一种基于流线分析的轨道交通枢纽设施设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于流线分析的轨道交通枢纽设施布局和微观设计方法。首先从交通设计的角度系统地分析了城市轨道交通枢纽的系统构成，明确枢纽的通道、楼梯、检票机、站台等交通设施的空间布局方案，从出行者在枢纽内的活动出发，提出了行人流线生成方法、流线分析和冲突消除方法。以流线分析结果为基础，将枢纽流线干扰度、换乘阻抗作为衡量枢纽布局结构效用的定量评价指标，提出了以结构效用最优为目标的设施布局优化方法。
【专利说明】一种基于流线分析的轨道交通枢纽设施设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于城市轨道交通枢纽交通设计理论领域，特别涉及一种基于流线分析的 轨道交通枢纽设施设计方法。
【背景技术】
[0002] 作为实现交通功能转换的关键节点，城市轨道交通枢纽在综合客运交通系统中的 作用，犹如交叉口在城市道路网中的作用，是城市客运交通系统的瓶颈，其合理规划、设计、 建设与否直接影响着综合客运网络的整体效率和"以人为本"的服务水平的高低，更直接关 系到出行者在枢纽内集散换乘的出行效率。但是，从枢纽的实际建设和运营状况来看，相 对于轨道交通线网所取得的长足发展，轨道交通枢纽的建设仍是城市综合交通发展的"软 肋"。枢纽内部布局缺乏系统考虑，交通一体化水平较低，换乘距离长，枢纽设施容量不足， 各种交通方式之间换乘不协调等问题仍然严重，降低了交通使用者在枢纽内的换乘效率。 为了构建一体化的城市综合客运系统，实现城市综合客运交通体系的整体化功能，要求交 通工程界的理论研究要从过去比较多地关注"线网"布局规划问题的同时，更要更多地重视 枢纽及车站这一类"节点"的规划设计问题。
[0003] 为了指导枢纽的规划设计，围绕如何开展枢纽的交通规划设计，进行枢纽内部合 理布局及配置优化，科学地确定枢纽内各类交通设施的规模（容量）、数量、布置，以提高枢 纽衔接效率与服务质量，充分发挥枢纽的交通功能，国内外展开了从宏观至微观的一系列 研究，形成了诸多研究成果，既有以空港为对象的，有针对综合客运枢纽的，也有围绕轨道 交通枢纽和轨道交通车站展开的研究，其成果对本发明的研究具有重要的借鉴意义。
[0004] 近几年来从中微观层面研究枢纽交通规划设计问题才刚刚起步，从现有的研究成 果可以看出以下不足：
[0005] -、枢纽内各类设施的优化配置没有充分体现流量的短时波动性和使用者的行为 特性。
[0006] -方面，采用目标年的设计高峰小时流量作为依据计算各类设施的规模的方法， 忽略了需求的短时波动性，因为枢纽内高峰小时客流量并不是持续地占用枢纽设施，而是 具有流量激变性的特点，即：枢纽内的客流量与列车的到达分布有关，因而，随着列车到站 呈现出瞬时急剧升高的特性。在这种状态持续一段时间后，客流量逐渐减少。当下一趟列 车到来后这种现象将重复出现，呈现一定的周期性。另一方面，行人在枢纽内移动的过程中 对枢纽设施的使用，呈现出速度随流量、密度改变而变化，且空间分布上不均匀的特性，人 们更容易聚集在服务类设施，如：检票口、售票处、问询台等位置。因此不考虑流量的短时波 动性和乘客行为特性的规模配置与设计会导致设施能力与需求的不匹配。
[0007] 二、多是针对枢纽内的局部设施和单一目的展开的研究，难以体现乘客在枢纽内 不同方式之间的一体化换乘过程。
[0008] 已有的研究成果多是以轨道交通车站内的单一交通设施（如步行通道、检票闸 机、地铁站台等）为对象，展开的局部的优化和细化设计，而对轨道交通枢纽内的其它空 间，如：轨道交通与其它交通方式的换乘设施（公交候乘区、车辆停放区等）、轨道交通枢纽 的地面交通出入口等交通资源的布局与优化配置研究较少，尤其缺乏从系统的角度出发， 按照行人在枢纽内的完整活动链，将乘客在枢纽内不同方式间换乘过程中所经过的交通设 施作为一个整体，对枢纽的各类设施进行综合协调设计与优化研究。
[0009] 三、运用解析方法对枢纽交通设施进行优化设计的研究非常少。
