（交通运输规划与管理专业论文）城市轨道交通枢纽动态仿真设计方法研究.pdf

中文摘要 摘要：城市轨道交通的快速发展是解决大城市普遍存在的交通问题的有效途 径。随着轨道交通线网的不断完善，成网条件下的轨道交通枢纽运营组织协 调日益面临新的挑战。如何更科学地对轨道交通枢纽进行规划设计，更合理 地实现客流在轨道交通枢纽内的运营组织，更好地发挥轨道交通在城市公共 交通中的骨干作用，需要对轨道交通枢纽进行深入的研究。本文首先简要介 绍了我国轨道交通的发展状况，并对国内外轨道交通枢纽规划及设计方面的 研究成果进行了回顾与总结，阐明研究城市轨道交通枢纽动态仿真设计方法 的重要意义。论文对轨道交通枢纽内的通行设施进行了特征描述，并对各种 通行设施对客流产生的影响进行了深入分析；结合设施特征，阐述了基本通 行设施的静态设计理论及方法，系统地归纳了站台以及其他通行设施的设计 标准。在定性地分析设施及其客流特征的基础上，进行定量的解析计算是传 统静态设计方法的精髓。为了科学地将动态仿真技术应用在轨道交通枢纽设 计中，论文着重论证了动态仿真技术在轨道交通枢纽设计中的适应性。通过 对比分析静态设计方法和动态仿真技术的特性，强调了两种方法的相辅相成 特点，并归纳了动态仿真技术的比较优势。借鉴城市交通组织控制理论并结 合系统仿真理论，分析了轨道交通枢纽内两种主要的客流空间分布特征。论 文第四部分是核心部分，主要引入了集合的概念，将轨道交通枢纽内的设施 节点化、模型化，搭建了基于客流分布的空间o d 模型，并构造了乘客o d 矩 阵及调整算法。通过案例仿真实现，验证了模型及相应算法的正确性。 关键词：城市轨道交通枢纽；动态仿真；设计；微观模型 分类号：u 1 1 5 ；t p 3 9 1 9 a b s t r a ( t a b s t r a c t ：r a p i dd e v e l o p m e n to fm t r st h ee f t d e n ta p p r o a c ht os o l v et h et r a f f i c p r o b l e m s i nm e t r o p o l i s e s w i t ht h e i m p r o v e m e n t o fm t rn e t w o r k , o p e r a t i o n o r g a n i z a t i o na n dc o o r d i n a t i o no fm t rh u b sf a c em o r ea n dm o r ec h a l l e n g e st h a ne v e r b e f o r e i t sn e c e s s a r yo fd o i n gd e e p l ys t u d yi nm t rh u b st om a k es u r et h e yc a np l a y k e yr o l e si nu r b a np u b l i ct r a n s p o r t a t i o n ，w h i c hm a i n l yf o c u s i n go no p t i m i z a t i o n a p p r o a c ho fh u b s d e s i g n i n ga n dp a s s e n g e rf l o w s o p e r a t i o n t h i sp a p e rg i v e sab r i c f i n t r o d u c t i o nt om t r sd e v e l o p m e n ts t a t u sa n dd r a w sc o n c l u s i o n0 1 1t h es t a t e - o f - a r ti n m t rh u b s p l a n n i n ga n dd e s i g nr e s e a r c hi nc h i n aa n da b r o a d t h e ni tc l a r i f i e st h e s i g n i f i c a n c eo fd y n a m i cs i m u l a t i o nd e s i g nm e t h o di nm t rh u b s t h e nt h ep a p e r c h a r a c t e r i z e st h et i a f 五cf a c i l i t i e si nt h eh u b sa n da n a l y z e st h e i re f f e c t so nt h ep a s s e n g e r f l o w sd e e p l y , c o m b i n i n gw i t hw h i c hi ti l l u s t r a t e st h es t a t i cd e s i g n i n gm e t h o d o l o g yo f b a s i ct r a f f i cf a c i l i t i e s ，g e