Simulation analysis of passenger flow in metro station using Anylogic
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摘要: 采用Anylogic仿真软件，从流畅性、时效性及舒适性3个方面，对地铁车站进行客流优化研究，以地铁车站乘客平均排队人数、平均逗留时间及区域密度3项指标分析和评价客流组织方案。具体以兰州地铁西站什字站为例，建立乘客进出站流线及列车进出站的人−车混合仿真模型，对兰州地铁西站什字站站厅和站台的客流进行研究，分析站内客流存在的主要问题，并针对瓶颈问题提出优化建议，从设备配置和管理措施2个方面进行客流优化。Abstract: Using Anylogic simulation software, this paper makes a research on optimizing the passenger flow of metro stations from the aspects of the fluency, timeliness and comfort of metro stations and evaluates the passenger flow organization plan in terms of average number of passengers in line, average length of stay and area density. Taking Cross Station at Lanzhou West Railway Station as an example, inbound and outbound passenger flow lines and passenger-train hybrid simulation models of trains entering and leaving the station are established, and the passenger flows in the halls and on the platforms of the station are studied and main problems in the passenger flow are analyzed. Some suggestions on optimization of passenger flow by means of equipment configuration and management measures are proposed to deal with the bottleneck problems.
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Keywords:
- Anylogic /
- metro station /
- passenger flow simulation /
- simulation model /
- optimization measures /
- evaluation index
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随着高峰期客流的不断增长，许多地铁站出现客流拥堵现象，不仅影响车站的正常秩序，也降低了运营的安全性和运输效率。地铁车站一旦开通运营，很难对其结构进行改造。一种可行的方法是，通过客流仿真分析地铁车站的客流流线交叉干扰及拥堵状况，提出客流优化方案，以减轻高峰期地铁车站的负荷。
国内不少专家、学者使用Anylogic软件进行车站仿真。文献[1]建立车站2D、3D模型，对北京地铁宣武门站进行研究；文献[2]借助Anylogic仿真软件，采用流畅性等3个指标对天府广场站进行仿真分析；文献[3]对北京动物园站站厅层的客流流线及设施布局进行研究；文献[4]对北京南站地下一层客流进行仿真分析；文献[5]聚焦铁路与城市轨道的客流换乘，对成都北站进行研究分析，提出客流优化方案。文献[6]对城市轨道换乘客流进行仿真研究，提出客流流线改进措施；文献[7] 基于多层次行人行为模型，对地铁大客流进行仿真研究；文献[8] 采用Anylogic仿真软件，模拟沈阳地铁1、2号线换乘站客流，为车站改造设计研究提供依据。
在上述研究的基础之上，本文建立人−车混合仿真模型，从流畅性、时效性以及舒适性3个方面，对兰州地铁西站什字站客流进行仿真研究，针对瓶颈问题提出优化措施。
1 仿真软件选择及建模方法
1.1 仿真软件选择
