鄭宣傳，沈瑜，董曉春，李明華*，浦姝

(1.北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司 城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國家工程實驗室，北京 100037； 2. 南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇 南京210017)

換乘站作為地鐵網(wǎng)絡(luò)的重要紐帶，承擔(dān)著車站集散客流與線網(wǎng)換乘客流的雙重壓力，已成為制約地鐵網(wǎng)絡(luò)化安全、高效運營的瓶頸，如何實現(xiàn)乘客在換乘站安全、高效地便捷出行成為行業(yè)的痛點和難題。根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)[1]顯示，截至2019年底，我國40個城市已開通城市軌道交通換乘站354座，在建換乘站高達1333座，對換乘站交通功能評價指標(biāo)體系的需求十分迫切。

針對換乘站交通功能評價指標(biāo)體系，國內(nèi)外科研工作者做了很多相關(guān)研究，研究內(nèi)容主要集中在換乘設(shè)施能力、便捷性、服務(wù)水平及仿真評價等方面。GB 50157—2013[2]規(guī)定了地鐵普通車站設(shè)施能力的計算方法；鄭宣傳等[3]探討了換乘站的換乘方式選取原則，認為換乘方式應(yīng)與斷面客流及車站客流的特征相匹配；DB 11/995—2013[4]規(guī)定不同換乘方式應(yīng)考慮乘客換乘步行時間約束，避免換乘時間過長；文獻[5]提出了通道、樓梯及排隊區(qū)域的服務(wù)水平劃分標(biāo)準(zhǔn)；Kepaptsoglou等[6]提出了城市軌道交通站臺等級劃分模型；Lee等[7]提出了香港地鐵站樓梯服務(wù)水平的分級標(biāo)準(zhǔn)；楊亦慧等[8]通過實際調(diào)查提出了考慮信效度的地鐵車站通道服務(wù)水平；Giacomini等[9]考慮服務(wù)水平、乘客需求、走行時間和延誤、設(shè)施能力等因素，給出換乘站功能區(qū)布局方法；彭丹等[10]提出了換乘站運營設(shè)施能力匹配性評價方法。

既有研究側(cè)重于換乘站某一方面的功能評價，缺乏綜合性評價指標(biāo)體系。本文基于南京地鐵運營數(shù)據(jù)，系統(tǒng)構(gòu)建了地鐵換乘站交通功能評價指標(biāo)體系，詳細闡述了各指標(biāo)定義及計算方法，提出了指標(biāo)綜合評價方法及權(quán)重確定方法，最后選取了南京地鐵7個換乘站進行算例分析，并結(jié)合計算結(jié)果，驗證了選取指標(biāo)的合理性和有效性，探討了本文指標(biāo)體系的實用價值。

1 評價指標(biāo)體系構(gòu)成

為了客觀評價地鐵換乘站的現(xiàn)狀問題，系統(tǒng)調(diào)查了北京、上海、廣州、深圳、南京等多個城市地鐵換乘站的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)既有換乘站主要存在線網(wǎng)能力不匹配、車站規(guī)模不匹配、換乘便捷性差、客流沖擊性高等問題(表1)。

表1 國內(nèi)地鐵換乘站運營現(xiàn)狀總結(jié)Table 1 Summary of the operation status of domestic metro transfer stations

結(jié)合評價指標(biāo)選取的系統(tǒng)性、可比性、獨立性、可操作性基本原則及現(xiàn)狀問題，從車站能力、線路能力、便捷性、安全性4個維度提出的4項一級指標(biāo)及10項二級指標(biāo)，評價換乘站交通功能設(shè)計的合理性，指標(biāo)體系構(gòu)成如圖1所示。其中，設(shè)施能力適應(yīng)度側(cè)重于車站設(shè)施能力與客流需求的匹配性，而線路能力匹配度則考慮換乘站銜接線路運輸能力的匹配度，二者評價對象及重點不同；舒適便捷度指乘客進出站及換乘的便捷性；沖擊安全度側(cè)重于換乘設(shè)施及站臺的客流擁擠程度及持續(xù)時間評價，與客流總量、設(shè)施能力和發(fā)車對數(shù)密切相關(guān)。

