既有地鐵車站功能性改造的客流適應性分析

楊 令,沈增濤

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

地鐵作為一種大運量、準時、快捷的交通方式,已成為各大城市交通系統的重要組成部分,是城市公共交通系統的骨干。根據國內外發達城市的經驗,城市軌道交通一般要經歷“初步成網、補充加密、外圍延伸”三個階段,近年來各大城市軌道交通線網規模不斷突破,截止2017年末,我國共有62個城市的城市軌道交通線網規劃獲批,規劃線路總長7 321 km[1]。然而線網規模通常基于需求測算,與國家政策及城市發展難以契合,進而導致客流預測結果穩定性差、線網規模不易確定等[2]。為了適應城市發展與交通需求,各大城市線網規劃持續間斷性修編,在規模、層次等方面不斷突破。線網規模增大,線路數量增加,使得部分車站功能發生變化,進而導致車站預留節點的廢棄或者標準站改造為換乘站的問題出現[3-4],為應對這種變化,需要在新的線網背景下分析車站客流變化情況,提出既有車站的改造方案,并論證改造方案與新客流的匹配性,為后期運營提供指導。以西安地鐵2號線南稍門站為例,探討該站由標準站調整為換乘站的車站改造方案以及客流適應性。

1 南稍門站概況

西安地鐵2號線設計時依據《西安市城市快速軌道交通線網規劃》,地鐵2號線、5號線于會展中心站換乘,南稍門站為標準站,采用地下二層島式站臺形式,站臺寬度10 m,車站于2011年投入運營。隨著城市發展、人口規模增長及用地布局的變化,線網規劃進行優化調整,地鐵2號線、5號線換乘站調整至南稍門站。由于地鐵2號線南稍門站未預留換乘接口,為5號線車站設計帶來很大難度,經過對站位設置、換乘方式、換乘空間及客流進行重點研究[5-6],最終確定拆除2號線Ⅰ號出入口、新建換乘廳、換乘通道的方案[7],見圖1。

圖1 南稍門站方案示意

2 車站客流

西安地鐵2號線南稍門站于2011年投入運營,車站周邊基本實現規劃,現狀運營客流特征較為穩定,5號線設計時在當時18條線網的基礎上對兩線換乘客流進行預測[8],隨著線網的進一步調整,網絡換乘關系發生變化,車站客流隨之變動。

2.1 現狀運營客流

現狀運營數據如圖2所示,據統計,南稍門站客流時段為5：30～23：30,車站客流呈明顯的雙峰特征,早高峰出現在8：00～9：00,高峰小時進出站客流約為8 600人,以出站客流為主,占比約75%,晚高峰出現在18：00～19：00,高峰小時進出站客流約為7 500人,進出站客流占比較為均衡。根據2號線最新運營時刻表,高峰時段最小行車間隔為2 min 28 s,單向運能提升至3.57萬人次,南稍門站各項設施均能滿足現狀客流需要,運營服務水平較高。

數據來源：西安市地下鐵道有限責任公司運營分公司(2018年)。

2.2 原設計客流

依據西安地鐵2號線、5號線南稍門站設計客流報告,遠期高峰小時進出站客流見表1,兩線高峰小時換乘客流見表2。目前南稍門站周邊用地基本已實現規劃,結合地鐵2號線南稍門站實際運營客流,車站進出站客流總量合理,進、出站客流占比有所偏差。