n e r a l i z e st h ed e s i g n i n gc r i t e r i o no fp l a t f o r ma n do t h e rf a c i l i t i e s s y s t e m a t i c a l l y b a s e do nt h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i so nt h e s ei s s u e s ，q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s b e a t o m e st h ec o r eo ft r a d i t i o n a ls t a t i cd e s i g n i n gm e t h o d i no r d e rt ou t i l i z et h ed y n a m i c s i m u l a t i o nt e d m i q u ei nt h em t rh u b s d e s i g n i n g , t h en e x tp a r to ft h ep a p e r d e m o n s t r a t e st h ea p p l i c a b i l i t yo ft h i ss p e c i f i cm e t h o d b yc o m p a r i s o nb e t w e e ns t a t i c m e t h o da n dd y n a m i co n e , i tc o n c l u d e st h ed y n a m i cs i m u l a t i o nm e t h o d sa d v a n t a g e s p r e m i s e do ne m p h a s i z i n gt h ei n t e g r a t i o no ft h e s et w om e t h o d s u s i n gu r b a nt r a f f i c o r g a n i z a t i o nc o n t r o l l i n gt h e o r yf o rr e f e r e n c e ，i te n g a g e si nt h ea n a l y s i so ft w om a i n p a s s e n g e rf l o w s s p a t i a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c si nm t rh u b s t h ef o r t hp a r ti st h e c o r eo ft h ep a p e r i ti n t r o d u c e st h ec o n c e p to fs e tw h i c hc o n c r e t e st h ef a c i l i t i e si nh u b s a sn o d e sa n dm o d e l s t h e n ，i te s t a b l i s h e st h es p a c e0 dm o d e lb a s e do nf l o w s s p a t i a l d i s t r i b u t i o n ，s e tu pp a s s e n g e ro dm a t r i xa n d a d j u s t i n ga l g o r i t h m t h r o u g h i m p l e m e n t a t i o no fs l x i f i cs i m u l a t i o nc a s e ，t h ec o l t e c t n e s so ft h em o d e la n dr e l e v a n t a l g o r i t h m i sv e r i f i e d k e y w o r d s ：m t rh u b s ；d y n a m i cs i m u l a t i o n ；d e s i g n ；m i c r o s c o p i cm o d e l c l a s s n o ：u i l 5 ；t p 3 9 1 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：荔矗毛芝色少 导师签名： 签字日期：卅年， 月f 。日 韶瓣 签字日期。夕咿f z 月卜日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：毳六复勃签字日期：川年，五月厂，日 致谢 时光飞逝，近三年的硕士学习阶段即将结束。一分耕耘，一分收获。昔日的 寒窗苦读，换来了今日金色的收获。当一本凝结了心血和汗水的硕士学位论文呈 现在我面前的时候，我心潮起伏、感慨万千首先想到的是要向几年来给予我关 心和支持的老师、同学、朋友们致以深深的谢意! 