摘 要 引入服務水平與行人群的概念,用以確定地鐵出入口通道的數量。列出了平均步距最短的通道優化設計目標函數,并列舉六種典型狀況以及適用條件的分析。對于通道內步行設施優化設計提出了一些案例。
地鐵站的步行通道設計直接影響乘客出行的舒適度及換乘的便捷性。步行通道優化設計最主要的目標是減少乘客換乘的步行距離,同時通過設施設計減少行人間的摩擦,提高步行效率,縮短換乘時間。
1 地鐵站出入口通道數量的確定
出入口通道的數量由高峰小時客流量確定,同時也要充分考慮乘客的舒適度及出口地面處的容納條件。現在許多設計規范中,普遍使用通行能力作為確定通道數量的參數。這種計算方法有其弊處。因為通行能力為通道內行人流穩定行走的最大流率,計算的結果相當于在通道使用的極限情況下應設置的最小通道數。當客流量接近或達到通行能力時,入口通道可利用的有限面積會限制行人的行走速度和在人流中行走的自由,一旦遇到特殊情況,通道內易發生堵塞,安全性不能保障。所以, 在確立地鐵站出入口通道的數量時還應考慮通道的服務水平。地鐵站通道內經常會出現在某個很短的時間內涌出大量人群、隨后一段時間又無人流的情況。因此計算出入口的數量時, 應選擇人群流率Qmax (人/ (h ·m) ) 作為最大客流量。假設高峰小時客流率預測為Q0 (人/ (h ·m) ) ,則根據《道路通行能力手冊》有關人群的步行特征分析, 人群流量Qmax 與Q0 存在線性關系: Qmax = A Q0 + B (1)
式中參數A 、B 可由現有地鐵通道行人流量調查數據回歸分析得出。假設在某一確定服務水平下,通道內行人的平均流率為q , 地鐵站每個出口通道的有效寬度為wp ,則出口通道的數量為: n = Qmax q ×wp (2)
在運營期間, 由于地面吸引點的性質不同, 乘客行走各通道的流量并非均勻分布。但在特殊情況下(如火災時) ,出入口的數量和寬度就能滿足在最短時間內全部疏散最大乘客流量。
2 換乘通道優化函數
作為銜接地鐵與地面公交車站的換乘通道,應使通道步距縮至最短, 并設置自動步道或步梯, 提高行走速度,從而減少步行時間。
在地鐵站設計時,充分考慮地鐵與公交的換乘需求,優化地鐵站的局部位置, 以實現如下兩個目標:
(1) 乘客行走各出入口時達到最短的加權平均路徑。由于換乘需求不同, 各銜接通道的利用率也各不相同。故定義參數ri ,表示在長期的運營中, 乘客到達交通吸引點i 的比例(同時也表示行走i 通道的比例) ; pi 為乘客下車后到第i 處交通吸引點的平均步距(不考慮乘客下車時在站臺上的位置差異) 。則此優化目標函數PI 值可以表達為: PI = r1 p1 + r2 p2 + .+ rnpn (3) 其中n ≥2 。
(2) 對于換乘公共汽車的乘客, 換乘通道內行人加權步距最短。假設n 個出口通道中j ～ k 為換乘通道,則此優化目標函數PI 值可以表達為: PI = rjpj + .+ rkpk (4)
其中, ( rj .rk) A ( r1 , r2 .rn) 。
對于單個換乘通道的步距, 也應給予上限, 一般p ≤200 m。
以上兩個目標函數,首先須滿足式(4) 達到最小值。在式(4) 滿足最小值的基礎上, 再平衡式(3) ,此時式(3) 可能無法達到最小值。
3 地鐵乘客換乘公共汽車步行距離的計算此算例假設出入地鐵站的乘客全部進行換乘, 即rj + .+ rk = 1 。
3. 1 地鐵站與交叉口的位置
假設地鐵站建筑縱向長度為R , 寬度為S (不計出入口通道延伸長度) 。十字交叉口縱向道路的寬度為a ,橫向道路的寬度為b ( a 、b < R) 。如圖1 所示。
交叉口過街設施與乘客換乘通道進行一體化設計。在計算換乘步距時, 只計入乘客在軌道交通車輛與公共汽、電車站間換乘的絕對步距, 不計乘客在軌道交通站內步行迂回距離。當地鐵站與十字交叉口正交時,根據它們之間的位置關系,選擇以下4 種布設方式:
