鄭宣傳，魏 運(yùn)，陳明鈿，高國飛，蘇 暢，于松偉

（北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037）

地鐵換乘站作為線網(wǎng)的核心節(jié)點(diǎn)及紐帶，同時承載車站集散客流及線網(wǎng)換乘客流的雙重壓力，在網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營條件下，換乘站的站臺乘客滯留、換乘設(shè)施處排隊(duì)現(xiàn)象尤為明顯，嚴(yán)重危及乘客出行安全、影響出行效率，給車站的運(yùn)營組織工作帶來極大挑戰(zhàn)。

由于我國地鐵建設(shè)起步較晚，設(shè)計(jì)之初車站客流普遍較小，缺乏地鐵網(wǎng)絡(luò)化大客流車站設(shè)計(jì)與運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，普遍以十字換乘的便捷、緊湊設(shè)計(jì)理念為主，如北京地鐵宣武門站、西安地鐵北大街站、沈陽地鐵青年大街站等，導(dǎo)致進(jìn)入運(yùn)營階段，大客流沖擊下車站運(yùn)營組織難題頻發(fā)。為解決換乘站先天設(shè)計(jì)不合理問題，運(yùn)營階段僅能通過換乘站改造或壓縮行車間隔來提升車站的客流輸運(yùn)能力[1-2]。然而，對于已投入運(yùn)營的換乘站土建改造工程不僅耗資巨大、而且改造期間的客運(yùn)組織及安全保障問題更是棘手。因此，如何根據(jù)預(yù)測客流并結(jié)合工程技術(shù)條件，科學(xué)、合理地選擇換乘方式，完成車站設(shè)計(jì)方案，是城市軌道交通建設(shè)過程中的重點(diǎn)及難點(diǎn)問題，備受設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位、運(yùn)營部門等多方關(guān)注。

目前國內(nèi)大量學(xué)者對于換乘站的換乘方式的適應(yīng)性做了一些定性研究[3]，但缺乏量化分析，研究手段以傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算為主。而客流仿真評估技術(shù)將靜態(tài)的設(shè)計(jì)方案與動態(tài)的運(yùn)營組織相結(jié)合，充分考慮客流動態(tài)出行需求與車站設(shè)施布局，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)方案多場景下的客流動態(tài)評估，為換乘站換乘方式選擇及設(shè)計(jì)方案評估提供精確依據(jù)。目前常用的行人仿真軟件包括 LEGION、Vissim及 Anylogic等[4]，由于LEGION軟件建模精細(xì)，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)豐富，因此應(yīng)用最廣。針對仿真結(jié)果的評價方面，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[5]及北京市地標(biāo)[6]給出設(shè)施設(shè)備能力的具體計(jì)算方法。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者[7-9]提出平均客流密度、設(shè)施設(shè)備能力、換乘距離、密集度指數(shù)等指標(biāo)，為換乘站的評估提供了基礎(chǔ)，但對于換乘站換乘方式選取及評估方面，僅依靠車站設(shè)計(jì)人員的歷史經(jīng)驗(yàn)，停留于方案定性分析比較，缺乏量化指標(biāo)分析及方案比選[10]。

針對換乘站換乘方式適應(yīng)性問題，筆者提出基于LEGION軟件的換乘站客流仿真評價步驟及換乘站評價指標(biāo)計(jì)算方法；以沈陽地鐵青年大街站為例，通過仿真評估分析車站擁擠成因并剖析十字節(jié)點(diǎn)換乘的適應(yīng)條件與范圍；提出車站結(jié)構(gòu)優(yōu)化及壓縮行車間隔的方案并進(jìn)行新仿真評價驗(yàn)證，分析優(yōu)化方案優(yōu)勢及適應(yīng)范圍，最后對換乘站設(shè)計(jì)及換乘方式選取提出具體實(shí)施建議。

1 換乘站換乘方式評價技術(shù)思路

圍繞換乘站換乘方式適應(yīng)性問題，分析現(xiàn)有換乘站換乘方式的特征及客流適應(yīng)性，提出換乘站客流仿真評價的技術(shù)路線及評價指標(biāo)計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)換乘站的換乘方式適配性量化研究。

