地鐵車(chē)站出入口設(shè)施優(yōu)化設(shè)置研究

孫曉臨 梁青槐

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 北京 100044)

目前，地鐵擁擠已成為制約城市軌道交通發(fā)展的重要問(wèn)題。檢票設(shè)備需占用一定的空間，且乘客要花費(fèi)時(shí)間來(lái)通過(guò)通道，檢票效率會(huì)影響車(chē)站的整體通行能力，同時(shí)作用于乘客等待時(shí)間來(lái)影響社會(huì)效益，因此在設(shè)計(jì)上要考慮更多的因素。下面以西直門(mén)地鐵樞紐A口閘機(jī)設(shè)置為例，對(duì)出入口閘機(jī)的設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化。

1 地鐵樞紐概況

北京西直門(mén)地鐵樞紐［1］位于二環(huán)節(jié)點(diǎn)位置，是北京西部最重要的交通轉(zhuǎn)換中心;它是地鐵2號(hào)線、4號(hào)線、13號(hào)線的換乘站，與鐵路、公交、出租車(chē)以及自行車(chē)等多種交通方式銜接，形成大型的換乘樞紐;它緊鄰北京北站，附近共有近50條公交線路，毗鄰北京展覽館、北京動(dòng)物園、北京天文館等觀光旅游景點(diǎn)，以及人民醫(yī)院、地鐵公司、市消防局等多家單位。西直門(mén)地鐵樞紐上下車(chē)和換乘乘客密集，尤其在早晚高峰期間情況更甚，日乘客集散量超過(guò)30萬(wàn)人次。西直門(mén)地鐵樞紐概況如圖1所示，共有4個(gè)出入口，分別命名為A、B、C、D。其中，A口最為繁忙，下面對(duì)其閘機(jī)設(shè)置進(jìn)行研究。

圖1 西直門(mén)客運(yùn)樞紐概況［2］

2 優(yōu)化模型的建立

2.1 模型假設(shè)

考慮到研究的可操作性，給出如下假定:

1)閘機(jī)形式已確定，使用啟門(mén)式雙向閘機(jī)，普通閘機(jī)最大通過(guò)能力為30人/min，加寬閘機(jī)最大通過(guò)能力為20人/min。

2)在優(yōu)化中，需滿足早晚高峰客流最大值的要求。

3)由于西直門(mén)的周邊開(kāi)發(fā)已經(jīng)十分充分，可認(rèn)為其地鐵樞紐的客流發(fā)育已經(jīng)成熟，乘用人數(shù)已經(jīng)相對(duì)固定，有一定規(guī)律。

4)在檢票服務(wù)中，將乘客到達(dá)簡(jiǎn)化為普拉松流，刷卡通過(guò)時(shí)間簡(jiǎn)化為負(fù)指數(shù)分布［3］。

2.2 優(yōu)化目標(biāo)

閘機(jī)設(shè)置優(yōu)化研究的目的是提高運(yùn)營(yíng)效率及效益，采用的思想理念是“效率—時(shí)間—費(fèi)用”的轉(zhuǎn)化。將閘機(jī)服務(wù)時(shí)間和乘客停留時(shí)間分別轉(zhuǎn)化為服務(wù)成本和時(shí)間費(fèi)用。本文在乘客滿意度范圍內(nèi)及資源環(huán)境許可的情況下，以單位時(shí)間總費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)［3］:

式中，Z為單位時(shí)間總費(fèi)用，min為期望求得的最小值，C為閘機(jī)臺(tái)數(shù)，Cs為每臺(tái)閘機(jī)單位時(shí)間的成本，Cw為每個(gè)乘客停留單位時(shí)間的費(fèi)用，Ls為系統(tǒng)中的乘客平均數(shù)。其中，Cw可由具體社會(huì)、經(jīng)濟(jì)情況而定(根據(jù)本文2.1中的假設(shè)3)，Ls的值已經(jīng)固定，因此將目標(biāo)函數(shù)簡(jiǎn)化為

