基于城市軌道交通換乘客流管控的量化方法研究

賈拴航，盧劍鴻，劉明明

（西安市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司，西安 710018）

隨著城市軌道交通的建設(shè)與發(fā)展，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，換乘節(jié)點(diǎn)數(shù)量不斷增多，線網(wǎng)整體規(guī)模的擴(kuò)大，使得客流來源及其集散方式更加多樣化、復(fù)雜化。如何判別軌道網(wǎng)絡(luò)中的客流狀態(tài)，并平衡各線路、換乘站間的客流壓力，降低換乘站客流運(yùn)營組織的風(fēng)險(xiǎn)，是城市軌道交通安全運(yùn)營的主要目標(biāo)。以往的換乘站客流控制工作多是憑借現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)營組織經(jīng)驗(yàn)，執(zhí)行相應(yīng)的具體控制措施，缺乏一定的科學(xué)性和精準(zhǔn)性，因此開展換乘站客流量化管控的理論研究，對(duì)于地鐵安全運(yùn)營組織有著重大意義。

1 換乘站客流特征及管控難點(diǎn)

1.1 換乘站客流特征分析

換乘站的客流主要包括進(jìn)站客流、出站客流以及換乘客流，換乘站客流組織工作的側(cè)重點(diǎn)會(huì)因不同運(yùn)營時(shí)段客流構(gòu)成不同而有所區(qū)別。例如，某些換乘站早晚高峰的進(jìn)、出站客流量很少，而換乘客流量很大，所以在進(jìn)行客流組織時(shí)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)換乘通道和車站站臺(tái)的客流指引與疏導(dǎo)工作[1]。

換乘站客流構(gòu)成可以細(xì)分為分方向的進(jìn)、出站量，以及分方向的換乘量。其中，分方向換乘量可以細(xì)分到各個(gè)方向線路上的換出客流量和換入客流量。兩線換乘站的換乘方向可以達(dá)到8種，如圖1所示。三線及以上的換乘站客流構(gòu)成更加復(fù)雜。

圖1 換乘站客流Figure 1 Passenger flow of transfer station

1.2 換乘站運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析

由于換乘站連接至少兩條線路，車站的結(jié)構(gòu)形式相對(duì)一般車站更為復(fù)雜，常見的形式有十字形結(jié)構(gòu)、T形結(jié)構(gòu)、L形結(jié)構(gòu)和平行結(jié)構(gòu)。同時(shí)，隨著線網(wǎng)建設(shè)的日趨擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)形態(tài)日漸成熟，單個(gè)換乘站的換乘客流量占其客流總量的比例不斷提高，在高峰時(shí)段，部分換乘站的換乘客流比例已超過50%。此外，由于換乘站的客流組成也較為復(fù)雜，在有限的復(fù)雜結(jié)構(gòu)空間內(nèi)，組織不同出行目的、類型乘客的走行路徑，必然存在不同程度的走行流線交織[2]。

另一方面，換乘站的換乘客流隨列車的到達(dá)呈現(xiàn)脈沖式的分布規(guī)律，在短時(shí)間內(nèi)會(huì)對(duì)換乘設(shè)施產(chǎn)生較大的沖擊。當(dāng)一批換乘客流達(dá)到時(shí)，由于換乘設(shè)施的通行能力有限，在換乘設(shè)施端部容易形成擁堵和客流排隊(duì)的現(xiàn)象，從而形成瓶頸點(diǎn)，如果短時(shí)間內(nèi)不能進(jìn)行有效的疏散，將會(huì)給運(yùn)營組織工作帶來巨大的安全隱患[3]。因此，受換乘站客流集中、客流流線復(fù)雜、方向不均衡、短時(shí)沖擊性強(qiáng)等客流特點(diǎn)的影響，換乘站會(huì)存在換乘通道能力不足、客流沖突點(diǎn)較多以及列車運(yùn)行銜接時(shí)間及運(yùn)輸能力不匹配等問題，從而產(chǎn)生站內(nèi)客流擁堵，如果出現(xiàn)大客流踩踏以及火災(zāi)等意外事件，容易造成疏散困難等運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)[4]。