圖1 地鐵換乘站功能評價指標(biāo)體系Fig.1 Functional index evaluation system of metro transfer station

2 指標(biāo)計算公式及閾值

以下從4個方面分別闡述指標(biāo)的定義、評價范圍、計算公式，并結(jié)合指標(biāo)百分制評價方法，設(shè)置各項指標(biāo)閾值。

2.1 設(shè)施能力適應(yīng)度

設(shè)施能力適應(yīng)度(A)用于衡量車站設(shè)施能力與客流需求的匹配性、均衡性，含以下兩項指標(biāo)：

(1)超高峰能力飽和度(A1)：以超高峰小時設(shè)施通過客流量與設(shè)施設(shè)計通過能力的比值表示，包含閘機、樓梯、扶梯、通道等設(shè)施。本文在文獻[6]附錄F.0.1的計算公式基礎(chǔ)上，考慮設(shè)施能力折減影響，提出改進公式如下：

(1)

式中：Qh為高峰小時客流量；α為超高峰系數(shù)，取20 min最大客流的3倍與高峰小時客流量的比值[2]；N為設(shè)施設(shè)計通過能力，本文按文獻[2]中9.3.14的取值標(biāo)準(zhǔn)；λ為設(shè)施能力折減系數(shù)，與客流特征、攜帶行李情況(見OSID圖1)、環(huán)境熟悉程度有關(guān)，文獻[4]規(guī)定了各類車站的系數(shù)取值建議。A1取值范圍在[0, 1.2]，設(shè)定A1取值為0.6、0.8、1.0、1.2,對應(yīng)評分100分、80分、60分、40分。

(2)設(shè)施能力利用不均衡系數(shù)(A2)：以各設(shè)施最大飽和度與平均飽和度的比值來衡量，評估上下行站臺與不同換乘方向的能力均衡性。計算公式參考文獻[4]的附錄F.0.2。若該系數(shù)過大，則應(yīng)優(yōu)化站臺設(shè)計方案或換乘客流組織方案。A2取值1.20、1.33、1.43、1.50,對應(yīng)評分100分、80分、60分、40分。

2.2 線路能力匹配度

線路能力匹配度(B)用于衡量換乘站銜接線路運輸能力與客流需求的匹配程度，含以下兩項指標(biāo)：

(1)站臺滯留人數(shù)(B1)：即定員情況下超高峰時段站臺的滯留人數(shù)，與本站需要運送的客流與列車最大運送能力相關(guān)。由于實際滯留人數(shù)難以直接獲取，本文以高峰小時上車量、下車量及斷面量等數(shù)據(jù)計算獲得。

(2)

式(2)中，n為高峰小時發(fā)車對數(shù)；Q上車、Q下車、Q斷面分別指高峰小時上車量、下車量及斷面量；β為列車超載率，本文取1.0；C定員為列車定員；B1為高峰時段每趟車需要上車量與列車剩余運能的差值，列車剩余運能由列車最大載客量、上個斷面實際載客量及本站下客量計算得到。若B1>0，則站臺乘客滯留;若B1≤0，則運能充裕。以地鐵6B列車定員1460人為例，評分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 站臺滯留人數(shù)的評分標(biāo)準(zhǔn)

(2)線路運能不均衡系數(shù)(B2)：為各線路高峰小時運能的最大值與平均值的比值，用于不同線路運能匹配性的初步估算。

(3)

式(3)中,nl為線路l高峰小時發(fā)對數(shù),m為換乘站銜接線路數(shù),Cl為線路l上列車定員。

根據(jù)南京地鐵運營數(shù)據(jù)計算得到各換乘站的指標(biāo)(見OSID圖2)發(fā)現(xiàn)，市區(qū)、郊區(qū)線路運能差距大，銜接市區(qū)、郊區(qū)線路或外圍換乘站的系數(shù)較大，而銜接同類市區(qū)線路系數(shù)較小，故評分100分、80分、60分、40分，對應(yīng)同類市區(qū)線路B2為1.0、1.2、1.4、1.6，而市區(qū)、郊區(qū)線路B2為1.2、1.4、1.6、1.8。

