（交通运输规划与管理专业论文）城市轨道交通车站进出站设施优化配置问题研究.pdf

中文摘要 随着我国城市轨道交通行业的快速发展，城市交通拥堵问题得到了有效的缓 解，同时也暴露出轨道交通车站内部设施与乘客交通流之间的不匹配性及不合理 性，单纯从运营组织及车站管制等方面已不能解决实质性的问题。因此，本论文 从设施的配置优化角度对进出站自动检票机、进出站楼梯及进出站通道等轨道交 通车站进出站设施进行了深入研究，旨在为乘客提供更优质的服务、吸引更多的 客源。本论文的研究成果可以为规划中轨道交通车站进出站设施的确定以及对既 有轨道交通车站进出站设施的评价改造提出理论基础，并为城市轨道交通行业内 标准的制定提供参考依据。 本论文首先分析进出站自动检票机、楼梯及通道等设施处乘客流所表现出的 交通特性，主要包括乘客流速度、密度、流量及时间之间的关系，并分析乘客在 设施物理参数、性能等条件影响下的行为特征。 然后以排队论和交通流理论为基础，针对高峰时段进出站自动检票机处产生 的乘客排队现象，对其进行排队系统分析，提出了优化设施配置的评价指标。并 对进出站楼梯类设施进行乘客排队机理研究，分析楼梯类设施不同组合对乘客疏 散作用的影响。紧接着针对进出站通道设施瓶颈处产生的“拉链效应 现象，进 行了通道分层及通行能力计算与分析。 最后基于u m l 建模语言对进出站自动检票机处的排队系统建立仿真模型，绘 制仿真模型活动图、简单类图、对象状态图、顺序图等排队系统相关模型图，并 提出遗传算法和仿真技术相结合的排队系统优化方法。以王府井地铁站为实例， 确定了最优的进出站自动检票机数量、配置了出站楼梯与自动扶梯的最佳组合及 对进站通道处瓶颈的缓冲段进行了设计，使各类设施的配置得到了优化，达到了 研究的目的。 关键词：轨道交通进出站设施：乘客流；优化配置；排队系统 分类号：u 1 1 5 a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n tf o ru r b a nr a i l w a yt r a n s i ti n d u s t r yi n c h i n a ，t h et r a f f i c j 锄p r o b l e mh a sb e e nr e l e a s e de f f e c t i v e l y a tt h es a m et i m e ，t h en o n 。m a t c h i n gp r o b l e m a n du n c o n s c i o n a b i l i t yc a u s e db yi n n e rf a c i l i t yi nr a i l w a yt r a n s i ts t a t i o na n dp a s s e n g e r f l o wh a v ea l s ob e e nr e v e a l e d i no r d e rt os u p p l ym o r eh i l 曲q u a l i t ys e r v i c ea n da t t r a c t m o r ep a s s e n g e r s ，s o m ea l l o c a t e df a c i l i t i e s ，i n c l u d i n ge n t e r i n g a n dl e a v i n ga u t o m a t i c f a r ec o l l e c t i o n ，s t a i r w a ya n dp a s s a g e w a y , a r ed e e p l y f o c u s e di n t h i sp a p e rf o r o p t i m i z a t i o n t h er e s e a r c hr e s u l t sc a r tb et h eb a s i sf o ra s c e r t a i n i n ge n t e r i n ga n d l e a v i n g f a c i l i t yi np l a n n i n go fu r b a nr a i l w a ys t a t i o na n dr e f e r e n c e f o rm a k i n gs t a n d a r do fu r b a n r a i l w a yt r a n s i ti n d u s t r y f i r s t l y , s o m ep a s s e n g e rt r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c si nt h r e es o r t so fe n t e r i n ga n dl e a v i n g f a c i l i t i e sa r ea n a l y z e d ，s u c ha ss p e e d ，d e n s i t y , f l o wa n dt i m er e l a t i o n s h i p b e s i d e