1.3 單線故障對(duì)換乘站客流組織的影響

由于換乘站客流構(gòu)成相對(duì)復(fù)雜，且高峰時(shí)段客流量大，發(fā)生不可預(yù)見性問題的概率較高。以單線列車故障為例，受制于有限的站臺(tái)空間，換乘客流的持續(xù)到達(dá)將使站臺(tái)候車人數(shù)持續(xù)增長，由于線路發(fā)生故障后無法及時(shí)疏散站臺(tái)上的候車乘客，單純通過換乘站的站控措施無法緩解換乘客流帶來的壓力，因此只有通過另一線路沿線的其他車站配合客流控制，有效地減少換乘客流的來源，才能起到保障故障線路所在站臺(tái)安全穩(wěn)定運(yùn)營的目的[5]。

2 換乘客流管控的量化方法

2.1 換乘客流管控研究思路

換乘車站的客流來源分為兩部分：進(jìn)出站客流、換乘客流。進(jìn)出站客流可以通過所在站的站控措施得到有效控制，而換乘客流來源于全線網(wǎng)各站，無法通過所在站的客流組織加以控制[6]。

本研究從換乘客流來源的角度考慮，通過OD數(shù)據(jù)確定換乘站相鄰斷面客流主要來源車站及其在各站進(jìn)站量中所占的比例，再結(jié)合換乘站的相鄰斷面客流與列車額定運(yùn)能的差值確定客流控制量，并將控制量分配至相關(guān)車站中，實(shí)現(xiàn)換乘站客流控制量化的目的，下面將配合客流控制的車站稱為換乘站組團(tuán)客流控制車站。

2.2 客流量化控制計(jì)算步驟

2.2.1 分析車站客流特征

分析待研究車站的客流特征，選用與該車站相鄰區(qū)間的斷面客流量、線網(wǎng)OD客流數(shù)據(jù)作為分析的基礎(chǔ)，從車站的客流特征中確定高峰時(shí)段和高峰斷面，作為后續(xù)的研究目標(biāo)和依據(jù)[7]。

2.2.2 確定組團(tuán)控制車站

假設(shè)某換乘站S，連接線路1、2，以線路1換乘至線路2下行方向?yàn)槔瑒t其中線路1換乘至線路2的乘客均來自線路1沿線車站的進(jìn)站客流；線路2下行方向列車到達(dá)換乘站S站時(shí)，列車所載乘客來自線路2沿線車站的進(jìn)站客流。為了使S站能夠在最大負(fù)荷限度下安全穩(wěn)定運(yùn)營，需要線路1、2的沿線車站配合控制進(jìn)站客流，以緩解換乘站高峰期的客流壓力。

受各車站周邊用地結(jié)構(gòu)、城市空間形態(tài)的影響，由線路1沿線各車站進(jìn)站在S站換乘線路2下行列車的乘客人數(shù)，與由線路2各車站進(jìn)站乘坐下行列車占用列車運(yùn)能通過S站的乘客人數(shù)存在較大差異，因此需要確定線路1、2中對(duì)該換乘站(S站)客流影響較大的車站，將其作為該換乘站的配合客流控制車站，即組團(tuán)控制車站。

本研究先對(duì)線網(wǎng)OD客流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表1所示(僅截取了由線路1進(jìn)站、線路2出站的OD數(shù)據(jù))。通過統(tǒng)計(jì)匯總得到線路1沿線各站進(jìn)站客流中將在S站換乘通過研究斷面(假設(shè)研究斷面為S站至線路2下行方向后方站)的客流量，以及線路2沿線各車站進(jìn)站客流中乘坐下行列車占用列車運(yùn)能通過 S站的客流量，將其作為線路1、2沿線各站對(duì)于研究斷面的客流貢獻(xiàn)量。