圖2 三類車站的二級指標(biāo)特征圖Fig.2 Characteristic map of secondary indexes for three types of stations

2.3 舒適便捷度

舒適便捷度(C)反映換乘便捷性、出入口便捷性及無障礙設(shè)施完備程度，含以下3項指標(biāo)：

(1)平均換乘距離(C1)：以各換乘流線平均換乘距離衡量，單位m?？紤]換乘走行步行時間約束，以平均步速60 m/min估算，按步行時間3、4、5、6 min得到C1取值180、240、300、360，對應(yīng)100分、80分、60分、40分。

(2)出入口覆蓋面積(C2)：以200 m為半徑繪制各出入口覆蓋扇形面積的總面積，單位hm2，從出入口覆蓋率及可達性衡量出入口設(shè)置的合理性。對南京59個換乘站統(tǒng)計(見OSID圖3)得到，指標(biāo)閾值42.5、32.5、22.5、12.5,對應(yīng)100分、80分、60分、40分。

(3)無障礙設(shè)施完備度(C3)：體現(xiàn)換乘站的自動扶梯、垂直電梯等無障礙設(shè)施對殘障人士及攜帶大型行包乘客的便捷性，含進出站方向及換乘路徑方向。若換乘各站每少設(shè)一個進出站無障礙電梯則減去15分，換乘流線每少設(shè)一個無障礙電梯/扶梯減去10分，總分100分，最低分為40分。

2.4 沖擊安全度

沖擊安全度(D)用于評價瞬時大客流對站臺、換乘設(shè)施的受沖擊程度及消散能力，含3項指標(biāo)。

(1)換乘設(shè)施端部最大排隊長度(D1)：以超高峰時段一趟下車客流到達換乘設(shè)施端部瞬時產(chǎn)生最大排隊人數(shù)長度，評估排隊區(qū)設(shè)計合理性，單位m。

(4)

(2)站臺客流最大消散時間(D2)：借鑒文獻[11]站臺乘客疏散時間方法,用高峰小時站臺一趟下車客流的消散時間，反映客流周期消散能力，單位min。

(5)

式(5)中：q下車為高峰小時內(nèi)所有到站列車下車客流的最大值，島式站臺按上、下行列車同時到站的總下車人數(shù)；分母為站臺垂直設(shè)施客流消散能力，含樓梯、扶梯；N1為一臺自動扶梯的通過能力；m1為扶梯數(shù)量；N2為單位寬度樓梯的通過能力；Wk為樓梯寬度；m2為樓梯數(shù)量；ξk∈[0,1]為用于消散客流的樓梯能力利用率；指標(biāo)D2閾值1、1.5、2、2.5,對應(yīng)100分、80分、60分、40分。

(3)站臺最大擁擠密度(D3)：以超高峰時段站臺同時上下車時最大擁擠密度衡量站臺擁擠程度，用上下車人數(shù)與側(cè)站臺面積之比來表示，單位人/m2。

(6)

式(6)中：Q下車、Q上車為下車、上車量；n為高峰小時發(fā)車對數(shù)；S站臺為側(cè)站臺面積。文獻[2]建議站臺客流密度1.33～3.03人/m2，推薦為2.0人/m2；文獻[4]建議1.33～2.5人/m2；本文閾值1.33、2.0、2.5、3.0,對應(yīng)100分、80分、60分、40分。

3 指標(biāo)綜合評價方法

3.1 單項指標(biāo)評分方法

3.1.1 計算指標(biāo)結(jié)果

按指標(biāo)計算公式得到指標(biāo)取值，若指標(biāo)含多種設(shè)施/方向的評價，則先計算單個設(shè)施/方向的指標(biāo)值，再取該項指標(biāo)最大值作為指標(biāo)的計算結(jié)果。以超高峰能力飽和度A1為例，若存在樓梯、扶梯、閘機、通道等待評價設(shè)施，則應(yīng)先計算單個設(shè)施的指標(biāo)值A(chǔ)1,s，然后再求結(jié)果集合中的最大值。

