姚加林,趙思源
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大型高鐵車站最高聚集人數(shù)計(jì)算模型研究
姚加林,趙思源
(中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410075)
通過(guò)實(shí)名制驗(yàn)證和檢票環(huán)節(jié)對(duì)旅客進(jìn)站時(shí)間和車次以及檢票通道服務(wù)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,研究高鐵車站旅客集散規(guī)律;對(duì)同一車站不同類別、各出發(fā)方向列車的旅客數(shù)量進(jìn)行分析,認(rèn)為經(jīng)停同一車站的列車因出發(fā)方向的不同,其上車人數(shù)存在的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;構(gòu)建適用于高鐵車站的最高聚集人數(shù)計(jì)算模型,并以長(zhǎng)沙南站為算例進(jìn)行計(jì)算和分析。
高鐵車站;旅客集散規(guī)律;計(jì)劃上車人數(shù);最高聚集人數(shù)
車站最高聚集人數(shù)既是車站設(shè)計(jì)、建設(shè)所需的重要參數(shù),也給車站的日常管理提供指導(dǎo)[1]。根據(jù)《鐵路旅客車站設(shè)計(jì)規(guī)范》(下稱《規(guī)范》)[2],車站最高聚集人數(shù)是指“車站全年上車旅客最多月份中,一晝夜在候車室內(nèi)瞬時(shí)(8~10 min)出現(xiàn)的最大候車(含送客)人數(shù)的平均值?!睆?zhí)靷サ萚3]對(duì)《規(guī)范》中的定義進(jìn)行了分析,指出該定義存在歧義、計(jì)算所需數(shù)據(jù)難以收集等不足,并在對(duì)現(xiàn)行定義進(jìn)行分析之后根據(jù)計(jì)算公式提出了更為合理的定義。何宇強(qiáng)等[4?5]認(rèn)為:車站總發(fā)送量、旅客聚集規(guī)律對(duì)計(jì)算車站最高聚集人數(shù)有著重要的影響。顧亞靜[6]介紹了現(xiàn)有車站旅客最高聚集人數(shù)的概念、計(jì)算方法以及存在的不足。張?zhí)靷サ萚7]則通過(guò)構(gòu)建計(jì)算模型,對(duì)鐵路客運(yùn)站設(shè)計(jì)期的最高聚集人數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè),并將該方法運(yùn)用到客運(yùn)站候車廳面積和數(shù)量的計(jì)算中。姚加林等[8]研究了城市交通可靠性對(duì)車站最高聚集人數(shù)的影響,并提出隨著城市交通可靠性的提高,車站最高聚集人數(shù)將減少。王愛麗等[9]基于計(jì)算最高聚集人數(shù)的概率法模型,通過(guò)構(gòu)建包含客流產(chǎn)生與統(tǒng)計(jì)、仿真控制等子模型在內(nèi)的仿真模型,設(shè)計(jì)算法計(jì)算車站最高聚集人數(shù)。Hauser[10]運(yùn)用計(jì)算機(jī)建模的方法模擬旅客進(jìn)站流程以及在車站內(nèi)的活動(dòng)情況,用以評(píng)估車站設(shè)計(jì)。除此之外,國(guó)內(nèi)還有不少學(xué)者對(duì)旅客到達(dá)車站時(shí)間分布規(guī)律進(jìn)行了研究,LI等[11?16]指出,旅客候車時(shí)間受出行目的、旅客時(shí)間價(jià)值觀念、旅客年齡及受教育程度、車站進(jìn)站流線設(shè)計(jì)、列車開行方案等綜合因素的影響。高速鐵路車站發(fā)車頻率高、銜接方向多,旅客的聚集規(guī)律也發(fā)生了較大的變化。既有的最高聚集人數(shù)計(jì)算方法已經(jīng)不能很好地適應(yīng)高鐵車站的服務(wù)特性,同時(shí)既有的計(jì)算方法還存在以下幾點(diǎn)不足:1) 對(duì)最高聚集人數(shù)定義中的“瞬時(shí)”體現(xiàn)不充分;2) 將列車簡(jiǎn)單地分為始發(fā)列車和經(jīng)過(guò)列車,沒(méi)有考慮高鐵列車編組更加靈活、列車計(jì)劃上車人數(shù)因列車出發(fā)方向的不同而存在差異等因素;3) 高鐵車站旅客流動(dòng)性大,很難確切知道最高聚集人數(shù)出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)。