表1 線網(wǎng)OD數(shù)據(jù)Table 1 Network OD data schematic table

具體到OD數(shù)據(jù)的處理，對(duì)于線路1來說，各站對(duì)于研究斷面的貢獻(xiàn)量為由各站進(jìn)站、在S站換乘、去往線路2下行方向S站后方各站的OD客流之和(例如，101車站對(duì)研究斷面的貢獻(xiàn)量為101～204-215的OD客流總和)；對(duì)于線路2來說，各站對(duì)于研究斷面的客流貢獻(xiàn)量為由各站進(jìn)站后通過S站去往線路2下行方向S站后方各站的OD客流總和(例如，201對(duì)研究斷面客流的貢獻(xiàn)量為 201～204-215的 OD客流之和)，從而得到各站對(duì)于研究斷面貢獻(xiàn)量的統(tǒng)計(jì)，如表2所示。接下來對(duì)其進(jìn)行排序，選擇排名位于前20位(排位量由各地鐵結(jié)合城市地鐵運(yùn)營及服務(wù)現(xiàn)狀進(jìn)行選擇)的車站作為組團(tuán)客流控制車站，如表3所示。

表2 各站對(duì)于研究斷面客流貢獻(xiàn)量的統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of the contribution of each station to the passenger flow of the research section

表3 組團(tuán)控制車站排序Table 3 Group control station sorting table

2.2.3 計(jì)算客流控制量

將S站至線路2下行方向的后方相鄰車站作為研究斷面，以該斷面客流量A與列車額定運(yùn)能B的差量作為客流控制量，有

2.2.4 客流控制量分配

根據(jù)確定的組團(tuán)控制車站，已知來自線路1各站在S站換乘且通過研究斷面的OD客流之和為αi、來自線路2各站將通過S站的OD客流之和為σj，n為組團(tuán)控制車站中屬于線路1的車站個(gè)數(shù)。在確定的組團(tuán)控制車站中，線路1各組團(tuán)車站的客流控制量分配比為

線路2各組團(tuán)車站的客流控制量分配比為

線路1各組團(tuán)車站的客流控制量分別為

線路2各組團(tuán)車站的客流控制量分別為

已知各車站高峰小時(shí)進(jìn)站客流為mi或mj，通過研究斷面的客流量為αi或σj，則各車站進(jìn)站客流中實(shí)際通過研究斷面的客流占進(jìn)站客流的比例為或者則可計(jì)算得到各組團(tuán)車站每10 min進(jìn)站客流量需控制的量。對(duì)于線路 1、2組團(tuán)車站每10 min控制進(jìn)站人數(shù)分別為qi和pj，有

2.2.5 客流控制啟動(dòng)時(shí)間

根據(jù)運(yùn)營時(shí)刻表，確定由各組團(tuán)控制車站到達(dá)S站時(shí)的運(yùn)行時(shí)間，作為該站需提前啟動(dòng)客流控制措施的時(shí)刻。同時(shí)，控制乘客進(jìn)站至乘車產(chǎn)生a(3～5 min)的用時(shí)，非本線路車站客流還需預(yù)留換乘時(shí)間b(2～4 min)，均含客控期間的乘客等候時(shí)間，即各站客流量化控制開始和結(jié)束的時(shí)刻計(jì)算如表4所示。

表4 組團(tuán)車站客流控制時(shí)間Table 4 Passenger flow control schedule of group station

3 小寨站工作日早高峰算例

3.1 小寨站客流特征

小寨站為西安地鐵2、3號(hào)線的換乘車站，由于其工作日早高峰2號(hào)線換往3號(hào)線下行方向的客流較大，車站客流瓶頸位置為3號(hào)線下行站臺(tái)。分析2019年11月西安地鐵3號(hào)線每周一的高峰時(shí)段及高峰斷面客流量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。

表5 2019年11月西安地鐵3號(hào)線周一高峰時(shí)段及斷面客流量Table 5 Peak hour and section passenger flow of Xi’an Metro Line 3 on Monday in November 2019

3.2 確定組團(tuán)控制車站

結(jié)合表5的結(jié)果，計(jì)算07:45—08:45的2號(hào)線全部車站、3號(hào)線小寨站以東至吉祥村—魚化寨各站的OD客流總量，計(jì)算過程如下：

