Simulation and Optimization Method of Transfer Streamline in Metro Transfer Station Based on VISSIM
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摘要: 地铁换乘站的换乘流线设计是影响乘客换乘效率和服务水平的关键. 给出地铁换乘站优化设计原则和典型优化设计策略，并基于VISSIM仿真软件提出地铁换乘站换乘流线仿真建模流程和方法，深入研究行人期望速度的参数标定及修正方法. 结合设计目标和仿真软件功能，建立地铁换乘站换乘流线优化评价指标体系. 最后以某地铁换乘站为例进行实例分析，结果表明提出的仿真建模、参数标定与评价方法具有一定的实践应用价值，可为我国大城市地铁换乘站的换乘流线设计、改进与评价等提供方法借鉴.Abstract: The design of transfer line in metro transfer station is the key to affect the efficiency and service level of passenger transfer. The optimization design principle and typical optimization design strategy of metro transfer station were given. Based on VISSIM simulation software, the simulation modeling process and method of metro transfer line were proposed, and the parameter calibration and correction method of pedestrian expected speed were deeply studied. Combined with the design objective and the function of simulation software, the evaluation index system of transfer line optimization of metro transfer station was established. Finally, a metro transfer station was taken as an example for example analysis, the results show that the proposed simulation modeling, parameter calibration and evaluation method have practical application value, which can provide reference for the design, improvement and evaluation of the transfer line of metro transfer stations in big cities in China.
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随着我国大城市地铁线路的不断建设和投入运营，越来越多的城市地铁已步入网络化运营阶段，地铁换乘站的数量和规模都呈现快速增长趋势. 地铁换乘站内换乘流线设计合理与否，直接关系到整个换乘站的换乘组织效率和乘客服务水平[1].
实践中，地铁换乘站的换乘流线设计多依赖于人工经验，导致高峰时段换乘流线冲突点过多、换乘延误时间较长等问题[2]. 为缓解地铁换乘站高峰客流量与换乘设施通行能力之间的矛盾，国内外学者在地铁换乘站的换乘流线优化设计与评价方面开展了大量研究，目前的主流研究方向是基于Anylogic、Pathfinder和Legion等仿真软件对地铁换乘站乘客换乘流线进行优化仿真[3]，而基于VISSIM仿真优化方法的研究还较少. 夏菁[4]运用VISSIM对站内客流的疏散做了优化研究；吕立丹[5]以行人交通特性为出发点对地铁换乘站内的行人进行组织优化；王妍捷[6]对地铁换乘站的通行设施与通行能力的匹配度做了研究. 以上研究都运用了VISSIM软件进行仿真检验，通过VISSIM仿真软件对换乘站客流组织的优化评价有一定的现实意义. 但目前研究大多只注重案例仿真应用和分析，缺乏对仿真建模参数标定、仿真评价指标改进等仿真方法层面的深入研究.
本文针对地铁换乘站换乘流线设计现状及存在的问题，提出优化设计原则，研究基于VISSIM软件的地铁换乘站换乘流线仿真建模流程、关键参数标定和修正方法，并建立优化评价指标体系，最后进行了实例验证与分析.
1. 换乘流线设计原则
地铁换乘站包括换乘设施、站台、站厅等多个功能分区，其换乘流线的设计与优化需要综合考虑站内各功能分区与设施设备的有效匹配，保证乘客换乘的高效性、安全性和舒适性[7]. 面向地铁换乘站的换乘流线设计目标，提出以下几点设计原则.
1) 换乘流线互不交叉. 基于换乘安全性的考虑，要尽量减少双向换乘流线的冲突点，使客流组织更加有序，客运管理更加简捷.
2) 提高换乘设施空间利用率. 为了使换乘设施都能够得到充分的利用，应通过合理的流线设计和信息引导，尽可能降低换乘设施（如换乘通道、楼梯等）客流负荷度过大或过小的不均衡利用情况，提高乘客在同类型换乘设施上的分布均衡度.
3) 最优换乘路径最短. 最优换乘路径是指对站内多条换乘流线综合评价后择出的最优路径，一般以换乘时间为主要评价指标.
