基于Anylogic仿真地铁车站自动售检票系统布局优化
武汉加油 共渡难关
南京理工大学的研究人员徐永能、辛宇、董哲伟、刘颂，在2019年《电气技术》增刊中撰文，依照不同的车站客流类型，对地铁内部闸机和自动售票机的布局和设置进行优化设计，使其能够与客流特性相匹配，满足短、中、长期的客流需求。
轨道交通作为大运量的公共客运交通，方便、快捷的特性使其成为乘客出行的首要选择。但是部分地铁站建站时间较早，设施老旧，加之不断激增的客流量均暴露出地铁售检票设施布局已经无法满足现有的客流需求。
因此，针对此现状制定以人流密度和乘客行走时间为参数的调查研究方式，依照不同的车站客流类型，对地铁内部闸机和自动售票机的布局和设置进行优化设计，使其能够与客流特性相匹配，满足短、中、长期的客流需求。最后以孝陵卫地铁站为实例提出布局优化方案，并通过Anylogic软件进行仿真，对优化方案进行评价。
目前行业内对于售检票设施通行能力的相关研究主要以城市轨道交通为基础。售检票设施通行能力值主要是通过两种方法计算与获取：①根据已有的设计参考值进行设计；②通过实地调查和数据分析获取。
参考《地铁设计规范》确定的通行能力建议值，许多专家对城市轨道交通车站设施进行了分析和研究。王波等人建立换乘站设施的评价体系，并得出了相应的评价指标，对定量计算方法进行了分析。付婷探讨了城市轨道交通车站瓶颈识别与疏散的理论与方法。考虑到乘客的特点，可将通过实际站点调查来获取设施服务能力的方法分为两类。
第一类，不考虑乘客特性的方法。这种方法即通过在特定时间段实地调查，对车站高峰时间段的最大客流进行统计，或者对乘客平均服务间隔进行统计，结合相关计算得到售检票设施的平均服务能力。李三兵、周冠宇、邱华瑞等人通过实际调查和统计得到实际最大容量的地铁检票机（automatic gate machine，AGM）和安检设施容量。陈鸿、张海丽、王子甲、陈峰、刘双庆等人通过调查得到平均客流服务时间间隔，通过计算分析得到了节点设施的平均通行能力。
第二类，考虑乘客特性的方法。每个乘客都有自己独特的行进喜好和路线，可根据乘客自身的行为偏好和特点对乘客进行分类，通过调查统计，得到不同类型的乘客所需要设施的平均服务间隔。例如，根据乘客的特点（如携带行李类型、票卡类型、操作熟悉度、年龄、性别等），覃松涛、翟向荣等对改进设施的能力进行了相关研究。
吴娇蓉、冯建栋等人分析了自动售票机和乘客通过AGM的过程，并通过3种方式对乘客进行分类，即先检查车票进站、同时检查车票进站和通过闸机再检票，分析出各类通行方式下的AGM通行能力。地铁步行空间的相关研究绝大部分都在国内进行，国外John Zacharias等学者则更多进行了行人流线和路人路径选择的研究。
1 孝陵卫地铁设施现状
1.1 孝陵卫地铁站概况
孝陵卫车站是南京地铁2号线的车站，地下一层是商场和站厅层，地下二层是地铁站台层。车站总建筑面积为11330m2，设有3个出入口。站台层共有3个出入口，楼梯和自动扶梯是站台层与站厅层的连接设备。非付费区设有2个人工售票窗口、12个自动售票机和2个安全检查设施，包括8个进站闸机、5个东侧出站闸机和5个西侧出站闸机。孝陵卫地铁站原设施布局如图1所示。
图1 孝陵卫地铁站原设施布局图
1.2 相关冲突点
1）行人流线问题
地铁站台层人流密度较高，出现流线冲突点，主要表现为自动售票机乘客与进站乘客之间的流线冲突以及地铁站的1、3号口进站乘客与出站乘客的流线冲突。在所有的设施布置中，自动售检票系统（automatic fare collection，AFC）设备距行人流线距离近，导致进出站因空间不足而出现客流冲突现象。车站客流流线示意图如图2所示。
图2 车站客流流线示意图
2）设施分配问题
通过实地调查和统计，采用人工计数方式，统计了下午4:30—6:30三个进站口的人数以及通往东西两侧出站闸机的人数，见表1。
表1 高峰时期进出站闸机人数
由表1可以看出，东侧的进出站人数远大于西侧进出站人数，但是两侧的闸机数目和售检票数目却是一致的，导致了东侧压力过大，而西侧设备浪费，尤其在地铁高峰期时，2min一班的地铁高峰人流，往往使东侧排队严重，人流拥挤。
2 孝陵卫地铁站售检票设施布局优化方案
2.1 流线优化
根据以上调查中存在的问题，优化方案主要针对东侧客流流线冲突，提出如下措施：
1）将收费区域改为北侧不变、南侧收费区与墙隔离。
2）在南侧东向增设一个单向检票服务设施。由此，直接避免了3号口进站行人流线和东侧出口行人流线的交叉，并且有效缓解了北侧东向进站检票服务设施的压力，加快了行人进出站速度，减少了旅客堆积。
3）西侧出入口客流流量小，客流流线冲突问题不明显，且基于节能环保理念，故无需增设或改进进站检票服务设施，只需调节售检票设施数量即可。流线优化后的孝陵卫地铁站如图3所示。
图3 流线优化图
2.2 售检票设施数目优化
闸机数目的设定：可以通过排队M/M/N系统来描述通过多个闸机的客流过程。其总数计算如下
公式（1）