s ，s o m e be _ h a v i o rc h a r a c t e r i s t i ca f f e c t e db yf a c i l i t yp h y s i c a lp a r a m e t e r sa n dc a p a b i l i t ya r ea l s o r e s e a r c h e d s e c o n d l y , a c c o r d i n gt oq u e u e i n gt h e o r ya n dt r a f f i c f l o wt h e o r y , t h eq u e u e m g s v s t e mi ss t u d i e di nt h i sp a p e ra i m i n ga tp a s s e n g e rq u e u e i n gp h e n o m e n o ni na f c a t r u s hh o u r a n dt h e ne s t i m a t i n gt a r g e t sf o ro p t i m i z i n gf a c i l i t ya l l o c a t i o na r ep u t f o r w a r d t h eq u e u e i n gm e c h a n i s mi ns t a i r w a yi sr e s e a r c h e dt oa n a l y z ee v a c u a t i n ge f f e c to f d i f f e r e n tc o m b i n a t i o n so fs t a i r w a y s t h es l i d ef a s t e n e re f f e c t ，w h i c hc a nb e s e e ni n p a s s a g e w a yb o t t l en e c k ，i sa l s os t u d i e dt oa n a l y z ep a s s a g e w a yl a y e ra n dp a s s i n g a b i l i t y a tl a s tu m lm o d e l i n gl a n g u a g ei su s e dt os e ts i m u l a t i o nm o d e lf o rq u e u e i n g s y s t e mi ne n t e r i n ga n dl e a v i n ga f c t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o dc o m b i n e dw i t hg e n e t i c a l g o r i t h ma n ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi s a d v a n c e d i nt h i sp a p e rw a n g f u j i n gs u b w a y s t a t i o ni sr e s e a r c l l e d a sa ne x a m p l e t h em o s to p t i m u ma m o u n t o fa f ca n d c o m b i n a t i o no fs t a i r w a ya n da u t o s t a i r w a ya lea s c e r t a i n e da n da l l o c a t e d t h ec u s h i o n a r e ai np a s s a g e w a yb o t t l en e c ki sd e s i g n e d a l ls o r t s o ff a c i l i t i e sa r ea l l o c a t e df o r o p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：e n t e r i n ga n dl e a v i n gf a c i l i t yi nu r b a nr a i l w a y t r a n s i ts t a t i o n ； p a s s e n g e rf l o w ；a l l o c a t i o no p t i m i z a t i o n ；q u e u e i n gs y s t e m c l a s s n o ：u 11 5 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： 签字日期：年月日 7 1 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， 提供阅览服务，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：蔼右k 签字日期：y 哆年月i 日 导师签 签字日期 扮勿 月i f 日 致谢 本论文是在我的导师袁振洲教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、思路 挖掘、研究方法及最终的定稿等，袁老师都给了我很多的启迪和帮助，在此向袁 老师表示深深的感谢。