[0010] 现有枢纽设计所采用的研究方法和解决手段主要分为两类：基于排队论的设施优 化设计、基于仿真的能力配置适应性评价。首先由于排队论在描述检票机、售票机这类服务 设施时具有较好的解释性，因此多被用于解决枢纽内售检票设施配置问题；现有的仿真模 型和方法实质上是对既定的流量和规划设计方案下的一种有效反馈，通过模拟行人流与枢 纽设施之间的交互现象，得到动态的枢纽适应性评价结果，以此作为方案比选和改进的依 据。由于枢纽结构的复杂性和流量变化的随机性，构建能够描述枢纽运行效果的解析模型 是非常困难的，由上面的分析即可以看出，运用解析方法对枢纽交通设施进行优化设计的 研究还非常少。
[0011] 总之，国内外有关城市轨道交通枢纽交通设计理论的研究还不完善，有待进一步 研究。
【发明内容】
[0012] 针对现有研究所存在的不足，本发明的目的是根据枢纽客流的波动性和乘客的交 通特性，以问题为导向，以关注乘客在枢纽系统中的移动条件与环境为切入点，以交通资源 (包括时间、空间、投资等）为约束，以方便乘客的出行和换乘、提高公共交通的服务能力为 目标，对轨道交通枢纽从轨道交通站台、经换乘设施再到其他交通方式的站场展开的一项 从宏观到微观层面的优化设计。宏观上以缩短乘客在枢纽内的移动距离为目标，提出枢纽 设施布局优化方法；中观上以减少乘客在枢纽内的延误时间、提高换乘效率为目标，建立枢 纽设施能力优化模型，实现枢纽各类设施的供需匹配；微观上以服务水平为标准，详细讨论 枢纽的微观交通设计。最终从设施静态设计和客流动态使用两个方面实现枢纽的规划设计 满足设计目标。
[0013] 本发明针对国内外有关城市轨道交通枢纽交通设计理论研究不足，本发明提出一 种基于流线分析的轨道交通枢纽设施布局和微观设计方法，具体的技术方案如下：
[0014] 一种基于流线分析的轨道交通枢纽设施设计方法，所述流线分析包括流线的表示 方法、流线生成、冲突点分析、流线优化和冲突消除；所述轨道交通枢纽设施设计方法，包括 枢纽设施布局和枢纽设施微观设计，其中，所述枢纽设施布局包括枢纽设施分类，设施布局 优化模型和布局优化流程；所述枢纽设施微观设计包括交通设施延误计算模型，设施能力 优化模型和枢纽微观交通设计。
[0015] 所述流线分析中的流线，是在交通枢纽内，由于各类人员、车辆、物品的集散活动， 产生一定的流动过程和流动路线；所述流线的表示方法包括流程图表示法和组织图表示 法；所述流线的生成，是直观形象地表示出行人在城市轨道交通枢纽中的分布和走向，即将 枢纽各交通方式换乘矩阵转换成枢纽内部客流OD分布矩阵；所述冲突点分析和冲突消失 中的冲突，包括流线交汇/分流引起的摩擦冲突、流线相交穿插引起的交叉冲突和开放空 间的复杂交织冲突点；所述流线优化和冲突消除采用交叉外移法和物理切割法。
[0016] 所述枢纽设施包括通道类设施、服务类设施、换乘类设施和信息类设施；所述设施 布局优化包括优化的基本要求、效用指标的计算和优化模型的建立；所述布局优化流程包 括设施分析、枢纽乘客流线分析、建立枢纽设施布置优化模型。
[0017] 所述交通设施延误计算包括通道类设施延误计算、服务类设施延误和换乘类设施 延误；所述设施能力优化模型包括枢纽网络的抽象、变量符号的定义、非线性双层优化模型 构建、启发式求解算法；所述微观交通设计包括通道楼梯的设计、售检票设施的设计、公交 换乘设施的设计、社会车辆换乘停车场设计、自行车停放区设计和信息服务设施设计。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是轨道交通枢纽设施构成示意图；
[0019] 图2a是公交换乘地铁流线的流程图；
[0020] 图2b是地铁换乘公交流线的流程图；
[0021] 图3是城市轨道交通枢纽设施布局的基本流程；
[0022] 图4通道的最大走行时间与流量、宽度的关系
[0023] 图5是下行楼梯的最大走行时间与流量、楼梯宽度的关系；
[0024] 图6是服务类设施延误时间计算方法示意图；
【具体实施方式】