要設(shè)置的閘機(jī)有兩種——普通閘機(jī)和加寬閘機(jī)，后者專(zhuān)供帶行李的乘客及孕婦、輪椅通行。對(duì)于A口閘機(jī)設(shè)置，其目標(biāo)函數(shù)確定為

式中:min Z為期望求得單位時(shí)間總費(fèi)用的最小值;Xs為普通閘機(jī)的單位時(shí)間服務(wù)成本，取值為6;Ys為加寬閘機(jī)的單位時(shí)間服務(wù)成本，取值為10;Xo為出站方向普通閘機(jī)的個(gè)數(shù);Xi為進(jìn)站方向普通閘機(jī)的個(gè)數(shù);Yo為出站方向加寬閘機(jī)的個(gè)數(shù);Yi為進(jìn)站方向加寬閘機(jī)的個(gè)數(shù)。需要說(shuō)明的是，以上符號(hào)在全文中含義不變。

2.3 約束條件

2.3.1 滿足客流需求

通過(guò)客流數(shù)據(jù)采集，得到西直門(mén)A口早晚高峰出入乘客的平均流量、帶行李乘客的比例，如表1所示。

表1 西直門(mén)A口早晚高峰客流數(shù)據(jù)

其中，需將高峰客流量乘以1.2～1.4的超高峰系數(shù)。另外，出站客流瞬時(shí)、集中，進(jìn)站客流則分散、隨機(jī)，一般出站閘機(jī)數(shù)不低于進(jìn)站閘機(jī)數(shù)，因此加設(shè)25%的出站閘機(jī)［4］。閘機(jī)通過(guò)能力需大于乘客通行數(shù)量，因此客流需求的約束條件表達(dá)為

2.3.2 空間大小約束

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，出站閘機(jī)與進(jìn)站閘機(jī)可分開(kāi)或混合設(shè)置，分設(shè)時(shí)至少各2個(gè)，混設(shè)時(shí)至少3個(gè)，閘機(jī)兩面均應(yīng)留設(shè)6 m以上的排隊(duì)等候空間。

西直門(mén)地鐵樞紐的1號(hào)站廳(見(jiàn)圖1)，面積為18.8×14.4(m2)，內(nèi)設(shè)分隔欄，乘客平均步行距離按照折線折算后為16.6 m，站廳的服務(wù)能力為24750人/h，其中A出口大廳的最大正方面積為40.1×26.7(m2)。進(jìn)站檢票口距售票處和出入口通道的距離不宜小于5 m，出站檢票口距梯口的距離不宜小于8 m［5］。

普通閘機(jī)長(zhǎng)1.5 m，高1.1 m，設(shè)備尺寸寬0.3 m，通道凈寬 0.5 m;加寬閘機(jī)長(zhǎng)為1.5 m，高1.1 m，設(shè)備尺寸寬0.4 m，通道凈寬0.8 m。根據(jù)實(shí)地調(diào)研，空間限制的約束條件表達(dá)為

2.3.3 資金投入約束

經(jīng)調(diào)查，西直門(mén)地鐵樞紐A口設(shè)置1臺(tái)閘機(jī)的造價(jià)為:普通閘機(jī)約5萬(wàn)元，加寬閘機(jī)約7萬(wàn)元。由于經(jīng)費(fèi)的限制和經(jīng)濟(jì)性考慮，資金投入的約束條件(單位:萬(wàn)元)表達(dá)為

2.3.4 繁忙程度限制

檢票閘機(jī)的服務(wù)時(shí)間與總時(shí)間的比值(不大于1)稱(chēng)為繁忙程度(ρ)。繁忙程度越接近于1，表明系統(tǒng)越繁忙，閘機(jī)負(fù)荷越高，在實(shí)際中表現(xiàn)為客流不停地通過(guò)，閘機(jī)幾乎一直處于開(kāi)放狀態(tài)。此時(shí)，客流可能產(chǎn)生滯留，閘機(jī)口前的位置成為瓶頸，不僅造成客流擁擠，而且對(duì)滯留空間提出更高要求，需更大面積的站廳或出入口廳，牽涉到造價(jià)等問(wèn)題。同時(shí)，系統(tǒng)繁忙使乘客等待時(shí)間延長(zhǎng)，影響社會(huì)效益。

