（交通运输规划与管理专业论文）基于乘客行为特征的轨道站客流路径选择研究.pdf

a b s t t a c t 摘要 轨道交通车站是典型的高密度人流聚集场所，如何从乘客行为特征和需求 特征出发，通过规划设计手段，改善现有轨道站设计的不足，是我国轨道交通 建设亟待解决的问题。目前，国内已有研究多集中于枢纽站的布局设计与换乘 方式分析，站内客流分布特征方面的研究较为缺乏。本文较为全面地阐述了轨 道站内客流分配的基本原理，重点分析了乘客在轨道站内的路径选择，并通过 实地调查构建了路径选择模型，不仅可以为深入研究客流行为提供理论支持， 而且在轨道站设施空间布局优化、行人步行空间尺寸评价及设施规模评价等方 面具有现实意义。 论文首先对国内外在行人出行行为特征、交通流分配及路径选择方面的研 究进行了回顾和总结，在此基础上提出轨道站内客流分配的理论框架，然后针 对与路径选择有关的几个关键问题展开了重点研究： l 、轨道站行人路径选择影响机理分析。从交通条件和出行者特性两个方面， 阐述轨道站设施空间布局、行人的行为习惯、体力消耗、出行目的等因素对行 人路径选择的作用特征，以及行人路径选择与客流量的反馈作用关系。 2 、轨道站行人步行网络研究。以离散选择模型理论为基础，提出将轨道站 抽象为由区域、节点和步行链路构成的网络结构的方法，对行人网络元素的设 施属性参数和空间结构属性进行定义；以分支定界搜索算法为基础，设置合理 的约束条件，设计了可选路径集合生成程序。 3 、站台乘客候车区域选择特性分析。在总结站台层客流分布特征的基础上， 分析影响乘客候车区域选择的主要因素，建立基于w a r d r o p 用户均衡原理的候车 乘客分配模型。 4 、路径选择模型构建。在一定的模型假设前提下，选取影响行人路径选择 的交通特性和步行行为特征两方面的因素作为参数变量，建立同时进行活动地 点选择和路径选择的分阶段的多项l o g i t 模型。 最后，选取上海轨道2 号线静安寺车站作为研究对象，收集站点静态信息 和高峰时段行人流线动态信息数据，利用前述的行人网络抽象方法和可选路径 集合生成程序进行路径特性分析，进而对路径选择模型进行标定及检验。 关键词：轨道车站，行为特征，乘客路径选择，m n l 模型，客流分配 a b s t r a c t ab s t r a c t r a i lt r a n s i ts t a t i o ni st h et y p i c a lp l a c et h a tl a r g ec o n c e n t r a t i o no f p e d e s t r i a n sw i l l o c c u r o p t i m i z i n gt h el a y o u td e s i g no fr a i l w a ys t a t i o nt h r o u g hp l a n n i n gm e t h o db a s e d o nt h ea n a l y s i so fp e d e s t r i a nb e h a v i o u rc h a r a c t e r i s t i c sa n dp a s s e n g e rd e m a n d s ，i sa p r o b l e mt h a ts h o u l db es o l v e du r g e n t l y s of a r , d o m e s t i cs t u d i e sa b o u tr a i lt r a n s i t s t a t i o nh a v ef o c u s e do nt h el a y o u tp l a n n i n go fr a i lt r a n s i ts t a t i o n sa n dt r a n s f e rm o d e s a n a l y s i s ；w h i l et h ei n v e s t i g a t i o no np a s s e n g e rf l o wd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i ci nr a i l t r a n s i ts t a i o n si sq u i t ed e f i c i e n t t h i st h e s i sm a k e sa c o m p a r a t i v e l yo v e r a l le x p a t i a t i o n o nt h eb a s i ct h e o r yo fp a s s e n g e rf l o wa s s i g n m e n t ，w i t he m p h a s i so nt h ea n a l y s i so f p a s s e n g e rr o u t ec h o i c eb e h a v i o ri nr a i lt r a n s i ts t a i o n s a n dd e v e l o p e sar o u t ec h o i c