4) 在車站設(shè)計(jì)階段部分?jǐn)?shù)據(jù)難以收集;5) 缺少對(duì)車站設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)景年可能出現(xiàn)的最高聚集人數(shù)進(jìn)行討論??紤]到《規(guī)范》中最高聚集人數(shù)定義存在易引起歧義、設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)難收集等不足,本文參照文獻(xiàn)[3]對(duì)最高聚集人數(shù)定義,即“在旅客車站設(shè)計(jì)使用年限內(nèi),根進(jìn)行據(jù)旅客聚集規(guī)律和列車開行方案,一晝夜中瞬時(shí)(8~10 min)出現(xiàn)的在候車室內(nèi)旅客(含送客)人數(shù)的最大值”,在調(diào)查高鐵站旅客集散規(guī)律和列車計(jì)劃上車人數(shù)的基礎(chǔ)上,引入圖解法的思想對(duì)現(xiàn)有的計(jì)算模型進(jìn)行優(yōu)化,構(gòu)建適應(yīng)于高鐵車站的最高聚集人數(shù)計(jì)算模型,并以長(zhǎng)沙南站為例進(jìn)行計(jì)算分析。
在計(jì)算車站最高聚集人數(shù)時(shí)主要考慮列車出發(fā)間隔、旅客集散規(guī)律以及列車的計(jì)劃上車人數(shù)和滿載率對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。列車出發(fā)間隔由車站同一方向最小發(fā)車間隔和所實(shí)行列車運(yùn)行圖決定。而在計(jì)算車站設(shè)計(jì)遠(yuǎn)景年的最高聚集人數(shù)時(shí),則考慮出行高峰時(shí)段各方向列車密集到發(fā)的情況下,車站接發(fā)列車能力趨近飽和時(shí)的最高聚集人數(shù)。本文主要對(duì)旅客集散規(guī)律和列車計(jì)劃上車人數(shù)進(jìn)行討論。
1.1.1 旅客候車時(shí)間分布
為了分析旅客候車時(shí)間分布,在長(zhǎng)沙南站工作人員的配合下,在東、西進(jìn)站口的實(shí)名制驗(yàn)證環(huán)節(jié)采集數(shù)據(jù),通過(guò)記錄旅客進(jìn)入候車廳的時(shí)間和所乘坐的列車車次,進(jìn)一步推算出旅客在候車廳內(nèi)停留的時(shí)間,之后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到旅客在候車廳內(nèi)的聚集規(guī)律。以對(duì)數(shù)正態(tài)分布對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[4],求得密度函數(shù)并繪制分布圖。
長(zhǎng)沙南站從2017年11月開始全面啟用基于面部識(shí)別的實(shí)名制驗(yàn)證系統(tǒng),相較于之前的人工驗(yàn)證,新系統(tǒng)規(guī)定旅客提前進(jìn)站時(shí)間不能超過(guò)2 h。此次調(diào)查數(shù)據(jù)一共有2 381份,其中有效樣本數(shù)量達(dá)到了2 375份,6名旅客(占總數(shù)的0.252%)在所乘列車停止檢票之后才進(jìn)入車站造成誤點(diǎn),調(diào)查一共涉及旅客列車有219列,調(diào)查持續(xù)6.5 h。調(diào)查結(jié)果表明:長(zhǎng)沙南站旅客的平均候車時(shí)間為47.26 min,約33.77%的旅客其候車時(shí)間在30 min以內(nèi),候車時(shí)間在0.5~1 h的旅客占所有旅客的比例約為37.64%,另有約28.59%的旅客選擇提前1 h以上進(jìn)入車站候車廳。旅客候車時(shí)間分布如圖1所示。
圖1 旅客候車時(shí)間分布圖
以對(duì)數(shù)正態(tài)分布對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(如圖2),其擬合優(yōu)度為2=0.822 7。
圖2 對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合結(jié)果
擬合得到的對(duì)數(shù)正態(tài)分布概率密度函數(shù)及參數(shù)為:
1.1.2 檢票通道服務(wù)時(shí)間
