基于仿真技术的城市轨道交通枢纽运营效果评价方法
2024-04-06
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第3 2卷,第5期 2 0 1 1年9月 文章编号:1001—4632(201 1)05—0120—07 中 国 铁 道 科 学 CHINA RAILWAY SCIENCE VoI.32 No.5 September,2011 基于仿真技术的城市轨道交通枢纽运营效果评价方法 张琦,韩宝明,李得伟,鲁放 (北京交通大学交通运输学院,北京 100044) 摘要:根据城市轨道交通枢纽服务水平评价需求,考虑乘客与枢纽环境的交互特征,构建评价指标体系, 提出基于仿真技术的枢纽运营效果评价方法。应用仿真工具对枢纽内乘客的行为进行模拟,得到相关参数的取 值;采用评价指标计算方法得到评价指标的取值,用以分析和评价轨道交通枢纽运营的效果。采用该评价方法 对北京地铁宣武门站的评价结果为:地铁2号线换乘4号线的乘客最大换乘时间较长;4号线站台楼梯口和扶梯 口的乘客平均拥挤程度最高;4号线站台区域的设施能力更容易趋于饱和并呈现乘客滞留倾向;4号线换乘2号 线的乘客平均换乘时间对客流规模的适应性较强,2号线换乘4号线的乘客平均候车时间对列车接续的适应性较 强。实例评价结果与实际情况相符,验证了评价方法的正确性。 关键词:城市轨道;交通枢纽;运营效果;服务水平;评价指标;仿真技术 中图分类号:U239.5:F530.7 文献标识码:A 既有的针对交通枢纽运营效果评价研究的方法 主要包括两类:一类是传统的以定性、定量指标相 结合的评价方法[ ,另一类是考虑乘客行为特征 的评价方法。第1类评价方法主要用于对乘客满意 (2)对乘客移动速度、乘客密度等指标在枢纽 不同区域的分布及其随时间的变化趋势进行定量分 析。 (3)对枢纽的安全性与协调性进行定量分析。 度、舒适度及安全性进行评价。第2类评价方法主 要是采用仿真的方法,如采用行人仿真对枢纽局部 设施配置l】。_和服务水平r]i】进行评价;在交通枢纽 2评价方法 基于仿真技术的评价方法是:根据枢纽运营效 果的评价需求,引人乘客与枢纽环境的交互关系及 作用特征,对既有的枢纽运营效果评价体系中未作 考虑、以估算手段衡量或以定性方式衡量的因素进 设计与评价中对局部设施[12q3]进行仿真评价。但尚 未有将仿真工具应用于面向枢纽的运营效果评价方 法,无法满足枢纽运营决策支持的需求。因此,本 文根据城市轨道交通枢纽运营效果评价的需求,提 出基于仿真技术的城市轨道交通枢纽的运营效果评 价方法。 行定义或再定义,构建评价指标体系;应用仿真]一 具对枢纽内乘客行为进行仿真试验,并辅以实地观 测方法得到相关参数的取值,再采用评价指标计算 方法计算得到评价指标的取值;根据评价指标的取 l评价需求 评价对象包括:新建枢纽和既有枢纽。评价目 的是:单方案评价和多方案比选。城市轨道交通枢 值评价轨道交通枢纽的运营效果。 2.1 评价指标体系及其计算方法 评价指标体系的构建以反映乘客与枢纽环境属 性的作用关系为基础。其中枢纽环境属性包括2个 方面:一是枢纽设施的规模、位置分布和能力等; 二是列车的到发时刻及其接续关系。在枢纽环境的 纽的运营效果受到乘客行为、设施布局和列车运营 方案等因素的综合影响,因此,需要从以下方面进 行定量评价。 (1)对乘客平均换乘时间、平均乘客密度等进 行定量分析。 收稿日期:2010—07—20;修订日期:201卜O6一Ol 作用下,乘客行为体现出以数量、时问、密度等为 特征的变化规律。根据评价需求,确立包含5大类 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61004105);北京交通大学基本科研业务费资助项目(2011JBM250) 作者简介:张琦(1982),女,山西太原人,讲师,博士。 第5期 基于仿真技术的城市轨道交通枢纽运营效果评价方法 121 共计16个指标的评价指标体系。评价指标、评价 目的及其评价指标计算方法见表1。 