地鐵典型換乘站換乘方式適配性評價研究

鄭宣傳，魏 運，陳明鈿，高國飛，蘇 暢，于松偉

（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037）

地鐵換乘站作為線網的核心節點及紐帶，同時承載車站集散客流及線網換乘客流的雙重壓力，在網絡化運營條件下，換乘站的站臺乘客滯留、換乘設施處排隊現象尤為明顯，嚴重危及乘客出行安全、影響出行效率，給車站的運營組織工作帶來極大挑戰。

由于我國地鐵建設起步較晚，設計之初車站客流普遍較小，缺乏地鐵網絡化大客流車站設計與運營經驗，普遍以十字換乘的便捷、緊湊設計理念為主，如北京地鐵宣武門站、西安地鐵北大街站、沈陽地鐵青年大街站等，導致進入運營階段，大客流沖擊下車站運營組織難題頻發。為解決換乘站先天設計不合理問題，運營階段僅能通過換乘站改造或壓縮行車間隔來提升車站的客流輸運能力[1-2]。然而，對于已投入運營的換乘站土建改造工程不僅耗資巨大、而且改造期間的客運組織及安全保障問題更是棘手。因此，如何根據預測客流并結合工程技術條件，科學、合理地選擇換乘方式，完成車站設計方案，是城市軌道交通建設過程中的重點及難點問題，備受設計單位、建設單位、運營部門等多方關注。

目前國內大量學者對于換乘站的換乘方式的適應性做了一些定性研究[3]，但缺乏量化分析，研究手段以傳統經驗公式計算為主。而客流仿真評估技術將靜態的設計方案與動態的運營組織相結合，充分考慮客流動態出行需求與車站設施布局，實現不同設計方案多場景下的客流動態評估，為換乘站換乘方式選擇及設計方案評估提供精確依據。目前常用的行人仿真軟件包括 LEGION、Vissim及 Anylogic等[4]，由于LEGION軟件建模精細，統計指標豐富，因此應用最廣。針對仿真結果的評價方面，地鐵設計規范[5]及北京市地標[6]給出設施設備能力的具體計算方法。國內相關學者[7-9]提出平均客流密度、設施設備能力、換乘距離、密集度指數等指標，為換乘站的評估提供了基礎，但對于換乘站換乘方式選取及評估方面，僅依靠車站設計人員的歷史經驗，停留于方案定性分析比較，缺乏量化指標分析及方案比選[10]。

針對換乘站換乘方式適應性問題，筆者提出基于LEGION軟件的換乘站客流仿真評價步驟及換乘站評價指標計算方法；以沈陽地鐵青年大街站為例，通過仿真評估分析車站擁擠成因并剖析十字節點換乘的適應條件與范圍；提出車站結構優化及壓縮行車間隔的方案并進行新仿真評價驗證，分析優化方案優勢及適應范圍，最后對換乘站設計及換乘方式選取提出具體實施建議。

1 換乘站換乘方式評價技術思路

圍繞換乘站換乘方式適應性問題，分析現有換乘站換乘方式的特征及客流適應性，提出換乘站客流仿真評價的技術路線及評價指標計算方法，實現換乘站的換乘方式適配性量化研究。

1.1 換乘方式分類

換乘站的換乘方式按照換乘客流組織方式可分為節點換乘、站廳換乘、通道換乘、組合式換乘四大類。

1.1.1 節點換乘

節點換乘分為同站臺換乘及臺到臺節點換乘，臺到臺節點換乘按照兩線交叉形式，分為十字型、T型、L型（見圖1）；按照站臺的類型，分為島—側，島—島，側—側3種換乘類型。由于節點換乘方式換乘距離短，十分便捷，適合換乘客流規模較小的車站，但換乘設施一般設在站臺中部，占用站臺等候面積，易導致入口處客流堆積、疏散速度慢，影響站臺乘客候車及乘降。

圖1 臺到臺節點換乘示意Fig. 1 Platform to platform node transfer

1.1.2 站廳換乘

站廳換乘指站臺乘客下車后，通過樓扶梯到達車站站廳層，再通往另一個車站的站臺進行換乘。由于下車客流朝站廳方向流動，減少站臺客流的人流交織，行走速度快，避免在站臺滯留擁擠，加快站臺空間的周轉，同時客流進入站廳后，可以進行有效的客流組織及引導，進行客流控制。與站臺直接換乘方式相比，站廳換乘距離較長，且對垂直方向的設施能力要求較高。