1.1 換乘方式分類

換乘站的換乘方式按照換乘客流組織方式可分為節(jié)點(diǎn)換乘、站廳換乘、通道換乘、組合式換乘四大類。

1.1.1 節(jié)點(diǎn)換乘

節(jié)點(diǎn)換乘分為同站臺換乘及臺到臺節(jié)點(diǎn)換乘，臺到臺節(jié)點(diǎn)換乘按照兩線交叉形式，分為十字型、T型、L型（見圖1）；按照站臺的類型，分為島—側(cè)，島—島，側(cè)—側(cè)3種換乘類型。由于節(jié)點(diǎn)換乘方式換乘距離短，十分便捷，適合換乘客流規(guī)模較小的車站，但換乘設(shè)施一般設(shè)在站臺中部，占用站臺等候面積，易導(dǎo)致入口處客流堆積、疏散速度慢，影響站臺乘客候車及乘降。

圖1 臺到臺節(jié)點(diǎn)換乘示意Fig. 1 Platform to platform node transfer

1.1.2 站廳換乘

站廳換乘指站臺乘客下車后，通過樓扶梯到達(dá)車站站廳層，再通往另一個車站的站臺進(jìn)行換乘。由于下車客流朝站廳方向流動，減少站臺客流的人流交織，行走速度快，避免在站臺滯留擁擠，加快站臺空間的周轉(zhuǎn)，同時客流進(jìn)入站廳后，可以進(jìn)行有效的客流組織及引導(dǎo)，進(jìn)行客流控制。與站臺直接換乘方式相比，站廳換乘距離較長，且對垂直方向的設(shè)施能力要求較高。

1.1.3 通道換乘

通道換乘是指在兩線交叉處，車站結(jié)構(gòu)完全分開，用通道和樓梯將兩車站連接起來，供乘客換乘。連接通道常設(shè)于兩站的站廳之間，也可直接設(shè)于站臺上。對于不相鄰的兩座車站，通道換乘為最佳選擇，但換乘通道長度一般不宜過長。這種換乘方式最有利于兩條線工程分期實(shí)施，預(yù)留工程最少。

1.1.4 組合換乘

實(shí)際工程根據(jù)用地條件及需求，往往結(jié)合上述多種換乘方式，完成換乘站設(shè)計(jì)。

1.2 換乘站客流仿真評價技術(shù)

本文應(yīng)用LEGION軟件對換乘站進(jìn)行仿真評估，仿真過程總體分為：基礎(chǔ)資料收集、車站建模仿真、方案評價分析三大步驟（見圖2）。

1）基礎(chǔ)資料收集?；A(chǔ)資料包括車站設(shè)施設(shè)備詳細(xì)設(shè)計(jì)CAD圖紙、客流組織方案（即流線組織）、車輛運(yùn)營計(jì)劃（即列車時刻表）、站內(nèi)客流OD表（精確至各出入口、分方向站臺），行人交通特性數(shù)據(jù)（含：售票、閘機(jī)、安檢設(shè)備的服務(wù)時間及客流比例）。

圖2 LEGION軟件仿真建模步驟Fig. 2 Modeling steps of Legion simulation software

2）車站建模仿真。對原始CAD圖進(jìn)行清理，整理為仿真層及展示層，導(dǎo)入至LEGION軟件中，繪制行人仿真模塊，輸入仿真時段及行人交通參數(shù)，運(yùn)行仿真軟件。

3）方案評價分析。結(jié)合仿真結(jié)果，按照評估需求，設(shè)置統(tǒng)計(jì)分析區(qū)域及統(tǒng)計(jì)參數(shù)，從車站總體服務(wù)水平評價、設(shè)施設(shè)備能力評價、方案的總體評價3個方面全面分析，形成仿真結(jié)論及改進(jìn)意見。

1.3 客流仿真評價指標(biāo)對比

本文應(yīng)用車站總體平均密度、設(shè)施平均密度、服務(wù)水平占比、設(shè)施能力飽和度、平均客流疏解時間等指標(biāo)對換乘站的現(xiàn)狀及換乘方式適配性進(jìn)行評價。對樓扶梯及換乘通道評估設(shè)施能力飽和度，對站臺評估最大承載能力飽和度，以實(shí)現(xiàn)車站設(shè)施設(shè)備的最大壓力測試及評估，其計(jì)算方法如下。