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查得到的實(shí)際情況,影響閘機(jī)通道檢票服務(wù)時(shí)間的主要因素有:旅客對(duì)檢票過(guò)程的熟悉程度、閘機(jī)的靈敏度等,而影響人工通道檢票服務(wù)時(shí)間的主要因素為車站客運(yùn)員對(duì)業(yè)務(wù)的熟練程度。為了得到檢票環(huán)節(jié)的服務(wù)時(shí)間規(guī)律分布,進(jìn)而求得長(zhǎng)沙南站檢票口的檢票速度,需分別收集長(zhǎng)沙南站檢票閘機(jī)和人工檢票的服務(wù)時(shí)間。記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間為2018年1月1日,其中檢票閘機(jī)服務(wù)時(shí)間樣本數(shù)為275,人工檢票服務(wù)時(shí)間樣本數(shù)為214,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(如圖3)。
(a) 檢票閘機(jī)服務(wù)時(shí)間分布;(b) 人工檢票服務(wù)時(shí)間分布
運(yùn)用2檢驗(yàn)其服務(wù)時(shí)間的分布形態(tài),結(jié)果如表1所示。
表1 檢票口服務(wù)時(shí)間分布形態(tài)檢驗(yàn)表
長(zhǎng)沙南站每個(gè)檢票口有1個(gè)人工檢票通道和3個(gè)檢票閘機(jī),每趟列車檢票時(shí)同時(shí)開放南、北2個(gè)檢票口,每個(gè)檢票配有3臺(tái)檢票閘機(jī)和1個(gè)人工檢票通道,每個(gè)檢票口最多有1趟列車正在檢票。據(jù)統(tǒng)計(jì),檢票閘機(jī)的最大檢票速度為11人/min,人工檢票通道的最大檢票速度為22人/min。編號(hào)為j的列車開始檢票后,當(dāng)候車廳內(nèi)乘坐該次列車的旅客數(shù)大于最大檢票速度時(shí),檢票速度為110人/min,隨著檢票的進(jìn)行,車站內(nèi)乘坐該次列車的旅客數(shù)逐漸較少,當(dāng)乘坐該次列車的旅客數(shù)量小于檢票口最大檢票速度時(shí),檢票速度為乘坐該次列車的旅客數(shù)量,即:
隨著網(wǎng)上購(gòu)票的推廣,票額的分配逐步市場(chǎng)化。在計(jì)算高鐵車站的最高聚集人數(shù)時(shí),如果用一個(gè)值代表所有經(jīng)過(guò)列車的上車人數(shù)進(jìn)行計(jì)算,將使結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。
長(zhǎng)沙南站每日出發(fā)列車344列(2017年9月列車時(shí)刻表),其中始發(fā)列車72列,經(jīng)過(guò)列車272列,經(jīng)過(guò)列車的平均上車人數(shù)如圖4所示。
圖4 經(jīng)停長(zhǎng)沙南站的列車上半年平均上車人數(shù)散點(diǎn)圖
根據(jù)長(zhǎng)沙南站2017年上半年發(fā)送量日統(tǒng)計(jì),對(duì)經(jīng)過(guò)列車進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),272列存在較大的差異。在對(duì)出發(fā)的列車按始發(fā)和經(jīng)過(guò)進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上,將列車細(xì)分為短編組列車和長(zhǎng)編組(含重聯(lián))列車,同時(shí)探究列車在該站的上車人數(shù)是否會(huì)因?yàn)榱熊嚦霭l(fā)方向的不同而產(chǎn)生顯著差異。長(zhǎng)沙南站目前銜接4個(gè)方向,將272列經(jīng)過(guò)列車和69列始發(fā)列車統(tǒng)一換算為長(zhǎng)編組列車(3列始發(fā)列車缺乏歷史數(shù)據(jù))后,按列車出發(fā)方向進(jìn)行進(jìn)一步分為京廣上行方向列車、京廣下行方向列車、滬昆上行方向列車和滬昆下行方向列車(如圖5)。
運(yùn)用Levene檢驗(yàn)對(duì)經(jīng)過(guò)列車上車人數(shù)數(shù)據(jù)和始發(fā)列車上車人數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)數(shù)據(jù)方差齊性(如表2)。