本硕士学位论文是在我的导师韩宝明教授的悉心指导下完成的。韩老师渊博 的学识、严谨的治学作风、旺盛的精力、对学科前沿敏锐的洞察力和为科学献身 的精神使我受益匪浅。在近三年的研究生生涯中，韩老师不仅在学习、工作上给 了我很大的帮助，更在生活中给予了我无微不至的关怀。从韩老师的身上，学到 的不仅仅是丰富的专业知识和专业技能；韩老师严于律己、宽以待人、为人谦逊、 处事果敢的人生态度，更让我学会了许多做人、做事的道理。值此论文完成和毕 业之际，谨向韩老师表示最真挚的感谢并致以最崇高的敬意! 在论文研究工作中，得到了交通运输学院袁振洲教授的热情指导，在这里， 向袁振洲教授表示诚挚的谢意! 还要特别感谢鲁放博士、李得伟博士、张琦博士、 许婷硕士、梁丽华硕士、韩宇硕士，他们在本论文撰写过程中提出了许多宝贵的 研究思路，并给予了大量的帮助。还要感谢牛永涛博士、王志彪硕士、隋晓波硕 士及其他师兄弟们给予我各方面的帮助。将近三年的朝夕相处、同甘共苦、同舟 共济的美好时光令我终生难忘。 在此我还要感谢北京城建设计研究总院副总工程师万学红先生，作为副导师， 他给我提供了丰富的研究资料和宽松的工作环境；感谢北京城建院第一设计所总 工程师张继菁女士在我论文创作过程中提供的宝贵的意见和建议；衷心地感谢二 位，是他们给予我源自实践的科研灵感，论文中隐含了他们实践思想的火花。 最后，我要衷心地感谢我的家人，他们为人诚信、思想缜密的作风，一直激 励我的人生；他们的支持和理解使我得以走到今天，在此致以诚挚的谢意。 1 引言 1 1 研究背景及意义 我国已进入全面建设小康社会的新的历史时期，在大城市中普遍存在的现实 的交通问题是城市小汽车出行比例增加，交通拥堵不断加剧。公交出行分担率仅 占城市居民总出行量的1 0 一2 5 ，与发达国家加6 0 的出行比例相比，相差很 大。面对这种情况，各地纷纷加大了对轨道交通在公共交通中骨干作用的重视， 加快了城市轨道交通等大运量快速公交系统的建设。据统计，目前北京、天津、 上海等1 3 个城市的3 6 条轨道交通线路正在建设，在建线路里程达8 0 0 多公里。 有1 5 个城市的轨道交通建设规划已获国务院批准，2 0 1 5 年之前，将规划建设线路 6 0 余条，总里程达1 7 0 0 多公里。截至目前，全国已开通运营城市轨道交通的城市 有北京、天津、上海、广州、长春、大连、武汉、深圳、重庆、南京等1 0 个城市， 共2 2 条线路，线路总长6 0 9 公里。仅2 0 0 6 年全年运送旅客就已达1 8 亿人次。 城市轨道交通的快速发展，一方面，将大量客流吸引至轨道交通系统，从而 大大地缓解了城市道路交通的拥堵状况；另一方面，轨道交通车站，特别是枢纽， 作为客流集散的重要场所和乘客的轨道交通第一接触点，承担着快速集散客流， 保障乘客出行安全的重要职能。因而，如何充分发挥轨道交通系统优势，科学合 理进行轨道交通枢纽的规划设计是一个重要问题。 我国城市轨道交通的发展具有建设规模大、速度快、时间集中的特点，换乘 枢纽是城市轨道交通线网规模达到一定程度时的必然产物。目前，我国城市轨道 交通的建设都是建成一条线运营一条，针对这种分离式规划建设的线网模式，对 换乘枢纽进行充分研究，采取因地制宜的枢纽规划设计尤为必要。从不同研究角 度采取多样的实施手段对轨道交通枢纽进行规划设计，充分发挥有限空间资源的 最大价值，降低乘客换乘时间消耗，力求使换乘安全、方便、高效、节约已成为 轨道交通规划建设过程中亟待研究与解决的突出问题。 完善轨道交通设计方法，不断推陈出新，将新技术、新方法应用到轨道交通 枢纽设计中，对轨道交通枢纽的科学合理规划设计、建设以及组织运营均有重大 的现实意义，同时对轨道交通在公共交通中的骨干作用发挥也有着深远的历史意 义。随着计算机技术的不断进步，借助系统仿真理论发展起来的动态仿真技术是 轨道交通枢纽规划设计的一种新的思路和方法。本论文的主要研究工作就是探讨 动态仿真技术如何在轨道交通枢纽客流仿真中实现科学、合理、高效地应用，旨 在从辅助设计的角度，提供一种新的轨道交通枢纽规划设计理念及方法。因此， 本论文的研究对于完善轨道交通枢纽设计理念，丰富枢纽设计理论，提高既有车 站的运营管理水平都将有着重要的意义。 表1 - 1 我国城市轨道交通运营状况一览 t a b l e1 - 1o v e r v i e wo fm t r o p e r a t i o n 1 2 国内外轨道交通枢纽设计研究状况 城市轨道交通的迅猛发展，推动了枢纽理论研究的不断深入。加之以计算机 仿真技术的日益成熟，也促进了其在轨道交通枢纽设计与评价中的应用。国内外 2 在轨道交通枢纽设计与评价方法方面的研究也随着轨道交通的建设不断产生新的 研究成果。 1 2 1 国外研究状况 近年来，国外发达国家的综合客运枢纽的规划建设取得了长足的发展，理论 研究也随之日益完善，主要侧重在如下两个方面： 首先，在城市轨道交通枢纽宏观、中观层面，相关研究多集中于综合客运枢 纽的布局规划问题，特别是城市轨道交通与其他交通方式换乘接驳问题等【。