[0025] (1)提出流线生成、冲突点分析、流线优化和冲突消除，具体步骤如下：
[0026] (11)流线生成
[0027] 流线生成的主要任务是直观形象地表示出行人在城市轨道交通枢纽中的分布和 走向，也是行人流线冲突分析的基础。
[0028] ①确定节点。在生成流线时应首先确定节点的类型，节点可以分为结构节点和链 接节点。结构节点即行人活动的起讫点（起讫点设施）或进入、离开枢纽的点（设施）；链 接节点即行人在换乘过程中经过的各设施的端点，如：步行通道的两端端点，到达闸机的点 和离开闸机的点等。
[0029] ②采用有向线段连接各个标记点的方式，将各种类型的行人流线按照其路径轨迹 在设施布置图中表示出来；
[0030] ③对各种有向线段进行区分，即可以用不同的颜色代表不同的流线类型，也可以 用不同的线条粗细代表不同的流线流量。
[0031] (12)冲突点分析
[0032] 人-人冲突也可以分为以下三种类型，S卩：流线交汇/分流引起的摩擦冲突、流线 相交穿插引起的交叉冲突和开放空间的复杂交织冲突点。
[0033] 1)摩擦冲突点。通过实地观察，乘客在长长的步行通道内行进时，一般会跟随前进 形成有序的流线，而在诸如三条通道形成的丁字交叉口处，会发生流线的交汇或分流，这时 由于行进方向的改变、通道宽度的改变，行人会产生如避让、减速、后方行人超越前方行人 的行为等，造成摩擦冲突。这种冲突是枢纽内行人在行进中最普遍的冲突，一般冲突强度较 小，发生冲突的面积较小。
[0034] 2)交叉冲突点。是在封闭的、三向或四向交叉的区域内发生由于行进方向不同，需 要与相交流线发生穿插现象的冲突类型。两个相交方向的客流会彼此停顿避让、交替穿过。 当两个方向的客流较大时，冲突强度较大，发生冲突的面积较摩擦冲突大。
[0035] 3)交织冲突点。是指在开敞式的区域内（如站厅、换乘大厅、轨道交通站台等处）， 由不同目的和行进方向的行人（如进出站、购票、问询等多个方向）相互交织所形成的冲突 点。在该区域内，行人频繁产生肢体摩擦、避让、停顿、绕行等动作。尽管交织冲突区内包含 了前面两种冲突点类型的行人移动行为，但是其总体表现出的特征更具复杂性，因此在流 线分析中应将流线图中处于这类开敞式空间区域内的多个冲突点看作是相关的，其共同表 示一片交织冲突区，该区域内的冲突点即为交织冲突点，点的个数代表在该冲突区域内的 不同行进方向冲突复杂程度。
[0036] (13)行人流线的优化和冲突的消除
[0037] 通过重新组织和设计流线的分布和走向，即研究流线和设施布置之间的关系，以 调整流线在设施布置中的分布来消除冲突区域。主要方法和途径有：
[0038] 1)交叉外移法。
[0039] 就是将客流非高峰期在站内产生的流线交叉点外移至枢纽站外，以减少流线交叉 点及交叉密度。
[0040] 2)物理切割法。
[0041] 所谓物理切割法，就是将进站、出站、购票、换乘等各种流线分隔开，以减少交叉。
[0042] ①「在同一平面上的物理切割
[0043] 首先要在平面上为乘客提供多渠道的换乘空间和流线。可分为主要出入口、次要 出入口、通过式大厅、入口大厅、换乘通廊等各种形式。
[0044] ②「利用三维空间进行物理切割
[0045] 为了避免流线的交叉，除了在平面上采用多空间、多入口的方法外，还需要在剖面 上设置地下通道、高架桥、高架步行道、站厅等设施，以利用立体空间来分流。
[0046] (2)城市轨道交通枢纽是一个由各种交通设施构成的以实现客流在不同方式间换 乘接续的场所，主要由三部分组成的：轨道交通车站、换乘设施和疏解道路。本发明主要针 对轨道交通车站和各类换乘设施的候乘站台或候乘区域展开研究，包括：
[0047] ①「通道类设施：包括通道、楼梯或扶梯、换乘大厅等；
[0048] ②「服务类设施：包括检票闸机、售票机等；
[0049] ③「换乘类设施：包括轨道交通站台、公交站台、社会车辆停车场等；
[0050] ④「信息类设施：包括导向标识、信息诱导设施等。