1.3.1 設(shè)施通行能力飽和度

設(shè)施通行能力飽和度iS指設(shè)施的實(shí)際通行流量Qi與設(shè)施設(shè)計(jì)通行能力 Wc的比例，計(jì)算公式為：

其中C為設(shè)施單位通行能力，D為設(shè)施寬度。

1.3.2 站臺承載能力飽和度

站臺的承載能力飽和度iS′指實(shí)際站臺聚集人數(shù)

iP與設(shè)計(jì)承載人數(shù)cP的比例，其計(jì)算公式為：

其中，cρ為站臺設(shè)計(jì)密度，建議取值在1.33～2.5人/m2，本文為2人/m2，s為站臺有效面積。

1.3.3 平均客流疏解時間

平均客流疏解時間t指一股客流ΔQ到達(dá)設(shè)施至完全疏解的時間，體現(xiàn)設(shè)施設(shè)備處于高密度狀態(tài)的持續(xù)時間。

2 沈陽地鐵青年大街站現(xiàn)狀評估

2.1 青年大街站概況

2.1.1 車站結(jié)構(gòu)及流線分析

青年大街站為沈陽地鐵1、2號線換乘站，是沈陽地鐵最為擁擠的車站。該站為典型島式—側(cè)式十字換乘站，2號線為側(cè)式站臺呈南北走向，1號線為島式站臺呈東西走向。車站地下共分2層，地下一層為共用站廳層及2號線站臺層，地下二層為1號線站臺層，4個出入口分設(shè)于車站四個象限。該站以節(jié)點(diǎn)換乘及組合換乘為主，1換2采用站臺—站臺節(jié)點(diǎn)換乘形式，1換2客流通過上行樓梯直接抵達(dá)2號線站臺；2換1采用通道—站廳組合式換乘，2號線上、下行乘客到站后，分別通過1號、4號及2號、3號通道，途經(jīng)東側(cè)及西側(cè)站廳，最后通過樓扶梯到達(dá)站臺（見圖3）。

圖3 沈陽地鐵青年大街站的結(jié)構(gòu)及流線示意Fig. 3 Structure and streamline diagram of the Qingniandajie Station

2.1.2 客流構(gòu)成及行車組織

從客流構(gòu)成（見表 1）分析，該站以換乘客流為主，早高峰換乘客流占總乘降量的77%，早高峰換乘量高達(dá)2.6萬人次，客運(yùn)組織壓力巨大。在行車組織上，1號線及2號線均采用6B編組形式，早高峰1、2號線行車間隔分別為4 min 15 s和5 min 33 s；行車對數(shù)分別為14對和11對，且采用錯峰到站方式，停站時間均為60 s。

表1 青年大街站的客流構(gòu)成Tab. 1 Passenger composition of the The Qingniandajie Station

2.2 現(xiàn)狀仿真評價分析

2.2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

本站采用國際通用的 Fruin服務(wù)水平評價標(biāo)準(zhǔn)，將服務(wù)水平劃分為A～F共6個等級（見表2）。E級以上客流比較擁擠，乘客行走干擾嚴(yán)重，客流風(fēng)險較高；F級以上乘客步行速度嚴(yán)重受限，客流沖突無法避免，客流風(fēng)險很高。所以，E級、F級在設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量避免。系統(tǒng)選取2017年4月17日早高峰（8：00—9：00）實(shí)際客流及列車時刻表數(shù)據(jù)為輸入，調(diào)查獲取車站設(shè)施設(shè)備參數(shù)（見表3），構(gòu)建沈陽青年大街站仿真模型，進(jìn)行仿真評估分析。

表2 Fruin服務(wù)水平評價標(biāo)準(zhǔn)Tab. 2 Fruin Service Level Evaluation Standard

2.2.2 車站整體能力評價

從車站客流仿真結(jié)果（見圖4）分析，車站整體較為擁擠，平均密度為1.44人/m2（達(dá)到E級服務(wù)水平），尤其在車站東、西側(cè)站廳，2號線站臺等候區(qū)及1換2換乘樓梯口處，客流風(fēng)險較大。

表3 青年大街站仿真模型參數(shù)Tab. 3 Parameters of the Simulation Model for the Qingniandajie Station

圖4 青年大街站仿真結(jié)果Fig. 4 Simulation result for the Qingniandajie Station

2.2.3 局部設(shè)施設(shè)備能力評價

本文以平均密度、超高峰飽和度及平均疏散時間3項(xiàng)指標(biāo)衡量設(shè)施能力利用率及抗沖擊能力。

指標(biāo)計(jì)算結(jié)果分析（見圖5），除1號、3號換乘通道能力相對飽和（飽和度超過50%）外，換乘通道整體客流疏解時間控制在2 min內(nèi)，能力尚存富余；而站廳樓扶梯及1換2樓梯設(shè)施能力較為緊張（飽和度均超50%），尤其1換乘2樓梯能力不足尤為嚴(yán)重（飽和度達(dá)到64%），且客流疏解較為緩慢（超3 min），排隊(duì)嚴(yán)重，潛在風(fēng)險大。