实践中需要在保障换乘安全的前提下再考虑换乘高效性，因此一般优先考虑“流线互不交叉”和“空间设施利用率合理”，再兼顾“换乘路径最短”.
2. 地铁换乘站换乘流线仿真建模
PTV-VISSIM是一种微观的、基于时间间隔和驾驶行为的仿真建模工具. 主要被运用于城市道路机动车交通仿真及机动车行人混合交通仿真. 在6.0版本后，VISSIM在行人仿真方面进行了极大地完善，因此被逐渐应用于行人仿真研究中. 该软件内核计算模型为社会力模型[8]，是微观行人流建模的主流模型之一. 本文基于VISSIM仿真软件对地铁换乘站内乘客换乘流线进行仿真优化.
2.1 建模假设
由于仿真与现实情境有所差异，如仿真中某些参数处于理想化状态、不考虑非常态下的突发状况等，为保证本仿真建模方法的适用性，本研究做以下假设：
1) 不考虑地铁换乘站客流的年龄差异，相同性别乘客的换乘步行速度也相同；
2) 在同一个仿真时段内，地铁换乘站的换乘客流性别比例不变；
3) 在同一个仿真时段内，地铁换乘站在不同线路上、不同运行方向上的列车到达时间间隔相等.
另外，换乘客流随着列车的到达而到达，呈现间歇性到达的规律.
2.2 建模参数定义及获取方法
基于VISSIM的地铁换乘站换乘流线设计仿真建模所需参数及获取方法见表1.
表 1 建模参数汇总表Table 1. Summary table of modeling parameters参数符号 参数名称 η 男女比例 α 同站台上下行客流比 β 楼扶梯流量分配比 γ 不同路径流量分配比 Δt1 同线路列车到达间隔时间 Δt2 不同线路列车到达间隔时间 ni 各站台子区间发生客流量 v 行人期望速度 表1参数中，η、α、β、γ、Δt1、Δt2和ni皆为仿真必需的基础参数，从不同层面反映了换乘站的客流特性和列车到发情况，可通过实地或视频观测法直接调查获得. ni为按照一定准则将站台划分为多个子区间，单位时段内第i个子区间发生的客流量. 因站台上不同区域的下车（发生）乘客具有差异化、非均衡性的时空分布特征，为提高仿真精度，应将站台划分为若干个站台子区，通过划分站台子区调查乘客乘降人数和计算不均衡分布系数获取该参数的值. 站台子区的划分方法或子区个数会导致仿真客流行走路径的变化，从而对仿真结果产生影响. 本文通过仿真试验发现，以每节车厢对应的站台区域作为一个站台子区（仿真时表示为多个相互衔接的行人面域）进行客流调查和仿真能改进仿真效果.
行人期望速度v是行人仿真中最重要的基础参数. 是指在VISSIM仿真软件中，仿真行人在决策路径上行走的速度范围，在步行楼梯、自动扶梯和站台通道上行人期望速度各有不同，其获取方法相对复杂，也是影响仿真模型精度的关键参数，因此下文将对其标定方法进行深入研究.
2.3 关键参数标定及修正方法
行人期望速度的重要性在于其通过社会力模型直接决定了客流换乘时间、客流延误、客流排队长度等仿真评价指标值，从而决定了仿真模型的精度. 本文将行人期望速度分为楼梯上行速度、楼梯下行速度、自动扶梯速度、站台通道行走速度4类，不同的期望速度通过减速器进行输入.
行人期望速度受到行人年龄、性别、是否携带行李、出行目的等因素的影响，针对常态工作日高峰期以通勤客流为主的换乘站，年龄、行李等影响因素对行人期望速度的影响极小，因此只需要分男、女性别对行人期望速度进行调查分析. 行人期望速度的标定和修正方法如图1所示.
1）数据采集. 选取待研究地铁换乘站，在不同时段、不同客流密度下随机抽取一定数量的乘客(样本容量600~800人，其中男女比例为1∶1)[9]，采用视频记录法调查记录抽取样本在换乘通道、楼梯上下行、自动扶梯等不同设施上的行走速度.