[0051] (3)将行人流线分析的结果作为输入条件，构建城市轨道交通枢纽设施布局优化 模型，最终通过优化模型寻求合理的设施布局方案，具体步骤如下：
[0052] (31)城市轨道交通枢纽设施布局优化的根本目标就是为行人提供便捷的换乘环 境，因此，其设施布局应在交通功能分析引导下进行，使枢纽设施布局满足以下要求：：缩短 乘客换乘的时空距离和减少人流的交叉干扰程度。
[0053] (32)结合枢纽设施布局优化的基本要求，选取最能够直接体现枢纽结构布局效用 的指标，分别是：流线干扰度、换乘阻抗。
[0054] ①「流线干扰度指标
[0055] 枢纽的流线干扰度指标是用来反映换乘枢纽内部行人流的组织水平和乘客换乘 顺畅的指标，可以直接说明换乘方式复杂的枢纽内各种行人流线间相互干扰的交织影响程 度，可用各流线冲突点数目之和与流线所经过的设施数目之和的比值来确定。如下：
[0056] U1 = HcZH1
[0057] 式中，
[0058] U1--枢纽的流线干扰度；
[0059] H0--枢纽内部各个流线冲突点数目之和；
[0060] H1--枢纽流线所经过的设施数目之和。
[0061] 枢纽的流线干扰度愈小，说明冲突点愈少，行人流线愈顺畅。其中冲突点数目HO 可以用如下式子表示：
[0062] H0 = 9 ! ? TCf+ 9 2 ? TCa+ 9 3 ? TCi
[0063] 式中，
[0064] TCf--各流线上的摩擦冲突点数目之和；
[0065] TCa--各流线上的交叉冲突点数目之和；
[0066] TCi--流线形成的交织冲突区内交点数目之和；
[0067] 9 1； 9 2, 9 3--三类冲突点的权重因子，可以通过不同类型冲突点的冲突强度、 面积需求等因素来确定。
[0068] ②「换乘阻抗指标
[0069] 换乘阻抗是指行人在枢纽内移动的过程中伴随着身体的移动所花费的成本，诸 如：换乘时间、换乘距离、换乘费用、换乘能量阻抗等。换乘阻抗指标U2的设计可以从枢纽 的平均换乘距离和85%乘客换乘距离两个影响参数考虑。
[0070] 平均换乘距离：平均换乘距离是指在轨道交通枢纽内每位从到达到离开枢纽的乘 客通行距离的平均值。
[0071] 85%乘客换乘距离：85%乘客换乘距离是指城市轨道交通枢纽内的所有换乘乘客 中，有85%的乘客的换乘距离在此距离以内，只有15%的乘客换乘距离高于此值。
[0072] (33)基于结构效用指标的计算，提出枢纽的布局设计优化模型。
[0073] 目标是使设施布置的总负效用F最小，并综合考虑流线干扰度和换乘阻抗对F的 影响，建立模型如下：
[0074] min {Fa，Fb,…，Fn}
[0075] s. t. G(N) ^ B
[0076] 表示负效用最小的目标函数。其中，F= 〇1^1+〇2*%表示各个布局方案的总 效用值，A，B，C，…，N对应备选枢纽设施布局方案办为枢纽流线干扰度指标；U2为枢纽换 乘阻抗指标；a i，a 2--对应效用值的权重，可以通过专家打分法或者层次分析法等方法 来确定。约束条件表示建设资金约束，以保证备选方案具有建设可行性。G(N)为城市轨道 交通枢纽建设投资函数，B为枢纽建设投资资金上限。
[0077] (4)根据上述分析，提出了一套基本的轨道交通枢纽的空间布局优化方法，解决的 关键在于将枢纽内行人流线及其量化输出指标作为设施布置优化模型的主控变量，通过分 析不同的枢纽交通设施布局方案的效用值大小，给出设施布局优化策略、具体措施和相应 的优化方案。其工作流程如下：
[0078] (41)首先进行设施分析。枢纽提供的是交通服务，即为乘客提供便捷的停车、换 乘、集散转换的条件，形成不同类型的设施和设施的不同分布。根据枢纽的功能定位，梳理 枢纽内的交通设施构成；
[0079] (42)进行枢纽乘客流线分析。枢纽设施是依托乘客流线形成的，必然位于不同交 通方式的乘客走行线路上，设施布置时应首先考虑的是客流集散点之间的联系。按照流线 生成的分析方法进行流线分析，判断冲突区域并采用一定的方法消除交叉冲突，以流线分 析的结果作为基础，确定流线上各种交通设施之间的相互关系，并确定和绘制枢纽设施位 置关系图，输出流量矩阵和阻抗矩阵；