e m o d e lb yu s i n gd e d i c a t e dr o u t ec h o i c ed a t a t h i ss t u d yc o u l dp r o v i d et h e o r e t i c a l s u p p o r t sf o rf u r t h e rr e s e a r c ho np a s s e n g e rb e h a v i o r ，a n dm o r e o v e ri ti so fg r e a t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t a t i o nl a y o u to p t i m a i z a t i o na n df a c i l i t ys c a l ea s s e s s m e n t f i r s t l y ，t h i sa r t i c l em a k e sa no v e r v i e wo ft h er e s e a r c ho np e d e s t r i a nt r a v e l b e h a v i o r , t r a f f i cf l o wa s s i g n m e n ta n dr o u t ec h o i c ei na n da b r o a d t h r o u g ht h e l i t e r a t u r e s r e v i e w ，at h e o r e t i c a lf r a m e w o r ko fp a s s e n g e rf l o w a s s i g n m e n t i s e a s t a b l i s h e d t h e nt h ea r t i c l es e l e c t i v e l ys t u d ys e v e r a lk e yi s s u e sr e l a t e dt op a s s e n g e r r o u t ec h o i c e ，w h i c hi n c l u d e s ： 1 a n a l y s i so ni n f l u e n c em e c h a n i s mo fp a s s e n g e rr o u t ec h o i c eb e h a v i o r s f r o m t h ea s p e c t so fb o t ht r a f f i cc o n d i t i o n sa n dp e d e s t r i a nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ew a yf a c t o r s i n c l u d i n gi n f r a s t r u c t u r el a y o u t ，p a s s e n g e rb e h a v i o r ，p h y s i c a le f f o r t sa n dt r i pp u r p o s e a n ds oo ni n f l u e n c er o u t ec h o i c eb e h a v i o ra r ed i s c u s s e d a l s o t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n p e d e s t r i a nr o u t ec h o i c ea n dp a s s e n g e rf l o wi si l l u s t r a t e d 2 a n a l y s i so fp e d e s t r i a nn e t w o r ks t r u c t u r e b a s e do nd i s c r e t ec h o i c et h e o r y ，t h i s a r t i c l ep u t sf o r w a r dan e wm e t h o dw h i c hr e p r e s e n t st h er a i lt r a n s i ts t a t i o na r e ab ya s e to fs u b 。