2）数据分析. 基于采集得到的行人速度原始数据，根据换乘设施和乘客性别对样本进行分类分组，在此基础上绘制行人速度累积频数分布图. 由于实际中部分行人行走速度过慢或过快，不符合行人的平均水平，对仿真精度有一定影响，因此需要对调查数据做一定的取舍. 首先可以取[15百分位速度，85百分位速度]作为期望速度初区间，能够较好地表示绝大多数行人的行走速度，计算百分位数时需要将统计数集从小到大排列，划分成若干个等间距小组进行迭代，然后在仿真过程中对该速度区间进行修正. 百分位数计算式为
V15%=Vimin+H(15−Fi−1)/(Fi−Fi−1) (1) V85%=Vimin+H(85−Fi−1)/(Fi−Fi−1) (2) 式中：Vimin为第i组的最小行人速度；Fi−1为第i−1组的累计频率；Fi为第i组的累计频率；
H 为组距.3）数据拟合. 基于期望速度区间内的调查数据拟合仿真行人期望速度累积分布函数.
4）参数修正. 首先根据设计优化目标选取一个或多个仿真模型精度评价指标，通过理论模型分析或仿真实验测试获取仿真评价指标随仿真参数v而变化的趋势或规律；通过调查获得某地铁站的实际指标值，仿真得到第m次的评价指标值，并计算二者之间的偏差率. 设定仿真迭代结束条件：判断第m次的仿真偏差率是否小于仿真精度ε，若满足则结束仿真，若不满足则根据变化趋势或规律调整v的百分位取值区间，进行第m+1次仿真试验.
2.4 建模流程
仿真建模分为构建换乘设施环境仿真与加载换乘参数数据两部分，如图2所示. 构建换乘设施环境是要建立一个贴合实际的仿真环境，包括地铁站台、站厅、换乘通道、楼扶梯、安检设备等基础设施位置的设置及其基本通行能力的输入[10]. 加载换乘参数数据是在换乘环境中，对行人模型、行人类型、行人类别、行走行为、行人构成等数据进行设置或输入，如男女比例、同站台上下行客流比、楼扶梯流量分配比等.
在仿真环境构建完成后，根据不同路径流量分配比进行仿真路径决策，在路径的关键结点（如楼扶梯口、换乘瓶颈位置等）设置数据检测器、行人行程时间检测器和排队计数器，对仿真中行人行为进行检测评价. 检测器的设置是仿真中的关键环节，其设置方案直接影响仿真评价的有效性和准确性. 检测器设置完成后，在仿真面域输入行人流量，设置仿真时长与仿真速度，一般仿真时长为3 600 s，仿真速度为10仿真秒/s，完成后点击开始运行仿真. 等待仿真完成，输出仿真结果文档.
3. 评价指标
VISSIM仿真软件的常用评价指标有：平均排队长度、最大排队长度、排队时间等，通过设置仿真检测器自动获取. 考虑地铁换乘站的换乘优化目标，本文选择和构建了以下评价指标体系.
1) 换乘时间
指乘客从A列车下车通过换乘通道到达B列车并上车所耗用的全部行走时间，包括从A列车下车站台至换乘通道的行走时间T1、从换乘通道至B列车站台候车区域的行走时间T2、在B站台等待列车时间T3，换乘时间T的公式为
T=T1+T2+T3 (3) 2) 不同流线冲突点个数
流线冲突点指两条或多条流线相交形成的交叉点及楼扶梯处的合流点或分流点. 由于换乘站至少有两条方向相反的换乘流线，在双向通道、楼扶梯进出口等地点极易产生流线冲突，通过合理的换乘流线组织渠化可以减少冲突点的个数n. 在VISSIM仿真软件中，冲突点个数不能通过评价报告直接表现，需要通过“冲突区”按钮
获得.
3）拥堵点客流疏散速率
高峰时段，在站台自动扶梯、客流交织段等拥堵点易产生排队现象. VISSIM仿真软件用排队客流量N和排队延误时间t作为拥堵点客流疏散能力的评价指标，通过在拥堵排队点布设检测器直接仿真得到，计算式为
t=N∑i=1ti (4) 式中：t为拥堵点所有排队乘客延误时间总和；i为排队乘客编号；ti为第i位乘客的延误时间；N为拥堵点全部排队乘客数.