[0080] (43)建立枢纽设施布置优化模型。在流线分析结果的基础上按照一定的交通原 贝U，从改善枢纽交通结构入手，以枢纽布置的结构效用最佳为优化目标，进行枢纽内部布 局，实现枢纽在结构上的最佳，从而提高换乘的方便性。
[0081] (5)将城市轨道交通枢纽看作是一个由通道类设施、服务类设施和换乘类设施构 成的整体系统，讨论枢纽设施供给能力与枢纽设施上行人交通延误之间的相互关系，通过 解析计算方法提出行人流在通道类、服务类、换乘类三种不同交通设施上的延误计算模型。 [0082] 乘客在城市轨道交通枢纽延误的产生源自于拥挤、排队和等待三种行为。拥挤延 误，是由于设施通行能力不足造成单位面积乘客人数过多，流速下降而产生的延误；引起排 队延误的最根本原因是乘客到达率大于可选择服务台的服务能力；等待延误，是由于乘客 到达服务台后服务暂不可用而导致的延误。
[0083] (51)通道类设施延误计算模型
[0084] 通道上的延误属于拥挤延误，可用密度最大时通过时间与以自由流速度通过时间 的差值表示。其中，通道长度已知，自由流速度可通过调查得到，因而容易计算出乘客以自 由流速度通过的时间，为计算通道延误时间的大小，关键是以枢纽内通道设施上的行人流 特性为基础，对行人在通道设施上的最大走行时间进行估计。
[0085] 首先假设通道是水平的，乘客的速度随着密度的增加而降低幅度变缓，行人流速 度一密度模型见下式。
[0086] u = -〇. 455k+l. 612
[0087] 式中，
[0088] u--水平通道内的行人流速度，m/s ;
[0089] k--水平通道内的行人流密度，peds/m2。
[0090] 通道内的最大走行时间估计值为：
【权利要求】
1. 一种基于流线分析的轨道交通枢纽设施设计方法，其特征在于：所述流线分析包括 流线的表示方法、流线生成、冲突点分析、流线优化和冲突消除；所述轨道交通枢纽设施设 计方法，包括枢纽设施布局和枢纽设施微观设计，其中，所述枢纽设施布局包括枢纽设施分 类，设施布局优化模型和布局优化流程；所述枢纽设施微观设计包括交通设施延误计算模 型，设施能力优化模型和枢纽微观交通设计。
2. 如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述流线分析中的流线，是在交通枢纽 内，由于各类人员、车辆、物品的集散活动，产生一定的流动过程和流动路线；所述流线的表 示方法包括流程图表示法和组织图表示法；所述流线的生成，是直观形象地表示出行人在 城市轨道交通枢纽中的分布和走向，即将枢纽各交通方式换乘矩阵转换成枢纽内部客流0D 分布矩阵；所述冲突点分析和冲突消失中的冲突，包括流线交汇/分流引起的摩擦冲突、流 线相交穿插引起的交叉冲突和开放空间的复杂交织冲突点；所述流线优化和冲突消除采用 交叉外移法和物理切割法。
3. 如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述枢纽设施包括通道类设施、服务类 设施、换乘类设施和信息类设施；所述设施布局优化包括优化的基本要求、效用指标的计算 和优化模型的建立；所述布局优化流程包括设施分析、枢纽乘客流线分析、建立枢纽设施布 置优化模型。
4. 如权利要求1所述的设计方法，其特征在于所述交通设施延误计算包括通道类设施 延误计算、服务类设施延误和换乘类设施延误；所述设施能力优化模型包括枢纽网络的抽 象、变量符号的定义、非线性双层优化模型构建、启发式求解算法；所述微观交通设计包括 通道楼梯的设计、售检票设施的设计、公交换乘设施的设计、社会车辆换乘停车场设计、自 行车停放区设计和信息服务设施设计。
【文档编号】G06F17/50GK104408234SQ201410610779
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月3日 优先权日:2014年11月3日
【发明者】袁振洲, 吴先宇 申请人:北京交通大学