1) 地鐵站位于一條道路的正下方, 且地鐵走向與此道路平行;
2) 地鐵站位于一條道路的正下方, 且地鐵走向與此道路垂直;
3) 地鐵站位于一條道路的斜下方;
4) 地鐵站位于交叉口的正下方,且地鐵站的中心與交叉口的中心重合。
圖1 地鐵站在交叉口布置方式示意圖
3. 2 公共汽車換乘站在交叉口進出口道的布設
為減少地鐵站到公共汽車站點的換乘步距,應盡量把不同走向的公交線路站布置于交叉口周邊, 但不能影響交叉口的通行能力。許多大城市在此方面都有自己的規定。上海市規定[1 ] :在交叉口上游布站時(不展寬進口道) ,停靠站位置應在右側車道最大排隊長度再加15 ～ 20 m 處;在下游右側不展寬車道設站時,停靠站在干路上距停車線不應小于50 m 。北京也有相應的規定值。在本文中, 假設公交停靠站布置于規范的極限值上,即為靠近交叉口的最短距離:交叉口上游, 公交站臺離交叉口邊緣的距離為L b1 ; 交叉口下游, 公交站臺離交叉口邊緣的距離為L b2 。
為縮短乘客換乘步距,假設當L b1 或L b2 位于地鐵站建筑縱向范圍以內時,可在地鐵站一側直接對應公交車站設計出入口。
3. 3 最短換乘步距的計算
方式1 :地鐵站位于一條道路的正下方, 地鐵走向與此道路平行, 且距橫向車道邊緣的距離為c (由于示例為交叉口換乘,故假設c ≤ a 、b) 。把十字交叉口所分離的4 個區編號,如圖1 所示。假設乘客在候車區是沿站臺平均分布, 所以乘客下車后走至通道口的平均步距為R/ 2 。
定義r11 為到①區進口道(交叉口上游) 換乘公共汽車的乘客的比例, r12 為到①區出口道(交叉口下游) 換乘公共汽車的乘客的比例,依次類推。則
r11 + r12 + r21 + .+ r41 + r42 = 1 (5)
與r11 所對應的乘客平均步距為: R + a 2 + c + L b1 (6)r12 所對應的乘客平均步距為: R + a 2 + L b2 - ( R + c) (7)
故方式1 中,乘客在地鐵和公共汽車間換乘的平均步距為: PI1 = 12 [1 - 2 ( r12 + r41) ] R + a2 + [1 - ( r12 + r41) - ( r11 + r42) b + [1 - 2 ( r12 + r41) ] c + AL b1 + BL b2 (8)
其中:
A = r11 + r21 + r31 + r41
B = r12 + r22 + r32 + r42
(9) 同理,方式2 中, 地鐵站位于一條道路的正下方,且地鐵走向與此道路垂直, 設地鐵站距縱向車道邊緣的距離為d (假設d ≤a 、b) ,則乘客在地鐵和公共汽車間換乘的平均步距為: PI2 = 12 [1 - 2 ( r11 + r22) ] S + [1 - ( r11 + r22) - ( r12 + r21) ] a + b2 + [1 - 2 ( r11 + r22) ] d + AL b1 + BL b2 (10)
方式3 中, 地鐵站位于一條道路的斜下方。設地鐵站距橫向車道邊緣的距離為c ,距縱向車道邊緣的距離為d ,則乘客在地鐵和公共汽車間換乘的平均步距為: PI3 = 12 (1 - 2 r12) R + 12 (1 - 2 r11) S + ( r31 + r32 + r41 + r42) a + ( r21 + r22 + r31 + r32) b + (1 - 2 r12) c + (1 - 2 r11) d + AL b1 + BL b2 (11)
方式4 中, 地鐵站位于交叉口的正下方, 且地鐵站的中心與交叉口的中心重合。乘客在地鐵和公共汽車間換乘的平均步距為: PI4 = a + b 2 + AL b1 + BL b2 (12)