a r e a s ，n o d e sa n dl i n k s ，w i t ht h ed e f i n i t i o no ft h ef a c i l i t ya n d s p a t i a lf l a m e a t t r i b u t e s w i t has e to fc o n s t r a i n t st h a tr e f l e c to b s e r v e dr o u t ec h o i c eb e h a v i o u r ，a r o u t ec h o i c es e tg e n e r a t i o np r o g r a mi sd e s i g n e du s i n gb r a n c ha n db o u n da l g o r i t h m 3 a n a l y s i so np a s s e n g e rw a i t i n ga r e ac h o i c e a c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t i o n f e a t u r e so fp a s s e n g e ri nt h ep l a t f o r ma r e a ，f a c t o r si n f l u e n c i n gw a i t i n ga r e ac h o i c ea r e a b s t r a c t d i s c u s s e da n dap a s s e n g e rd i s t r i b u t i o nm o d e lb a s e do nu et h e o r yi se s t a b l i s h e d 4 e a s t a b l i s h m e n to fp a s s e n g e rr o u t ec h o i c em o d e l w i t ht h ea s s u m p t i o n so ft h e m o d e l s e v e r a lf a c t o r sa r es e l e c t e da sv a r i a b l e s t h i sp a p e re a s t a b l i s ham u l t i n o m i a l l o g i tm o d e l ，w h i c ha d o p t sas i m u l t a n e o u sa c t i v i t ya r e aa n dr o u t es e l e c t i o na p p r o a c h t a k i n gj i n g a nt e m p l es t a t i o no ft r a n s i tl i n e2i ns h a n g h a ia sr e s e a r c ho b j e c t ， p a s s e n g e rr o u t ec h o i c ed a t aa r ec o l l e c t e da n dr o u t ec h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e dw i t h m e t h o d sp r o p o s e di nt h ep r e c e d i n gp a p e r i nt h ee n d ，t h er o u t ec h o i c em o d e li s e s t i m a t e da n dt e s t i f i e db ys u r v e yd a t a k e y w o r d s ：r a i l t r a n s i t s t a t i o n ，p e d e s t r i a nb e h a v i o r , p a s s e n g e r r o u t e c h o i c e ， m u l t i n o m i a ll o g i tm o d e l ，p a s s e n g e ra s s i g n m e n t 1 1 1 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本 人承担。 学位论文作者签名 哆月日 芎 一一一栌年 q旷蚜， ： 莎 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它于段保存 论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学位论文作者签名：训笮 i 咿印年歹月，日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 问题的提出 随着城市轨道交通的网络化发展，以轨道交通车站为核心的公交枢纽日益 成为城市交通网络中承担客流集散功能的重要节点。轨道站作为典型的高密度 人流聚集场所，安全、舒适、高效的移动是乘客对轨道站建筑设计的基本要求。 反思目前国内的轨道站点，普遍被视为一般性建筑进行设计，较少针对站内的 乘客分布特征和行为流线组织进行分析，车站内设施空间布局趋于模式化、简 单化，缺乏设计检验与评估，造成主要乘客流线的交织、冲突，同时可能出现 设施利用不均衡的现象。 以上海人民广场站为例，0 7 年底实现了轨道l 、2 和8 号线三线换乘，换乘 大厅“大三角”启用初期，高峰时段由2 号线换乘l 、8 号线的客流与反向换乘 客流在大厅内形成严重的客流对冲。作为集中了全市轨道换乘客流三分之一客 流的重要换乘枢纽，高峰时段换乘压力巨大，不合理的换乘布局设计和客流组 织设计，不仅对乘客在站内的出行造成刁、= 便，而且存在极大的安全隐患。