根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果,經(jīng)過(guò)列車的P值(Sig.)小于0.05,說(shuō)明往各方向出發(fā)的經(jīng)過(guò)列車上車人數(shù)方差不齊,不能使用方差分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析。
(a) 經(jīng)過(guò)列車;(b) 始發(fā)列車
表2 出發(fā)列車上車人數(shù)方差齊性檢驗(yàn)
運(yùn)用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)對(duì)出發(fā)去往不同方向的經(jīng)過(guò)列車和始發(fā)列車上車人數(shù)數(shù)據(jù)的差異性進(jìn)行分析,結(jié)果如表3所示。
檢驗(yàn)結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)該站列車的上車人數(shù)因出發(fā)方向不同而存在的差異顯著。由于不同的城市其高鐵站在線網(wǎng)中的位置和銜接的方向均不同,不同車站向各方向出發(fā)列車的計(jì)劃上車人數(shù)會(huì)有較大差異,為了讓最高聚集人數(shù)計(jì)算模型具有普遍意義,在計(jì)算車站最高聚集人數(shù)時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)列車是否為始發(fā)列車、列車的出發(fā)方向以及列車的編組情況分別確定不同類別的列車在該站的計(jì)劃上車人數(shù)。高鐵車站在設(shè)計(jì)時(shí)各方向列車的計(jì)劃上車人數(shù)可以由各方向客運(yùn)量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、各方向列車預(yù)計(jì)開行數(shù)量以及該城市普速鐵路車站客運(yùn)量歷史數(shù)據(jù)而確定。
表3 Kruskal-Wallis檢驗(yàn)結(jié)果
由文獻(xiàn)[4?7]的研究結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況可知,各類列車的計(jì)劃上車人數(shù)、列車出發(fā)的密集程度、各次列車的出發(fā)時(shí)間和檢票時(shí)間以及旅客的集散規(guī)律均對(duì)車站候車廳最高聚集人數(shù)的計(jì)算產(chǎn)生重要影響。高鐵車站通常設(shè)置1個(gè)高架候車廳,所有列車的旅客候車和檢票均在候車廳內(nèi)完成,很難確切知道最高聚集人數(shù)出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)。對(duì)概率法進(jìn)行優(yōu)化,可以計(jì)算出每一時(shí)刻車站候車廳內(nèi)的旅客人數(shù)。計(jì)算模型構(gòu)建過(guò)程中所用到的各變量、參數(shù)及其含義如表4所示。
表4 變量及其含義對(duì)照表
F編號(hào)為f的出發(fā)方向 始發(fā)列車的計(jì)劃上車人數(shù) 出發(fā)方向?yàn)閒的經(jīng)過(guò)列車計(jì)劃上車人數(shù) 編號(hào)為j列車的編組情況 編號(hào)為j的列車為始發(fā)列車 編號(hào)為j的列車為經(jīng)過(guò)列車,其出發(fā)方向?yàn)閒 P(td,j)距離編號(hào)為j的列車檢票結(jié)束還有td,j分鐘時(shí)乘坐該列車的進(jìn)站旅客比例 g(x)旅客候車時(shí)間分布密度函數(shù) 列車在該站的滿載率 送站人員系數(shù) K修正系數(shù) 人工通道的檢票速度 閘機(jī)通道的檢票速度 人工檢票通道的數(shù)量 閘機(jī)檢票通道的數(shù)量 yj編號(hào)為j的列車已經(jīng)開始檢票 乘坐編號(hào)為j的列車在第t分鐘進(jìn)站的旅客人數(shù) 乘坐編號(hào)為j的列車在第t分鐘檢票的旅客人數(shù) 第t分鐘候車廳內(nèi)乘坐編號(hào)為j的列車的旅客人數(shù) 第t分鐘候車廳內(nèi)旅客人數(shù) Ztt時(shí)刻起車站候車廳瞬時(shí)聚集人數(shù) Zmax最高聚集人數(shù)
根據(jù)旅客集散規(guī)律和列車計(jì)劃上車人數(shù),乘坐j列車在第分鐘進(jìn)站的旅客人數(shù):