圖5 青年大街站的換乘通道、樓扶梯通行能力分析Fig. 5 Passenger capacity of the transfer channel and the escalator of the Qingniandajie Station

進(jìn)一步分析站臺，1號線站臺乘降區(qū)及2號線站臺能力飽和度超90%（見圖6）。由于1號線為島式站臺，乘降區(qū)雖處于飽和狀態(tài)，但站臺總寬13.5 m，中部非乘降區(qū)可做大客流緩沖；而2號線為側(cè)式站臺，單側(cè)寬度僅6 m，且換乘樓梯占用站臺乘降設(shè)施面積，站臺乘客排隊(duì)嚴(yán)重，已無多余利用空間（見圖7），因此2號線站臺能力尤為緊張。

圖6 青年大街站的站臺承載能力分析Fig. 6 Platform carrying capacity of the Qingniandajie Station

圖7 青年大街站的站臺實(shí)際客流監(jiān)控畫面Fig. 7 Actual monitoring screen of the Qingniandajie Station

2.3 車站擁堵成因

從上述分析得到，1換2換乘能力不足、2號線站臺乘降區(qū)承載能力不足以及站廳付費(fèi)區(qū)承載能力不足是青年大街站目前存在三大問題。通過分析可知：

1）換乘客流與預(yù)測客流相差巨大，早高峰換乘客流2.6萬/人次，是預(yù)測遠(yuǎn)期客流的13倍，遠(yuǎn)超預(yù)測客流，且達(dá)到北京同類換乘站客流規(guī)模（國貿(mào)換乘量為2.36 萬/人次）。

2）列車運(yùn)能不足問題凸顯。車站設(shè)計(jì)之初，1、2號線的初、近、遠(yuǎn)期采用大、小交路套跑的方式分別開行12、18、30對列車，而目前兩線均采用單一大交路，早高峰1、2號線實(shí)際發(fā)車分別為14對和11對，僅達(dá)到初期的水平，而換乘站客流規(guī)模遠(yuǎn)超遠(yuǎn)期，導(dǎo)致高峰期運(yùn)力緊張，站臺客流能力壓力極大。

3）車站設(shè)計(jì)不合理。由于預(yù)測客流過低導(dǎo)致車站設(shè)計(jì)規(guī)模過小，且雙層車站形式對客流組織難度極大；采用的十字站臺—站臺節(jié)點(diǎn)換乘形式，不僅占用站臺空間（尤其2號線側(cè)式站臺），更加劇換乘客流對換乘設(shè)施的直接沖擊，不利于客流組織及管控，若采用 T型、L型節(jié)點(diǎn)換乘或站廳換乘形式，既可緩解客流沖擊又可避免影響高站臺承載能力。

3 沈陽地鐵青年大街站優(yōu)化方案評價

3.1 優(yōu)化方案建議

為解決青年大街站的能力不足問題，提出壓縮行車間隔、優(yōu)化車站結(jié)構(gòu)及組合優(yōu)化3種優(yōu)化方案建議。

方案1：壓縮行車間隔。將1、2號線行車間隔壓縮至3 min，早高峰行車能力提高至20對/h，且上下行列車均采用錯開1 min 30 s到站。

方案2：優(yōu)化車站結(jié)構(gòu)。取消南北側(cè)過軌樓梯及1換2樓梯；取消1換2的樓梯，東、西廳各增加1組樓扶梯，將1換2客流從原來站臺—站臺直接換乘形式改為站臺—站廳—站臺換乘（見圖8）。

圖8 青年大街站優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案Fig. 8 Civil reconstruction plan of the Qingniandajie Station

方案 3：組合優(yōu)化方案。同時實(shí)施壓縮行車間隔并優(yōu)化車站結(jié)構(gòu)。

3.2 優(yōu)化方案仿真結(jié)果分析

為定量評估這3種方案對青年大街站的運(yùn)營狀態(tài)改善效果，假設(shè)其他輸入條件均不變化情況下，利用LEGION軟件重新建模仿真評估，從車站整體能力改善及重點(diǎn)設(shè)施設(shè)備能力改善方面進(jìn)行分析。

