基于行人动力学的地铁车站客流仿真模型

王媛媛

（南京地铁运营公司机电分公司，江苏南京，210029）

0　引言

在地铁运营中，乘客进入闸机这一表面简单的过程存在着复杂的管理问题，闸机数量、闸机的地理位置分布、闸机的服务时间等，都需要根据乘客情况进行优化。对于这一类的排队问题，通过简单的数学模型或解析方法难以精确描述和求解，系统仿真方法是目前最有效的解决途径。在众多的仿真方法中，基于Agent的建模与仿真方法（以下简称“ABMS”），是一种有效的建模方式。国内外研究表明，在社会、经济、地理与生态、以及工业领域，ABMS方法均得到了成功应用。

近年来，地铁逐渐成为大多数居民出行的首选交通工具。目前，南京地铁已经建设并投入运营的线路9条，运送旅客达每天300余万人次。另一方面，在新的社会形势和相关矛盾的综合影响下，突发事件呈现出明显增多的趋势。安全因素也成为地铁运营部门日常管理的重点考虑方向。在旅客日益增多的前提下，如何进行有效的安检布局？安检措施对客流输送将造成怎样的影响？就成为地铁运营管理领域必须解决的课题。

1　基于行人动力学的南京地铁W车站客流模型

ABMS方法将复杂系统中的组成实体刻画为具有主动性和适应性的Agent，通过自顶向下分析、自底向上综合的方式构建整个系统，通过对Agent的自主行为及其之间的交互关系的刻画与描述，进而涌现得到整个系统的行为表现。

行人动力学是研究正常及紧急情况下，公共场所中行人运动特征及人群管理的科学，其研究成果可以为设计和优化步行设施，提高空间使用效率，提高突发事件中人群的疏散效率提供依据。从20世纪80年代起，越来越多的研究者致力于行人动力学的理论和应用研究，其理论模型也逐渐由以排队模型、转换矩阵模型为代表的宏观视角转向微观Agent表述。

旅客由上下两个方向进入候车大厅，6台自动售票机布置在候车大厅左上部，一部分旅客持有市民卡，无需购买，另一部分旅客则需行走至自动购票机处购买单程票，然后方可通过左右两处安检通道进入闸机。进入闸机后，旅客通过楼梯、电梯或垂直电梯去往车辆到达层；另一方面，出站旅客通过楼梯、电梯或垂直电梯来到候车层闸内区域后，经过出站闸机进入非控制区域，然后从上下两个方向离开车站。

图1　南京地铁W车站候车大厅平面图

根据以上场景和旅客行动规则，本文设计了相应的Agent，并在此基础上建立了行人动力学模型。系统主要由两类Agent组成，分别为主动Agent和被动Agent。其中，主动Agent主要指旅客（Passenger），被动 Agent 则包括售票机（TVM）、闸机（Gate）、安检机（SecurityMachine）、楼梯（Stairs）、电梯（Elevator）和垂直电梯（Lift）。类似于排队系统中的服务台，在安检机、闸机和垂直电梯等被动Agent中，都维护着一个队列，以协调主动Agent对资源的占用和释放。图2则描述了出站旅客的行人动力学模型，限于篇幅，各Agent之间的交互规则和旅客进站的行人动力学模型在此不再赘述。

图2　出站旅客行人动力学模型

在模型中，pedSource和pedSink组件表示客流的产生和终止，pedGoto组件描述客流的行走过程，在pedService组件中刻画旅客购票、安检和进出闸机等服务环节；在对乘坐垂直电梯的旅客建模时，采用pedGroupAssemble和pedGroupDisassemble组件刻画其集结和散开行为。此外，本文还利用可视化技术，对旅客行走通道、排队和疏导路线进行了建模（见图1中的虚线部分），将图形界面与行人动力学模型有机结合。

2　仿真实验

在上节行人动力学模型的基础上，作者根据W车站早高峰期间的客流统计数据（见表1）对仿真模型的实验数据进行了设置。经过对14日（2周）统计数据的分析，在不同闸机进出的旅客数量符合正态分布。

表1　南京地铁W车站客流数据（节选）

仿真实验运行情况证明，本文构建的行人动力学模型表现出较好的性能，真实地模拟出了旅客在进出站过程中的各种行为。通过观测，仿真数据结果与W车站客流统计数据基本吻合，证明了本文模型的有效性。

此外，为了直观地判断疏导路线和安检布局的效果，作者还在模型中设计了客流密度参数，在仿真实验进行过程中，可随时进行图形界面的切换，以显示出当前的客流密度情况（如图3所示），并迅速找到当前环境下的主要拥塞点。这对于设置布局和疏导路线的科学调整具有重要的价值。

3　结语

本文针对当前形势下地铁运营管理中出现的新问题，以ABMS理论为基础，建立了南京地铁W车站进出站旅客行人动力学模型，并以真实客流统计数据为依据进行了仿真实验，实验结果表明本文模型有较强的刻画能力和理想的有效性。在后续的工作中，作者将进一步研究设施布局和疏导路线对客流输送效率的影响，提取出规律性结论，以期为相关管理工作提供简洁有效的指导。

图3　仿真试验运行中的客流密度显示