因此，限制繁忙度不得高于85%。對(duì)于瞬時(shí)、集中的出站客流，本文第2.3.1節(jié)中給了25%的加設(shè)量，此處只考慮分散、隨機(jī)的進(jìn)站客流。將使用普通閘機(jī)的乘客到達(dá)簡(jiǎn)化為服從λ=4.1人/10 s的普拉松流，刷卡通過(guò)時(shí)間簡(jiǎn)化為符合μ=2 s的負(fù)指數(shù)分布;將使用加寬閘機(jī)的乘客到達(dá)簡(jiǎn)化為服從λ'=0.6人/10 s的普拉松流，刷卡通過(guò)時(shí)間簡(jiǎn)化為符合μ'=3 s的負(fù)指數(shù)分布。約束條件表達(dá)為

考慮到人的行為特點(diǎn)，未必每個(gè)攜帶行李的乘客都會(huì)選擇加寬閘機(jī)，一般只有攜帶超大行李的乘客會(huì)選擇加寬閘機(jī)，所以條件(1)有局限性，應(yīng)剔除。

2.3.5 緊急疏散要求

檢票閘機(jī)會(huì)影響緊急疏散的速度，曾有研究模擬有無(wú)閘機(jī)兩種情況下的人員疏散狀況(其他條件都相同)［6］。假設(shè)發(fā)生事故時(shí)所有的出站閘機(jī)均及時(shí)打開(kāi)，但有閘機(jī)比無(wú)閘機(jī)所用的疏散時(shí)間要長(zhǎng)約36%。如果考慮三桿式閘機(jī)對(duì)人員疏散局部步行速度的影響，疏散時(shí)間將會(huì)更長(zhǎng)。這就表明，閘機(jī)的存在降低了人員疏散的效率。如果有緊急通道的規(guī)劃設(shè)計(jì)，應(yīng)在合理的情況下減少閘機(jī)數(shù)，降低閘機(jī)對(duì)緊急疏散的延滯;反之，則盡可能多設(shè)閘機(jī)，以作為緊急疏散的通道。啟門(mén)式閘機(jī)可在緊急疏散時(shí)提供無(wú)障礙通道［7］，通過(guò)能力為50人/min。

西直門(mén)樞紐A口處未設(shè)置緊急通道，所以在合理的情況下應(yīng)盡量多地設(shè)閘機(jī)，代替不能充當(dāng)通道的分隔欄等裝置。

緊急疏散要求的約束條件［8］表達(dá)為

2.3.6 備用要求約束

根據(jù)一般標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)設(shè)備用閘機(jī)。檢票閘機(jī)少于10個(gè)時(shí)，應(yīng)設(shè)1個(gè)備用閘機(jī);閘機(jī)總數(shù)達(dá)到10個(gè)或以上時(shí)，則設(shè)2個(gè)備用閘機(jī)。

在之前約束條件線性化的過(guò)程中，由于已使用客流增大系數(shù)、閘機(jī)加設(shè)系數(shù)、繁忙程度限制等，所以此處不再累加，以免閘機(jī)數(shù)過(guò)分?jǐn)U大。

2.4 優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)以上的分析，建立模型如下:

用 Lingo 軟件，求得 Xo、Xi分別為5、11 臺(tái)，Yo、Yi的值接近于0，所以可以不設(shè)加寬通道。

3 理論結(jié)果與實(shí)際情況對(duì)比

目前，西直門(mén)地鐵樞紐A口的閘機(jī)設(shè)置情況如表2所示。

表2 西直門(mén)A口閘機(jī)實(shí)設(shè)情況

將實(shí)際情況與理論結(jié)果對(duì)比，可見(jiàn)前者數(shù)量大于后者數(shù)量，應(yīng)從以下方面進(jìn)行分析和提出建議。

3.1 分析

1)實(shí)設(shè)閘機(jī)數(shù)得來(lái)的原理如下［9］:

