基于客流流线的城市轨道车站安全可靠性评价模型*

陈 坚 李 武 钟异莹 代佳妮

(1.重庆交通大学交通运输学院,400074,重庆; 2.重庆交通大学山地城市交通系统与安全重庆市重点实验室,400074,重庆;3.重庆公共运输职业学院运输贸易系,402247,重庆∥第一作者，副教授)



基于客流流线的城市轨道车站安全可靠性评价模型*

陈 坚1,2李 武1钟异莹1代佳妮3

(1.重庆交通大学交通运输学院,400074,重庆; 2.重庆交通大学山地城市交通系统与安全重庆市重点实验室,400074,重庆;3.重庆公共运输职业学院运输贸易系,402247,重庆∥第一作者，副教授)

为解决城市轨道交通车站运行安全可靠性科学评估的问题,从概率论的视角,以城市轨道交通车站乘客、交通服务设施、列车构成的系统为研究对象,对城市轨道交通车站安全可靠性进行了定义。结合城市轨道交通客流流线特征,建立了城市轨道交通车站节点安全可靠性评价模型和基于权联模型下的车站系统可靠性评估方法。以重庆轨道交通3号线两路口站为例,应用评价模型与方法,计算两路口站进出站节点安全可靠性和车站整体系统的安全靠性。结果表明:重庆轨道交通3号线两路口站进出站节点的安全可靠性为92.2%,整个车站系统的安全可靠性为90.4%。

城市轨道交通; 车站节点; 客流流线; 安全可靠性

First-author′s address School of Traffic and Transportation,Chongqing Jiaotong University，400074,Chongqing,China

城市轨道交通车站乘客聚散规律及系统安全可靠性直接影响城市居民日常出行及城市交通的有序稳定运行,如何科学定量描述乘客在车站内一系列活动过程及其规律,从乘客聚散角度客观分析车站安全可靠性,已成为国内外交通行为、公共安全领域研究的热点与重点,也是城市轨道交通规划设计的必要组成部分。

对系统可靠性的研究已在众多领域取得进展,如电力网络、供水网络、通信网络等。但国内外学者关于城市轨道交通系统的安全可靠性探索并不多。文献[1]最先提出了路网可靠性的概念,并以连通可靠度为路网连通状况的重要评价指标之一;文献[2]采用行程时间可靠度对路网日常运营情况、服务质量的稳定性以及交通需求的敏感性进行了有效分析;文献[3]在对步行通道、售票窗口、进站检票机、站台等单类交通服务设施的优化配置研究中证实了设施布局对乘客分布及拥挤程度将产生影响;文献[4]探讨了城市轨道交通系统的运营安全可靠性;文献[5]建立了地铁综合监控系统可靠性模型;文献[6]以轨道交通枢纽为研究对象,通过建立换乘设施串并联系统,分析了系统中串联、并联单元的可靠性对系统整体可靠性的影响。已有研究大都侧重于车站设备可靠性及突发事件后的紧急疏散,未将客流特征与安全可靠性研究相结合,忽略了车站作为一个复杂系统其自身运行的安全问题。并且,目前尚没有城市轨道交通车站安全可靠性的概念,也缺少相应的定量计算方法。

目前，我国各大城市急需结合本城市实际特点，对轨道交通车站进行科学化、系统化、人性化规划设计、对轨道交通车站安全的管理理论与方法进行系统化研究，在此背景下,从概率论的视角,以城市轨道交通车站乘客、交通服务设施、列车构成的系统为研究对象,结合重庆市轨道交通出行特征,进行了城市轨道交通车站内部乘客流动规律及系统安全可靠性分析。

1 客流流线分析

城市轨道交通车站站内乘客流动过程中的聚散状态变化受到多种因素的叠加影响。要研究车站设备的合理布局和使用安全可靠性,必须先分析车站客流流线的特征。本文将城市轨道交通车站客流流线分为进站流线、出站流线以及换乘流线。

1.1 进站流线

乘客进站量的大小和车站周边的环境密切相关。在较短的时段内,乘客进站表现出随意性;在较长时段,乘客进站的客流量呈现峰型分布,主要表现为高峰客流和平峰客流。一般情况下,乘客进站流程如图1所示。

图1 乘客进站流线图

1.2 出站流线

车站周边环境是影响乘客出站流量大小的直接因素。在客流高峰时段内,乘客通常在列车到达车站后蜂拥下车并易于在车站某些设备处形成拥堵。等到乘客出站以后,客流逐渐分散,之前拥堵处的设备恢复到列车到站前的空闲状态。当下一趟列车到达时,车站闲置的设备再次出现拥堵,如此反复循环。因此,乘客出站的客流特征表现出突发式增长的规律。乘客的出站流程如图2所示。

图2 乘客出站流线图

1.3 换乘流线

由于商业区服务范围内存在大量的乘客出行需求,所以换乘站一般设于商业中心区。乘客在换乘站表现出的客流规律与出站时类似,通常情况下,列车在到达换乘站时,换乘客流突发式增长。换乘结束后,换乘设备再次恢复至换乘之前的空闲状态。乘客换乘流程如图3所示。