表1评价指标、评价目的及其计算方法 2.2仿真工具选用条件 (2)能够实现对各项评价指标的取值,包括对 (1)能够模拟枢纽的运营过程,包括枢纽内乘 客的微观行为(如行走、购票、停留、等候等)和 随交通工具到发的集散过程(进站、出站、换乘)。 人数、密度、换乘时间等数值类指标的直接统计取 值,以及对紊乱系数、敏感系数等系数类指标的间 接计算取值。 l22 中国铁道科学 第32卷 (3)能够进行不同输入条件下(如客流条件、 运营条件等)运营效果的重复仿真试验。 2.3评价步骤 (1)确定评价目标和仿真工具。根据评价需 求,确定评价对象与评价目的,并选择适合的仿真 工具。 (2)设置仿真初始条件。包括:①枢纽环境抽 象参数设置,如对枢纽设施属性、时刻表等进行设 置;②枢纽内乘客抽象参数设置及标定,如对客流 量及其分布、乘客移动速度分布、各类乘客行为建 模参数等进行设置及标定。 (3)选取评价指标。对于不同的评价目的和评 价需求,选用的评价指标也不同。应依据具体的评 价目标,从给出的指标体系中选取合适的评价指 标,以突出关注的评价内容。 (4)实施仿真试验。针对选取的评价指标实施 仿真试验,记录、统计与评价指标取值相关的参数 的数据。 (5)评价指标取值。通过仿真试验得到相关参 数的取值,然后应用评价指标计算方法(表2)进 行计算,得到评价指标的取值结果。当评价对象为 既有枢纽时,对于设施利用水平中的2个指标 (u)和(A),可直接采用现场观i贝4(摄像机)采 集到的数据进行指标取值。 (6)指标分析。分析评价指标的取值结果,得 出针对评价目标的评价结果。对于随时间变化(如 设施利用有效度、平均密度等)或区域变化的指标 (如平均排队长度、阻滞系数等),在对统计量进行 取值的同时,可以记录指标随时问变化或区域分布 的波动轨迹,通过对波动轨迹的分析,可以得到指 标值的聚类变化规律。如考察乘客延迟系数随时间 的变化情况,有助于掌握枢纽内影响时效的瓶颈环 节在时间上的分布规律;考察不同功能区域平均乘 客密度的分布情况,有助于掌握枢纽内影响通畅的 瓶颈环节在空问上的分布规律。 3评价实例 选取北京地铁2号线与4号线的换乘车站—— 宣武门站进行案例分析。该站为十字型换乘车站, 2号线在上层,4号线在下层,东西方向各有2组 换乘通道连接2号线站台层与4号线站厅层。2号 线站台中部设有上行与下行换乘楼梯各1部;4号 线南北站厅各设有上下行扶梯1部,楼梯1部,连 接至4号线站台层。 本实例应用基于可编程软件STARI OG()开 发的仿真评价软件口妇进行仿真评价。该软件提供 基于网格与Agent的仿真建模环境,并具有对乘 客个体和环境单元的属性追踪功能。图1为仿真评 价软件界面。 图1仿真评价软件界面 该仿真评价软件由设置、核心、监控、分析和 输出5个功能模块组成,可以直观显示枢纽的运营 状态,并实现枢纽运营效果评价指标数据的实时呈 现与统计分析。 3.1评价目标与条件参数 考察轨道交通成网运营条件下,地铁宣武门站 换乘客流在枢纽内的时效与便捷水平、通畅水平、 安全水平与协调水平,衡量枢纽环境对双方向乘客 换乘需求的满足与协调程度。该评价为既有枢纽单 方案评价。 设列车到站问隔时问为180 S,列车停站时间 为30 S。乘客移动速度分布为0.90 m・S一 :1.35 1TI・S :1.80 1TI・S 一80 :10 :10 。 3.2评价指标选取及评价指标取值 结合评价需求和评价目标,从指标体系中选取 时效与便捷水平、通畅水平、安全水平与协调水平 4大类中的9个指标,进行运营效果评价。 1)时效与便捷水平 选取指标:平均换乘时间 ,最大换乘时间 丁m。 取值方式:通过仿真试验,实时记录所有乘客 个体的换乘时间,取平均值和最大值即得指标值, 见表2。 表2 时效与便捷水平指标统计结果 换乘方向 平均换乘时间Ti/s最大换乘时间Tlm/s 第5期 基于仿真技术的城市轨道交通枢纽运营效果评价方法 123 由表2可知:2个方向乘客的平均换乘时间相 差不明显,但2号线一4号线的最大换乘时间明显 较长,可能是由于该换乘方向乘客在换乘楼梯处排 队等待的时间较长,使得部分乘客错过最近一班换 乘列车以致最大候车时间较长,从而导致最大换乘 时问较长。 2)通畅水平 对通畅水平的考察着眼于乘客高密度区域的人 数及其波动情况。