除此之外，从本科毕业设计跟随袁老师至今已近三年时间， 袁老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的影响，无论在为人处事方 面还是科学研究方面，老师的一言一行都给予我深远的榜样力量。无以言谢，只 能深深鞠上一躬，以此表达对袁老师科研上谆谆教诲及生活上切切关心的感谢。 在撰写论文期间，实验室的曹守华博士、李艳红博士、吴先宇博士、赵莉博 士、李明华博士、马莉硕士、张娟硕士、陈静云硕士、田梦硕士等对我论文中的 研究工作给予了热情帮助，在此也向他们表达我的感激之情。 另外还要感谢我的父亲和母亲，是他们给我创造了潜心求学的环境和基础， 无论在学习、生活中还是在求职、论文撰写期间，他们的默默支持都给了我极大 的信心去经历这一切，让我能够安心并顺利完成学业。 毕业之时，即将离开学习、生活了六年的交大和运输学院，心中充满无限的 不舍之情，最后衷心希望各位老师、同学身体健康，一切顺利。 1 绪论 1 1 研究背景与意义 本论文选题来源于国家自然科学基金资助项目“城市轨道交通枢纽乘客乘行 行为和交通特性分析理论及应用研究( 批准号：5 0 7 7 8 0 1 6 ) 9 99 研究内容结合基 于乘客乘行行为和交通特性的车站设施配置适应性分析任务而展开。 随着国民经济的快速发展，我国城市化进程得到了极大的促进。在城市化建 设如火如荼进行时，不可避免地产生了城市交通拥堵问题，从而促进了城市轨道 交通的大规模建设。发展城市轨道交通也己成为我国的主要技术政策之一，国务 院、建设部曾以文件形式指出，大城市客运交通应采取逐步发展轨道交通为主的 方针，建立“多层次、立体化的综合交通体系”。1 9 9 4 年国务院通过了中国2 1 世 纪议程中国2 1 世纪人口、环境发展白皮书，指出我国城市交通的近中期 目标：建成和城市交通量基本相适应的城市道路网络系统，在流量大的交通走廊， 规划建设大容量的快速轨道交通和地铁客运交通，发展多种形式的城市客运交通 工具。如北京市将在2 0 1 5 年完成1 9 条，总长为5 6 1 公里的轨道交通线路建设； 上海市将在2 0 1 2 年前新建1 0 条轨道交通线路，总运营里程将达到5 1 0 公里】。同 时，一批新兴城市如宁波、大连、厦门、郑州、东莞、长沙、无锡、南宁、乌鲁 木齐、常州、福州、昆明、石家庄、佛山、南昌、济南、青岛、贵阳等正在积极 编制城市轨道交通线网规划及近期建设规划，有的城市建设规划已经上报国家主 管部门待批。大规模的基础设施建设促进了轨道交通领域的科学研究，而以往的 轨道交通科学研究主要偏向于线网规划布局、客流预测、车站设计等方面，对轨 道交通车站内部设施配置与乘客交通流两者之间的匹配问题研究较少，为了更有 效地缓解地面交通压力和拥堵及更充分地发挥轨道交通优势，轨道交通工程研究 需更多地关注乘客交通流与轨道交通车站内部设施配置的相互关系研究，使设施 配置能较好地满足乘客的需求及提供更优质的服务，这就产生了城市轨道交通车 站设施优化配置问题的研究需要。 在城市轨道交通车站的众多设施中，进出站设施配置的合理性及适应性直接 关系到对乘客的吸引及服务质量问题，具有重要的研究意义。因此本论文主要针 对进出站设施，包括进出站自动检票设施、进出站楼梯类设施和进出站通道类设 施等进行优化配置研究。在研究进出站乘客流交通特性及行为特征和概率分布规 律的基础上，通过研究其机理、建立相关模型及进出站设施优化配置评价指标， 对车站进出站设施配置进行仿真。特别在进出站自动检票设施配置的研究方面， 传统的微观层面上的设施配置指标评价的建立与取值多是基于静态条件下的数学 估计。同时，指标的评价标准往往难以确切给出，这样的估算方法依赖于大量的 数学简化与假设，无法有效地反映车站设施在评价目标方面的真实性能。因此， 对轨道交通车站进出站设施进行基于动态乘客交通流特性的仿真研究，旨在提高 设施利用率、改善服务质量及实现乘客满意度与投资规模的最佳组合，以减少城 市轨道交通建设前期投资和运营维护费用。并可以为城市轨道交通设计、运营部 门在确定车站自动检票机等设施配置情况时提供决策依据。 1 2 研究的内容与方法 1 2 1 研究的范围及主要内容 在轨道交通系统中，车站各类设施是系统运行的主要设施，也是系统运营过 程中不可缺少的组成部分。非枢纽性质的轨道交通车站设施主要包括：进站设施、 出站设施、候乘设施等。本论文的研究将轨道交通车站进出站设施配置优化问题 界定为车站内部进出站设施配置与乘客流相互之间的影响及作用。研究对象为轨 道交通车站中的进出站设施，包括：进出站自动检票设施、进出站楼梯类设施及 进出站通道类设施。主要研究内容如下： ( 1 ) 轨道交通进出站设施处乘客流交通特性及行为特征分析。在数据采集的 基础上，分析进出站设施，包括进出站自动检票机、进出站楼梯和自动扶梯及进 出站通道处的乘客流交通特性和行为特征，并建立相应模型，得出不同设施处乘 客流的速度、密度、交通量及时间之间的关系。 ( 2 ) 进出站设施优化配置评价指标的建立与分析。在以上研究基础上，应用 排队论和交通流理论，对进出站自动检票机、楼梯及通道处的乘客到达规律等进 行研究，并根据自动检票机等设施的服务能力、规模、经济成本等参数，从设施、 乘客等角度分析并建立各类进出站设施的优化配置评价指标。 ( 3 ) 进出站自动检票设施处乘客排队系统仿真模型构建。依据进出站自动检 票机与乘客流之间的相互影响，分析进出站设施的规模参数设计与配置情况是否 适应和满足乘客的进出站需要。采用u m l 建模语言，构建仿真模型，设计优化算 法并进行程序编写。最后将实例应用于模型中，通过多方案比选，对各项指标进 行计算和分析，得出车站进出站设施配置优化的评价结果，并提出建议和对策。 1 2 2 研究的思路及方法 本论文通过大样本量的轨道交通车站进出站设施处的乘客交通特性和行为特 2 征参数调查，在分析进出站乘客流交通特性的基础上，对乘客流的到达和离站规 律进行研究，建立进出站乘客排队系统及进出站楼梯、通道设施配置评价指标。 并构建进出站设施优化配置仿真模型，最后通过实例应用对研究方法进行检验， 并得出评价结果，研究思路见图1 1 。 图1 1 论文思路结构图 f i g u r e1 - 1i d e a i s t i cs t r u c t u r eo f p a p e r 1 3 国内外研究现状综述 1 3 1 国内研究现状 随着我国轨道交通运输方式在城市发展中起到的作用越来越重要和明显，轨 道交通车站设施配置适应性和合理性方面的研究也随之展开，并取得了一定的研 究成果。 汪晓蓉【2 】( 2 0 0 1 ) 从地铁车站人员疏散的角度，对车站设施配置进行了分析和 探讨，指出应该引入行人群的概念，针对旅客的心理因素、紧急疏散时客流的特 性等进行专题研究，以便摸索出科学的办法进行设施配置设计。北京市城建设计 研究院沈景判3 】( 2 0 0 1 ) 通过分析车站站台上旅客分布的动态变化情况，引入乘客 动态分布概念，提出站台宽度确定的新方法。同济大学王磊、杨晓光【4 】( 2 0 0 3 ) 等 提出了基于行人群体与服务水平相关性的地铁站乘客步行通道的优化设计方法。 上海市城市建设设计研究院饶雪平【5 】( 2 0 0 5 ) 介绍了排队系统基础理论在轨道交通 车站扶梯延误估计方面的应用。 轨道交通进出站设施的配置合理性及科学性对于车站整体服务水平有着重要 的影响。特别是进出站自动检票机的配置直接影响着乘客进出站的效率及舒适程 度。目前国内已经对进出站设施的配置适应性问题展开了研究，但仍处于起步阶 段。同济大学刘明姝、张国宝【6 】( 2 0 0 4 ) 应用排队系统理论及仿真分析方法，研究 城市轨道交通进站检票机配置方案，说明了仿真分析方法在设施合理配置方面的 有效性与可用性。深圳市地铁有限公司永秀、彭北华【7 】( 2 0 0 2 ) 针对城市轨道交通 中乘客满意度与投资规模和服务设施数量的矛盾，引入排对论和相应的数学模型， 推导出了顾客停留时间损失费用和企业提供服务员或设施支出费用的总费用优化 模型，可以在总费用最少的条件下，提供科学而合理的服务员或设施数目，以最 佳的服务争取客流，提高运营效益，实现乘客满意度与投资规模最佳的组合，以 减少城市轨道交通前期投资和运营维护费用。上述研究中，虽然部分研究引入了 乘客的动态特征，但从理论方法层面主要依赖于数学建模方法进行乘客消耗时间、 走行距离、分布状态等的估算，对于车站设施与运输组织对乘客集散效率、效果 及作用的研究较为欠缺，且在应用规模和程度方面仍较为有限。 在交通设施评价方面，国内学者也有运用仿真技术探讨车站内部客流集散及 设施协调性问题。北京交通大学李得伟等【8 】( 2 0 0 6 ) 结合多智能体建模方法和计算 机仿真技术，以城市轨道交通车站为例，提出交通车站内部客流集散及设施协调 性微观仿真模型，提出了基于流线范围的车站环境表示方法，探讨了车站系统仿 真中智能体的个体行为模型、运动规则、碰撞检测以及相互通信与合作等问题， 最后给出实验结果和结论。基于该模型的实验仿真平台m t r p e d s i m ，可以研究 交通车站内部设施布局的合理性和旅客复杂行为对交通车站设施所产生的影响。 北京交通大学张建勋等【9 】( 2 0 0 7 ) 等提出了通过动态模拟地铁车站站内乘客疏散的 方法来评估车站的集散效率，借助路面交通管理和控制的成熟办法和v i s s i m 软 件，在此基础上进行车站抽象建模、地铁换乘车站的参数校核及车站内乘客模拟， 并以案例的形式对其进行了应用，取得了较好的效果。张琦等【lo 】( 2 0 0 7 ) 提出以 乘客行为特征为基础的动态评价方法，建立了车站乘客行为模型与车站环境抽象 模型，并且进一步结合评价目标，构建了基于动态评价的指标体系，为车站评价 采用全新思路与手段起到了借鉴作用。 4 1 3 2 国外研究现状 国外如纽约、伦敦等大城市轨道交通线网的建设已经比较成熟，对车站的研 究分析不再局限于车站的宏观、微观层面的评价分析，而是将注意力放在依托仿 真工具考察行人服务水平状况和车站设施量化评估。突出的表现就是针对车站设 施内行人走行过程，开发各种仿真软件进行模拟评估。 