實(shí)設(shè)閘機(jī)數(shù)是根據(jù)西直門(mén)地鐵樞紐遠(yuǎn)期客流設(shè)置的。遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)客流為:6節(jié)編組，列車(chē)定員1428人，結(jié)合出站率35.8%，A出口選擇率81.7%。計(jì)算得到閘機(jī)數(shù)為:1428 ×35.8% ×81.7%/30 ×1.25=17(臺(tái))，備用1臺(tái)。

2)入口閘機(jī)與出口閘機(jī)數(shù)量相等的原因是:大面積站廳(按遠(yuǎn)期客流設(shè)計(jì))空間上允許及緊急疏散的要求［10］。

3)實(shí)際上，為了留有一定的冗余，通常閘機(jī)的設(shè)置數(shù)量比理論計(jì)算的設(shè)置數(shù)量要多。

3.2 建議

1)初、近期運(yùn)營(yíng)適當(dāng)減少閘機(jī)個(gè)數(shù)，避免閘機(jī)使用壽命的浪費(fèi);

2)在平峰時(shí)段適當(dāng)關(guān)閉部分閘機(jī)，提高設(shè)施的利用效率;

3)車(chē)站中設(shè)置合理、便捷、明了的標(biāo)識(shí)來(lái)引導(dǎo)客流，提高通行效率;

4)在允許的情況下使用活動(dòng)式閘機(jī)(平時(shí)固定在地面上，緊急狀況時(shí)可以全部移走)，利于緊急疏散速度的提高;

5)在理論結(jié)果和實(shí)際情況中，雖然都沒(méi)有設(shè)置加寬閘機(jī)，但出于人性化的考慮，可在空間、資金等允許的條件下設(shè)加寬閘機(jī)，體現(xiàn)對(duì)特殊人群的應(yīng)有關(guān)懷，提高服務(wù)水平。或者遇到特殊乘客時(shí)，允許在工作人員的幫助下先購(gòu)票刷卡，再?gòu)膯T工通道進(jìn)出站。

總之，如何合理設(shè)置檢票閘機(jī)，適應(yīng)客流的不斷變化并提高服務(wù)水平和運(yùn)營(yíng)效益，將是一個(gè)長(zhǎng)期的課題。

［1］韓佳辰.地鐵樞紐站設(shè)施仿真建模及設(shè)施能力適應(yīng)性分析［D］.吉林:吉林大學(xué)，2009.

［2］高晶鑫.基于流線分析的客運(yùn)樞紐內(nèi)部設(shè)施布置優(yōu)化研究［D］.吉林:吉林大學(xué)，2009.

［3］周瑋騰.北京市地鐵站閘機(jī)口通過(guò)率分析及建模研究［J］.現(xiàn)代科技:現(xiàn)代物業(yè):下旬刊，2009(8):83-86.

［4］劉明姝，張國(guó)寶.基于排隊(duì)系統(tǒng)的城市軌道交通進(jìn)站檢票機(jī)配置［J］.城市軌道交通研究，2004，7(5):34-37.

［5］李強(qiáng).西直門(mén)地區(qū)交通換乘的主要問(wèn)題［J］.城市問(wèn)題，2009(6):39-44.

［6］田娟榮，周孝清，李健.地鐵自動(dòng)檢票閘機(jī)對(duì)人員疏散的影響分析［J］.火災(zāi)科學(xué)，2006，15(1):38 43.

［7］張凌云.基于排隊(duì)理論與社會(huì)力模型的地鐵人員疏散及安全預(yù)警研究［D］.北京:首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，2010.

［8］羅慧，洪瀾.廣州市軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量的確定［J］.城市軌道交通研究，2006，9(7):55-57.

［9］付玲玲.城市軌道交通樞紐站點(diǎn)間換乘設(shè)施設(shè)計(jì)研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2008.

［10］方錦煌.提高地鐵自動(dòng)售檢票系統(tǒng)設(shè)備的技術(shù)性能［J］.城市軌道交通研究，2007，10(9):58-59.