国内外地铁车站仿真软件主要有AnyLogic、Legion、STEPS、SimWalk等。在建模方法方面，Legion和STEPS采用元胞自动机模型[1]，AnyLogic和SimWalk采用社会力学模型。这几款仿真软件中，只有AnyLogic支持二次开发，且能同时实现人−车混合仿真，可更好地模拟行人走行特征以及列车运行状况，并能动态地映射到3D空间；支持2D和3D界面间自由切换，便于实时掌握地铁站内状况，利用统计指标对仿真结果进行分析和评价。
1.2 建模方法
AnyLogic是一款仿真软件，广泛应用于各领域中连续、离散、混合系统的建模，可结合多种建模方法对乘客和列车进行仿真，能够更加准确地模拟现场实际情况。
如图1所示，该仿真软件将乘客的个体行为描述为3种社会力的共同作用：
（1）驱动力：主观意识对乘客个体行为产生的社会力；F1为乘客的驱动力。
（2）乘客间作用力：在站内走行过程中，乘客之间为保持适当距离而产生的社会力；F2、F3为乘客之间的作用力。
（3）人与墙之间的作用力：在走行过程中，乘客与墙（障碍物）之间为保持距离而产生的社会力；F4、F5为乘客与墙之间的作用力。
2 仿真流程及评价指标
2.1 仿真流程
乘客在地铁车站内走行的路线构成客流流线，主要包括进站流线和出站流线[3]。地铁站内往往会出现进、出站流线交叉，尤其是高峰期的流线交叉会造成站内一定程度的拥堵现象。
图2为进站流线示意图。
相比进站流线，出站乘客个体行为较为单一，出站流线也相对简单，如图3所示。
地铁车站内乘客的走行行为，可视为若干个独立走行节点的接续。一旦当前面节点的通行能力大于后面节点的通行能力时，车站内会产生排队或拥堵现象，称为瓶颈识别方法[1]。如图4所示，1、2、3分别为地铁站内箭头指示方向上的3个不同节点，其通过能力分别为c1、c2、c3；当c1≤c2≤c3时，站内不会出现拥堵现象；若c1>c2 或c2>c3，随着后面节点乘客数量的不断增加，站内会产生拥堵现象。
2.2 评价指标
主要从流畅性、时效性以及舒适性3个方面评价客流组织方案的优劣性，对应的评价指标分别为乘客平均排队人数、平均逗留时间以及区域密度[2]。
平均排队人数L指地铁站内某一单位时间内流线上平均排队人数，表达为：
$$ {{L = }}\dfrac{{\displaystyle\sum\limits_{{{i}} = 1}^{{n}} {{{{L}}_{{i}}}} }}{{{n}}} $$ (1) 其中，Li为第i个设备的排队人数；n为设备数量；L值越小，代表此流线上流畅性越好。
平均逗留时间T指某条流线上若干个乘客在指定范围内逗留时间的平均值，表达为：
$$ {{T}} = \dfrac{{\displaystyle\sum\limits_{{{j}} = 1}^{{m}} {{{{t}}_{{j}}}} }}{{{m}}} $$ (2) 其中，tj为第j个乘客在指定范围内的逗留时间，m为乘客数量；T越小，代表此流线上时效性越好。
区域密度D指单位面积内的乘客数量，表达为：
$$ {{D}} = \frac{{{m}}}{{{s}}} $$ (3) 其中，s为区域面积，m为乘客数量；D越小，代表该区域内行人舒适性越好。
3 实例分析
3.1 车站基本概况
以兰州地铁一号线西站什字站为例进行仿真研究。西站什字站位于兰州市七里河区西津路与敦煌路的交汇处，车站周边商业发达，邻近BRT终点站，客流量较大，尤其是节假日和周末。车站为东西走向，现开设A、B、C共3个出入口。
图5为西站什字站厅的仿真3D效果图。非付费区内设置有自动售票机、安检等基本设施，付费区内共设置1部下行和2部上行自动扶梯、1部无障碍电梯、2部楼梯；车站为岛式站台，站台宽12.5 m，有效长度为140 m。
3.2 仿真建模流程
地铁车站建模流程主要包括乘客的进出站流程和列车的进出站流程；乘客的进站建模流程主要指从到达进站口开始，经过站厅购票、安检、闸机，再通过扶梯或楼梯到达站台候车乘车。
西站什字站建模进站流程如图6所示，包括A、B、C 3个出入口。
乘客出站建模流程主要包括下车到达站台、通过楼梯/扶梯到达站厅、出闸机到达站厅非付费区、出站。
列车建模流程如图7所示，主要包括列车生成（trainSource）、列车到达停车（delay）和列车退出（trainDispose）等，schedule为列车时刻表。
3.3 仿真结果分析
对西站什字站的站内流畅性（指标为乘客平均排队人数）、时效性（指标为平均逗留时间）及舒适性（指标为区域密度）进行仿真分析和评价。
图8为仿真运行过程中的实时数据，包括计数、最大值、最小值、均值等。
3.3.1 流畅性分析
对西站什字站2019年8月30日早高峰7：30—8：30期间1个小时的客流数据进行分析研究，包括售票机、安检以及进站闸机的排队情况；从图9中可知：东端售票机和进站闸机排队人数明显大于西端售票机和进站闸机，东、西2端安检排队人数大概一致。