h a r r i s i l 】( 1 9 8 5 ) 改良了道路交通中的m i c r o t f i p s 模型，并首次用于伦敦的 地铁车站乘客模拟中。随后伦敦地铁( l u ) 开发了s c m ( s t a t i o nc o n g e s t i o nm o d e l ) 模型，用于模拟各种设施条件下的乘客延误情况。但是s c m 是基于固定o d 对的 假设的模拟模型，这和实际中是有出入的。针对s c m 的缺陷，v a nv l i e t 1 2 】等( 1 9 8 7 ) 开发了p e d r o u t e 软件，旨在实现行人路径选择、行人行为表达和客流组织等特定 功能。 行人仿真软件用于行人服务水平考察和车站设施评价方面的有d a a m e n 1 3 j ( 2 0 0 2 ) 基于多智能体( m u l t i a g e n t ) 软件s t a r l o g o 进行二次开发的s i m p e d ，其 原理是利用元胞自动机关于行人换道的假设。d a a m e n 在应用描述行人流特征的 s i m p e d 进行火车站设计量化评估的研究中，明确提出了基于静态条件的传统车站 设计方法和规则，既有设计规则缺乏有力的科学基础的支持，并指明与换乘站相 关的行人动态行为应当在设计时予以考虑，以便于预测车站结构在实际运营中的 效果。d a a m e n 和h o o g e n d o o m 1 4 】( 2 0 0 4 ) 开发出表现行人个体特性的微观模型仿 真软件n o m a d ，并将其进行了实际应用，预测进站闸机设置对行人流拥堵水平、 平均走行时间、延误等的影响。另外已经应用于实际的行人模拟软件有l e m o n ， l e m o n 软件是英国l e m o n 公司开发的专用于公共场合紧急疏散评价的仿真系统， 曾用于悉尼奥运会和北京奥运会的场馆疏散模拟研究。 排队系统在自动检票设施配置研究中普遍涉及。在批量到达的排队模型中研 究的较多的是m z g 1 排队模型。首先在2 0 世纪6 0 年代的早期的著作中s u z u k ，t 【1 5 】、t k a c s 1 6 】等人针对基本形式的m x g 1 排队模型作了一些研究，获得了一些排 队指标。之后，1 9 7 5 年b u r k e ，p j 1 7 】研究了有延迟的m x g 1 排队模型，1 9 7 9 年 c h a u d h r y t ”】研究了m x g 1 排队系统及其分支情况，对经典的m xi g l l 排队模型 进行了一些扩展，获得了更多的排队指标。同时c h a u d h r y 指出了补充变量法的优 点，并且用它来研究m x g 1 排队模型，从此补充变量法成为研究m x g 1 排队 模型的重要工具。此后各种规则逐渐被引入到m 石g 1 排队系统中。例如b a b a ，y 【i 刿 在1 9 8 6 年研究了具有休假时间的m x g 1 排队模型，1 9 8 7 年b a b a ，y 【2 0 】又讨论了 后到先服务规则下，带休假与不带休假的m zi g i i 排队模型。2 0 世纪9 0 年代以 来各种休假策略和n 策略也被引入到m x g 1 排队模型中。例如：1 9 9 3 年 r o s e n b e r g ，e ，y e c h i a l i t 2 l 】研究了后到先服务规则下单重休假与多重休假的 m x g i 排队模型。1 9 9 4 年和1 9 9 5 年l e e ，h w ，l e e s s ，c h a e ，k c 2 2 】等人对n 策略单重休假及多重休假的m g 1 排队模型进行了深入的研究，得到了比较丰 富的排队指标和随机分解等结果。到2 1 世纪初c h o u d h u r y , g 1 2 3 】讨论了启动时间和 休假时间相结合的m g 1 排队模型也获得了很多成果，更复杂的情形则是把以 上多种规则相互结合起来。 6 2 轨道交通进出站设施及乘客交通特性分析 2 1 轨道交通进出站设施对象及特征分析 2 1 1 轨道交通车站设施及特征 城市轨道交通车站内部设施包括：交通工具服务设施、乘客服务设施、信息 诱导设施三部分组成( 如图2 1 所示) 。这些设施作为轨道交通车站的有机组成部 分，相互制约、相互协调，充分发挥各自的功能和优势，促使系统达到整体功能 的最优化，为实现出行者乘行舒适、安全和时间最短这一总体目标而服务。 图2 1 城市轨道交通车站设施分类图 f i g u r e2 - ic l a s s i f i c a t i o no ff a c i l i t yi nu r b a nr a i l w a yt r a n s i ts t a t i o n ( 1 ) 交通工具服务设施 轨道交通车站的交通工具服务设施包括轨道及列车。轨道提供列车运行的承 载、动力等环境。这部分设施在整个轨道交通线网设计、建设过程中既已设定， 可变性较小。 ( 2 ) 信息诱导设施 信息诱导设施分为静态信息诱导标识和动态信息诱导标识两部分。根据其功 7 能又可以分为线路及车站识别标识、方向性标识、信息图、说明性标识、警告性 标志等。