式中：Qf为高峰小时进站客流量；Ai为站厅第i个入口所需配置的闸机数量；Kt为到达客流的超高峰小时系数；V为闸机通行能力；n为入口数量。
出站客流与入站客流相比具有特殊性，随着列车的到达，出站客流具有短时间突增的特点，符合离散分布的特征，在短时间内会对出口闸机产生强烈影响。因此，出站闸机的计算方法略有不同
公式（2）
式中：Qo为高峰小时出站客流量；Ai为站厅第i个出口所需配置的闸机数量；Kd为列车到站客流的超高峰小时系数；V为闸机通行能力；λf为间断流修正系数。
再根据调查中存在的问题，结合对孝陵卫车站数据的实际分析，通过相关公式计算以及仿真验证，尽可能对车站进行了合理的优化。根据公式计算结果与优化后的方案对孝陵卫地铁站进行以下优化，优化方案主要针对售检票服务设施和车站布局等，其设施布局优化图如图4所示。具体措施如下。
图4 孝陵卫地铁站设施布局优化图
1）将原来的布局进行调整，如图4所示，将进站闸机分别设在南北两侧，将出站闸机分别设在东西两侧，这在一定程度上解决了之前流线冲突问题。
2）根据上述计算结果可知，应设置东侧出站闸机3台、西侧出站闸机1台、北侧进站闸机1台、南侧进站闸机2台。在满足客流实际需求的情况下，此数量的配置在一定程度上提高了设备的使用率。
3）根据对流线的分析和实际场地的调查以及上述公式计算可知，应在2号口配置1台售票机，在节假日时可以根据临时客流的变化再增加1台。1号口和3号口客流在节假日和工作日相对稳定，可分别配置1台和3台。
4）根据调查的数据和满足客流需求与舒适度的情况下，决定在北进口安置2台安检设备，南进口设置1台安检设备。
5）在对孝陵卫地铁站布局重新设置的过程中，按照图4所示增加相应的隔离装置，以便于车站的管理和乘客的安全疏导。
3 孝陵卫站售检票设施布局优化方案与仿真评价
3.1 优化方案的仿真建立
地铁车站楼层模型的建立主要是在Anylogic仿真软件行人库中应用模块进行构建。本方案使用行人生成模块、行人步行模块、行人终端模块、行人基本设置模块、行人服务模块和行人选择模块等。①将地铁车站大厅的CAD图绘制到Anylogic仿真软件中，然后根据实际设施分布进行修改，主要增加墙壁、护栏、安检设备、自动售票机、人工售票厅和检票设施等；②不同设施之间的逻辑关系连接模块并进行调试。
通过对地铁车站大厅高峰时段设施的观测，设置了以下参数：安全检查设施时间为5～7s，检票设施时间为2～4s，自动售票机的占用时间为10～15s，人工售票厅为15～30s。每个入口的行人数量根据实际统计的高峰小时量输入，在实际观测中建立仿真环境，然后设置自动售票机和人工售票窗口的比例。
3.2 优化方案评价
1）优化前评价指标分析
利用软件仿真得到的优化前行人密度图如图5所示。
图5 优化前行人密度图
根据实地调查统计得到的数据，同时利用前文所述式（1）和式（2），可绘出如图6所示的优化前各侧入口的人流密度图，计算出如表2所示的相应参数。
图6 优化前各侧入口的人流密度图
表2 优化前最大、最小及一般平均走行时间
2）优化后评价指标分析
利用软件仿真得到的优化后行人密度图如图7所示。根据实地调查统计得到的数据，同时利用前文所述式（1）和式（2），可绘出如图8所示的优化后各侧入口的人流密度图，计算出如表3所示的相应参数。
图7 优化后行人密度图
图8 优化后各侧入口的人流密度图
表3 优化后最大、最小及一般平均走行时间
通过比较优化前后的效果图和人流密度图可以发现，经过优化后的地铁不再存在很多的拥堵区，排队系统更加流畅，人流密度大大降低，满足了客流高峰的需要。合理地增加设施可以减少服务时间，加快乘客进出站的速度，减少疏散时间，减轻拥塞造成的“瓶颈”现象。
可以看出，东侧安全检查站的最大流量密度降至3.1人/m2；东侧入口闸机前人流密度下降到3.0人/m2，这是由于将西侧的部分进出站闸机搬到了东侧，舒缓了东侧的客流压力；虽然西侧安检设施和进出站闸机的最大客流密度都略有上升，但是仍然低于东侧，仍可以为乘客提供顺畅的进出站服务。入口的各类进入时间分别减少了25%、5%和29%。
这表明，东侧进站闸机的排队是畅通的，降低了系统的拥挤程度，缩短了整体排队时间，减少了行人流线交织点，设施布局趋于合理，同时西侧行人仍能保持流畅的进站体验。
4 结论
本文对于出站乘客的研究仅针对于出站闸机这一区域，对于站内设施对乘客的影响研究较少，不能系统地分析整个地铁站内所有设施的相互作用，故该研究仍具有一定的局限性。并且受仿真软件的局限，不能以离散模型输出乘客，出站乘客对闸机的冲击力也不够直观，虽然可以判断出行人流线的交织，但是对于出站闸机通行能力的最大承受值估测仍存有误差。
在今后的研究中，计划将地铁紧急疏散作为一个重要参考依据，同时考虑到地铁楼梯、自动扶梯等内部行人流线设施，不光优化地铁系统的上层，而是将上下两层相结合，系统地进行优化，同时在设备方面更加细分化，将不同的闸机种类和不同的售检票设施结合使用，以期得到一个更好的地铁售检票系统的布局优化方案。同时结合仿真软件，将乘客排队时间也作为一个参考依据，更加全面地对地铁售检票设施布局进行优化。