從對車站關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備的改善效果分析（見圖9），壓縮行車間隔，對于車站整體運(yùn)力及站廳付費(fèi)區(qū)、站臺的運(yùn)行狀態(tài)改善效果明顯，但對提升站廳樓扶梯和1換2設(shè)施能力作用不大，其主要原因在于無法解決十字換乘站的站臺到站臺直接換乘帶來的問題；而方案2（優(yōu)化車站結(jié)構(gòu)）中改變1換2原有換乘形式后，能減緩客流直接換乘對雙向站臺的沖擊，且方便車站運(yùn)營人員對換乘客流的有效疏解和及時管控，但未根治車站運(yùn)能不足的問題，若同時實(shí)施壓縮行車間隔及優(yōu)化車站結(jié)構(gòu)（方案3），則能夠達(dá)到根治目標(biāo)。

圖9 3種優(yōu)化方案降低客流平均密度比例對比Fig. 9 Comparison of three kinds of modification schemes to reduce the average density of passenger flow

從設(shè)施設(shè)備的平均客流疏解時間對比分析（見圖10），3套方案均能減少站廳樓扶梯的客流疏解時間；與方案一相比，方案2改變原有1換2的節(jié)點(diǎn)換乘方式，能夠加快換乘樓扶梯的客流疏解；組織換乘通道的單向客流換乘組織方式，雖然會導(dǎo)致?lián)Q乘通道的客流壓力增大，導(dǎo)致?lián)Q乘通道客流疏解時間增加，但能夠減少客流對沖風(fēng)險，且利于進(jìn)一步采取客流控制措施，保證乘客安全。

圖10 3種優(yōu)化方案的平均客流疏解時間對比Fig. 10 Comparison of three kinds of modification schemes to reduce the average evacuation time

由上述分析得到，壓縮發(fā)車間隔能夠提升車站的整體能力及設(shè)施設(shè)備的能力，極大改善換乘車站能力不足問題，若換乘站所屬線路的車輛配屬、折返能力、存車能力充足，則應(yīng)進(jìn)一步壓縮行車間隔。通過優(yōu)化車站結(jié)構(gòu)，采用站廳換乘方式，能夠解決節(jié)點(diǎn)換乘的弊端，且有利于車站進(jìn)一步的客運(yùn)組織及管理改善，并提高設(shè)施設(shè)備利用率，降低客流沖突。采用站廳或長通道換乘形式，延長換乘距離，對于保障客運(yùn)組織安全意義重大。

4 結(jié)語

本文針對地鐵換乘站換乘方式適配性評價問題提出了各種換乘方式，尤其針對十字節(jié)點(diǎn)換乘方式問題，以沈陽地鐵青年大街站為例，進(jìn)行仿真評價分析，剖析車站擁擠成因并提出解決方案。并對壓縮發(fā)車間隔、優(yōu)化車站結(jié)構(gòu)、組合方案3種改造方案仿真評價及指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算對比，發(fā)現(xiàn)壓縮發(fā)車間隔對提升車站運(yùn)能，緩解車站整體、站臺、站廳客流擁擠更加有效，但未根本解決換乘設(shè)施客流風(fēng)險問題；優(yōu)化車站結(jié)構(gòu)解決直接換乘弊端，極大緩解換乘設(shè)施的客流沖擊力，但未解決運(yùn)能不足問題；若雙管齊下同時實(shí)施能達(dá)到根治效果。

由于十字換乘形式常適用于換乘量較小且對便捷性要求高的車站，對于市區(qū)或大客流換乘站，建議在工程設(shè)計(jì)方案中盡量避免，條件允許下盡量改為T字型或L型換乘形式，且換乘站設(shè)計(jì)方案宜通過仿真量化評估后方可實(shí)施。由于換乘站改造工程勞民傷財(cái)且對乘客出行干擾極大，因此盡量在設(shè)計(jì)階段充分考慮預(yù)測客流偏差及線網(wǎng)調(diào)整等因素，對換乘站設(shè)計(jì)方案做好充分的風(fēng)險性評估及防控，尤其對換乘方式的選擇需重點(diǎn)考慮客流的特點(diǎn)及行車能力等因素，并在設(shè)計(jì)階段充分考慮后期運(yùn)營階段實(shí)施客流引導(dǎo)及管控的方案，并預(yù)留足夠的站內(nèi)空間便于實(shí)施，從而防范不確定性大客流對換乘站運(yùn)營的沖擊。