0 8 年 上半年，人民广场站换乘大厅先后进行了两次改造，以优化客流组织。第一次 优化通过拆除局部商铺，改造2 号线站厅付费区布局，调整闸机、售票机、自 动扶梯等服务设施位置及设置，形成小“顺时针”换乘模式，使两股反向客流 相对分离。但是分流效果只能达到5 0 左右，在高峰时段内侧客流仍存在明显 的对冲现象。第二次改造在邻近原1 、2 号线短通道处破墙新辟一处门洞，使1 、 2 、8 号线的换乘客流在“大三角”近2 号线区域内形成“顺时针”流向，进一 步分流1 、8 号线与2 号线的换乘客流。虽然客流对冲情况已较最初得到明显改 善，但是由于枢纽空间布局设计上存在的内生缺陷，早高峰时段仍有大量1 、8 号线换乘2 号线方向的人流逆向行走，与反向换乘的人流形成对冲。 轨道站一经建成，改建的成本大、余地小。如何从乘客行为规律和需求特 征出发，通过研究轨道站内的客流分布特征，为轨道站步行空间的优化设计和 客流组织提供参考和依据，成为目前上海轨道交通建设亟待解决的问题。因此， 基于乘客行为特征的轨道站内客流分布成为本文研究的方向。 第1 章绪论 1 2 研究背景 在评价轨道站设施空间布局设计中，明确乘客的路径选择是非常重要的一 环，因为路径选择是决定拥挤发生区域的关键因素。随着轨道交通的发展，轨 道站的建设往往结合商业设施( 便利店、报亭等) ，乘客在站内的行为不仅是行 走，还包括购票、购物等行为；特别是对于多条轨道线路相交的换乘枢纽来说， 乘客的步行流线更加多样。此外，由于行人交通具有较大的灵活性，影响行人 路径选择的因素不仅仅取决于外界的交通条件，还包括行人行为特性因素，与 机动车交通有很大差别，因此并不能简单地将机动车交通流路径分配理论用于 行人交通。通过研究轨道站乘客的路径选择行为，进而实现站内客流的交通分 配，不仅可以为深入研究客流行为提供理论支持，而且在轨道站设施空间布局 优化设计、行人步行空间尺寸评价及设施规模评价等方面具有重要的现实意义。 自2 0 世纪7 0 年代起，国外针对行人出行行为特征的研究逐渐兴起，发展 至今已形成较为成熟的理论体系，同时也积累了一定的数据经验。已有研究侧 重于行人步行行为的理论分析与数据收集，对于行人在公共交通站点内的行为 特征研究依然较少。与国外相比，国内的研究多集中于轨道站的布局设计与换 乘方式分析，站内客流分布特征方面的研究较为缺乏。同济大学交通运输工程 学院在相关研究中针对轨道站内部的行人流一密一速特征进行了分析，并涉及到 乘客流线组织优化问题；在轨道客流分配方面，国内研究仍停留于轨道网络层 面。总体而言，国内研究仍处于起步阶段，还未形成系统化的理论思路。 行人交通特性具有强烈的“场所一区域”特征，在不同国家与地区、不同 步行设施、不同环境下都存在着不同的模型关系【1 1 ，因此国外已有的研究成果只 能作为理论的借鉴而不能简单照搬，必须通过对本国当地的行人行为特征数据 进行大量收集与分析，以建立更为精确的描述当地行人特征的模型关系。 另一方面，现有的行人交通仿真软件更侧重于微观层面的性能( 微观步行 运动) ，对于行人在中、宏观层面的决策行为的模拟较为薄弱，大多以最短路径 ( 最短时间或最短距离) 为原则进行路径选择，往往与乘客实际的路径选择存 在较大差别。 在上述背景下，本文选择轨道站客流路径选择问题进行研究，从机理上探 索轨道站内部行人群体路径选择行为规律并对客流分配进行数学建模分析，从 而为完善轨道站的设计与评价提供理论依据与技术支持。 2 第l 章绪论 1 3 研究目的与意义 本文在对国内外研究分析总结的基础上，探讨我国轨道站内行人路径选择 的群体特征，提出在轨道站内部实现客流分配的方法，并通过具体的案例加以 分析。具体的研究目的包括： 1 ) 分析总结影响行人在轨道站内进行路径选择的主要因素及乘客心理偏好； 2 ) 提出在轨道站内进行客流分配的流程及技术方法； 3 ) 建立考虑多方面因素、较为先进的路径选择模型。 轨道站初步设计图 轨道站客流量预测 一 一一上一一一一一 行人路径选择 0 轨道站内客流分配 一一一一一 一一一一一 设施空间布局评价 步行空间尺寸评价 设施规模分析 站点优化和改善 图1 1 研究定位 本文 研究 内容 从上图所示的研究定位可以看到，本文的研究具有理论、经验数据积累和 实际应用三方面的价值： 1 ) 在轨道站客流行为特征方面，目前国内仅有个别行人交通流一密速关系的 研究，缺乏站内客流分布特征的研究。本文较为全面地阐述了轨道站内客流分 配的基本原理，并利用实地调查数据标定路径选择模型，可以为深入研究客流 行为提供理论支持。 2 ) 国外对于轨道站行人路径选择的研究主要集中于理论层面，在实例分析 方面还较为缺乏，大多数模型并没有使用实例数据进行标定。一方面，可通过 对数据的定性分析揭示一定的行人步行行为特征；另一方面，通过对路径选择 模型的标定，量化各影响因素对行人路径选择的作用大小。 3 ) 通过对轨道站内客流分配的研究，可以为轨道站内客流分布预测、站点 第1 章绪论 空间布局的优化设计以及设施利用率评价等提供依据和方法。行人的路径选择 决定了拥挤发生的区域，如果行人都使用相似的路径，拥堵就很容易发生，而 当客流较均匀地分布于站内的不同路径时，站内设施就可以得到更好的利用， 从平均密度和步行速度来看，行人步行的服务水平也较高。 