采用信息诱导系统的目的主要是确保乘客使用各类设施的整个过程均能 顺利且安全地完成。 ( 3 ) 乘客服务设施 地铁车站内提供乘客使用的设施空间，根据乘客的移动方式可分为平面空间 与垂直移动设施两类。其中主要提供乘客使用的平面空间包括车站出入口、检票 类设施及通道、大厅、安检机等；垂直移动设施则有楼梯、自动扶梯及斜坡等。 平面空间设施：地铁车站内部空间的组成，可区分为主要供乘客使用的公共 区与供营运人员使用的非公共区，公共区包括车站出入口及通道、大厅、站台等 平面空间，其中大厅又以验票闸门为界划分为付费区和非付费区；非公共区则是 地铁公司运营人员执行工作的区域，包括员工办公室、营运室及机房等。 垂直移动设施：地铁设施内部垂直移动设施包括楼梯、自动扶梯及斜坡等。 需配置楼梯、自动扶梯及斜坡的空间主要分布在：一是设置在地铁车站进出口处， 以连接地面和车站大厅：二是设置在大厅付费区，以提供乘客通往站台。斜坡则 多设置在电梯出入口处，与站外路面衔接，方便残障乘客通行。 区别于人行道、人行横道、过街天桥、地下通道等普通的行人交通设施，城 市轨道交通车站具有一些特殊性，使乘客在内部的活动行为发生变化。综合比较 得出，城市轨道交通车站的以下四个特征对乘客的行为影响最大。 ( 1 ) 封闭性：城市轨道交通车站是一个相对封闭的交通空间。行人在封闭的 空间内方向性差、行走压力较大、速度较平常快。调查显示，中国乘客在封闭交 通车站中平均行走速度为1 4 9 米秒，高于商场购物中的行人步速1 1 6 米秒和休 闲区中的行人步速1 1 米秒【2 4 】。在快速的行进中，乘客之间更加容易发生相互作 用，如相互拥挤、碰撞等。从消防角度看，车站与外界的联系主要是出入口，发 生火灾时，疏散、扑救难度大，其出入口既是疏散口，又是烟、热排出口和扑救 时消防人员的进出口，对人员的安全疏散造成了极大的困难。 ( 2 ) 串联性：城市轨道交通内的所有设施相互串联，从进入车站开始，到完 成服务的过程中，乘客需要经过一系列串联设施，并且选择性较少。也就是说， 对于目的相同的一类乘客( 如换乘乘客) ，他们需要经过的步行设施无论从类型还 是从顺序上都基本相同，因此他们更容易出现盲从行为。 ( 3 ) 设施类型复杂，且布置受到诸多限制。城市轨道交通车站里面的设施一 般包含了服务设施和步行设施，它们的使用状态伴随着客流的波动而变化。各种 设备的规模、类型不仅受到客流水平的限制，还受到施工条件的影响。为了达到 完成出行的目标，乘客有时不得不选择一些与平常不同的行为，以适应车站内复 杂的设施布局。 ( 4 ) 大运量：城市轨道交通作为大容量的公共交通，客流在时间和空间上的 分布都具有明显的不均衡性，大量的客流在车站内移动时己经不同于正常情况的 交通行为，这些行为大多数呈现非线性动态特性( n o n l i n e a rd y n a m i c s ) ，或称为 拥挤行为。 轨道交通系统整体功能和效应的发挥有赖于系统和环境、系统和目标以及系 统各组成部件的相互作用，或者说，子系统的相互作用可以在宏观层次上形成某 种系统的整体效应和宏观结构。 本论文研究的轨道交通进出站设施在众设施中具备重要作用，轨道交通进出 站设施系统协调的目的就是希望通过某种方法来组织或调控所研究的系统，使之 从无序转换为有序，使系统达到最优状态。进出站设施是实现乘客进站和出站目 的的工具和载体。轨道交通进出站设施系统协调性即是进出站设施和乘客两者之 间通过相互影响和相互作用而实现整个系统在设施配置及乘客服务需求上的协 调。 从乘客需求方面分析：轨道交通车站进出站设施的服务实现落实在乘客上， 乘客在进出站场景下具有特定的心理、行为、空间感觉、时间价值等要求。本着 “以人为本 的设计和服务理念，进出站设施应尽量符合乘客需求，提供优质、 舒适的服务。乘客的进出站需求主要包括： ( 1 ) 顺畅性：乘客使用进出站设施的目的是为了i l i o n 、畅通地到达列车候乘 设施及离开车站。自动检售票机、进出站通道和楼梯等进出站设施可满足乘客进 出站的顺畅性要求。 ( 2 ) 便捷性：轨道交通进出站大厅内设施众多且复杂，乘客希望能方便、快 捷地完成进出站目的，因此进出站设施配置的合理性及设施标示的功能性直接影 响到乘客的心理和时间要求。 从进出站设施方面分析：进出站设施的配置情况是否能与乘客服务需求相协 调是轨道交通进出站设施系统研究的核心，主要分析进出站自动检票机的数量等 配置情况及进出站楼梯、自动扶梯及通道的物理属性和通过能力是否适应乘客的 进出站需求。 2 1 2 轨道交通进出, i d i 自动检票设施对象分析 本论文的研究重点是轨道交通进出站自动检票设施的优化配置问题，因此对 轨道自动检票系统进行介绍。2 0 世纪7 0 年代以来，自动售检票系统在世界各国地 铁中得到了广泛的应用。当时大多是以磁卡为车票介质的自动检售票系统，但磁 卡技术所固有的设备和零部件价格昂贵、故障率高、设备维护工作量大、维护成 9 本高( 每年的维护费用占到系统投资的1 5 t 2 5 】) 、乘客操作不便等缺陷一直困扰 着地铁运营商。九十年代以来，澳大利亚、法国、日本、新加坡等国家相继出现 了非接触式i c 卡的自动售检票系统。