因此,依据基本流线设计、设施 位置及功能情况,将站台与通道部分划分为5个区 域,考察乘客在该区域的密度分布情况。 区域A:2号线站台下行楼梯口。 区域B:2号线站台上行楼梯口。 区域C:4号线站台楼/扶梯口。 区域D:2号线一4号线通道。 区域E:4号线一2号线通道。 选取指标1:平均乘客密度D(人・m )。 取值方式:通过仿真试验,绘制分区域乘客密 度随时间变化的曲线,如图2所示,并实时记录5 个区域的乘客密度值,取其平均值即得指标值,见 表3。同时,根据实时记录的分区域乘客密度值, 绘制分区域乘客密度时间分布图,如图3所示。 吕 < 阳 o lOO 200 300 400 时间,s 图2分区域乘客密度随时间变化的曲线 嚣 丑 mEo.I1 ̄2.00人-In 、 据 mD(0.71~l I1人・m一 1 厘 《C(0.43 0 71人-m ) 譬 B(O.31~0.43人・m一 1 蜘 A(<0.31人m:) A B C D E 区域 图3 分区域乘客密度时间的分布图 选取指标2:密度时间分布不均度 。 l 0 0 0 0 O O O 0 O O 9 8 7 6 5 4 3 2 1 取值方式:通过仿真试验,实时记录5个区域 在考察时段内的乘客密度值,计算各区域最大乘客 密度值与该区域平均乘客密度值的比值即得指标 值,见表3。 表3通畅水平指标统计结果 选取指标3:密度空间分布不均度D 。 取值方式:通过仿真试验,实时记录5个区域 的乘客密度值,计算5个区域中的最大乘客密度值 与5个区域总的平均乘客密度值的比值即得指标 值,结果为D。一1.58。 由表3可知:枢纽内乘客密度的时间分布较为 不均衡。区域C受到4号线站台换乘客流的较强 冲击,是平均拥挤程度最高的区域,其密度时间分 布不均度达到6.17,与该区域能力配置和流线交 叉情况相吻合;尽管区域A(D 一4.28)为其所 在站台唯一的换乘出口,然而乘客平均到达时间较 区域C长,这在一定程度上减轻了排队压力及对 通道的冲击,但导致同为换乘通道的区域D(Df一 3.68)和区域E的(D 一4.39)密度时间分布不 均度出现显著差异。 3)安全水平 选取指标1:反映空问层面安全水平的空间紊 乱系数e。 取值方式:以5个等级的换乘乘客数量规模 (换乘人数48,144,240,336,432人)为输人条 件进行仿真试验,得到的指标值见表4。 表4安全水平指标统计结果 注:紊乱系数的符号仅表示变化趋势的一致性,绝对值体现指标 水平。 选取指标2:体现时间层面安全水平的时间紊 乱系数】7。 取值方式:以5个等级的列车接续时间(4号 线站台列车到达时间与2号线列车到达时问之差, 0,40,80,120,160 s)为输入条件进行仿真试 l24 中国铁道科学 第32卷 验,得到的指标值见表4。 分析评价指标值,可得如下评价结果。 (1)时效与便捷水平方面:在试验输入的列车 由表4可知:4号线站台区域乘客密度随客流 规模的变化趋势(s一4.00)较2号线站台(e=:= 时刻表条件下,2号线换乘4号线的乘客最大换乘 时间较长。 1.58)明显,反映了站台能力饱和倾向更为显著; 两站台区域乘客人数随列车到达时差延长的变化趋 势相反,并且4号线站台变化趋势(呀一一1.61) (2)通畅水平方面:4号线站台楼梯口和扶梯 口的平均拥挤程度最高。 (3)安全水平方面:4号线站台区域的设施能 力明显趋于饱和,呈现乘客滞留倾向,可视为安全 隐患的表现之一。 相对明显,反映了更为显著的乘客滞留倾向。 4)协调水平 平均换乘时间对于客流规模的敏感度反映了设 施与组织水平对客流波动的适应性。平均换乘时间 (4)协调水平方面:4号线换乘2号线的乘客 平均换乘时间对客流规模的适应性较强,2号线换 对于列车接续配合的敏感度能够有效反映列车开行 对服务水平的影响作用,是枢纽列车到发配合协调 程度的标志之一。因此,分别选取如下2个指标衡 量协调水平。 选取指标1:时效一客流规模敏感系数 。 乘4号线的乘客平均换乘时间对列车接续的适应性 也较强。对比车站2个换乘方向的协调指标可知: 2个换乘方向提供的换乘服务因设施配置的差异而 存在差异。其中2号线换乘4号线方向的协调水平 主要受控于时效~客流规模敏感系数,这可能是因 取值方式:以5个等级的换乘乘客数量规模 (同安全水平试验)为输入条件进行仿真试验,得 到的指标值见表5。 