A1=max{A1,s|s=1,2,3,…,m}，

(7)

其中，{A1,s|s=1,2,3,…,m}為待計算設(shè)施指標(biāo)值A(chǔ)1,s的集合，Qh,s、αs、λs、Ns各為設(shè)施s高峰小時客流量、超高峰系數(shù)、設(shè)施能力折減系數(shù)及設(shè)施設(shè)計通過能力。

3.1.2 計算指標(biāo)評分

得到指標(biāo)計算結(jié)果后，將各項指標(biāo)閾值劃分為優(yōu)(100，80]、中(80，60]、差(60，40]3個等級。除指標(biāo)C3為直接對照評分得到外，其余9項指標(biāo)值均采用每一級分段差值方法計算得到，若指標(biāo)超出上限或下限值，取最高分或最低分。

(8)

式(8)中，Pg,max為第g級得分上限；Zg,max、Zg,min為第g級閾值上限及下限；Z(i)為指標(biāo)值，計算完二級指標(biāo)得分后，通過加權(quán)評分得到一級指標(biāo)得分與總得分。

3.2 綜合評價方法

3.2.1 層次分析法概述

層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是一種層次權(quán)重決策分析方法，具有科學(xué)性、系統(tǒng)性、層次性及實用性優(yōu)點，可滿足本文地鐵換乘站方案綜合評價需求。首先將評價指標(biāo)體系分為目標(biāo)層(總得分)、準(zhǔn)則層(一級指標(biāo))、指標(biāo)層(二級指標(biāo))，其次構(gòu)造判斷矩陣，然后計算權(quán)重系數(shù)并進行一致性檢驗，最后計算一級指標(biāo)與總得分。

3.2.2 構(gòu)造判斷矩陣

判斷矩陣是對同一層次的各元素關(guān)于上一層次的重要性的兩兩比較矩陣。在判斷矩陣R中每個元素rij為同一層次兩項指標(biāo)i與j重要度的評分。其打分規(guī)則采用1～9分“九級標(biāo)度法”[12]進行成對比較，評分越高則前者相對后者越重要。

(9)

3.2.3 計算權(quán)重系數(shù)

采用和積法計算權(quán)重系數(shù)及最大特征根的步驟如下：

3.2.4 一致性檢驗

歸一化的權(quán)重系數(shù)應(yīng)進行一致性檢驗，檢驗系數(shù)是否合理。一致性檢驗指標(biāo)IC，其計算如式(10)所示。若IC<0.1表明邏輯清晰，計算的指標(biāo)權(quán)重可接受。

IC=λmax/(m-1)，

(10)

其次檢驗判斷矩陣的隨機一致性ICR，其值為IC與IR的比值，IR為同階平均隨機一致性指標(biāo)，取值標(biāo)準(zhǔn)見文獻[12]。若ICR<0.1，則判斷矩陣具有一致性。

4 算例分析

4.1 算例車站介紹

選擇南京地鐵大行宮站、新街口站、柳洲東路站、鼓樓站、南京站、馬群站及浮橋站7個換乘站對指標(biāo)的合理性、有效性進行分析驗證，輸入車站設(shè)計圖與客流數(shù)據(jù)進行指標(biāo)評價。由于柳洲東路站、馬群站、浮橋站為在建/規(guī)劃換乘站，新銜接線路尚未開通，數(shù)據(jù)來源為預(yù)測客流，其余4站已開通運營，選取2019年5月10日的南京地鐵運營統(tǒng)計數(shù)據(jù)驗算。