其中:對(duì)于編號(hào)為j的列車有以下約束:
即,將列車按編組情況、是否為始發(fā)列車以及列車的出發(fā)方向進(jìn)行分類。
第分鐘乘坐j列車旅客到達(dá)車站的比例為:
其中:
乘坐編號(hào)j列車在第分鐘檢票離開的旅客 人數(shù):
其中:
第分鐘候車廳內(nèi)乘坐編號(hào)j列車的旅客數(shù)等于上一分鐘候車廳內(nèi)乘坐該列車的旅客數(shù)加上第分鐘乘坐該列車的進(jìn)站旅客數(shù),如果列車已經(jīng)開始檢票,則還需減去第分鐘乘坐該列車的檢票旅客人數(shù),即:
對(duì)時(shí)刻所有列車在車站候車廳內(nèi)的旅客人數(shù)進(jìn)行疊加,該時(shí)刻候車廳內(nèi)旅客人數(shù)為:
對(duì)各時(shí)刻候車廳內(nèi)旅客人數(shù)以10 min為長(zhǎng)度進(jìn)行連續(xù)累加,求得平均值并以此作為從該時(shí)刻起10 min內(nèi)車站候車廳瞬時(shí)聚集人數(shù):
則,最高聚集人數(shù)為:
對(duì)于已經(jīng)建成的高鐵車站,給定一個(gè)列車開行方案,可以計(jì)算與該方案對(duì)應(yīng)的車站最高聚集人數(shù),指導(dǎo)車站制定相應(yīng)的車站運(yùn)營(yíng)管理策略。對(duì)于新規(guī)劃的大型高鐵車站,為了保證車站能夠適應(yīng)客流的增長(zhǎng),在設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)景年仍然能為候車旅客提供寬敞的候車環(huán)境和良好的服務(wù),應(yīng)當(dāng)計(jì)算車站各方向均密集發(fā)車,即各方向出發(fā)列車的間隔等于車站發(fā)車最小間隔,車站接發(fā)列車能力趨近飽和時(shí)的最高聚集人數(shù),為車站的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
根據(jù)12306網(wǎng)站提供的2017年9月列車時(shí)刻表,長(zhǎng)沙南站每天出發(fā)的列車數(shù)有344列(如圖6),其中經(jīng)停長(zhǎng)沙南站的列車272列,由長(zhǎng)沙南站始發(fā)的列車72列。
圖6 出發(fā)列車數(shù)量隨時(shí)間變化情況
由此計(jì)算出高峰時(shí)期長(zhǎng)沙南站候車廳內(nèi)旅客人數(shù)在14:10達(dá)到最大值,此時(shí)候車廳內(nèi)旅客數(shù)為8 174人,最高聚集人數(shù)為8 083人。長(zhǎng)沙南站一天當(dāng)中各時(shí)刻候車廳內(nèi)旅客人數(shù)變化情況如圖7所示,其中,8時(shí)~9時(shí)之間出現(xiàn)第1個(gè)峰值,這一時(shí)段有較多的始發(fā)列車從長(zhǎng)沙南站開出,候車廳內(nèi)旅客人數(shù)較多,14時(shí)左右候車廳內(nèi)人數(shù)達(dá)到一天當(dāng)中的最大值,此時(shí)也是長(zhǎng)沙南站列車密集出發(fā)的時(shí)段,與實(shí)際情況相符。
圖7 長(zhǎng)沙南站候車廳內(nèi)旅客人數(shù)變化預(yù)測(cè)圖
對(duì)設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)景年長(zhǎng)沙南站最高聚集人數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè),計(jì)算旅客出行高峰時(shí)段連續(xù)2 h各方向列車密集到發(fā)(始發(fā)列車占全部出發(fā)列車的15%)情況下的車站候車廳內(nèi)旅客人數(shù),將長(zhǎng)沙南站最小發(fā)車間隔(4 min)作為各方向列車的發(fā)車間隔,計(jì)算得出未來(lái)長(zhǎng)沙南站可能出現(xiàn)的最高聚集人數(shù)約為17 500人(始發(fā)列車出發(fā)的密集程度不同使得計(jì)算結(jié)果有波動(dòng))。選用文獻(xiàn)[4]中的概率法模型對(duì)設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)景年長(zhǎng)沙南站列車密集到發(fā)情況下最高聚集人數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè),其結(jié)果約為19 800人。長(zhǎng)沙南站設(shè)計(jì)的車站候車廳最高可容納18 000人,本文模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與該值相差較小,可認(rèn)為經(jīng)優(yōu)化后的最高聚集人數(shù)模型預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確,更適用于大型高鐵車站最高聚集人數(shù)預(yù)測(cè)。