1 4 研究内容与研究方法 本文研究主要选择乘客在轨道站内的路径选择行为作为研究对象，通过透 析支配行人群体表象行为的内部机理，构建型轨道站客流分配模型并进行量化 分析。核心研究内容包括： 1 ) 基于轨道站交通条件和行人行为特征的路径选择影响机理分析； 2 ) 提出轨道站内客流分配理论框架，并针对与路径选择密切相关的三个问 题轨道站行人步行网络的抽象、可选路径集合生成和站台乘客候车区域选 择特性进行分析； 3 ) 路径选择模型建立研究。以典型轨道车站作为分析对象，收集现场数据 对模型进行标定。 论文采用的主要研究方法为： 1 ) 在定性分析的基础上构建数学模型框架，收集大量数据进行定量分析， 采取定性和定量分析结合的方法； 2 ) 数学解析模型与计算机编程模拟相结合的方法。 4 第1 章绪论 1 5 研究思路与章节安排 1 5 1 研究思路 图1 2 研究思路 1 5 2 章节安排 本文内容分五章，其中第一章为绪论，第二章为基础理论与研究综述，第 五章为总结与展望，第三、四章为论文的主体部分。 第一章：绪论。提出当前我国在城市轨道车站客流行为特征研究方面的欠 缺，明确研究方向，阐述本论文的研究背景、目的和意义，并对研究内容及方 法进行概括。 第二章：基础理论与研究综述。总结目前国内外在轨道站行人行为特征、 一l 第1 章绪论 行人交通流分配方面的主要理论体系和研究成果，从中提炼合理的研究方法， 并指出当前研究的不足之处，提出本文的研究范畴和研究层面。 第三章：轨道站客流分配关键问题研究。本章首先以离散选择模型理论为 基础，提出轨道站客流分配的理论框架，继而从交通条件和出行者特性两方面， 阐述轨道站行人路径选择的作用机理；基于轨道站设施宅间布局特征，提出将 轨道站抽象为由区域、节点和步行链路构成的网络结构的方法，并对行人网络 元素的属性参数进行定义及分析；在此基础上通过设定合理的限制条件，将分 支定界法应用于路径选择集合生成，设计了可选路径集合生成程序；在总结站 台层客流分布特征的基础上，提出基于w a r d r o p 用户均衡原理的候车乘客分配模 型，通过对两类常见的站台入口( 即楼梯或自动扶梯入口) 布局形式下客流分 布的调查分析，标定站台乘客候车区域选择模型。 第四章：行人路径选择模型。在第三章行人路径选择影响机理分析的基础 上，根据一定的模型假设前提，选取影响行人路径选择的主要因素作为参数变 量，构建m n l 模型。通过选择典型轨道站点上海轨道2 号线静安寺站作为 研究对象，设计调查方法，收集站点静态信息数据和行人动态信息数据，利用 前述的行人网络抽象方法和可选路径集合生成程序进行路径特性分析，进而标 定m n l 路径选择模型，量化不同因素的影响权重。将模型分配结果与实际调查 数据相比，验证方法的有效性。 第五章：结论与展望。本章总结全文的研究成果、创新点及不足之处，对 有待于进一步研究的问题进行简要分析并提出展望。 6 第2 章基础珲论与研究综述 第2 章基础理论与研究综述 2 1 轨道站行人行为特征概述 2 1 1 行人出行行为层次 从基于活动的出行来看，行人的出行行为可以分为三个层次( h o o g e n d o o m ( 2 0 0 1 ) ，c r o w ( 1 9 9 8 ) ) ： 战略层( s t r a t e g i c ) 策略层( t a c t i c a l ) 行为层( o p e r a t i o n a l ) 图2 1 行人行为层次关系图f 2 】 战略层：决定出行起讫点和出行活动集合。有些活动可自由决定( 如买 报纸) ，有些活动是必须进行的( 如检票进出站) 。 策略层：包括行人对于各种行为活动顺序与时间上的安排、活动地点的 选择以及从出发点到目的地的路径选择。一般地，均认为活动安排是预 先设定的，所以活动地点选择和路径选择是这一层次的重点。 行为层：行人在从出发点到目的地的过程中所表现出的具体行为，包括 行走行为、排队及等待行为等此类在行走过程中的瞬间决定。 不同层次的决策活动具有相互作用，较高层次的决策决定下一层的行为， 同时下层又对上层具有反馈作用。 7 第2 章基础理论与研究综述 2 1 2 轨道站行人出行活动链研究 根据上述对于行人出行行为层次的划分，行人在轨道站内的整个活动行为 可以按照活动链的方式进行分析，包括活动生成、活动安排、活动地点选择和 路径选择四个方面的决策内容1 3 】。 活动生成也可称为活动模式，是基于活动的出行需求分析的重要一步：活 动安排是对各项活动的执行顺序和时间进行安排，受服务流程和交通条件的限 制，比如行人可能会由于时间限制而临时决定取消某项活动。目前这两个方面 的研究还较少。就一般轨道站而言，行人的主要目的是乘车，视设施设置情况 可能伴随购物、买报纸等其他行为。行人在轨道站内的活动相对简单，可通过 穷举法罗列行人可能的活动过程，主要包括以下几种典型活动模式及安排： 表2 1 轨道站乘客典型活动模式 客流分类服务流程其他活动 进站进站一( 购票) 一检票一候车一上车购物、买报 站内 出站 卜车一检票一出站 纸、查看地 客流 换乘下车一换乘一候车一上车 图指示牌等 随着大城市轨道交通的不断发展，大型的换乘枢纽不仅具有交通功能，同 时可能融合购物、餐饮、娱乐等多种功能，枢纽客流出行目的逐渐多样化，此 时就不能仅仅通过简单的穷举法列举行人所有可能的活动模式，而需要根据活 动链理论进行更为精确的模型推理。