在實際情況中,乘客到各個公交站臺的比例趨向于不同的定值。根據換乘需求方向的不同, 假設以下6 種典型狀況:
1) 乘客換乘需求平均分布。即r11 = r12 = r21 = . = r41 = r42 = 1/ 8 。
2) 換乘主方向與地鐵線路行車方向垂直, 其總量是平行方向上的兩倍;在兩換乘方向內部各公交站臺換乘需求均勻分布。即r11 = r22 = r31 = r42 = 1/ 6 ; r12 = r21 = r32 = r41 = 1/ 12
3) 換乘主方向與地鐵線路行車方向平行, 其總量是垂直方向上的兩倍;在兩換乘方向內部各公交站臺換乘需求均勻分布。即r11 = r22 = r31 = r42 = 1/ 12 ; r12 = r21 = r32 = r41 = 1/ 6
4) 換乘流量全部位于交叉口南進、出口, 且呈均勻分布。即r12 = r41 = 1/ 2
5) 換乘流量全部位于交叉口西進、出口, 且呈均勻分布。即r11 = r22 = 1/ 2
6) 換乘流量全部位于①區,且呈均勻分布。即r11 = r12 = 1/ 2 6 種狀態下4 種布站方式最短換乘步距的計算結果如表1 所示。
由算例可以看出:
1) 當道路寬度及出入口位置確定后, 方式4 (地鐵站位于交叉口正下方) 的換乘加權步距與換乘的方向性無關,且為一定值。
2) 當乘客換乘需求平均分布或換乘主方向與地鐵線路行車方向垂直時, 方式2 (地鐵站位于一條道路的正下方,且地鐵走向與此路段垂直) 也是較為理想的選擇。見圖2 所示。
3) 當各方向都有換乘需求時(狀況1 ～ 3) ,方式4 (地鐵站位于交叉口正下方) 的換乘加權步距最小。
4) 當換乘只在某個方向或區域存在需求時(狀況4 ～ 6) ,就近設置地鐵站是較好的布設方案。
圖2 乘客換乘需求平均分布情況下的4 種換乘加權步距 對于方式1 (地鐵站位于一條進口道的正下方,地鐵走向與此路段平行) ,不適應于換乘主方向與地鐵線路行車方向垂直的情況。見圖3 所示。
圖3 方式1 布站情況下6 種狀況的換乘加權步距
6) 對于方式2 (地鐵站位于一條道路的正下方,且地鐵走向與此路段垂直) ,不適應于換乘主方向與地鐵線路行車方向平行的情況。見圖4 所示。
圖4 方式2 布站情況下6 種狀況的換乘加權步距
7) 方式3 的換乘步距較大,除在狀況6 (換乘流量全部位于①區) 的情形下,一般不建議采用此方式設站。
4 步行系統改善措施
通過合適的改善設計,可減少行人設施存在的瓶頸,提高步行通道的通行能力。
1) 在高密度的行人通道中,同向走行的乘客之間相互干擾。行人會利用一切空擋超越前者,從而會引起對對向人流的干擾。在這種情況下,可以在通道中間放置一些柱狀物,起隔離墻的作用。行人若要走到另一側,需要繞道行走,這樣會減少行人占用對人流空隙的情況。
2) 在通道設施的突變處,把突變改為漏斗形的漸變,可以提高行人通過瓶頸處的流暢性,其最佳的形式是球狀外凸形漸變。見圖5 所示。
3) 當兩股人流垂直相交時,會出現不同方向上行人間的對頂。若在相交處放置圓形障礙物形成繞行,可以減少步行效率的損失。根據仿真顯示,步行效率可提高13 %。
地鐵站步行通道優化設計的目的是提高通行能力和減少換乘步距。由于建成后的地鐵站不易改動位置,而僅調整公交線網或公交站臺只能起到局部改善銜接換乘的作用,所以在確定地鐵站的局部位置時就應充分考慮其與公交換乘的優化銜接, 使換乘系統達到最佳的設計。
地鐵站的步行通道設計直接影響乘客出行的舒適度及換乘的便捷性。步行通道優化設計最主要的目標是減少乘客換乘的步行距離,同時通過設施設計減少行人間的摩擦,提高步行效率,縮短換乘時間。
1 地鐵站出入口通道數量的確定