表1 遠期高峰小時南稍門站設計客流 人/h

表2 地鐵2號線與5號線高峰小時換乘客流 人/h

2.3 客流預測修正

鑒于地鐵2號線、5號線設計客流是在原線網規劃的基礎上預測得到,與現狀線網基礎變化較大,依據現狀線網規劃對兩線客流進一步梳理,結果見表3、表4[9]。

表3 遠期高峰小時南稍門站設計客流 人/h

表4 地鐵2號線與5號線高峰小時換乘客流 人/h

3 客流模擬分析

在新的客流背景下,需要驗證車站方案能否滿足運營需要,且車站由一般站調整為換乘站后,客流量大幅增加,客流組織復雜化[10-11],傳統的設計方法難以真實表現出客流動態特征,采用動態客流模擬方法可以反映車站的整體運行情況,并明確各區域的服務水平,特別是對站內設施的使用情況,可以通過空間密度、行人速度等指標體現,行人流線及沖突點也較為直觀[12]。目前在國內外使用廣泛的動態模擬軟件是Legion仿真模擬平臺,包括建模、仿真、數據結果分析和校核4個部分[13]。仿真采用Fruin服務等級指標,評價設計方案的合理性。仿真區域的服務水平可通過受挫感、不便感及不適感來衡量,仿真過程中將行人走行路徑及動態信息記錄下來,通過計算得到衡量站內設施的相關指標,如流量、走行時間、客流密度、走行速度等[14-15]。Fruin服務等級指標見表5。

表5 Fruin服務等級指標[16]

西安地鐵5號線南稍門站設計階段為滿足與2號線的換乘需要,將地鐵2號線Ⅰ號出入口拆除后新建換乘廳、換乘通道,并與5號線主體同步實施。以最新客流預測結果作為數據基礎,以新增換乘廳、換乘通道的車站方案作為模型基礎,運用Legion軟件對車站進行動態仿真,分析得到高峰時段車站運行整體情況如圖3所示。

仿真結果表明：(1)地鐵5號線站內設施能夠滿足客流需求；(2)地鐵2號線站臺與站廳設施能力不足,扶梯前擁堵人數超過評價標準,站臺人流密度過高,出現“超負荷”現象[17]；(3)采用通道換乘方式,換乘時間較長,換乘便捷性較差；(4)地鐵2號線站廳層換乘客流存在沖突。地鐵5號線車站設計考慮了換乘客流,站內設施滿足客流需要,但就地鐵2號線南稍門站而言,車站功能發生變化,在換乘客流沖擊下,原站廳、站臺公共區設施能力不能滿足運營需要。

4 車站改造方案研究

根據地鐵2號線南稍門站公共區布置及既有條件,結合客流仿真結果,綜合各方條件提出兩種改造方案：不甩站運營方案和甩站運營方案,具體見表6。

表6 西安地鐵2號線南稍門站改造方案

5 客流適應性分析

運用動態模擬能夠掌握車站的整體運行狀況,同時可以對站廳、站臺、進出站閘機、樓扶梯局部行人密度、走行速度等指標進行量化和分級,在分析車站功能變化后客流適應性的問題上具有直觀性優勢[18]。就改造前方案、不甩站運營方案和甩站運營方案分別建立動態模擬模型,由于地鐵5號線南稍門站設計階段已考慮換乘客流,且通過客流模擬表明站內設施滿足運營需要,重點對地鐵2號線南稍門站內動態模擬結果進行對比,分析地鐵2號線南稍門站由標準站調整為換乘站后站內設施的客流適應性。

5.1 站廳評價

站廳層是連接車站與外部及與他線換乘的重要場所,其中進站客流要達到具有隨機性,且經過售檢票、安檢等環節,呈離散分布,換進站客流經由換乘通道緩沖,對站廳沖擊性較小；出站客流經由樓扶梯從站臺層達到站廳層,受樓扶梯設施能力限制,呈連續性分布[19],因此站廳層使用熱力圖定性分析整體運行情況,對關鍵節點可進一步進行指標量化。

如圖4對比分析發現,站廳層非付費區改造前后運行水平無明顯差異,且均處于較高服務水平,付費區由于增加了地鐵5號線換乘2號線的客流,在下行樓梯處出現擁堵,兩個改造方案增加樓扶梯設施,提高了換乘客流疏解能力,擁堵消除,兩個方案的站廳整體處于A～C級。