如 2 0 世纪舳年代中期，前苏联在城市轨道交通与其它交通方式之间的有机协调、轨 道交通车站合理步行区与接运距离、轨道交通枢纽的布置、换乘时间、换乘方式 以及轨道交通出行时间节约等方面进行过较深入的研究：2 0 世纪9 0 年代，加拿大 交通工程学者以实现乘客换乘步距最小为目标，开展了一系列有关飞机场枢纽最 佳几何形状的研究，此研究思路和方法可以为优化城市综合客运枢纽布局设计提 供借鉴【2 1 ；同时，国外一些学者从城市综合客运枢纽与城市其它因素之间的相互关 系入手，对枢纽的优化设计也进行了相关研究，如m d s h o a i b c h o w d h u r y 等人从城 市交通网络的宏观角度出发，对城市枢纽总量换乘最优化问题进行了详细的分析 与探讨p j ；s n e h a m a yk h a s n a b i s 等人结合土地利用与枢纽布局设计的关系探讨了二 者的互动影响作用1 4 1 ；l u t i nj 等人对轻轨换乘及设计的若干关键问题做过详细研 究，提出了比较实用的设计方法1 5 】。 另外，国外一些学者已经开始关注枢纽内的行人与设施之间的关系，特别是 通行设施对行人的交通行为影响关系，并产生了初步的研究成果。o l d e rsj 在其 研究成果中分析指出行人流随时间的变化特征受设施影响很大，并且不同设施对 行人流的影响差别很大1 6 。s e n e v i r a t n e 基于行人特征，对行人通行设施进行了较为 针对性地规划设计研究，提出行人设施的规划设计及评价应在不同国家结合自身 的行人特征进行相应地适应性研究 7 1 i s j 。t a n a b o r i b o o n 针对亚洲国家行人特性进行 了多年的调查研究，认为设施相关设计标准的制定应当紧密结合本地出行者的特 征，而不应当根据西方的标准制赳9 】【1 0 l ；香港理工大学著名研究者l a i n 在1 9 9 5 到 2 0 0 2 年期间，针对亚洲国家行人的特征，做了大量的调查及统计分析研究工作， 详细地描述了亚洲国家人的交通行为特征，总结出香港本地出行者客流在不同交 通设施上的速度流量关系1 1 1 1 4 l 。 在城市轨道交通微观模型研究方面，国外一直处于领先的地位，并开发了许 多仿真模型。以轨道交通枢纽为环境，分析乘客在枢纽内的微观交通行为特征可 知，乘客在枢纽内的状态主要有两种【1 5 l ，一种是处于选择的状态中，包括路径的 3 选择和目的的选择，另一种是处于被服务的状态中，包括乘客被动的接受服务和 等待接受服务。因此，以模型描述的乘客状态为依据将既有的乘客微观模型分为 两大类，即行为选择模型和接受服务模型。前者主要关注枢纽内的乘客微观移动 行为特征，如乘客的具体路径选择、碰撞规避等：后者更多地关注枢纽内交通设 施的规模特征以及各自的服务时间和系统整体服务时间等，侧重于分析车站的整 体疏散能力等指标要素。纵观国外开发的用于描述具体交通环境中的乘客出行自 身行为模型，基本上可以分为三个层次，即： 战略层：描述整体出行过程的决策和行为特征； 战术层：描述局部出行过程的决策和行为特征； 操作层：描述乘客下一步出行决策和行为特征。 综上所述，国外学者已经开始关注城市综合客运枢纽的规划设计，并取得了 初步的研究成果，同时在枢纽微观模型的研究方面也有所发展。然而国外对基于 客流流线的交通设计理论研究开展得却十分有限，特别是对于枢纽空间结构的模 型化、轨道交通枢纽换乘客流的空间分布特征分析以及基于动态仿真技术的轨道 交通枢纽辅助设计等方面的研究相对缺乏，有关文献也十分稀缺，现有的资料基 本属于工程性研究报告。 1 2 2 国内研究现状 近年来，我国城市轨道交通建设快速发展，在城市轨道交通枢纽理论研究方 面也产生了许多研究成果。如同济大学覃蟊的博士论文“轨道交通枢纽规划及设 计理论研究”中系统地提出了轨道交通枢纽的规划设计理论i l q ；中国城市规划设 计研究院盛志前在论文。基于轨道交通换乘的枢纽交通设计研究”中总结了轨道 交通枢纽的设计理论旧，并提出了充分考虑接驳理论和价值理论的轨道交通枢纽 设计方法；东南大学建筑系钟华颖提出城市交通换乘与城市建筑一体化研究设计 i 堋，为枢纽的建设提供了良好的建议；同济大学晏克非教授对城市综合客运体系 换乘进行了宏观分析及技术评价1 1 9 l ；哈尔滨工业大学裴玉龙教授对国内枢纽的平 面交通组织方法作了一些适合我国国情的宏观探讨l 加】，但对枢纽的系统规划没有 做进一步的研究；上海市隧道工程轨道交通设计研究院结合上海市轨道交通一号 线的设计以及上海市轨道交通线网的规划开展了轨道交通枢纽的研究，提出了平 行换乘、垂直换乘、岛式换乘、通道换乘、广场换乘等不同形式、规模、标准及 适应性方案1 2 l 】。以上的宏观、中观层面的研究成果主要对轨道交通枢纽的规划及 其对城市整个客运环境的影响进行了探讨和论证，对枢纽宏观、中观层面的理论 研究起到了积极的推进作用，并为进一步地微观层面研究奠定了基础，但却未能 4 从枢纽设施详细设计及布局层面进行深入阐述分析。 另外，在乘客与设施之间的相关研究工作方面，近年来，国内一些专家学者 也开展了相关工作并取得了一些研究成果。陈然、董力耘等调查研究了步行街、 广场、校园等场所的行人走行参数，如步速、步频等之间的相互关系，并建立了 研究模型【2 2 l ：刘小明等以奥运场馆的行人为研究对象，着重分析了行人的交通组 织问题，定性研究了行人交通的流体特征p j 。 