图3 乘客换乘流线图

2 车站节点安全可靠性评价模型

2.1 车站节点安全可靠性

产品或系统在预定时间内能够正常实现产品功能、完成预期任务的概率即为系统安全可靠性[7-8]。车站节点或系统的安全值并不是节点或系统的最大能力,而是根据乘客的行为特征、设备的物理特性以及实际情况综合计算得出的一个理论值,如果实际值超过该理论值,从客流组织与管理的角度就有可能不安全,该值即为安全临界值。

根据安全可靠性的概念,本文将城市轨道交通车站节点安全可靠性定义为:在一定运营条件下和规定时间内,节点能够通过一定客流量而不存在任何安全风险的概率。

2.2 节点安全可靠性评价模型

2.2.1 模型假设

城市轨道交通车站各节点具有典型复杂性及随机性,因此需对模型做必要假设以计算其安全可靠性。

(1) 假设乘客进出车站目的明确,仅为进站、出站和换乘;

(2) 主要考虑车站内衔接楼梯、出入口或站台之间的通行走廊作为车站的通道;

(3) 假设车站节点的通行方向与主要客流方向一致,方便乘客通行;

(4) 不考虑乘客所携行李对客流流量的影响。

2.2.2 模型建立

基于城市轨道车站节点安全可靠性的定义,结合高峰时期及特殊事件(如大型比赛、会展等)影响,提出定量计算公式为:

(1)

式中:

Pjd——车站节点安全可靠性;

Njd——节点断面实际客流量;

Njd临界——节点客流量安全临界值；

T运营——城市轨道交通全天运营时间。

2.2.3 模型说明

当车站节点客流量超过其客流安全临界值时,该节点是不安全的。因此,节点全天安全运营时间总和与全天运营时间之比即为节点安全可靠性概率。

3 基于权联模型的车站系统安全可靠性分析方法

3.1 安全可靠性分析方法对比

系统安全可靠性分析方法比较常用的包括框图法、故障树法、马尔可夫模型法、仿真模拟法等[9]。这些方法都有各自的特点和适用范围。由于目前缺少从整体角度对城市轨道车站系统进行安全可靠性分析的有效方法,因此本文在对比分析多种常用分析方法的基础上建立了城市轨道交通车站系统权联安全可靠性分析方法。

3.1.1 安全可靠性框图法

安全可靠性框图法是进行系统安全可靠性评价的常用方法,该方法通过准确建立串联结构、并联结构、表决结构、旁联结构等诸多逻辑结构模型来实现对系统安全可靠性的评估。

3.1.1.1 串联结构

串联结构,表示系统必须在所有的单元或子系统全部正常工作时才能实现其功能。所以,保证组成系统全部单元和子系统的正常工作,是实现系统高可靠性的先决条件。串联结构的安全可靠性框图见图4,具体数学公式见式(2)。

图4 串联结构安全可靠性框图

(2)

式中:

Pi——各系统单元或者子系统的可靠性(i=1,2,…,n);

Px——系统的可靠性。

3.1.1.2 并联结构

并联结构，表示完成系统规定功能的多种途径相互独立,并且一种处于工作状态的途径失效时不会影响其他途径正常工作。当实现系统功能的所有途径均失效时,系统将无法完成预定的任务。因此,并联结构较串联结构更为稳定(见图5)。

图5 并联结构安全可靠性框图

并联结构的安全可靠性函数表达式为:

(3)

3.1.2 权联模型

权联系统利用不同的权重系数表示系统组成单元或子系统承担系统整体功能的比重。如果某一单元或子系统出现问题,则系统安全可靠性根据单元或子系统的权重折减。权联模型框图如图6所示。

图6 权联模型框图

3.2 安全可靠性分析方法选择

基于对可靠性框图法和权联模型的分析可知,各种方法对系统安全可靠性的分析侧重点和适用性各有不同。其中,安全可靠性框图法通过相应的结构模型框图描述系统组成单元之间的逻辑关系。权联模型则关注各系统组成单元以及子系统权重和性质对系统整体性质的影响。

由于城市轨道交通车站各节点为混联结构,且各节点对系统整体安全可靠性的影响大小存在差异,需要采用不同权重系数定量描述,更符合权联模型的适用范围。因此本文采用权联模型对城市轨道交通车站系统的安全可靠性进行分析。

3.3 基于权联模型的安全可靠性分析方法

3.3.1 权重的确定

建立权联模型时,系统组成单元以及各子系统的权重需要通过判断矩阵来确定,根据相应的判断矩阵元素值大小来反映各子系统或单元的相对重要性。矩阵元素数值一般采用自然数1至9及其倒数进行标度[16]。

确定权重系统的步骤中,首先根据子系统或单元的重要程度进行排列,再应用两两比较的方式确定每个子系统或单元的相对重要性,即比较2个子系统i和j,确定2个相对重要性值ui和uj,引入1至9比率标度,ui和uj的确定依据如下原则(假定uj的相对值为1):

当ui=uj=1时,表示子系统或单元i和j同等重要;