具体设备的排队人数指标见表1，东、西2端售票机（TVM1和TVM 2）的平均排队人数为14~24人，售票机平均排队人数为3~5人，对比最大排队人数，东端售票机的排队流畅性差于西端售票机。两处安检（SC1、SC2）排队人数均较多，高峰时段内平均排队人数高达27~29人，为车站内负荷最重的设备，流畅性较差。2个进站闸机（Gate1、Gate2）的平均排队人数为2人，流畅性较好。
表 1 设备排队人数指标设备 TVM1 TVM2 SC1 SC2 Gate1 Gate2 最大排队人数 61 24 52 46 19 14 最小排队人数 6 5 7 15 5 4 平均排队人数 24 14 29 27 14 10 设备数量（n） 5 5 1 1 6 4 设备平均排队人数(L) 5 3 29 27 2 2 采用瓶颈识别方法分析站厅内的整体流畅性；东、西2端设备均未满足c(AFC1)≤c(SC1)≤c(Gate1)以及c(AFC2)≤c(SC2)≤c(Gate2)，即站厅内部分设备出现较为严重的排队现象，尤其是在安检设备处人数较多，影响了站厅内整体流畅性。
3.3.2 时效性分析
在早高峰7：30—8：30期间，随机选取100人作为样本对站内时效性进行研究。以进站为例，主要从乘客在站厅和站台的2个逗留时间进行分析。
如图10所示，站厅平均停留时间为T=1.9 min，乘客停留时间相差较大，其主要原因是乘客是否需要购票。据统计，兰州地铁1号线的票种主要有一卡通、纪念票、单程票等；其中，单程票的占比将近为所有票种的1/2，导致乘客在站厅的停留时间相差较大，在1 min~3.1 min之间波动。
乘客在站台平均停留时间（不含等车时间）为T=15.7 s，波动范围为12.6 s~19.8 s，鉴于乘客在站台的个体行为较为单一，站台停留时间波动幅度较小。
综合乘客在站厅和站台的逗留时间，分析得出兰州西站什字站的时效性较好。
3.3.3 舒适性分析
地铁站内舒适性主要指站内的区域密度D，可通过站厅和站台客流密度图来揭示。
图11为西站什字站厅的客流密度图，可以看出：厅内东西端售票机、安检以及楼梯处客流密度较大，出现不同程度的排队及拥堵现象，站厅其余地方客流密度较低，舒适性安全性较好；同时，站厅内只有楼梯口出现较为严重的进出站流线交叉，其余地方交叉干扰较小，未出现大面积拥堵现象。
图12为西站什字站台的客流密度图，可以看出：列车车厢门口以及东、西2端扶梯处客流密度较大，服务等级较低，出现局部拥堵现象，其余地方客流密度较小，站台总体舒适性和安全性较好，客流对站台的冲击性也较小。由于站台面积有限，进出站客流在站台的交叉范围较广，但并未造成大面积拥堵现象。
整体而言，西站什字站的时效性和舒适性较好，流畅性相对较差，这主要有2个原因：（1）兰州地铁1号线目前尚未开通二维码刷码进出站，站内购票乘客占比较大，导致自助售票机在高峰时段出现较为严重的排队拥堵现象，影响站厅流畅性；（2）地铁开通初期，安检相对较严，加之工作人员较少，导致东、西2端安检处在高峰期出现排队较长的现象。
3.4 优化建议
针对以上仿真分析结果，从设备配置和管理措施2个方面提出优化建议。
（1）争取尽早开通二维码扫码进出站功能，降低站内买票的乘客比例，减少排队人数，提高站厅流畅性。
（2）在未实现扫码进站之前，建议适当增加自动售票机数量，减少乘客排队时间，缓解排队压力。
（3）建议为未携带行李的乘客开通快速通道，减轻安检压力，提高安检效率。
（4）在进、出站流线交叉较为严重的地方，加强站内工作人员疏导，避免高峰期由于流线交叉造成的拥堵现象。
4 结束语
以兰州地铁西站什字站为例，对早高峰期间的站厅和站台进行仿真研究，从流畅性、时效性及舒适性3个方面分析车站客流。仿真结果表明：车站整体的时效性、舒适性较好，流畅性相对较差，未出现大面积拥堵现象，拥堵较严重的地方为东、西两端的自助售票机及安检。
为此，提出4项优化车站客流的具体措施，进一步提高车站的流畅性、时效性及舒适性，提升服务质量和旅客乘车体验，为后期接纳更大客流准备良好条件。
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表 1 设备排队人数指标
设备 TVM1 TVM2 SC1 SC2 Gate1 Gate2 最大排队人数 61 24 52 46 19 14 最小排队人数 6 5 7 15 5 4 平均排队人数 24 14 29 27 14 10 设备数量（n） 5 5 1 1 6 4 设备平均排队人数(L) 5 3 29 27 2 2 
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