为更准确评价拥堵点的客流疏散能力，本文构建拥堵点客流疏散率指标
σ ，即拥堵点排队乘客平均延误时长的倒数，该指标值越大表明拥堵点的客流疏散能力越强，计算式为σ=Nt (5) 4. 案例分析
以某两线换乘地铁站为例，该站采用岛岛T型换乘，如图3所示. 通过调查得到换乘路径1(2号线至3号线最优换乘路径)总长446.8 m，换乘路径2(3号线至2号线最优换乘路径)总长505.6 m，1、2、3号楼梯总长105.9 m，4号楼梯长27.5 m，5、6、7号楼梯总长45.9 m. 3号线早高峰上下车客流量比为2∶1，晚高峰上下车客流量比为1∶2；2号线早晚高峰上下车客比均近似1∶1，经调查，该站换乘客流易冲突，换乘瓶颈点较多.
针对该站的换乘现状问题调查，采取调换1、2、3、5号自动扶梯的上下行方向，在3号楼扶梯站厅端设置导流栅栏，在4号楼梯中间设置分流栅栏等换乘组织优化措施. 优化前后换乘流线设计方案如图4所示，仿真参数值见表2.
图 4 优化前后换乘流线设计方案Figure 4. Design scheme of transfer lines before and after optimization理论和测试发现，换乘时间T与行人速度成反比，客流疏散速率
σ 与行人速度呈正比. 调查采集该地铁站内的行人行走速度，经处理得到期望速度初区间，然后进行参数修正，其中自动扶梯速度为固定值0.5 m/s，设仿真精度为10%.表 2 仿真参数值列表Table 2. List of simulation parameter values参数 设施或路径 取值 男女比例η — 1.1∶1 同站台上下行客流比α ② 上行∶下行=1.1∶1 ③ 上行∶下行=1∶1.2 楼梯/扶梯的流量分配比β ④ 楼梯∶扶梯=1∶5 ⑤ 楼梯∶扶梯=1∶3 ⑧⑨⑩ 楼梯∶扶梯=1∶1.5 不同路径流量分配比γ 换乘路径1 ⑧∶⑨∶⑩=1∶1.2∶1.5 换乘路径2 ④∶⑤∶⑥∶⑦=1∶2∶2∶3 列车到达间隔时间Δt — Δt2=2.5 min — Δt1=1 min 采用期望速度初区间进行仿真，发现乘客的各路径换乘时间仿真值均超过实际值，客流疏散速率仿真值均小于实际值，表明仿真行人速度过慢；且大部分数值差异率都在10%以上，不满足仿真精度，需对速度区间进行微调.
调整过程：每次将行人速度上下限均提升2个百分位，经过3次调整后，T与
σ 的仿真值与实际值的差异率均低于10%，满足了设定的仿真精度要求. 最终的期望速度拟合曲线如图5所示，仿真结果与实际值的对比分析见表3. 此外，冲突点个数只与换乘流线渠化组织有关，与行人速度无关，故3次仿真冲突点的偏差率不变，为9.1%，亦满足仿真精度要求.基于上述修正好的仿真模型对该站优化前后的换乘流线设计方案进行仿真建模和评价. 仿真运行10次后，求各指标的平均值，结果见图6和表4.
对比分析优化前后的换乘方案仿真指标值：相对于现状方案，优化方案换乘路径冲突点减少，提高了乘客换乘的安全性；2、3、4、5号楼扶梯因调整运行方向、设置导流或分流栅栏后使其疏散率分别提高了12.8%、84.5%、16.1%、6.5%；由于改进后的换乘流线设计缩短了换乘路径2的换乘距离，均衡了换乘路径1和路径2的客流分布，使其换乘时间分别提升了8.6%、19.9%.