出入口通道的數量由高峰小時客流量確定,同時也要充分考慮乘客的舒適度及出口地面處的容納條件。現在許多設計規范中,普遍使用通行能力作為確定通道數量的參數。這種計算方法有其弊處。因為通行能力為通道內行人流穩定行走的最大流率,計算的結果相當于在通道使用的極限情況下應設置的最小通道數。當客流量接近或達到通行能力時,入口通道可利用的有限面積會限制行人的行走速度和在人流中行走的自由,一旦遇到特殊情況,通道內易發生堵塞,安全性不能保障。所以, 在確立地鐵站出入口通道的數量時還應考慮通道的服務水平。地鐵站通道內經常會出現在某個很短的時間內涌出大量人群、隨后一段時間又無人流的情況。因此計算出入口的數量時, 應選擇人群流率Qmax (人/ (h ·m) ) 作為最大客流量。假設高峰小時客流率預測為Q0 (人/ (h ·m) ) ,則根據《道路通行能力手冊》有關人群的步行特征分析, 人群流量Qmax 與Q0 存在線性關系: Qmax = A Q0 + B (1)
式中參數A 、B 可由現有地鐵通道行人流量調查數據回歸分析得出。假設在某一確定服務水平下,通道內行人的平均流率為q , 地鐵站每個出口通道的有效寬度為wp ,則出口通道的數量為: n = Qmax q ×wp (2)
在運營期間, 由于地面吸引點的性質不同, 乘客行走各通道的流量并非均勻分布。但在特殊情況下(如火災時) ,出入口的數量和寬度就能滿足在最短時間內全部疏散最大乘客流量。
2 換乘通道優化函數
作為銜接地鐵與地面公交車站的換乘通道,應使通道步距縮至最短, 并設置自動步道或步梯, 提高行走速度,從而減少步行時間。
在地鐵站設計時,充分考慮地鐵與公交的換乘需求,優化地鐵站的局部位置, 以實現如下兩個目標:
(1) 乘客行走各出入口時達到最短的加權平均路徑。由于換乘需求不同, 各銜接通道的利用率也各不相同。故定義參數ri ,表示在長期的運營中, 乘客到達交通吸引點i 的比例(同時也表示行走i 通道的比例) ; pi 為乘客下車后到第i 處交通吸引點的平均步距(不考慮乘客下車時在站臺上的位置差異) 。則此優化目標函數PI 值可以表達為: PI = r1 p1 + r2 p2 + .+ rnpn (3) 其中n ≥2 。
(2) 對于換乘公共汽車的乘客, 換乘通道內行人加權步距最短。假設n 個出口通道中j ～ k 為換乘通道,則此優化目標函數PI 值可以表達為: PI = rjpj + .+ rkpk (4)
其中, ( rj .rk) A ( r1 , r2 .rn) 。
對于單個換乘通道的步距, 也應給予上限, 一般p ≤200 m。
以上兩個目標函數,首先須滿足式(4) 達到最小值。在式(4) 滿足最小值的基礎上, 再平衡式(3) ,此時式(3) 可能無法達到最小值。
3 地鐵乘客換乘公共汽車步行距離的計算此算例假設出入地鐵站的乘客全部進行換乘, 即rj + .+ rk = 1 。
3. 1 地鐵站與交叉口的位置
假設地鐵站建筑縱向長度為R , 寬度為S (不計出入口通道延伸長度) 。十字交叉口縱向道路的寬度為a ,橫向道路的寬度為b ( a 、b < R) 。如圖1 所示。
交叉口過街設施與乘客換乘通道進行一體化設計。在計算換乘步距時, 只計入乘客在軌道交通車輛與公共汽、電車站間換乘的絕對步距, 不計乘客在軌道交通站內步行迂回距離。當地鐵站與十字交叉口正交時,根據它們之間的位置關系,選擇以下4 種布設方式:
1) 地鐵站位于一條道路的正下方, 且地鐵走向與此道路平行;
2) 地鐵站位于一條道路的正下方, 且地鐵走向與此道路垂直;
3) 地鐵站位于一條道路的斜下方;
4) 地鐵站位于交叉口的正下方,且地鐵站的中心與交叉口的中心重合。
圖1 地鐵站在交叉口布置方式示意圖
3. 2 公共汽車換乘站在交叉口進出口道的布設