1) 由于2、3號(hào)線早高峰的列車運(yùn)行時(shí)間間隔約為2.5 min，為確保精確，計(jì)算OD客流總量時(shí)，充分考慮車程因素，不同車站按照小寨站早高峰時(shí)段(07:45-08:45)換乘或通過的OD篩選，進(jìn)行反向O點(diǎn)定位，如鳳城五路站選取07:20—08:20的客流數(shù)據(jù)。

2) 為避免某一日客流數(shù)據(jù)的波動(dòng)性，以2、3號(hào)線各站11月份每周一的OD客流數(shù)據(jù)為分析基礎(chǔ)，計(jì)算每日至魚化寨—吉祥村各站的OD客流平均值并進(jìn)行排序，排序前20的結(jié)果如表6所示，即為組團(tuán)客流控制車站。

表6 早高峰期間各站—小寨站以西OD表Table 6 OD table for each station-west of Xiaozhai station during the morning peak 人次

3.3 客流分配及控制

1) 利用斷面客流與運(yùn)能分析客流控制量如下：

以早高峰為例，抽取 11月每周一的高峰時(shí)段(07:45—08:45)小寨—吉祥村斷面客流，按照式(1)計(jì)算客流控制量：此時(shí)段小寨—吉祥村區(qū)間斷面客流平均值A(chǔ)=3.54萬人次，下行小時(shí)運(yùn)能B=3.41萬人次，客流控制量φ=A-B=1 285人次。

2) 按照式(7)計(jì)算得到2、3號(hào)線組團(tuán)控制車站客流控制量，如表7所示。

表7 小寨站客流控制組團(tuán)各站客流控制量Table 7 Passenger flow control volume of each station in the Xiaozhai Station passenger flow control group 人次

3) 結(jié)合各組團(tuán)車站至小寨站的車程時(shí)間，算例中部分組團(tuán)控制車站的客流控制起止時(shí)間如表8所示。

表8 各組團(tuán)車站客流控制起止時(shí)間Table 8 Passenger flow control starting and ending time of each group station

4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及相關(guān)舉措

目前，各城市地鐵進(jìn)站客流未啟用目的地選擇功能，無法通過目的地篩選、控制進(jìn)站客流，故本方法論得到的各組團(tuán)車站客流控制量包含通往控制斷面的客流及其他斷面客流，在一定程度上會(huì)影響乘客服務(wù)水平，故結(jié)合組團(tuán)車站實(shí)際情況，制定以下措施：

1) 組團(tuán)車站控制量調(diào)整。組團(tuán)車站結(jié)合高峰時(shí)段客流控制量及本站該時(shí)段實(shí)際進(jìn)站客流，計(jì)算客流控制程度比，結(jié)合車站實(shí)際客流組織壓力(進(jìn)站客流量及車站容納量、設(shè)備能力影響)，可適當(dāng)降低原客流組織壓力大的車站的客流控制程度比。可通過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，對(duì)此結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

2) 各站結(jié)合客流控制量及車站容納量、設(shè)備能力，制定各組團(tuán)車站高峰時(shí)段客流控制專項(xiàng)組織方案。為降低乘客輿情的影響，盡可能采取延長乘客進(jìn)站走行距離、減慢安檢速度等物理控制措施，減少采用人為干擾因素影響的客流控制措施。

5 結(jié)論

隨著我國城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)模化的發(fā)展，安全、高效的運(yùn)營需求日益突出[8]。筆者通過換乘站客流量化控制、流量平衡原理研究，解決目前換乘站客流控制大多依靠工作人員經(jīng)驗(yàn)所造成的工作不精確、效果不明顯、安全風(fēng)險(xiǎn)不可控等問題，進(jìn)一步提高換乘站客流管控的精準(zhǔn)化和科學(xué)化，降低運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)，提高服務(wù)質(zhì)量，促進(jìn)我國城市軌道交通安全運(yùn)營生產(chǎn)的良性發(fā)展。