表 3 仿真结果与现状实际值对比分析Table 3. Comparative analysis of simulation results and actual values评价指标 设施或路径 实际值 仿真值 第1次 第2次 第3次 T/s 换乘路径1 103 119.6 107.5 99.1 换乘路径2 154 179.5 165.2 147.5 δ/（人·s−1） ⑤ 扶梯 0.137 0.095 0.127 0.148 楼梯 0.325 0.277 0.302 0.341 ⑥ 扶梯 0.149 0.092 0.120 0.142 ⑦ 楼梯 0.205 0.116 0.154 0.193 ⑧ 扶梯 0.251 0.138 0.195 0.260 楼梯 0.377 0.272 0.319 0.364 N/个 — 33 36 36 36 表 4 换乘流线优化前后仿真对比分析Table 4. Simulation comparison and analysis before and after optimization of transfer streamline评价指标 设施或路径 优化值 现有方案 优化方案 T/s 换乘路径1 99.1 90.5 换乘路径2 147.5 118.2 δ/（人·s−1） ⑤ 扶梯 0.148 0.167 楼梯 0.341 0.372 ⑥ 扶梯 0.142 0.262 ⑦ 楼梯 0.193 0.224 ⑧ 扶梯 0.260 0.277 楼梯 0.364 0.382 N/个 — 36 30 5. 结 语
本文基于地铁换乘站优化设计原则和典型优化设计策略，深入研究了基于VISSIM仿真软件的地铁换乘站换乘流线仿真建模流程和关键参数标定及修正方法，在此基础上提出了基于VISSIM的地铁换乘站换乘流线优化评价指标体系. 实例分析结果表明，本文提出的仿真建模与评价方法精度较高，具有一定的实践应用价值，可为我国大城市地铁换乘站的换乘流线设计、改进与评价等提供方法借鉴.
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图 4 优化前后换乘流线设计方案
Figure 4. Design scheme of transfer lines before and after optimization
表 1 建模参数汇总表
Table 1. Summary table of modeling parameters
参数符号 参数名称 η 男女比例 α 同站台上下行客流比 β 楼扶梯流量分配比 γ 不同路径流量分配比 Δt1 同线路列车到达间隔时间 Δt2 不同线路列车到达间隔时间 ni 各站台子区间发生客流量 v 行人期望速度 
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表 2 仿真参数值列表
Table 2. List of simulation parameter values
参数 设施或路径 取值 男女比例η — 1.1∶1 同站台上下行客流比α ② 上行∶下行=1.1∶1 ③ 上行∶下行=1∶1.2 楼梯/扶梯的流量分配比β ④ 楼梯∶扶梯=1∶5 ⑤ 楼梯∶扶梯=1∶3 ⑧⑨⑩ 楼梯∶扶梯=1∶1.5 不同路径流量分配比γ 换乘路径1 ⑧∶⑨∶⑩=1∶1.2∶1.5 换乘路径2 ④∶⑤∶⑥∶⑦=1∶2∶2∶3 列车到达间隔时间Δt — Δt2=2.5 min — Δt1=1 min
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表 3 仿真结果与现状实际值对比分析
Table 3. Comparative analysis of simulation results and actual values
评价指标 设施或路径 实际值 仿真值 第1次 第2次 第3次 T/s 换乘路径1 103 119.6 107.5 99.1 换乘路径2 154 179.5 165.2 147.5 δ/（人·s−1） ⑤ 扶梯 0.137 0.095 0.127 0.148 楼梯 0.325 0.277 0.302 0.341 ⑥ 扶梯 0.149 0.092 0.120 0.142 ⑦ 楼梯 0.205 0.116 0.154 0.193 ⑧ 扶梯 0.251 0.138 0.195 0.260 楼梯 0.377 0.272 0.319 0.364 N/个 — 33 36 36 36
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表 4 换乘流线优化前后仿真对比分析
Table 4. Simulation comparison and analysis before and after optimization of transfer streamline
评价指标 设施或路径 优化值 现有方案 优化方案 T/s 换乘路径1 99.1 90.5 换乘路径2 147.5 118.2 δ/（人·s−1） ⑤ 扶梯 0.148 0.167 楼梯 0.341 0.372 ⑥ 扶梯 0.142 0.262 ⑦ 楼梯 0.193 0.224 ⑧ 扶梯 0.260 0.277 楼梯 0.364 0.382 N/个 — 36 30
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