在微观仿真实现方面，国内许多学者也做出了探索性的研究。沈阳建筑大学 的张培红等基于智能体技术开发的人员群集流动动力学模型就是对乘客微观移动 行为的一种很好的解释】；上海市城市建设设计研究院工程师饶雪平在论文“轨 道交通车站楼梯和自动扶梯处客流延时分析”中通过对站台上客流状态进行假设， 建立了楼梯和自动扶梯处客流延时的d d & 排队系统模型，对于估算车站内最大乘 客延误数量及延误时间和及时掌握车站内乘客延时状况有很好的描述i 冽；上海市 政工程设计研究院轨道所工程师姚宪平在论文“地铁岛式车站之间十字换乘能力 探讨”中分析了如何提高地铁岛式车站之间十字换乘能力，结合地面建筑的交通 组织方法，运用c a d 三维建模，提出了布置方案l 冽；北京交通大学韩宝明教授的 枢纽仿真团队在城市轨道交通枢纽客流微观仿真方面进行了大量的研究工作，其 中李得伟提出了基于乘客个体行为的集散模型旧，张建勋将城市道路交通仿真软 件v i s s i m 创造性地应用在轨道交通枢纽客流仿真中，并取得了很好的效果田j ， 该仿真团队长期致力于微观模型的开发及应用，通过不懈探索和努力实践，业已 研制开发出城市轨道交通枢纽的乘客集散仿真系统m t r p e d s i m 。 纵观国内的枢纽理论研究发现，国内城市轨道交通研究领域的学者更多地关 注枢纽与外界的协调和局部设施设计，而从乘客的角度对整个轨道交通枢纽进行 模型化的理论研究则较少，对于基于客流流线的乘客空间分布描述更是缺乏。而 很多学者热衷于对既有微观仿真模型进行模型自身改进和相关参数标定，而对于 环境等基础设施的模型化研究并未有较为成熟的成果，尤其是将复杂的城市轨道 交通枢纽站内的配套设施按属性迸行简化，并建立基于乘客交通流的拓扑模型仍 然需要深入研究。 1 3 研究内容 城市轨道交通枢纽的研究是一个复杂的系统工程，基于客流仿真的枢纽设计 及评价方法仅是其中的一个研究子课题。本论文的研究是针对轨道交通设施的客 流仿真技术应用，将轨道交通枢纽作为研究对象，并将其概念界定为城市轨道交 通换乘站，旨在通过对城市轨道交通枢纽的设计过程中引入微观仿真理论，并结 5 合车站前期设计方案，构建一个适合于轨道交通枢纽客流仿真实施过程中流线分 配的空间模型，以达到提高仿真的效率与精度的目的，并最终为枢纽换乘站的设 施设计和运营管理提供辅助设计与决策支持。具体地讲，本文主要做了以下几方 面的工作： ( 1 ) 系统总结了基于通过能力的城市轨道交通枢纽设旋的静态设计方法，并将 动态仿真理论引入到枢纽的设计及评价中； ( 2 ) 详细分析了影响枢纽内乘客畅行的设施因素，并从设施的角度对动态仿真 技术的应用适应性进行了深入探讨； ( 3 ) 运用微观仿真理论对枢纽内的乘客空间分布特征及其机理给予了透彻的阐 释； ( 4 ) 对轨道交通枢纽内的乘客空间流线进行建模，并对基于乘客交通流线的微 观仿真实施要点及步骤进行了归纳提炼； ( 5 ) 借助客流微观仿真工具s t e p s ，结合实例对所构建的客流空间流线模型进 行了验证。案例一是将模型应用于北京地铁4 号线与6 号线的交叉点 西四换乘站，用于客流的紧急疏散仿真；寨例二是将模型应用于北京地铁2 号线与5 号线的交叉点崇文门换乘站，用于实时监控站内客流的空间 分布状况，从而对客流疏导措施进行优化调整。 1 4 研究方法和技术路线 本论文主要采用理论与实践相结合的方法展开研究。通过对国内外轨道交通 枢纽相关资料文献进行搜集，并做以归纳凝练，从理论层面系统地分析了轨道交 通枢纽的特性；结合实际科研项目，进行北京城市轨道交通枢纽实地调研，基本 掌握了轨道交通枢纽这一特殊的客流集散节点在设计时应着重考虑的问题。 6 图1 - 1 论文研究技术路线 f t g a v e1 - it e c h n o l o g yr o u t eo f s t u d yo nt h i sp a p e r 随着研究的深入，结合城市交通组织控制理论和系统仿真理论，通过构建的 枢纽客流空间o d 网络模型，借助成熟的客流微观仿真软件s t e p s 进行仿真实现， 完成轨道交通枢纽客流的动态仿真，并依据仿真结果给出枢纽设计的参考建议。 7 2 城市轨道交通枢纽设施特征及静态设计方法 枢纽内的乘客交通流的环境及设施主要包括基础建筑物，相关设备设施，乘 客空间区域。这些设施联合起来用于满足乘客站内基本出行和接受轨道交通系统 服务。城市轨道交通枢纽可以理解为一个由许多排队子系统，诸如进出站排队、 售检票排队、上下车排队等构成的多排队网络系统。节点和路径是构成网络的基 本要素，流线是乘客在站内移动的基本空间描述。本章主要对枢纽内的通行设施 及客流进行特征分析，在此基础上详细归纳了设施的设计标准，系统总结了设施 的静态设计方法。 2 1 枢纽内通行设施及客流特征 2 1 1 出入口 出入口是轨道交通枢纽与外界的直接联系节点，是联系站外交通工具与站内 服务设施的重要区域，其设置位置、形式、规模将影响到乘客对轨道交通枢纽系 统的使用。出入口区域的客流量一般较大，高峰时段出入口尤其具有持续稳定的 高密度乘客流，枢纽的出入口作为站外客流的吸引点和站内客流的疏散点具有较 明显的客流波动特性。