基于流线分析的客运枢纽设施布置改进方法

基于流线分析的客运枢纽设施布置改进方法
孙宝凤,高晶鑫,贾洪飞
(吉林大学交通学院,长春 130025)
摘 要:针对行人流线分析与客运枢纽内部设施布置一体化设计问题,将流线分析方法和系统布置方法(SLP )
与系统仿真技术相结合,在满足客运枢纽行人流线顺畅的前提下,综合考虑设施布置的安全、结构及功能效用,
建立设施布置优化模型;提出枢纽内部设施布置的最优策略及其优化方案,使设施布置方案与相应的流线组织
方案发挥最大效用,依此提出基于流线分析的客运枢纽系统布置改进方法.仿真实验表明,该改进方法可降低
现有SL P 方法的求解难度,实现设施布置方案的动态参数选择与仿真优化,部分解决了客运枢纽设施布置与优
化缺乏系统分析方法和仿真实验技术的问题.
关键词:系统仿真;客运枢纽;流线分析;设施布置
中图分类号:U 492 2文献标志码:A 文章编号:0254-0037(2009)12-1637-06
收稿日期:2008 11 04.
基金项目:国家 八六三 计划资助项目(2007AA 11Z124);国家自然科学基金资助项目(50978115).作者简介:孙宝凤(1970 ),女,吉林大安人,副教授.
研究简洁、合理、顺畅的流线是客运枢纽功能设计和设施布置的首要任务和先决条件.流线分析方法成为大型公共空间设计、三维布局的主要分析和设计方法之一[1].Hoogendoorn 等[2]和Daamen [3]运用流线分析方法和仿真工具NOMAD,建立了行人流在固定设施之间的选择行为模型;张佳[4]从流线走向对枢纽固定设施布局的影响和设施布局对流线的导向性作用2个方面研究了流线和枢纽空间布局模式之间的关系;董建宁[5]结合国内外的大量优秀枢纽建设方案实例提出的高效能设计方法,就是从枢纽内部空间和外部-城市衔接空间2方面阐述 枢纽内部空间的设计要以换乘空间设计和环境创作为重点 的观点,而换乘空间的设计必须以人为本;杨林山[6]、贺秀霞[7]亦相继提出,候车空间组织模式趋势是从等候式转向通过式,设计理念从以功能需求转至行人流线顺畅为根本目标.
流线分析方法揭示了综合客运枢纽行人流线与设施布局的相互制约、相互影响的关系,流线设计和流线组织的有机结合可以在满足枢纽内行人流线空间走向合理、简洁、顺畅条件下,实现设施优化布局的空间设计目标.而系统布置方法(systematic layout planning,简称SLP)辅之以计算机仿真工具有助于描述系统各组成部分的结构关系.SLP 技术的关键在于:运用合适的建模方法描述系统各组成部分的结构关系和寻求有效的求解方法.求解困难是SLP 在工程实际应用过程中受到极大限制的主要原因之一.郝理想、吕慎等
[8 9]针对传统规划中数学优化方法存在的不足,提出了一种基于可视化仿真的车间布局设计
方法.本文提出基于流线分析的SLP 改进方法,在满足客运枢纽行人流线顺畅前提下,用来解决降低求解难度,以及进行内部设施布局与优化缺乏系统分析方法和仿真实验技术的问题.
1 基于流线分析的SLP 改进方法
1 1 方法原理
该方法将规划设计的流线分析方法与SLP 布置方法相结合,以流线分析的结果作为设施布置的前提条件,即作为SLP 的输入数据,就可将设施布局问题转化为已知设施相关关系的设施布局问题,这样大大降低了建模和求解难度,同时也最大限度地体现了行人行为特征和满足行人流线通畅性原则.其解决的第35卷第12期
2009年12月北京工业大学学报JOU RNA L OF BEIJIN G U N IVERSIT Y OF T ECHN OLO GY V ol.35N o.12Dec.2009
关键在于将枢纽行人流线及其仿真模型的输出参数作为设施布置优化模型的主控变量,通过设施布置优化模型分析不同设施布局方案的设施布置效用值大小,给出设施布局优化策略、具体措施和相应的优化方案.
1 2 实施步骤和改进内容
该方法在参数转换、应用步骤2个方面进行了改进.
1)原始数据的提取基于仿真生成的行人流线的动态实验数据,替代原有基于真实系统的静态调研数据.
2)以行人流分析取代物流分析,运用仿真技术生成行人流线,按照流线分析方法进行行人流分析,识别与消除流线瓶颈区域;以流线分析的结果为基础,确定行人流线上设施的相互关系并确定和绘制枢纽设施位置相关图.
