本次仿真中，行人服务水平采用Fruin服务水平评价指标，将中的行人服务水平分为 6 个等级，如表2所示。

表2 Fruin评价等级

图6 行人速度比率

如图7可知，在仿真起始阶段显示，十字冲突区域行人密度较小，服务水平在D级以上，整体处在较高的水平，经过一段时间后，行人服务水平迅速下降并且产生较大波动，最终总体上在F级。

图7 行人服务水平变化

4 优化方案

4.1 方案一：增加冲突区域面积

4.1.1 方案说明

十字冲突区域的空间不足是导致出现瓶颈的原因之一。通过将十字区域扩建，增大该区域面积，来提高承载能力，减小冲突。如图8所示在将十字冲突区域往东西南北四个方向各延伸2m宽。

图8 扩大优化后十字冲突区

4.1.2 仿真结果分析

如图9及图1所示，在增加冲突区域的面积后，行人在十字冲突区数量在仿真刚开始时迅速提高，接近50人，但行人速度维持在较高水平，行人迅速通过该区域，停留人数迅速减小，始终未达到承载上限，行人流平均强度降低13.1%。如图11所示，行人服务水平大部分分布在C、D间，行人的密度控制在可接受范围内，行人平均密度下降21%。

图9 扩大优化后十字冲突区行人数量变化

图10 扩大优化后行人总体速度比率

图11 扩大优化后行人服务水平变化

4.2 方案二：增加面积+设置环岛

4.2.1 方案说明

如图12所示，以十字冲突区中心点处为圆心，设置宽度为2m的环岛，对行人流进行提前分流。左转、右转行人可通过环岛直接转向，避免进入十字冲突区域，减小了发生拥堵的概率；直行行人流通过对前方行人数量的判断，可以选择进入十字区域或者环岛区域，避免产生拥堵。

图12 环岛优化十字冲突区

4.2.2 仿真结果分析

设立环岛后，进一步进行仿真可以发现，如图13及图14所示，行人在十字冲突区数量不会超过20人，远小于该区域承载能力上限，行人流平均密度下降27.1%，环岛交通组织方案对行人分流有明显的效果。如图15及图16所示，行人的整体速度和服务水平都有极大提高，行人密度得到良好的控制，行人平均密度下降27%。

图13 环岛优化后十字冲突区行人数量变化

图14 环岛优化后环岛行人数量变化

图15 环岛优化后行人总体速度比率

图16 环岛优化后行人服务水平变化

4.3 两种优化方案的比较

以轨道车站的实际客流量作为输入，进行多次模拟仿真后发现，增加冲突区域面积和设置环岛均有利于提高十字冲突区域的通行能力。对不同客流量条件下，两种优化方案的实施效果进行进一步比较，结果如表3所示。当客流量低于4500人/h，两种方案的行人滞留量均较小；客流量大于4500人/h小于5500人/h，两种方案的行人滞留量开始增加，方案一增长速度高于方案二；当客流量大于5500人/h，方案一的行人滞留量较高，服务水平低，方案二行人滞留量仍然在可接受水平。