随后亚洲的汉城、釜山，吉隆坡，香港、上 海等城市的地铁也开始进行技术改造，出现了磁卡和非接触式i c 卡同时作为车票 的自动检售票系统。非接触i c 卡以其高安全保密性、大存储容量、环境适应性强、 易与计算机系统交换数据等特点，特别是操作方便、完成交易时间短的突出优点 正在使其在交通运输领域得到更加广泛的应用。我国自动检售票系统研究起步比 较晚，2 0 世纪8 0 年代末才开始研究自动检售票系统设备。随后，由于得到了香港 地铁的建设、运营经验以及国际著名厂家的产品和系统介绍，1 9 9 8 年底至1 9 9 9 年 初，自动检售票系统在上海和广州的城市轨道交通中投入使用，并逐步展现出其 良好的票务管理水平和高效的客流处理能力，使地铁公司票务收益管理实现了以 最少的人力物力，高效低成本的运作，自动检售票系统所发挥的作用令设计者、 建设者和乘客接受了它【2 6 1 。2 0 0 6 年5 月1 0 日，北京地铁也投入使用了以非接触式 i c 卡为车票介质的自动检票机。 自动售检票系统( 即a u t o m a t i cf a r ec o l l e c t i o n ，简称a f c ) 是以磁卡( 纸制 磁卡和p e t 磁卡) 或智能卡( 非接触式i c 卡) 为车票介质，利用自动半自动售 票机、自动检票机等终端设备，并通过计算机网络实现地铁运营中的自动售票、 自动检票、自动收费、自动统计的封闭式票务管理自动化系统，是集计算机技术、 网络技术、现代通信技术、自动控制技术、非接触式i c 卡技术、大型数据库技术、 机电一体化技术、模式识别技术、传感技术、精密机械技术等多项高新技术于一 体的大型系统。 自动售检票系统通过安全、可靠、保密性能良好的计算机网络可实现自动售 票、检票、计费、结算、统计、生成报表、设备监控、维护管理等工作，以及实 现车票库存、初始化、分发、销售、回收、循环、挂失等全过程自动化管理，并 能自动形成客流统计、收入审核以及决策分析等运营管理信息源。随着我国i c 卡 应用技术的日臻完善和成熟，城市公共交通和公用事业的不断发展，人们生活水 平的不断提高，自动售检票系统终将被纳入城市公共交通或公用事业“一卡通” 系统，并成为其重要的子系统之一。 自动售检票系统一般由计算机系统、售检票设备、乘车凭证、网络通讯系统 以及配套系统五个部分所组成，其中的售检票设备是自动售检票系统的基础，它 主要由售票机和检票机两部分所组成。售票机包括自动售( 补) 票机和半自动售 ( 补) 票机；检票机包括进站检票机、出站检票机和双向检票机。此外，还有自 动充值机、自动转账机、自动验票机、自动兑币机等设备。自动检票机主要分为 三杆式和门式两种： 1 0 ( 1 ) 三杆式检票机 三杆式自动检票机采用欧美流行设计方式。当三杆式检票机识别到一张磁卡 或非接触式i c 卡有效时，即开启三杆，使三杆在一定的时间( 一般为8 秒) 内允 许三杆向一个方向转动1 2 0 度，使其能顺利通过。如果在规定时间内无人通过三 杆，三杆将自动锁定。 ( 2 ) 门式检票机 门式自动检票机采用日式流行设计方式。门式检票机较三杆式检票机的优点 是其设计思想非常人性化，而且每分钟允许通过的人流量也要比三杆式检票机多 近一倍，因此更适合安装在火车站或飞机场这些人流需要携带大量行李的场所， 但门式检票机也存在一定的缺陷，即在不伤害用户的前提下，如何正确地分辩非 法用户，使其无法进入。这也对软、硬件设计者提出更高的要求。此外，门式检 票机可根据人流量的大小，设置成常开式或常关式两种。常开式检票机主要用于 人流密度大的场所，当检票机在识别到一张车票无效或有人不插入车票闯入时， 才自动关闭门；而常关式检票机主要用于人流相对较少的场所，当检票机在识别 到一张车票有效时，才打开门，等待用户通过后，马上关门。常关式检票机无论 从硬件开销还是软件难度上都比前者容易和简单很爹z 7 1 。 进出站检票设备一般设置在地铁车站的付费区和非付费区之间，以人工或者 自动方式为行人提供检票服务。服务时间受作业人员、设备参数以及行人自身等 因素影响。高峰时段往往容易造成排队等待，排队队列对检售票大厅区域内的行 人密度与行人流线切割造成显著影响。进出站检票设备的单位时间内通过能力是 决定进出站检票设备是否能够提供较高服务质量的重要因素，乘客经过进出站检 票设备的平均时间以及设施的平均排队长度是评价进出站检票设施的常用指标之 2 1 3 轨道交通进出站楼梯类设施对象分析 进出站楼梯类设施包括：楼梯和自动扶梯，辅助乘客实现车站内不同高差功 能区域的通达及转换，通常作为不同高差的位置区域之间的纽带。其主要的布设 功能及布设位置包括：车站进出站口、候乘大厅接进与导出、不同高差的通道衔 接。 楼梯：楼梯的坡度、踏步的高度和深度、以及表面材料的耐磨与防滑性等是 设计应考虑之重点。楼梯配置时除应考虑客流量外，还应考虑乘客步行距离，因 为楼梯是垂直移动设施中最需要耗费体力的设施，其配置区位如需乘客大量步行， 容易造成乘客另觅其他垂直移动设施，导致该处楼梯因无人使用而丧失逾期功能。 自动扶梯：自动扶梯是保证轨道交通车站内乘客快速、平稳地实现不同平面 间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 米秒和o 6 5 米秒， 通过能力分别为8 1 0 0 小时和不大于9 6 0 0 人d , 时【2 引。