1.1.3 通道換乘

通道換乘是指在兩線交叉處，車站結構完全分開，用通道和樓梯將兩車站連接起來，供乘客換乘。連接通道常設于兩站的站廳之間，也可直接設于站臺上。對于不相鄰的兩座車站，通道換乘為最佳選擇，但換乘通道長度一般不宜過長。這種換乘方式最有利于兩條線工程分期實施，預留工程最少。

1.1.4 組合換乘

實際工程根據用地條件及需求，往往結合上述多種換乘方式，完成換乘站設計。

1.2 換乘站客流仿真評價技術

本文應用LEGION軟件對換乘站進行仿真評估，仿真過程總體分為：基礎資料收集、車站建模仿真、方案評價分析三大步驟（見圖2）。

1）基礎資料收集。基礎資料包括車站設施設備詳細設計CAD圖紙、客流組織方案（即流線組織）、車輛運營計劃（即列車時刻表）、站內客流OD表（精確至各出入口、分方向站臺），行人交通特性數據（含：售票、閘機、安檢設備的服務時間及客流比例）。

圖2 LEGION軟件仿真建模步驟Fig. 2 Modeling steps of Legion simulation software

2）車站建模仿真。對原始CAD圖進行清理，整理為仿真層及展示層，導入至LEGION軟件中，繪制行人仿真模塊，輸入仿真時段及行人交通參數，運行仿真軟件。

3）方案評價分析。結合仿真結果，按照評估需求，設置統計分析區域及統計參數，從車站總體服務水平評價、設施設備能力評價、方案的總體評價3個方面全面分析，形成仿真結論及改進意見。

1.3 客流仿真評價指標對比

本文應用車站總體平均密度、設施平均密度、服務水平占比、設施能力飽和度、平均客流疏解時間等指標對換乘站的現狀及換乘方式適配性進行評價。對樓扶梯及換乘通道評估設施能力飽和度，對站臺評估最大承載能力飽和度，以實現車站設施設備的最大壓力測試及評估，其計算方法如下。

1.3.1 設施通行能力飽和度

設施通行能力飽和度iS指設施的實際通行流量Qi與設施設計通行能力 Wc的比例，計算公式為：

其中C為設施單位通行能力，D為設施寬度。

1.3.2 站臺承載能力飽和度

站臺的承載能力飽和度iS′指實際站臺聚集人數

iP與設計承載人數cP的比例，其計算公式為：

其中，cρ為站臺設計密度，建議取值在1.33～2.5人/m2，本文為2人/m2，s為站臺有效面積。

1.3.3 平均客流疏解時間

平均客流疏解時間t指一股客流ΔQ到達設施至完全疏解的時間，體現設施設備處于高密度狀態的持續時間。

2 沈陽地鐵青年大街站現狀評估

2.1 青年大街站概況

2.1.1 車站結構及流線分析

青年大街站為沈陽地鐵1、2號線換乘站，是沈陽地鐵最為擁擠的車站。該站為典型島式—側式十字換乘站，2號線為側式站臺呈南北走向，1號線為島式站臺呈東西走向。車站地下共分2層，地下一層為共用站廳層及2號線站臺層，地下二層為1號線站臺層，4個出入口分設于車站四個象限。該站以節點換乘及組合換乘為主，1換2采用站臺—站臺節點換乘形式，1換2客流通過上行樓梯直接抵達2號線站臺；2換1采用通道—站廳組合式換乘，2號線上、下行乘客到站后，分別通過1號、4號及2號、3號通道，途經東側及西側站廳，最后通過樓扶梯到達站臺（見圖3）。

圖3 沈陽地鐵青年大街站的結構及流線示意Fig. 3 Structure and streamline diagram of the Qingniandajie Station

2.1.2 客流構成及行車組織

從客流構成（見表 1）分析，該站以換乘客流為主，早高峰換乘客流占總乘降量的77%，早高峰換乘量高達2.6萬人次，客運組織壓力巨大。在行車組織上，1號線及2號線均采用6B編組形式，早高峰1、2號線行車間隔分別為4 min 15 s和5 min 33 s；行車對數分別為14對和11對，且采用錯峰到站方式，停站時間均為60 s。