3)建立设施布置优化模型,以设施布置综合效用最大值为目标进行设施布置,替代原有SLP中物流强度最大的布局目标,这是由大型基础设施设计的高效能要求所决定的.
4)从设施布置优化模型出发,在保证设施布置安全效用的基础上,制定相应优化策略,通过调整模型中相关参数,生成不同子效用构成的设施布置优化策略及其优化方案.
5)建立系统仿真模型和枢纽内部各类流线的仿真模型,对所提出的设施布置优化方案仿真建模.
6)通过系统仿真实时观察枢纽内部行人流线的分布以及方案实施效果,定性判断枢纽内部瓶颈区域.
7)仿真结果输出,进行设施布置主控参数以及设施布置总效用值等参数分析,并结合设施布置优化策略为设施布置提供合理化建议.
2 设施布置优化模型
效用,是经济学的概念,指某一物品对人的有用性.效用可比较大小、分等级、区分正负[12],还可体现决策者偏好.客运枢纽设施布置优化模型以设施布置总效用F最大为优化目标,并综合考虑设施布置的安全效用U1、结构效用U2及功能效用U3对F的影响.目标函数为
m ax{F A,F B,F C, ,F N}(1)其中,A,B,C, ,N为备选设施布置方案;F=U1 1+U2 2+U3 3, 1~ 3为相应效用的权重.
2 1 安全效用U1子模型
安全效用是客运枢纽设施布置与优化的首要目标,由设施本身的疏散能力和瓶颈设施冲击2方面决定,则
U1=T e 1+(1-G) 2(3)式中, 1、 2分别为T e、G的权重,之和为1;设施疏散能力效用值T e与枢纽内部设施的最大疏散时间T max、最小疏散时间T m i n和实际疏散时间T相关,即
T e=
T max-T
T max-T min
,T min T T max(4)
T=1+
Q1+Q2
0 9[A1(N L-1)+A2B]
(5)
式中,T为楼梯总宽度(m);Q1为列车载客数量;Q2为站台上旅客数量;A1为自动扶梯通过能力(人/ h);A2为楼梯通过能力(人/h);N L为自动扶梯台数.瓶颈设施冲击效用值G由各流线产生的瓶颈延误累计时间和各流线的累计通行时间决定,即
G= 8m=1T w m T m(6)式中,T m为设施内部第m条流线的走行时间(min);T w m为第m条流线产生的瓶颈延误时间(min),即1638北 京 工 业 大 学 学 报2009年
T w m=1
N+1
(N- )N! N-1k=0
k
k!
+ N
(7)
式中,N为设施同时提供服务的服务台数; 为排队系统中利用系数, = / .其中, 为行人到达设施的平均到达率; 为设施的平均服务率.
2 2 结构效用U2子模型
结构效用是设施布置与优化的基本目标,因为枢纽内部结构决定了其设施的功能实现程度.结构效用U2子模型综合考虑了设施容积率 、流线组织有序度 和设施关联度 这3个影响设施布置结构效用的参数,即
U2= 1+ 2+ 3(9)式中, 1、 2和 3分别为 、 和 的权重, 1+ 2+ 3=1, 1>0, 2>0, 3>0.
设施容积率 通过各个设施有效利用面积与枢纽内部可利用面积之比的平均值加以确定,即
=1
k k
i=1
m i
m C i
(10)
其中,k为枢纽内部设施数目;m i为枢纽内部第i个设施的有效利用面积(m2);m C为枢纽内部第i个设施的可利用面积(m2).因此,容积率越大,结构设计越合理.流线组织有序度 反映了枢纽内部各个流线的交织影响程度,可通过各流线冲突点数目之和与各个流线上设施节点数目之和的比值加以确定,即
=1-H0
H1
(11)
式中,H0为枢纽内部各个流线冲突点数目之和;H
1
为枢纽内部各个流线上设施节点数目之和.流线组织
有序直接表现为:冲突点少,行人流线顺畅.
其根本原因是流线组织方案和设施布置方案共同作用的结
果.设施关联度 是通过各条流线节点处的设施关联度的综合值来确定枢纽内部所有设施的结构关联度,即
=1
m m
i=1
1
r i
r i
j=1
n
(j,j+1) d(j,j+1)
m
i=1
n(j,j+1) d(j,j+1)
(12)
式中,m为设施内部流线数目;r i为第i条流线中节点处设施的数目;n(j,j+1)为节点设施j至节点设施j+1的旅客数目;d(j,j+1)为节点设施j至节点设施j+1的实际走行距离(m).因此,关联度越高,结构设计越合理.