4.2 單項指標(biāo)結(jié)果分析

4.2.1 獨立性驗證

為進一步驗證所提指標(biāo)的獨立性，應(yīng)用SPSS軟件對算例車站的二級指標(biāo)結(jié)果進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)A1與D2、A2與C1、D1與D2的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.873、0.852、0.784，顯著性(雙側(cè))水平各為0.010、0.015、0.037，均小于0.05，從統(tǒng)計學(xué)上存在特征相關(guān)。然而，從評價對象及物理含義分析，A1評價對象為車站通過設(shè)施、D2評價對象為站臺，二者評價重點不同且相對獨立；A2與C1雖然樣本數(shù)據(jù)存在關(guān)聯(lián)，但評價對象及物理含義不相關(guān)；D1面向端部設(shè)施評價，包括進出站及換乘流線的樓扶梯、通道等設(shè)施，而D2則限定在面向站臺評價，對象不同也相對獨立。故上述指標(biāo)具有獨立性，可應(yīng)用于換乘站評價。

4.2.2 指標(biāo)計算及評分

指標(biāo)計算結(jié)果(表3)整體與車站現(xiàn)狀較為吻合。如大行宮站的A1、C2、D1、D2、D3五項指標(biāo)較差，該站高峰小時換乘客流超1.1萬人，換乘設(shè)施能力緊張，3號線站臺僅13 m，導(dǎo)致客流擁擠，西南方向無出入口導(dǎo)致便捷性差。新街口站與大行宮站指標(biāo)特征相似，但該站出入口達24個，C2指標(biāo)較好。鼓樓站B2與D3指標(biāo)較低，其1號線與4號線發(fā)車對數(shù)差距大，導(dǎo)致線路運能不匹配及站臺客流擁擠。南京站和馬群站A2及C1指標(biāo)均較低，其換乘通道近300 m，換乘便捷性差，且均含側(cè)式站臺，上、下行站臺設(shè)施能力不均衡系數(shù)較大。

表3 算例車站單項指標(biāo)計算結(jié)果

對指標(biāo)得分結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，有些車站的各項指標(biāo)得分特征比較接近，故計算兩兩車站Pearson系數(shù)以分析車站相似度，結(jié)果表明：大行宮站—新街口站、大行宮站—柳洲東路站、新街口站—柳洲東路站的相關(guān)系數(shù)各為0.742、0.727、0.554，鼓樓站—浮橋站相關(guān)系數(shù)為0.741，南京站—馬群站相關(guān)系數(shù)為0.883，相似度高；而其他車站之間相關(guān)系數(shù)均小于0.5。

根據(jù)特征相關(guān)性將車站歸為三類(圖2)。圖2(a)為能力不足型，含大行宮站、新街口站、柳洲東路站3站，雷達圖上顯示A1、D2、D3得分均較低，A2、B1、B2、C1、C3得分較高，表現(xiàn)為設(shè)施能力不足、站臺客流擁擠、站臺乘客滯留特征；圖2(b)為能力均衡型，含鼓樓站及浮橋站，各項指標(biāo)評分較高，其A1、A2、B1、C1、C2、C3、D2得分較接近，整體能力比較均衡；圖2(c)為換乘不便型，含馬群站與南京站，其A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D3指標(biāo)得分接近，兩站均為島-側(cè)換乘站，存在側(cè)式站臺能力不均衡系數(shù)大、換乘距離較遠問題。

4.3 綜合指標(biāo)評價分析

4.3.1 指標(biāo)權(quán)重計算

邀請專家按照“九標(biāo)度法”進行評分，綜合專家意見共構(gòu)建了5個判斷矩陣。

(1)準(zhǔn)則層的判斷矩陣為：

(2)指標(biāo)層的4個判斷矩陣各為：

(3)根據(jù)判斷矩陣，計算得到各層歸一化權(quán)重系數(shù)。

一級指標(biāo)A、B、C、D權(quán)重系數(shù)各為0.47、0.17、0.10、0.26。二級指標(biāo)A1、A2權(quán)重系數(shù)各為0.8、0.2，B1、B2權(quán)重系數(shù)各為0.7、0.3，C1、C2、C3權(quán)重系數(shù)各為0.54、0.16、0.3，D1、D2、D3權(quán)重系數(shù)各為0.26、0.11、0.63。