本文不考虑活动内容的决策过程，即认为 每组行人的出行起讫点、中途所要进行的活动及其顺序安排已知。 活动地点选择是对行人需要进行的活动选择最优的实施地点或设施。行人 对于活动地点选择的主要标准是活动地点之间路径的行走时间、等待时间和进 行活动的时间，此外活动之间的连贯性、活动地点之间的距离、设施的类型及 行人对设施的熟悉度等因素也对行人活动地点的选择产生影响1 2 j 。目前在这方面 的研究并不多，已有研究大多集中于逛街者在商业区对商店的选择( b o r g e r s & t i m m e r m a n s1 9 8 6 ，t i m m e r m a n s1 9 9 2 ) 。w i n n i ed a a m e n 在其博士学位论文中1 2 】针 对行人在轨道站内的活动地点选择，建立了主要考虑时间阻抗的活动地点选择 模型；h o o g e n d o o r n l 4 j 提出了同时进行活动地点选择、活动安排优化和路径选择 8 第2 章基础理论与研究综述 的动态最优化理论及模型，效用函数包含完成活动所获得的效用与到达活动区 域的行走费用两个部分。 行人路径选择的研究现状将在2 2 3 中进行描述。 2 1 3 步行行为研究 行人步行行为研究分为两类：宏观层面和微观层面。宏观层面的研究是将 人群视为一个整体，考虑人群的平均特性，不考虑行人之间的交互；微观层面 主要是指个体行人的交通特性，比如个体的速度、行人步行方向的改变、行人 在行走过程中的交互影响等。 - t 理论分析h 簇孑：蓄囊尹 l ”! = 一：= ： o l d e r ( 1 9 6 8 ) f n j i n ( 1 9 7 1 ) - - t 宏观层面t - t 流一密一速l t a n a r i b o o n ( 1 9 8 6 ) w e i d m a n n ( 19 9 3 ) f r u i n ( 1 9 7 1 )v i r k l e r ( 1 9 9 4 )l 笊高妊j ；碴 h c m 。i i 口j = p j 。 、况 行人 步行 f 卫z z j e 上r 1 i 不同行人特征 行为 - t 经验数据h 通凄譬鑫丕密卜i 不同步行设施 研究 i 曰揖l 洁向 理论分析 1 - q j 们l l q j 叫微观层面h 仿真分析 基于细胞元基千物理作用力排队网络模型 c e l l u l a rb a s e d p h y s i c a lf o r c eb a s e dq u e u i n gn e t n o r k w a t t s ( 1 9 8 7 ) j 元胞自动机模型i 一一 引力模型 t h o l o v a m s p ( 1 9 9 n 4 & ) mm a 心a 州1 9 9 a lc e l l u l a ra u t o m a t ai g n e t i cf o r c ei ”“p ”v ” b l u e & a d l e r ( 2 0 0 0 o k a z a k i ( 1 9 7 9 - 9 3 ) m u r a m a t s ue ta 1 ( 1 9 9 9 ) 社会力模型 移动效益模型 s o c i a lf o r c e c e l l u l a ra u t o m a t a h e l b i n g ( 1 9 9 1 9 9 ) g i p p s & m a r k s j o ( 1 9 8 5 ) l 气体动力学模型i 图2 2 行人步行行为研究概况图【5 】 9 第2 章基础理论与研究综述 行人宏观交通特征的研究主要基于人群流体力学( c r o w df l u i d ) ，将人群比 作流体，利用流体力学的模型建立正常集散条件下人群移动速度、密度与流量 之间的定量关系。这方面的研究自1 9 7 1 年得到发展，代表人物是j f r u i n ，他通 过对人行道上行人的视频观测和分析，得到了经典的行人“流一密速”关系曲线 ( ( ( p e d e s t r i a np l a n n i n ga n dd e s i g n ) ) ) ，该组曲线被各国制定的步行规范和设计手 册作为研究依据，在此基础上得到各种步行设施服务水平的评估指标。之后， 很多研究者针对不同场所下的不同步行设施类型提出了不同的行人流密速关 系，利用相似的基本模型表达关系，主要存经验数据上有所差别。 行人微观特性研究主要基于动力学( g a s k i n e t i c f l u i dd y n a m i c ，气体动力学 流体动力学) ，h e n d e r s o n 在7 0 年代初首先采用流体动力学模型分析行人交通； 9 0 年代h e l b i n g 对h e n d e r s o n 的模型进行了修正，在分子动力论模型的基础上考虑 了目的、期望速度和行人之间的相互作用，提出了“社会力 模型；其后， h o o g e n d o o m 和b o v y ( 2 0 0 0 ) 建立了行人气体动力学模型。