使用自动扶梯所需耗能及 使用时间较楼梯少，因此国外地铁车站内配置的垂直移动设施多以自动扶梯为主， 自动扶梯的需求量应根据正常营运以及紧急状下的高峰时段流量，对照设施流量 而决定，且自动扶梯的上行、下行设置也应该根据预测客流量、垂直移动设施、 结构限制以及空间条件而定。 2 1 4 轨道交通进出站通道类设施对象分析 通道用于连接车站的不同功能空间，是乘客流线引导的重要方式。依据开放 程度与流线组织特点，可以将通道划分为如下类型： ( 1 ) 开放式通道：连接车站地区下沉式广场和建筑物的其他功能空间( 如商 业空间等) ，或者由此直接连接地面。地下宽阔的用于通行的通道建筑亦可以认为 是开放式通道。 ( 2 ) 封闭式通道：通过独立的通道及楼梯或者自动扶梯直接连接不同功能区 域，如封闭、狭长的地铁站进出站通道和换乘通道。 ( 3 ) 半封闭式通道：车站与建筑物地下层商业空间直接相连，通过建筑物内 部疏散到地面。 上述不同类型通道除开放程度与流线组织有区别外，行人在通道中的走行特 征也不一样，最大的不同之处在于走行速度：速度从大到小依次为封闭式通道、 半封闭式通道、开放式通道。 有人将通道分成进站通道、出站通道、换乘通道，这种划分方式是根据通道 的功能角色而定的。如果就行人在这三种通道中的行为特征以及行人在其中的服 务水平感受而言，上述划分的三种通道可以当作同一类型步行设施研究，即通道 类步行设施。 自动步行道是一种自动化输送设备，与通道功能类似，可以认为是一种为提 高通道通行能力而设置的特殊通道。 2 2 轨道交通进出站设施处乘客流交通特性分析 2 2 1 进出站自动检票设施处乘客流交通特性分析 乘客到达车站是一个随机过程，通过实际的统计调查可以得到乘客到达车站 1 2 的分布规律，根据乘客到达规律，设置合理数量的检票机，调节其服务时i 白j ，使 其能力利用率、乘客平均排队长度和平均等待时间等系统运行指标控制在乘客可 以接受的范围内，并满足高峰时段客流通过的要求。乘客购票后或持卡准备从非 付费区进入付费区候车时，首先到达自动检票机，接受检票设施服务，但是在客 流高峰时段，乘客并不能直即得到服务，而是在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检票机时形成自动渠化队列，排队现象发生。 自动检票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。此时自动检票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，图2 2 为检 票设各处乘客所处的不同阶段示意图。 - 圈一一 章i j 二= 、，= = i 旨i = = 二二：= 茜蓄r 一一一 1 芏i2 - 2 检票设各处乘客所处阶段 f i g a t t e 2 - 2p a s s e n g e r s p o s i t i o n i n a f c 高峰时期乘客进站或出站时，到达自动检票机前可以保持较正常的行人走行 速度，进入排队系统之后，速度降低，进入排队等候状态，进入检票机接受服务 时，速度出现回升趋势，图2 3 为进出站自动检票机处的乘客速度一位置关系图。 季l6 0 * 运i4 0 12 0 10 0 0 8 0 0 6 0 0 , 4 0 02 0 00 0 10 020 030 040 050 060 070 080 090 0 月自f * ) m # n 4 度# n 4 g e * 度 幽2 3 进山站自动检祟机乘客走行述度位置关系 f i g u r e2 - 3p a s s e n g e r ss p e e d p o s i t i o n r e l a t i o n s h i p i n a f c 厂 由图2 3 可以看出进出站检票机处乘客的速度与所处位置的关系。其中0 2 米 范围表示乘客即将进入排队系统的区域，此区域内乘客的平均速度为o 9 8 米秒( 蓝 色区域所示) ；2 - 4 5 米范围表示乘客排队系统区域，此区域内乘客的平均速度为 0 4 7 米秒；4 5 6 2 7 米范围( 北京地铁系统内自动检票机长度为1 7 7 米) 表示乘 客检票区域，此区域内乘客的平均速度为0 7 4 米秒：6 2 7 米以外范围表示乘客离 开区域，此区域内乘客的平均速度为1 2 1 米秒。从中可以直观、清晰地看出乘客 在自动检票机处走行速度随着所处阶段不同而发生的变化。 2 2 2 进出站楼梯类设施处乘客流交通特性分析 由于进出站行为发生的物理环境和乘客心理的不同，乘客在进出站时所表现 出的行为特征是有区别的。进站的乘客是随机达到的，在高峰时段，车站的进站 客流量一般会维持在一个较高、相对较稳定的值。进站乘客由地铁车站进站口进 入，目的地是车站内的候车站台，途中一般会通过下行楼梯等步行设施。出站乘 客流的流量具有一定的周期性，而这个周期随着列车的到达时间间隔而改变，当 车站到达一列列车时就会产生一定量的出站乘客。出站乘客从地铁车站站台出发， 最终目的地是车站出站口，一般途中会通过上行楼梯、上行自动