2 3 功能效用U3子模型
功能效用是设施布置与优化的决策目标,即用以体现设施的功能实现程度或者设施能力的利用程度.其测度指标采用设施能力利用系数R i,R i是指各类设施的实际设施能力与其设计能力的比值之和.设施布置的功能效用值为
U3= m i=1R i i=R1 1+R2 2+R3 3= n p c p 1+ n f c f 2+ n s c s 3(14)式中,R1、R2、R3分别为站台通道、闸机、扶梯的设施能力利用参数; 1~ 3为其权重,之和为1;n p为站台通道设施,单位时间内实际通行能力(人/h);c p为站台通道设施,单位时间内设计通行能力(人/h)[10]; n f为闸机单位时间内实际通行能力(人/h);c f为闸机单位时间内设计通行能力(人/h)[10];n s为扶梯、楼梯设施单位时间实际通行能力(人/h);c s为扶梯、楼梯设施单位时间内设计通行能力(人/h)[10].c f为
c f= S j
g j(15)
式中,g j为人均适宜占有面积(m2)[10];S j为设施实际有效面积(m2),即1639
第12期孙宝凤,等:基于流线分析的客运枢设施布置改进方法
S j=(ln+d) 2
M W
(ln+d)
+0 48+C+D,j为站台时
L
f L
c s
+E,j为通道或站厅时
(16)
式中,l为单节车厢长度(m);n为车辆连挂节数;d为允许的停车不准确距离(m)[10];M为高峰小时单位间隔、单方向列车上下车人数(取上行、下行人数较大值);W为人流密度,即人均占有面积(m2)[10];C为站台柱宽之和(m);D为楼梯与扶梯宽之和(m);f L为楼梯、扶梯实际通过行人数量;E为附属物宽度(m).
3 实例分析
本文建立了以各出入口为边界、以行人流线为仿真对象的西直门客运枢纽仿真系统.该仿真系统导入现有的设施布置方案,作为行人流线的仿真环境;实现了行人进站、出站、换乘3类8条不同流向的行人流线动态仿真,包括起点、终点以及途经的各类设施节点.通过仿真实验,从5方面分析设施布置现有方案、优化方案1、优化方案2的实施效果.
1)提取枢纽功能区以及相关设施(通道、站厅、换乘楼梯等)的几何、物理参数及相关交通流真实数据;将仿真生成的行人流线的动态实验数据作为SLP改进方法的输入数据.
2)进行流线分析,通过观测参数如行人排队延误时间、等待人数等,识别和判定行人流线仿真实验中所存在的瓶颈区域以及相关设施,如表1所示.
表1 枢纽流线瓶颈区域及相关设施的观测指标
Table1 Bottleneck area of passenger streamline and observation indexes f or its relative facilities
瓶颈区域及相关设施仿真名称平均延误时间/s最大延误时间/s平均等待人数最大等待人数楼梯a Access L31 9915 076 261
A出口扶梯Access L A out0 402 401 110
A入口楼梯Access L A10 819 601 729
为了消除表1中3处瓶颈区域,使行人流线畅通,在满足安全效用基础上提出2种优化控制策略.
直接消除瓶颈,提高设施布置综合效用.直接通过扩建瓶颈区域或增加瓶颈设施数量的方式提高设施服务能力,消除瓶颈.在瓶颈消除之后,直接调整枢纽内部各个设施服务能力,使设施布置综合效用趋于最大.
对应的优化方案1为:
a.拓宽北2号线站台与1站厅连接楼梯的宽度,并设定为单向通行楼梯;
b.在A出口处加开一条与现有电梯通行能力相同的上行扶梯;
c.拓宽A入口楼梯入口处宽度.
间接消除瓶颈,提高设施布置综合效用.通过调整与瓶颈区域相关联区域的服务能力来影响流线对瓶颈区域所造成的影响,从而消除瓶颈区域,并同时调整枢纽内部各个设施服务能力,使设施布置综合效用趋于最大.
对应的优化方案2为:
a.延长2号线站台长度,设置渠化软隔离带,增加旅客站台停留时间;
b.在A出口电梯入口处设置导引隔离带,引导部分旅客通过楼梯出站;
c.在A入口大厅处设置渠化软隔离带,引导13号线换2号线旅客经入口大厅再进入A入口楼梯.
3)按照设施布置优化模型,即设施布置综合效用值F最大为决策目标,在保证设施布置安全效用的基础上,调整各子模型中主控参数,实现优化策略1、2,并形成相应的优化方案,重新对这些优化方案进行仿真实验,结果如表2所示.