表1 青年大街站的客流構成Tab. 1 Passenger composition of the The Qingniandajie Station

2.2 現狀仿真評價分析

2.2.1 仿真參數設置

本站采用國際通用的 Fruin服務水平評價標準，將服務水平劃分為A～F共6個等級（見表2）。E級以上客流比較擁擠，乘客行走干擾嚴重，客流風險較高；F級以上乘客步行速度嚴重受限，客流沖突無法避免，客流風險很高。所以，E級、F級在設計時應盡量避免。系統選取2017年4月17日早高峰（8：00—9：00）實際客流及列車時刻表數據為輸入，調查獲取車站設施設備參數（見表3），構建沈陽青年大街站仿真模型，進行仿真評估分析。

表2 Fruin服務水平評價標準Tab. 2 Fruin Service Level Evaluation Standard

2.2.2 車站整體能力評價

從車站客流仿真結果（見圖4）分析，車站整體較為擁擠，平均密度為1.44人/m2（達到E級服務水平），尤其在車站東、西側站廳，2號線站臺等候區及1換2換乘樓梯口處，客流風險較大。

表3 青年大街站仿真模型參數Tab. 3 Parameters of the Simulation Model for the Qingniandajie Station

圖4 青年大街站仿真結果Fig. 4 Simulation result for the Qingniandajie Station

2.2.3 局部設施設備能力評價

本文以平均密度、超高峰飽和度及平均疏散時間3項指標衡量設施能力利用率及抗沖擊能力。

指標計算結果分析（見圖5），除1號、3號換乘通道能力相對飽和（飽和度超過50%）外，換乘通道整體客流疏解時間控制在2 min內，能力尚存富余；而站廳樓扶梯及1換2樓梯設施能力較為緊張（飽和度均超50%），尤其1換乘2樓梯能力不足尤為嚴重（飽和度達到64%），且客流疏解較為緩慢（超3 min），排隊嚴重，潛在風險大。

圖5 青年大街站的換乘通道、樓扶梯通行能力分析Fig. 5 Passenger capacity of the transfer channel and the escalator of the Qingniandajie Station

進一步分析站臺，1號線站臺乘降區及2號線站臺能力飽和度超90%（見圖6）。由于1號線為島式站臺，乘降區雖處于飽和狀態，但站臺總寬13.5 m，中部非乘降區可做大客流緩沖；而2號線為側式站臺，單側寬度僅6 m，且換乘樓梯占用站臺乘降設施面積，站臺乘客排隊嚴重，已無多余利用空間（見圖7），因此2號線站臺能力尤為緊張。

圖6 青年大街站的站臺承載能力分析Fig. 6 Platform carrying capacity of the Qingniandajie Station

圖7 青年大街站的站臺實際客流監控畫面Fig. 7 Actual monitoring screen of the Qingniandajie Station

2.3 車站擁堵成因

從上述分析得到，1換2換乘能力不足、2號線站臺乘降區承載能力不足以及站廳付費區承載能力不足是青年大街站目前存在三大問題。通過分析可知：

1）換乘客流與預測客流相差巨大，早高峰換乘客流2.6萬/人次，是預測遠期客流的13倍，遠超預測客流，且達到北京同類換乘站客流規模（國貿換乘量為2.36 萬/人次）。

2）列車運能不足問題凸顯。車站設計之初，1、2號線的初、近、遠期采用大、小交路套跑的方式分別開行12、18、30對列車，而目前兩線均采用單一大交路，早高峰1、2號線實際發車分別為14對和11對，僅達到初期的水平，而換乘站客流規模遠超遠期，導致高峰期運力緊張，站臺客流能力壓力極大。

3）車站設計不合理。由于預測客流過低導致車站設計規模過小，且雙層車站形式對客流組織難度極大；采用的十字站臺—站臺節點換乘形式，不僅占用站臺空間（尤其2號線側式站臺），更加劇換乘客流對換乘設施的直接沖擊，不利于客流組織及管控，若采用 T型、L型節點換乘或站廳換乘形式，既可緩解客流沖擊又可避免影響高站臺承載能力。