选取指标2:时效一车流接续敏感系数),。 取值方式:以5个等级的列车接续时间(同安 全水平试验)为输入条件进行仿真试验,得到的指 标值见表5。 表5协调水平指标统计结果 为连接4号线站厅层与站台层的扶梯对乘客的吸引 力较强,导致集中生成的换乘客流的区域密度较 高,延长了乘客进入4号线站台的时间。 4结语 本文提出的城市轨道交通枢纽运营效果评价方 法,依托仿真试验,能够对乘客个体属性进行精确 的统计,实现了常规方法难以完成的阻滞时空分布 不均度的计算;构建的指标体系,反映了在枢纽环 注:敏感系数的符号仅表示变化趋势的一致性,绝对值体现指标 水平。 境作用下,乘客的行为在数量、时间和密度上的变 化特征,指标的选取灵活而更有针对性,系数类指 标完善了对安全性与协调性的评价。本文提出的评 价方法从评价需求出发生成仿真策略,提供面向不 同评价目标的仿真输出及其分析,克服了现有仿真 软件应用中对枢纽运营评估需求欠缺贴切支持的弱 点,为推进仿真技术在枢纽规划、设计与运营决策 支持方面的应用提供了新的思路。 由表5可知:4号线换乘2号线的乘客平均换 乘时间对客流规模的敏感性较低( =0.006),2 号线换乘4号线的乘客平均换乘时间对列车接续的 敏感性的较低(),一一0.88)。 3.3评价结果 参 考 文 献 91. 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Key words: Urban rail;Transportation hub;Operation performance;Service level;Evaluation method; Simulation technology (责任编辑刘卫华) 《中国铁道科学》征订启示 《中国铁道科学》足著名科学家茅以升先生亲自创刊、中华人民共和国铁道部主管、中国铁道科学研究院主办的综合 性学术刊物,面向国内外公开发行。 《中国铁道科学》是中国首批期刊方阵“双效”期刊、中国精品科技期刊、中文核心期刊和RCCSE中国权威学术期 Fu,为美国 ̄512程索引》(Ei Compendex)、美国《化学文摘》(CA)、美国《剑桥科学文摘:工程技术》、英国科学义摘 (SA,INSPEC)、俄罗斯《文摘杂志》(AJ)、日本科学技术社数据库(JST)、中国科技论文统计源期刊(中国科技核心期 刊)、中国科学引文数据库、中国核心期刊遴选数据库、中国学术期刊综合评价数据库、CNKI中国期刊全文数据库、万方 数据一数字化期刊群数据库和维普(VIP)中文科技期刊数据库等国内外知名检索系统收录。 《中国铁道科学》以“服务铁路现代化建设、促进高水平学术研究与交流、展示先进的基础理论研究和科技创新成果、 培养高层次人才”为宗旨,主要刊载有关铁道及城市轨道交通领域最新的基础理论研究、科学试验、科学技术研究等方面 的优秀学术论文。 《中国铁道科学》为双月刊,大16开本,144页。每期定价:2O元,全年120元。国内邮发代号:82—776, 外发行 代号:BM1658。渎者町通过邮局或其他期刊发行机构订阅,也可以联系本刊编辑部订阅。在本刊编辑部订阅《中国铁道科 学》的方法如下。 1.通过银行汇款订『蒯 开户银行:中国工商银行北京新街口支行 帐 吁:0200002909200020554 , 名:中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心 (请在用途栏内注明订阅《中国铁道科学》和订阅数量) 2.通过邮局汇款订阅 收款人:《中因铁道科学》编辑部 收款人地址:邮编100081北京市海淀区大柳树路2号中国铁道科学研究院 (请在附占栏内注明订阅《中国铁道科学》和订阅数量) 3.卣接到编辑部订阅 联系人:《l}|国铁道科学》编辑部刘鉴 地址:北京市海淀区大柳树路2号中国铁道科学研究院l5号楼603室 联系电话:(010)51849013(市电);(021)49013(路电) 传真:(010)51874648(市电);(021)74648(路电) E-mail:zgtdkx@rails.com.crl