1640北 京 工 业 大 学 学 报2009年
表2 枢纽内部设施布置与优化的主控参数和设施布置综合效用值Table 2 Main control param eters &comprehensive utility value of inner facilities layout and optimization
仿真实验方案
F U 1U 1的主控参数T e
G U 2U 2的主控参数 U 3U 3的主控参数R 1R 2R 3现有方案
0 7260 7750 8030 2430 6470 5690 8000 6560 6410 5590 5330 829优化方案1
0 8220 9300 82600 7460 7430 8580 7150 5890 5500 5270 708优化方案20 7540 8120 54200 6870 7060 8540 625
0 6380 6080 5270 780 4)以下5个方面的实验结果综合说明了SLP 改进方法的有效法.
通过对系统输入参数与输出参数的 2检验和单因素方差分析,在95%置信区间内仿真模型通过有效性检验;
优化方案1、2的G 为0,表明2个方案均已消除了现有方案的流线瓶颈区域;
优化方案1、2的总效用值均高于现有方案,实现了既定的优化总目标;
优化方案1的F 值(0 822)大于优化方案2的F 值(0 754),即直接消除瓶颈区域措施的实施效果要优于间接消除措施;
对于各子模型而言,优化策略1、2的U 1、U 2的单参数数值检验都优于现有方案.
虽然,优化方案1的U 3值(0 589)小于优化策略2的U 3值(0 638),即直接消除瓶颈区域措施的实施效果并不优于间接措施,但是,这并不是方法本身的不足所造成的,而是由西直门案例的特殊性所带来的.因为优化方案1主要调整的是增加扶梯和楼梯的设施服务能力,在设计能力不变的情况下,楼梯和扶梯的设施能力利用系数R 3(0 708和0 780)自然比现有方案的数值(0 829)低.
5)对于瓶颈区域的消除,采用直接扩建或增加设施数量以提高设施服务能力,渠化枢纽内部流线,避免交叉,提高流线速度.为减少由于扩建带来的设施利用率降低的负面影响,可以在进站厅、出站厅及站台与通道连接处站厅的空旷区域设立活动商业服务区域,提高设施利用率,从而提高设施布置综合效用值.4 结束语
本文针对客运枢纽所提出的基于流线分析的SLP 改进方法,以流线分析方法为前提,与系统仿真技术相结合,在参数转换、应用步骤转换2个方面对SLP 方法进行了改进,给出了实施步骤.仿真实验表明,该方法能在满足客运枢纽行人流线顺畅的前提下,检验设施布置优化策略并确定枢纽内部设施布置的最优方案,使设施布置方案与相应的流线组织方案发挥最大效用.该方法实质上属于QAP(quadratic assig nment problem)问题,由于该方法以流线分析的结果(即消除了流线瓶颈区域后所形成的设施相互关系和相对位置)作为SLP 改进方法的输入数据,将部分不确定的设施结构关系转为确定的,再以设施布置优化模型 设施布置总效用最大为目标进行2次分配,大大降低了求解难度,使该方法更适于客运枢纽规划与设计的应用实践.同时,系统仿真技术在SLP 改进方法的实施步骤中,通过主控参数的动态配置,可实现设施布置方案的动态参数选择与仿真优化,部分解决客运枢纽设施布置与优化缺乏系统分析方法和仿真实验技术的问题.
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Improved Facility Layout Planning for Passenger Terminal
Based on Streamline Analysis
SUN Bao feng,GAO Jing x in,JIA Hong fei
(T ransportation and T raffic Co llege,Jilin U niversity,Chang chun130025,China)
Abstract:This paper conducts researches on the Integrated Design w ith stream line analysis of pedestrian flow and facility layout inside passenger terminal.Streamline Analysis(SA)and System Layout Planning(SLP) are combined with system simulation under precondition that satisfies the smooth streamline of pedestrian flow in passenger terminals.Safety utility,structure utility and function utility are considered in a w hole to establish Facility Layout Optimal Model for passenger terminals.T hen optimal strategy and its optimized solutions are proposed so that max im um of utility can obtained from the inner facility layout solution and its relative streamline org anization solution could be gotten maximum utility.H ereby,the Improved Facility Layout Planning Method based on Streamline Analysis(short in SLP improved)is offered.Simulation experiments show that this method can decrease calculating difficulty and enable dynamic parameter selection and simulation optim ization to be carried out.And it partly solves the problem of lacking system analysis method and simulation ex periment technology are partly resolved in the field of inner facility layout and optimization of passenger terminals.
Key words:system simulation;passenger terminal;streamline analysis;facility layout
(责任编辑 梁 洁)。