3 沈陽地鐵青年大街站優化方案評價

3.1 優化方案建議

為解決青年大街站的能力不足問題，提出壓縮行車間隔、優化車站結構及組合優化3種優化方案建議。

方案1：壓縮行車間隔。將1、2號線行車間隔壓縮至3 min，早高峰行車能力提高至20對/h，且上下行列車均采用錯開1 min 30 s到站。

方案2：優化車站結構。取消南北側過軌樓梯及1換2樓梯；取消1換2的樓梯，東、西廳各增加1組樓扶梯，將1換2客流從原來站臺—站臺直接換乘形式改為站臺—站廳—站臺換乘（見圖8）。

圖8 青年大街站優化結構方案Fig. 8 Civil reconstruction plan of the Qingniandajie Station

方案 3：組合優化方案。同時實施壓縮行車間隔并優化車站結構。

3.2 優化方案仿真結果分析

為定量評估這3種方案對青年大街站的運營狀態改善效果，假設其他輸入條件均不變化情況下，利用LEGION軟件重新建模仿真評估，從車站整體能力改善及重點設施設備能力改善方面進行分析。

從對車站關鍵設施設備的改善效果分析（見圖9），壓縮行車間隔，對于車站整體運力及站廳付費區、站臺的運行狀態改善效果明顯，但對提升站廳樓扶梯和1換2設施能力作用不大，其主要原因在于無法解決十字換乘站的站臺到站臺直接換乘帶來的問題；而方案2（優化車站結構）中改變1換2原有換乘形式后，能減緩客流直接換乘對雙向站臺的沖擊，且方便車站運營人員對換乘客流的有效疏解和及時管控，但未根治車站運能不足的問題，若同時實施壓縮行車間隔及優化車站結構（方案3），則能夠達到根治目標。

圖9 3種優化方案降低客流平均密度比例對比Fig. 9 Comparison of three kinds of modification schemes to reduce the average density of passenger flow

從設施設備的平均客流疏解時間對比分析（見圖10），3套方案均能減少站廳樓扶梯的客流疏解時間；與方案一相比，方案2改變原有1換2的節點換乘方式，能夠加快換乘樓扶梯的客流疏解；組織換乘通道的單向客流換乘組織方式，雖然會導致換乘通道的客流壓力增大，導致換乘通道客流疏解時間增加，但能夠減少客流對沖風險，且利于進一步采取客流控制措施，保證乘客安全。

圖10 3種優化方案的平均客流疏解時間對比Fig. 10 Comparison of three kinds of modification schemes to reduce the average evacuation time

由上述分析得到，壓縮發車間隔能夠提升車站的整體能力及設施設備的能力，極大改善換乘車站能力不足問題，若換乘站所屬線路的車輛配屬、折返能力、存車能力充足，則應進一步壓縮行車間隔。通過優化車站結構，采用站廳換乘方式，能夠解決節點換乘的弊端，且有利于車站進一步的客運組織及管理改善，并提高設施設備利用率，降低客流沖突。采用站廳或長通道換乘形式，延長換乘距離，對于保障客運組織安全意義重大。

4 結語

本文針對地鐵換乘站換乘方式適配性評價問題提出了各種換乘方式，尤其針對十字節點換乘方式問題，以沈陽地鐵青年大街站為例，進行仿真評價分析，剖析車站擁擠成因并提出解決方案。并對壓縮發車間隔、優化車站結構、組合方案3種改造方案仿真評價及指標進行計算對比，發現壓縮發車間隔對提升車站運能，緩解車站整體、站臺、站廳客流擁擠更加有效，但未根本解決換乘設施客流風險問題；優化車站結構解決直接換乘弊端，極大緩解換乘設施的客流沖擊力，但未解決運能不足問題；若雙管齊下同時實施能達到根治效果。

由于十字換乘形式常適用于換乘量較小且對便捷性要求高的車站，對于市區或大客流換乘站，建議在工程設計方案中盡量避免，條件允許下盡量改為T字型或L型換乘形式，且換乘站設計方案宜通過仿真量化評估后方可實施。由于換乘站改造工程勞民傷財且對乘客出行干擾極大，因此盡量在設計階段充分考慮預測客流偏差及線網調整等因素，對換乘站設計方案做好充分的風險性評估及防控，尤其對換乘方式的選擇需重點考慮客流的特點及行車能力等因素，并在設計階段充分考慮后期運營階段實施客流引導及管控的方案，并預留足夠的站內空間便于實施，從而防范不確定性大客流對換乘站運營的沖擊。