基于行人動力學的地鐵車站客流仿真模型

王媛媛

（南京地鐵運營公司機電分公司，江蘇南京，210029）

0　引言

在地鐵運營中，乘客進入閘機這一表面簡單的過程存在著復雜的管理問題，閘機數量、閘機的地理位置分布、閘機的服務時間等，都需要根據乘客情況進行優化。對于這一類的排隊問題，通過簡單的數學模型或解析方法難以精確描述和求解，系統仿真方法是目前最有效的解決途徑。在眾多的仿真方法中，基于Agent的建模與仿真方法（以下簡稱“ABMS”），是一種有效的建模方式。國內外研究表明，在社會、經濟、地理與生態、以及工業領域，ABMS方法均得到了成功應用。

近年來，地鐵逐漸成為大多數居民出行的首選交通工具。目前，南京地鐵已經建設并投入運營的線路9條，運送旅客達每天300余萬人次。另一方面，在新的社會形勢和相關矛盾的綜合影響下，突發事件呈現出明顯增多的趨勢。安全因素也成為地鐵運營部門日常管理的重點考慮方向。在旅客日益增多的前提下，如何進行有效的安檢布局？安檢措施對客流輸送將造成怎樣的影響？就成為地鐵運營管理領域必須解決的課題。

1　基于行人動力學的南京地鐵W車站客流模型

ABMS方法將復雜系統中的組成實體刻畫為具有主動性和適應性的Agent，通過自頂向下分析、自底向上綜合的方式構建整個系統，通過對Agent的自主行為及其之間的交互關系的刻畫與描述，進而涌現得到整個系統的行為表現。

行人動力學是研究正常及緊急情況下，公共場所中行人運動特征及人群管理的科學，其研究成果可以為設計和優化步行設施，提高空間使用效率，提高突發事件中人群的疏散效率提供依據。從20世紀80年代起，越來越多的研究者致力于行人動力學的理論和應用研究，其理論模型也逐漸由以排隊模型、轉換矩陣模型為代表的宏觀視角轉向微觀Agent表述。

旅客由上下兩個方向進入候車大廳，6臺自動售票機布置在候車大廳左上部，一部分旅客持有市民卡，無需購買，另一部分旅客則需行走至自動購票機處購買單程票，然后方可通過左右兩處安檢通道進入閘機。進入閘機后，旅客通過樓梯、電梯或垂直電梯去往車輛到達層；另一方面，出站旅客通過樓梯、電梯或垂直電梯來到候車層閘內區域后，經過出站閘機進入非控制區域，然后從上下兩個方向離開車站。

圖1　南京地鐵W車站候車大廳平面圖

根據以上場景和旅客行動規則，本文設計了相應的Agent，并在此基礎上建立了行人動力學模型。系統主要由兩類Agent組成，分別為主動Agent和被動Agent。其中，主動Agent主要指旅客（Passenger），被動 Agent 則包括售票機（TVM）、閘機（Gate）、安檢機（SecurityMachine）、樓梯（Stairs）、電梯（Elevator）和垂直電梯（Lift）。類似于排隊系統中的服務臺，在安檢機、閘機和垂直電梯等被動Agent中，都維護著一個隊列，以協調主動Agent對資源的占用和釋放。圖2則描述了出站旅客的行人動力學模型，限于篇幅，各Agent之間的交互規則和旅客進站的行人動力學模型在此不再贅述。

圖2　出站旅客行人動力學模型

在模型中，pedSource和pedSink組件表示客流的產生和終止，pedGoto組件描述客流的行走過程，在pedService組件中刻畫旅客購票、安檢和進出閘機等服務環節；在對乘坐垂直電梯的旅客建模時，采用pedGroupAssemble和pedGroupDisassemble組件刻畫其集結和散開行為。此外，本文還利用可視化技術，對旅客行走通道、排隊和疏導路線進行了建模（見圖1中的虛線部分），將圖形界面與行人動力學模型有機結合。

2　仿真實驗

在上節行人動力學模型的基礎上，作者根據W車站早高峰期間的客流統計數據（見表1）對仿真模型的實驗數據進行了設置。經過對14日（2周）統計數據的分析，在不同閘機進出的旅客數量符合正態分布。

表1　南京地鐵W車站客流數據（節選）

仿真實驗運行情況證明，本文構建的行人動力學模型表現出較好的性能，真實地模擬出了旅客在進出站過程中的各種行為。通過觀測，仿真數據結果與W車站客流統計數據基本吻合，證明了本文模型的有效性。

此外，為了直觀地判斷疏導路線和安檢布局的效果，作者還在模型中設計了客流密度參數，在仿真實驗進行過程中，可隨時進行圖形界面的切換，以顯示出當前的客流密度情況（如圖3所示），并迅速找到當前環境下的主要擁塞點。這對于設置布局和疏導路線的科學調整具有重要的價值。

3　結語

本文針對當前形勢下地鐵運營管理中出現的新問題，以ABMS理論為基礎，建立了南京地鐵W車站進出站旅客行人動力學模型，并以真實客流統計數據為依據進行了仿真實驗，實驗結果表明本文模型有較強的刻畫能力和理想的有效性。在后續的工作中，作者將進一步研究設施布局和疏導路線對客流輸送效率的影響，提取出規律性結論，以期為相關管理工作提供簡潔有效的指導。

圖3　仿真試驗運行中的客流密度顯示