(4)一致性檢驗。由于RA1～A2、RB1～B2為二階判斷矩陣，完全一致，故無需檢驗。一級指標(biāo)判斷矩陣Rs的λ均值為4.046，IC與ICR值各為0.015、0.017；二級指標(biāo)判斷矩陣RC1～C3的λ均值為3.009，IC與ICR值各為0.005、0.008；二級指標(biāo)判斷矩陣RD1～D3的λ均值為3.039，IC與ICR值各為0.019、0.033。上述判斷矩陣IC、ICR值均小于0.1，故通過一致性檢驗。

4.3.2 綜合評分分析

將車站各項二級指標(biāo)的評分乘以指標(biāo)權(quán)重，得到一級指標(biāo)及綜合指標(biāo)的評分結(jié)果(圖3)。一級指標(biāo)評分表明：大行宮站、新街口站的指標(biāo)A、D得分均較低，不足60分，設(shè)施能力不足及客流沖擊安全問題突出；柳洲東路站指標(biāo)A、B、D得分均不足60分，車站、線路運能不足尤為凸顯，故一級指標(biāo)可直觀評價換乘站設(shè)計方案的合理性。綜合得分結(jié)果表明：浮橋站、鼓樓站評分超80分，情況較好；馬群站、南京站、新街口站及大行宮站評分為60～80，情況一般；柳洲東路站總評分58分，整體交通狀況較差，評分結(jié)果與該站實際情況十分吻合。

圖3 綜合指標(biāo)評分結(jié)果Fig.3 Comprehensive index score result

4.3.3 方案優(yōu)化建議

以柳洲東路站為例探討換乘站的方案優(yōu)化建議，該站為南京地鐵3號線(已運營)與11號線(在建)的換乘站，其指標(biāo)A1、B1、D3得分各為40分、40分、48分，表現(xiàn)為3號線上行站臺的扶梯設(shè)施能力不足、站臺乘客滯留及客流擁擠等問題。其原因包括：(1)3號線上行站臺為進城方向，高峰小時斷面量超3萬人次，列車擁擠，乘客無法上車，最大滯留人數(shù)超1100人；(2)3號線為側(cè)式站臺，上下行站臺分離，側(cè)站臺僅2.5 m寬，候車面積較小，最高密度達2.8人/m2；(3)該向站臺高峰進站客流超1.68萬人，扶梯通行能力緊張；(4)早高峰3號線換入客流為13 144人，高于換出客流7 875人，增加了3號線上行站臺的壓力。建議：(1)增加3號線上行方向行車密度，加開小交路列車，提升該區(qū)段的線路運能；(2)優(yōu)化柳洲東路站的客流控制措施，通過調(diào)控3號線進站與換入客流，降低站臺客流總量；(3)加強3號線下行樓扶梯端部的客流引導(dǎo)，避免客流過度擁擠產(chǎn)生踩踏風(fēng)險。

5 結(jié)語

本文通過對多個城市換乘站的現(xiàn)狀問題分析，提出了面向系統(tǒng)性評價換乘站交通功能的二層10個評價指標(biāo)體系，結(jié)合南京地鐵實際運營統(tǒng)計數(shù)據(jù)，給出了地鐵換乘站功能評價指標(biāo)綜合評價方法。通過南京地鐵7個車站的數(shù)據(jù)驗證分析表明，評級指標(biāo)體系能夠表征不同車站的分類特征，綜合反映車站在設(shè)施能力、線路運能、舒適性和安全性等方面存在的交通功能設(shè)計問題。以綜合評價分析結(jié)果為基礎(chǔ)，可對車站提出具有針對性的優(yōu)化建議，支撐換乘站的設(shè)計、運營和改造等工作。

論文中采用判斷矩陣確定指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，存在專家打分的主觀性偏差，需進一步考慮完善；另外，本文所述便捷性指標(biāo)僅限于地鐵系統(tǒng)，未考慮與其他交通方式的銜接，后續(xù)綜合樞紐的評價工作將進一步完善。