圖4 改造前后站廳層平均客流密度云圖

5.2 站臺評價

站臺層客流到達與列車運行直接相關,具有短時沖擊性,且地鐵2號線運行間隔時間短,熱力圖整體服務水平處于D～F級,如圖5所示。為進一步對比分析站臺層客流適應性,選取站臺層行人密度、走行速度兩個指標進行分析,如圖6、圖7所示。

圖5 改造前后站臺層平均客流密度云圖

圖6 改造前后站臺層行人走行速度曲線

圖7 改造前后站臺層行人密度曲線

隨著仿真時間的增加,站臺層行人走行速度呈下降趨勢,改造前速度下降幅度最大,甩站方案雖然整體呈下降趨勢,但是隨著列車到達和離開穩定波動；行人密度則隨著仿真時間的增加呈上升趨勢,改造前方案增幅最大,且波動性較小,說明客流達到速度大于疏散速度,發生客流推擠,不甩站方案雖然整體呈上升趨勢,但隨著列車到達和離開同樣處于穩定波動狀態。同時,行人密度、走行速度兩項指標的變化趨勢與站臺層熱力圖反映出的運行狀況相匹配,說明改造方案對站臺層的客流疏散有所提高,且甩站方案優于不甩站方案。

5.3 換乘評價

兩線采用通道換乘方式,單向換乘通道寬度為5 m,按照GB50157—2013《地鐵設計規范》計算通道通過能力約為2.2萬人/h,根據表4可知單向最大換乘客流為5 039人/h,遠遠小于通道通過能力,不存在客流擁堵。分析各方向換乘客流可知，地鐵2號線下行方向換乘地鐵5號線下行方向客流量最大,以該部分客流為樣本,計算換乘時間和距離,評價換乘便捷性[20]。

由圖8、圖9可知,改造前后換乘時間及換乘距離差距較小,換乘時間在300 s上下波動,換乘距離在250 m上下波動,其中不甩站方案波動性較小,換乘過程連續且平穩。

圖8 改造前后地鐵2號線下行至5號線下行換乘時間

圖9 改造前后地鐵2號線下行至5號線下行換乘距離

通過上述分析得出如下結論和建議。

(1)對于未預留換乘接口的一般站,當其功能調整為換乘站時,采用新增換乘廳、換乘通道是營造換乘空間的有效方式,與新線車站同步實施可滿足換乘需要,且工程難度較小。

(2)線網變化及車站功能變化直接導致車站客流隨之變化,在換乘客流沖擊下,既有車站設施難以滿足運營需要,一般反映在站內設施不足、站內行人密度較高、疏散困難等,進而發生客流擁堵。

(3)車站功能性改造會對既有線運營帶來較大影響,但是考慮長期運營需要,進行甩站方案改造,優化站內設施是較為可行的方案。

(4)未預留接口的車站功能性改造后,由于既有車站規模限制、換乘通道過長等客觀因素帶來的服務水平較低、換乘便捷性較差的問題不可回避。

(5)對既有站改造期間應做好社會宣傳,避免產生社會輿情,提出其他公共交通方式疏解方案,同時預測停站期間向相鄰車站轉移的客流量,為相鄰車站的運營管理提供參考。

6 結論

地鐵車站作為軌道交通網絡的重要節點工程,其功能變化將引起工程方案的重大調整,尤其是已實施車站,由于車站主體輪廓已定,大幅度改擴建將影響全線的運營,對社會公眾出行帶來嚴重影響。以本文提及南稍門站為例,許多一般站隨著線網規劃調整為換乘站,車站客流及站內行人組織變化較大,且未預留換乘接口,采用通道換乘可以解決兩線換乘客流的聯通需求,但存在換乘距離長,換乘不便捷的問題。同時,在換乘客流的沖擊下,既有車站站內設施嚴重不足,通過局部增設樓扶梯僅能提高客流疏散能力,既有車站規模小帶來的客流擁堵、整體服務水平較低的現實不可回避。因此,在后續車站設計過程中,依據線網規劃而不局限于此,綜合網絡整體布局,認真研究車站換乘的可能性,提前做好規模匡算及換乘接口預留十分必要。