规划科学、设计合理的轨道交通枢纽站出入口宜最大限度 的吸纳客流，从而方便乘客出行，提高轨道交通系统的客流吸引力。 同时，出入口作为轨道交通系统内乘客出行流线节点的起讫点之一，应充分 分析客流节点处的流线关系，并最大限度地方便乘客的进出站。对于地面站或者 高架车站，乘客一般经过必要的连接设施后到达车站的入口，可直接进入车站大 厅，而对于地下枢纽车站，乘客到达出入口后仍需采用层问连接设施进入站厅和 站台层，因此，考虑乘客流线节点的出入口设计应简化设施布局的复杂性，避免 转弯死角的产生，并力求使出入口节点的通行设施能力满足高峰时段客流需求。 出入口一般均布设在车站两侧，造型应融入四周环境，并辅之以完善的乘客 导向标志系统。车站出入口的位置距离车站大厅入口以不超过6 0 米为宜，并应力 求地理位置的适中，以方便乘客使用，缩短乘客进出车站的步行距离【2 9 】。 2 1 2 闸机 8 轨道交通枢纽是客流的重要集散场所，特别是高峰时期，客流的到达己超过 服务设施的服务能力，这就造成了某些服务设施处出现了排队现象，闸机就是较 为典型的排队系统。作为实现乘客自动检票进站的终端设备，在客流高峰时段， 闸机能将来自不同方向的乘客交通流混合渠化成为若干股独立无干扰的交通流， 从而使乘客有序进站，安全乘车。此时闸机起到了延缓客流冲击效应的作用，减 少了客流对其紧后设施如楼梯、自动扶梯等的瞬时压力。 闸机处之所以出现乘客滞留排队的现象，主要是当顾客购票后或持卡准备从 站厅层至站台层候车时，首先到达闸机，接受检票设施服务，但是在客流高峰时 段，乘客并不能立即得到服务，而是在站厅层非付费区域出现缓行的状况，乘客 从无序至有序的过程使得在经过闸机时形成自动渠化队列，排队由此发生。调查 发现：高峰时期，进站乘客表现为稳定持续的高密度流态，出站乘客表现为间歇 的高密度流态；非高峰时期，进站乘客表现为间歇流态或持续低密度流态，出站 乘客表现为间歇的低密度流态 2 1 3 楼梯 楼梯是轨道交通枢纽站内不同层间的主要连接设施。客流平峰时段，由于站 内自动扶梯的辅助作用，导致楼梯的实载率一般较低；客流高峰时段，进出站乘 客加之换乘客流的叠加作用，自动扶梯不能充分满足客流交通需求，此时将有部 分客流被迫采用楼梯作为进出站及换乘的方式，楼梯的实载率也随之提高。 在条件允许的情况下，枢纽内的楼梯一般均设为上下行楼梯或双向混行楼梯， 在特殊情况下设置单向楼梯。调查显示：轨道交通枢纽内，若辅之以自动扶梯的 情况下，楼梯处一般不会出现排队的现象，只有在楼梯作为唯一层问连接设施的 情况下，才可能出现短时客流拥堵。 乘客从枢纽站的出入口进站后，经检票闸机检票进入车站付费区，候车乘车， 是一个随机的过程。调查发现，检票闸机与楼梯的实际通过能力相差不大，乘客 交通流在闸机处首先受到通过能力约束，导致超出检票闸机通过能力的客流被暂 时堵在非付费区等待检票，因而检票后进入付费区的乘客不会因为楼梯的通过能 力限制而需要排队。对于站台上的楼梯，由于列车停站带来大量客流，此时站台 处楼梯和自动扶梯的使用率均出现瞬时最大值，楼梯口易出现拥堵排队的现象。 另外，区别于自动扶梯的是，楼梯上的乘客特征较为复杂，速度差异较为明 显，尤其在混行楼梯上，这种特点表现得更为突出。 2 1 4 自动扶梯 9 自动扶梯是保证轨道交通枢纽内乘客快速、平稳地实现不同平面问空间移动 的有效设施。依据我国现行地铁设计规范( g b 5 0 1 5 7 2 0 0 3 ) ，轨道交通车站的 自动扶梯输送速度有两种标准设置，分别为0 5 m s 和0 6 5 m s ，通过能力分别为 8 1 0 0 p h 和不大于0 6 0 0 p h 。由于使用自动扶梯所需耗能及使用时间较楼梯少，所 以站内绝大部分乘客首选自动扶梯作为层间升降工具。只有在高峰时段，自动扶 梯处排队较长时才会有乘客选择楼梯通行，少数行动不便者除外。正因此，在各 方面条件允许的情况下，轨道交通枢纽站内配置的垂直层间移动设施多以自动扶 梯为主。相比楼梯而言，自动扶梯的机动性要差一些，楼梯一般情况下不设限制 行进方向；相反，一旦选择自动扶梯，就无法原路返回，或是在扶梯上有较大的 方向和速度的改变。 客流高峰时段，自动扶梯处多出现排队状况，这将对整个枢纽的客流集散能 力产生较大影响，因此根据正常运营以及紧急状况下的高峰时段客流量，对照设 施技术标准和枢纽的空间条件布设自动扶梯，对提高自动扶梯的利用率和枢纽的 客流集散能力有重要意义。 2 1 5 通道和自动步道 通道和自动步道是轨道交通枢纽内运送乘客的另一种有效的方式，一般均单 向设置，禁止混行。某些情况下，由于通道平面运送距离过长，往往采用通道和 自动步道组合设置的方式以减少乘客在通道内的走行体能消耗，方便乘客的换乘 和进出站。由于乘客在使用通道和自动步道时自由度一般较低，所以设计者在设 计这类设施时，充分考虑了其通过能力对客流空间分布及安全疏散的影响，在实 际运营过程中，一般不会在通道和自动步道处产生客流拥堵或排队。因此，轨道 交通枢纽客流动态仿真的流线空间模型构建时，一般不必在这类设施处设置流线 节点。 