与宏观特性不同的是， 微观特性究竟应包含哪些指标并没有明确的定义f 5 】，! t n f m i n 等人主要以行人间距 作为微观特性指标。行人微观模型往往很难通过数学方法求解，一般需要使用 仿真办法。微观模型根据理论基础和作用规则的差别，可区分为基于细胞元、 基于物理作用力和排队网络三类模型。其中，社会力模型和排队刚络模型主要 用来描述紧急情况下的行人疏散行为。这些模型在描述行人行为和交通环境时 作了许多简化，在实际工程应用时，仍需进一步完善和改进。 下面主要针对轨道站内的行人步行特性研究现状进行总结。 ( 1 ) 宏观步行行为研究现状 在行人交通流的研究中，流率、密度和速度是最重要的三个变量指标。目 前针对轨道站内步行设施流一密速关系的理论研究还较少，已有研究大多集中在 经验数据的积累和步行设施服务水平等级体系的分析。 经验数据 行人交通流特性受多种因素的影响，包括年龄、文化与种族、性别、避让 距离、温度、出行目的、设施类型和行走方向等【2 1 ，具有非常强的“场所一区域” 特征，不同国家与地区、不同环境下、不同步行设施的行人交通流虽然类似但 刁、= 具普适性，必须结合具体的情况分别研究。因此多国学者均通过对当地轨道 站点的实地观测来分析行人交通流特性，以制定合适的行人设施设计标准。 美国( ( t r a n s i tc a p a c i t ya n dq u a l i t yo fs e r v i c em a n u a l2 n de d i t i o n ) ) 中对公交 1 0 第2 章基础理论与研究综述 站点、轨道站内步行设施的服务水平进行了分级标定，确定了单双向通道、上 下行楼梯的通行能力水平等级，并对乘客在通道内行走、上下楼梯和排队买票 过程中的行为特征进行了总结和描述1 6 j 。 英国学者h a n k i n 和w r i g h t ( 1 9 5 8 ) 及d a l y e n ( 1 9 9 1 ) 等人先后在伦敦地 铁站进行了乘客流量和速度调查，研究行人在地铁站内的速度和流量曲线关系。 国内针对轨道站乘客步行行为的研究主要以香港的c h e u n g c y 和 l a m w h k 等人为代表，对香港m t r 车站乘客在不同设施上的步行速度流量 关系、路径选择行为以及步行设施的服务水平分级进行了大量的调查研究【7 】【引， 并使用p a x p o r t 软件对站内的客流分配进行了仿真分析【9 】。l a m 等人的研究表 明，香港轨道站楼梯、水平通道的行人最大通过能力远高于伦敦地铁站。 同济大学交通运输工程学院的陈小鸿教授研究组曾与上海申通地铁公司合 作，进行了一系列关于轨道站设施和引导系统的研究，提出了轨道站乘客步行 设施服务水平分级指标和分级方法l l 0 1 。 硕士研究生李灿在其硕士论文j 中针对北京市几个主要轨道交通枢纽进行 了大量乘客交通流数据的观测和采集，建立了枢纽内进出站通道、换乘通道和 上下行楼梯处的速度密度关系解析模型，得到了不同行人设施上客流交通特性 的基本参数值，并与香港的m t r 和k c r 同类步行设施的乘客交通特性研究结 果进行了比较分析。 宏观步行特性模型 利用观测数据进行回归分析，建立流密速之间的关系模型。在轨道站行人 交通流方面，已有研究大多借鉴机动车交通流理论，建立路段的步行时间与流 量之间的b p r 函数【7 1 ，其基本形式为： ，、n t a ( q ) = c 2 + b ( 7 q a ) ( 2 1 ) 、u n 7 其中：口( q a ) 一一路段口的客流量为q 时的步行时间，s 亡：一一路段a 自由流的通行时间，s q 一一路段臼的客流量，人m m i n o 一一路段设施口的通行能力，人m m i n b 、讥一一需要标定的参数。 b p r 函数适用于流量未达到饱和的情况。 l a m w h k 等人分别对香港地铁站的上下行自动扶梯、上下行楼梯、自动 第2 章基础理论与研究综述 扶梯前端、楼梯前端、通道、站厅层和站台层的b p r 函数进行了标定1 7 1 。标定 结果表明，不同步行设施的出行时间函数参数取值差别较大。 新加坡学者f o o n g ，k w 等人通过对新加坡地铁站的调查，同样标定了上行 自动扶梯和下行楼梯的b p r 函数。自动扶梯的拟合结果与香港地铁站的数值较 为接近，但是楼梯差距较大。【1 2 】 同济大学硕士王磊在上海人民广场地铁站经过调查得出的通道客流b p r 模 型表达式为【1 3 】： c 口( q 口) = c 2 + 4 1 3 1 7 偿) 2 j 4 7 9 ( 2 2 ) 北京交通大学博士李得伟对北京复兴门地铁站换乘通道拟合的客流b p r 函 数为： t ( q 口) = 1 0 姐9 9 8 6 ( 封9 9 2 7 ( 2 3 ) 与其他研究不同的是，系数b 为负，说明当流量尚未达到饱和时，随着流 量的增加，换乘时间反而在减少。【1 4 】 不同地区、不同步行设施出行时间函数的差别进一步表明，行人流的宏观 交通特性具有很强的“场所一区域”特征。 ( 2 ) 微观步行行为 行人流具有自组织特性，如靠右侧行走的习惯、自动形成与车道类似的分 方向行走以及在瓶颈处的波动现象等。与宏观交通流特性相比，行人的微观特 性研究还不完善，至今还未形成系统的理论成果。现有的不同类别的微观仿真 模型基本没有关联性，不同模型之间无法进行数据转换，而且大多数模型还未 使用行人微观特性数据进行标定【5 】。 行人的微观步行行为不属于本文研究的范畴，因此不再详细针对此方面的 研究进行总结。 2 2 行人交通流分配研究 传统的分配模型主要用于道路或公共交通系统，而在行人网络中同样存在 客流分配的问题。就轨道车站内部而言，当存在多条可选的路径时，行人遇到 自动扶梯或楼梯拥挤，就可能改变路径。通过模拟客流的分布情况来评价站点 设施空间布局设计的合理性被普遍认为是一种行之有效的方法。其中，路径选 1 2 第2 章基础理论与研究综述 择是进行客流分配的重要一环。 2 2 1 轨道站内部客流o d 概念 借鉴机动车交通流出行o d 的概念，结合轨道站内行人的活动特征，轨道站 内客流o d 定义为【3 】1 9 1 ：轨道站各个出入口与上下客站台等客流集散点之间的行 人交通流分布，对于较为复杂的综合换乘枢纽，还包括以休闲、娱乐为目的的 客流。站内客流o d 反映了乘客在站内的出行方向。 通常，轨道站内客流o d 的预测结果表达为出入口与列车上下行方向之间的 客流量及不同轨道线路之间的换乘量，因此须采用合适的分配方法将o d 客流量 分布于轨道站内的各步行设施之上，从而得到客流对站内各部分设施的实际作 用效果。 2 2 2 交通流分配方法 目前的交通流分配方法主要用于道路交通或公共交通系统，已经形成较为 成熟的理论体系。虽然行人交通流分配与车流交通分配明显不同，但是基本的 理论方法仍然可以借鉴。 根据交通分配原则的不同，可以将交通分配模型分为均衡分配与非均衡分 配。满足w a r d r o p 第一、第二原理的分配，为均衡分配；否则为非均衡分配 1 5 1 。 按照o d 交通需求和路阻函数形式的不同，均衡分配可分为以下几类： 按交通需求的动静状态分类 静态交通均衡分配( s t a t i cu s e re q u i l i b r i u ma s s i g n m e n t ) ，固定需求型( f i x e d d e m a n d ) 。静态交通分配模型假定在建模时间段内交通需求是常值，即交通流分 布形态是固定的，这种假定对于以交通规划为目的的建模计算是合适的，因为 规划的目的是最大程度地满足交通需求，并不关心时刻变化的交通量瞬时状态。 因此，静态交通分配模型能够满足交通规划的要求，但是不能描述路刚的拥挤 特性。 动态交通均衡分配( d y n a m i cu s e re q u i l i b r i u ma s s i g n m e n t ) ，变动需求型 ( v a r i a b l ed e m a n d ) 。动态交通分配是指以时刻变动的交通需求为对象的交通量 分配，考虑了交通需求随时间变化的特性，能够给出瞬时的交通流分布状态。 按路阻函数的形式分类1 1 6 i 1 3 第2 章基础理论与研究综述 根据是否将路段走行时间看成是随机变量，将交通分配方法分成确定型交 通分配和随机交通分配。 确定型用户交通均衡分配( d e t e r m i n i s t i cu s e re q u i l i b r i u ma s s i g n m e n t ) ，假 设路段的出行费用随着流量的变化而变化，全部出行者在交通行为方面表现出 相同的属性，对交通系统有完备的了解，能够精确地计算所有路段的出行费用。 随机用户交通均衡分配( s t o c h a s t i cu s e re q u i l i b r i u ma s s i g n m e n t ) ，同样假 设路段的出行费用随着流量的变化而变化，但是出行者对出行费用的认识存在 随机误差，每个出行者始终选择自己所认为的费用最小的路径。在这种情况下， 路网的交通流将达到如下随机用户平衡状态：所有的用户都相信自己的出行费 用不会因改变行驶径路而减少。随机用户均衡拓展了w a r d r o p 均衡的概念，主要 有l o g i t 模型、p r o b i t 模型等分配模型。 在已有的行人交通流分配研究经验中，p a x p o r t 行人仿真软件所使用的是 随机用户均衡分配方法，在对伦敦地铁站的仿真模拟中表现了较好的适用性1 16 】； n o m a d 软件使用的是确定型动态用户均衡分配方法l l8 】；s i m p e d 软件通过设定 一个较小的动态路径更新时间间隔，以实现一种近似于确定型动态用户均衡分 配模式【2 1 。 2 2 3 行人路径选择研究 轨道站内乘客的路径选择可以分为总体路径选择和区域路径选择两个层面 【1 4 l 。前者较为宏观，对于出行目的相似的乘客来说，总体路径选择基本是相同 的，例如进站乘客的总体路径为“车站入口进站通道站厅( 售票 点) 检票口自动扶梯楼梯站台”，可以看出总体路径是在活动模式 上进行了扩展，根据车站的建筑空间布局考虑了乘客完成活动所必经的设施区 域。区域路径选择指乘客