当ui=3时,表示子系统或单元i比j略微重要;

当ui=5时,表示子系统或单元i比j重要;

当ui=7时,表示子系统或单元i比j很重要;

当ui=9时,表示子系统或单元i比j绝对重要;

当二者重要性介于上述情况时,取中间值ui=2,4,6,8。

为保证科学地获得各系统组成单元或子系统的权重系数,根据上述重要性的确定原则,两两比较所有元素,形成如下比较判断矩阵W。

(4)

3.3.2 安全可靠性的计算

根据权联模型框图和各项权重,系统的安全可靠性可按式(5)计算。

Px=ω1P1+ω2P2+…+ωnPn

(5)

式中:

ωi——各系统单元或子系统的权重。

其他变量含义同前。

4 实例分析

4.1 重庆轨道交通两路口车站现状

重庆轨道交通两路口车站位于重庆市渝中区,地处市区交通中心。西南面为菜园坝火车站和长途汽车站,东面为重庆市中心解放碑商圈,西面通往大坪、沙坪坝,同时往南坪、江北的车辆也在此处交汇,人流量和车流量很大。

4.2 两路口站出入口节点安全可靠性分析

4.2.1 出入口节点安全可靠性临界值

根据城市轨道交通两路口站客流流向,可将车站出入口通道分为进站通道、出站通道和换乘通道,是乘客在站内通行的必经之路。出入口(通道)安全可靠性临界值是根据高峰时段车站通道内客流的调查数据确定。两路口站早高峰时段单向通道客流相关数据：平均密度为1.87 人/m2,平均速度为0.63 m/s。

通道的单向临界值

Ntddx=3 600×ρtddx×vtddx

(6)

式中:

Ntddx——单向通道通临界值;

ρtddx——单向通道客流密度;

vtddx——单向通道客流速度。

由于乘客在双向混行通道中受对向客流交叉影响,会使得通道通行能力有所降低。取客流交叉影响系数为αjc,则乘客在双向混行通道走行时通道的临界值Ntdsx为:

Ntdsx=(1-αjc)×Ntddx

(7)

代入数据得:

Ntdsx=(1-αjc)×Ntddx=3 393人/(m·h)

将此临界值平均到15 min,即848人/(m·15 min)。

4.2.2 安全可靠性计算

由于两路口车站出入口较多,以4号出入口(通道)为例进行分析,一天内的调查数据见表1。在早高峰(7:30—9:30)、晚高峰(16:30—18:30)时段内,两路口站出入口(通道)客流量超过安全可靠临界值848人/(m·15 min)的时间段有:8:00—8:15、8:15—8:30、8:45—9:00、17:15—17:30、17:30—17:45,总计75 min,即1.25 h。重庆轻轨交通3号线全天运营时间为16 h。

则两路口站出入口(通道)节点安全可靠性为:

所以,两路口车站出入口(通道)节点的安全可靠性为92.2%。

表1 两路口站4号出入口早、晚高峰客流量

4.3 两路口站系统安全可靠性计算

两路口站大系统可视为由诸多子系统权联的大系统。这些子系统包括出入口(通道)子系统、安检子系统、人工售票子系统、自动售票子系统、检票机子系统、楼梯或自动扶梯子系统以及站台子系统。各子系统的安全可靠性可根据式(1)计算求得,各子系统可靠性见表2。

表2 两路口站各子系统可靠性

依据权联模型式(4)的计算方法,确定各子系统的权重系数。通过各子系统的相对重要性建立判断矩阵,结果如下:

因此两路口站系统的安全可靠性为:

Px=ω1P1+ω2P2+ω3P3+ω4P4+ω5P5+

ω6P6+ω7P7=0.904

5 结语

本文提出了城市轨道交通车站安全可靠性的概念及其定量化方法。从乘客出行流线的角度,将城市轨道交通车站大系统划分为若干子系统,在计算各子系统安全可靠性基础上,构建了权联模型以综合评估城市轨道交通车站总体安全可靠性。但各子系统安全临界值的确定及子系统间的相互影响机理仍需要进一步深入研究。

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Security Evaluation Model of Urban Rail Transit Station Based on Passenger StreamlineCHEN Jian, LI Wu, ZHONG Yiying, DAI Jiani

To solve the problem of scientific assessment on urban rail transit station operation security reliability, the systems of passenger flow, service facilities and train marshaling are taken as the research targets to define the security reliability from the perspective of probability theory. In combination with the characteristics of rail transit passenger flow, a security evaluation model for station nodes and the evaluation method of station system are established based on weight union model. Finally, the evaluation method and model are used at Lianglukou Station on Chongqing rail transit Line 3 to calculate the security of the node and the whole station system. The result shows that the security reliability at the access nodes on Line 3 is 92.2%, and the security reliability of whole station system is evaluated as 90.4%.

urban rail transit; station node; passenger streamline; security reliability

*国家自然科学基金项目(51308569)；重庆市基础与前沿研究计划项目(cstc2013jcjA30002)

U 298： U 231.4

10.16037/j.1007-869x.2016.05.013

2015-06-02)