2 2 城市轨道交通枢纽设施静态设计理论及方法 城市轨道交通车站是聚集和疏散乘客，并为乘客提供服务的场所，而轨道交 通枢纽是一种实现交通功能转换的场所，其不仅提供不同交通方式、不同方向的 乘客交通转换，而且还提供乘客必要的出行信息及候车服务。枢纽的设计应遵循 以人为本的设计理念，并尽可能的降低建设成本，符合节约型轨道交通规划设计 理念。 2 2 1 枢纽规模控制 我国城市轨道交通依照地铁设计规范g b 5 0 1 5 7 2 0 0 3 进行整体规划和具体 设施设计，充分参照了阶段客流预测的结果，做到了设计有理可依，有据可查， 已运营的车站在实际运营能力和服务设施提供等方面基本满足了乘客交通需求。 设计过程中，力求与地铁设计规范g b 5 0 1 5 7 2 0 0 3 规定标准统一，枢纽的规划 设计方案依据各站内建筑及设施的标准进行计算校核。其体量控制核算主要包括 的关键建筑规模要素有站台、通道、楼梯、自动扶梯等。 ( 1 ) 站台长度的确定 站台长度应采用远期列车编组长度加停车误差。实际计算中，在站位方案的 基础上，依据对设计车站所作的客流预测中的高峰小时客流量进行标定【删。 常用计算公式： 。 堡 3 6 0 0 p 式中： q ：车站的客流预测高峰小时值( p h ) t ：最短列车发车问隔( s ) p ：每节车厢的平均载客人数( p ) n ：列车编组数 则站台长度可由下式计算。 工一n f + c 式中： l 站台计算长度( m ) l ：每节车厢长度( m ) c ：站台长度佘量或备用空间距( 4 , - 1 0 m ) ( 2 ) 站台宽度的确定 依据具体站位条件，确定基本车站方案类型后，依据远期客流预测值、列车 编组长度、站台上设施包括立柱、楼梯和自动扶梯的布设形式及规模等具体参量 进行计算，确定站台最小宽度。以下分岛式站台和侧式站台进行分析l 刈。 1 ) 岛式站台 常用计算公式： 目一2 0 护1 + 曲+ 厅柱宽+ ( 楼梯宽+ 自动扶梯宽) 苫目。 式中： 以：岛式站台宽度( m ) 1 1 q ：远期每列车高峰小时的上下车设计客流量之和( p ) n ：站台横断面方向的立柱数目 p ：站台上人流的密度0 3 3 - 0 7 5 m 2 p ，通常取o 5 m 2 p l ：站台有效长度( m ) b ：站台边缘安全带( 黄色安全线) 宽度( m ) o m ：岛式站台允许最小宽度( m ) 2 ) 侧式站台 常用计算公式： 皿口? + 6 + b l2 b m 式中： 以：侧式站台宽度( m ) 研：乘客沿站台纵向流动宽度，一般取2 3 m 。一：无柱式侧式站台允许最小宽度( m ) ( 3 ) 连接设施的尺寸规模确定 楼梯、自动扶梯、通道和自动步道等设施是地面、站厅及站台层之间以及各 独立站厅和站台之间的有效连接设施，是枢纽内满足乘客在不同高差问穿行的唯 一接入接出设施，是城市轨道交通枢纽的重要组成部分之一。各种设施的设置数 量、规模及自身能力条件直接影响到枢纽的换乘效率以及整个轨道交通枢纽的客 流集散能力。以上各种设施的具体参数的确定应依据枢纽自身的通过能力要求， 并乘以超高峰小时系数，在满足乘客基本换乘需求及进出站疏散能力要求的前提 下，在各层之间上下兼顾、均衡布设，力求使客流在整个交通流线的所有节点上 均匀分布，尽量减少因某一设施能力不满足要求出现客流瓶颈而导致的区域乘客 交通流拥堵状况的发生。我国现行地铁设计规范g b 5 0 1 5 7 2 0 0 3 中对车站的各 种建筑及设施的尺寸规定如表2 - 1 所示。 表2 - 1 车站各部位的最小宽度要求【冽 t a b l e2 - 1t h er e q u i r e m e n to f w i d t hf o rs t a t i o nf a c i l i t i e s 名称 最小宽度( m ) 岛式站台 岛式站台的侧站台 侧式站台( 长向范围内设梯) 的侧站台 侧式站台( 垂直于侧站台开通道口) 的侧站台 通道或天桥 单向公共区人行楼梯 双向公共区人行楼梯 与自动扶梯并列设置的人行楼梯( 困难情况下) 消防专用楼梯 站台至轨道区的工作梯( 兼疏散梯) 站厅公共区( 地面装饰面至吊顶面) 地下车站站台公共区( 地面装饰面至吊顶面) 地面、高架车站站台公共区( 地面装饰面至风雨棚) 站厅、站台管理用房( 地面装饰面至吊顶面) 通道或天桥( 地面装饰面至吊顶面) 人行楼梯和自动扶梯( 踏步面沿口至吊项面) 2 2 2 设施能力控制 各种设施的设计规模一旦被确定下来，其基本通过能力也就相应的维持在一 个比较稳定的水平了。 疏散时间的计算一般采用下式计算，其评价标准为6 m i n i 2 9 。 r _ 1 + 砚硒q i 碉+ q 2o 9 p 。【一l j + 4 驯 式中： 丁 右台事故疏散时间( m i n ) 场列车载客人数( p ) 赐站台上候车乘客和站台上工作人员( p ) 自动扶梯通过能力( p ( m i n m ) ) 人行楼梯通过能力( p ( m j n m ) ) 自动扶梯台数 5 5 5 4 8 4 2 9 1 6 4 4 3 8”“他时3 3 拍“” 口人行楼梯总宽度( m ) 1 人员的反应时间( m i n ) 一1 计算中应考虑1 台自动扶梯损坏不能运行的几率 o 9 一( 一1 ) 台自动扶梯和人行楼梯通行能力按9 折折减计算。 