1) 長(zhǎng)沙南站旅客的平均候車時(shí)間為47.26 min,約33.77%的旅客其候車時(shí)間在30 min以內(nèi),候車時(shí)間在0.5~1 h的旅客占所有旅客的比例約為37.64%,另有約28.59%的旅客選擇提前1 h以上進(jìn)入車站候車廳。
2) 高鐵車站經(jīng)過(guò)列車的上車人數(shù)因出發(fā)方向的不同而存在的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,根據(jù)列車是否為始發(fā)列車、列車的編組情況以及列車的出發(fā)方向分別確定計(jì)劃上車人數(shù),構(gòu)建適用于高鐵車站的最高聚集人數(shù)計(jì)算模型。
3) 以長(zhǎng)沙南站作為算例進(jìn)行分析。目前長(zhǎng)沙南站候車廳內(nèi)旅客人數(shù)在14:10達(dá)到最大值,候車廳內(nèi)旅客最大人數(shù)為8 174人,最高聚集人數(shù)為8 083人。未來(lái),在各方向列車密集到發(fā)情況下,長(zhǎng)沙南站可能出現(xiàn)的最高聚集人數(shù)約為17 500人。
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Research on the calculation model of the maximum assembling passengers in large high-speed railway station
YAO Jialin, ZHAO Siyuan
(School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)
Based on the statistical analysis of passenger arrival time and train number and ticket service time, the distribution rule of passengers in high-speed rail stations was studied. By analyzing the number of passengers on different trains in the same station and different departure directions, it was considered that there were significant differences in the number of trains on the same station due to different departure directions. The calculation model of the maximum assembling passengers for the high-speed railway station was constructed, and the calculation was carried out with the Changshanan Railway Station as an example.
high-speed railway station; assembling rule of passengers; planned number of passengers; maximum assembling passengers
10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.01.005
U291.6
A
1672 ? 7029(2019)01 ? 0034 ? 08
2018?01?22
姚加林(1961?),男,湖南婁底人,副教授,從事交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理等研究;E?mail:yaojialn@csu.edu.cn
(編輯 陽(yáng)麗霞)