表2 - 2 车站各部位的最大通过能力 t a b l e2 - 2t h e c a p a c i t yo fs t a t i o nf a c i l i t i e s 墅垡鱼整 量! ：堕望塾塾! ： l m 宽楼梯下行4200 l m 宽通道 l m 宽自动扶梯 人工售票口 自动售票机 人工检票口 自动检票机 上行 双向混行 单向 双向混行 输送速度0 s m s 输送速度0 6 5 m s 三杆式 门扉式 磁卡 非接触i c 卡 磁卡 非接触i c 卡 3 7 3 2 5 o 枷o 8 1 不大于9 6 0 0 1 2 3 2 枷 1 5 1 咖 1 咖 2 1 2 3 小结 本章主要围绕轨道交通枢纽内通行设施的静态设计方法展开论述，在对各种 通行设施进行特征描述的基础上，定性地分析了通行设施对客流的影响。基于客 流的交通需求，本章详细地阐述了基本通行设施的静态设计理论及方法，系统归 纳了站台以及其它通行设施的设计标准，为基于动态仿真技术的轨道交通枢纽辅 助设计及评价提供了定量参考。 1 4 3动态仿真技术的城市轨道交通枢纽设计适应性 现实世界是复杂事物的集合，按事物发展的固有规律，复杂事物问的相互联 系构成复杂的子系统，子系统之间的相互联系构成整个外在世界的系统。实体、 属性和活动所构成的系统三要素，是研究系统规律的切入点。将现实世界抽象 化、模型化产生了系统仿真的理论方法，结合计算机辅助设计技术，系统仿真达 到了新的应用高度，产生了计算机仿真。 进入计算机信息技术时代，系统仿真逐步发展为采用混合计算机、数字计算 机和全数字并行处理机的仿真，应用领域也随之更加广泛。至今，数字计算机已 成为系统仿真的主要工具。多数情况下，系统仿真即指数字计算机仿真。计算机 仿真的三要素是指系统、模型和计算机。与之相对应的三个基本活动是：系统模 型建立、仿真模型建立和仿真实验。相互关系如图3 1 所示。 图3 - 1 计算机仿真的三要素 f i g u r e3 - 1e l e m e n t so fc o m p u t e rs i m u l a t i o n 3 1 动态仿真技术及特点 3 1 1 系统仿真的基本内涵 ( 1 ) 仿真系统分析 仿真基于模型，模型的特性直接影响着仿真的实现。从仿真实现的角度以及 系统状态的变化特征来看，可将系统分为连续系统和离散事件系统两大类。连续 系统的状态变量是连续变化的，离散事件系统的状态变化只发生在随机时间点上。 由于这两类系统固有运动规律的不同，因而描述其运动规律的模型形式就有很大 的差别，相应地，系统仿真技术也分为两大类：连续系统仿真和离散事件系统仿 真1 3 2 i 。 分析城市轨道交通系统可知，各种服务设施构成整个系统，每种服务设施只 有两种状态，即“忙”状态和“闲”状态。乘客的到达和离开是在固定时段的随 机点上发生的，从而影响到整个系统的状态变化也是在随机点上发生的，随机点 上的离散事件特性决定了城市轨道交通系统属于典型的离散事件系统。 离散事件系统是指以实体为研究对象，以状态变量为实体性状的特征描述， 以事件为驱动状态变量问有序转化而形成活动的动因，并以一系列进程复合而成 的复杂系统。与离散事件系统相关联的基本概念有实体、事件、活动、状态、进 程、仿真钟和队列等。 ( 2 ) 离散事件系统基本特点 离散事件系统的状态变化特征是随机的，包括状态开始变化的时刻和变化的 趋势。这种多因素的随机变化特性，大大增加了用解析方法描述离散事件系统运 行机理的难度，因而几乎无法用一个统一的变化函数去描述整个过程。一般只能 借助于活动图或流程图，分析系统行为的统计性能而不是行为的点轨迹。同时， 离散事件的随机时刻驱动特性决定了系统内部状态的变化是有规律的，即只在随 机点上发生状态变迁，而在两个随机点之间，系统内部保持稳态。 ( 3 ) 轨道交通枢纽客流仿真发展历程 将计算机仿真技术应用到交通世界中的城市轨道交通枢纽系统，便出现了轨 道交通枢纽客流的动态仿真技术。动态仿真技术在轨道交通中的应用是系统仿真 理论和计算机技术在轨道交通枢纽系统中结合应用的结果。 图3 2 基于计算机技术的轨道交通客流仿真发展历程 f t g u r e3 - 2 t h ec o u r s e o f m t rs t a t i o n p a s s e n g e r f l o ws i m u l a t i o n 3 1 2 动态仿真的技术特点 ( 1 ) 动态仿真的技术优势 较之以往的系统分析技术，动态仿真技术在许多方面都具有无可替代的优势： 1 ) 擅长分析复杂的很难用数学解析方法求解的问题； 2 ) 注重系统的发展变化过程，能以更加丰富的形式揭示系统的内部规律； 3 ) 能够对不易直接进行实验的系统进行仿真和分析研究，节省能源和费用； 4 ) 能够根据实际需要进行系统仿真进程控制，节约分析时间。 ( 2 ) 轨道交通枢纽辅助设计作用体现 依据交通仿真模型对交通系统描述的细节程度的不同一般将交通仿真分为三 个基本层次，即宏观交通仿真、中观交通仿真和微观交通仿真。交通仿真的两个 核心研究内容是交通仿真模