為減少地鐵站到公共汽車站點的換乘步距,應盡量把不同走向的公交線路站布置于交叉口周邊, 但不能影響交叉口的通行能力。許多大城市在此方面都有自己的規定。上海市規定[1 ] :在交叉口上游布站時(不展寬進口道) ,停靠站位置應在右側車道最大排隊長度再加15 ～ 20 m 處;在下游右側不展寬車道設站時,停靠站在干路上距停車線不應小于50 m 。北京也有相應的規定值。在本文中, 假設公交停靠站布置于規范的極限值上,即為靠近交叉口的最短距離:交叉口上游, 公交站臺離交叉口邊緣的距離為L b1 ; 交叉口下游, 公交站臺離交叉口邊緣的距離為L b2 。
為縮短乘客換乘步距,假設當L b1 或L b2 位于地鐵站建筑縱向范圍以內時,可在地鐵站一側直接對應公交車站設計出入口。
3. 3 最短換乘步距的計算
方式1 :地鐵站位于一條道路的正下方, 地鐵走向與此道路平行, 且距橫向車道邊緣的距離為c (由于示例為交叉口換乘,故假設c ≤ a 、b) 。把十字交叉口所分離的4 個區編號,如圖1 所示。假設乘客在候車區是沿站臺平均分布, 所以乘客下車后走至通道口的平均步距為R/ 2 。
定義r11 為到①區進口道(交叉口上游) 換乘公共汽車的乘客的比例, r12 為到①區出口道(交叉口下游) 換乘公共汽車的乘客的比例,依次類推。則
r11 + r12 + r21 + .+ r41 + r42 = 1 (5)
與r11 所對應的乘客平均步距為: R + a 2 + c + L b1 (6)r12 所對應的乘客平均步距為: R + a 2 + L b2 - ( R + c) (7)
故方式1 中,乘客在地鐵和公共汽車間換乘的平均步距為: PI1 = 12 [1 - 2 ( r12 + r41) ] R + a2 + [1 - ( r12 + r41) - ( r11 + r42) b + [1 - 2 ( r12 + r41) ] c + AL b1 + BL b2 (8)
其中:
A = r11 + r21 + r31 + r41
B = r12 + r22 + r32 + r42
(9) 同理,方式2 中, 地鐵站位于一條道路的正下方,且地鐵走向與此道路垂直, 設地鐵站距縱向車道邊緣的距離為d (假設d ≤a 、b) ,則乘客在地鐵和公共汽車間換乘的平均步距為: PI2 = 12 [1 - 2 ( r11 + r22) ] S + [1 - ( r11 + r22) - ( r12 + r21) ] a + b2 + [1 - 2 ( r11 + r22) ] d + AL b1 + BL b2 (10)
方式3 中, 地鐵站位于一條道路的斜下方。設地鐵站距橫向車道邊緣的距離為c ,距縱向車道邊緣的距離為d ,則乘客在地鐵和公共汽車間換乘的平均步距為: PI3 = 12 (1 - 2 r12) R + 12 (1 - 2 r11) S + ( r31 + r32 + r41 + r42) a + ( r21 + r22 + r31 + r32) b + (1 - 2 r12) c + (1 - 2 r11) d + AL b1 + BL b2 (11)
方式4 中, 地鐵站位于交叉口的正下方, 且地鐵站的中心與交叉口的中心重合。乘客在地鐵和公共汽車間換乘的平均步距為: PI4 = a + b 2 + AL b1 + BL b2 (12)
在實際情況中,乘客到各個公交站臺的比例趨向于不同的定值。根據換乘需求方向的不同, 假設以下6 種典型狀況:
1) 乘客換乘需求平均分布。即r11 = r12 = r21 = . = r41 = r42 = 1/ 8 。
2) 換乘主方向與地鐵線路行車方向垂直, 其總量是平行方向上的兩倍;在兩換乘方向內部各公交站臺換乘需求均勻分布。即r11 = r22 = r31 = r42 = 1/ 6 ; r12 = r21 = r32 = r41 = 1/ 12
3) 換乘主方向與地鐵線路行車方向平行, 其總量是垂直方向上的兩倍;在兩換乘方向內部各公交站臺換乘需求均勻分布。即r11 = r22 = r31 = r42 = 1/ 12 ; r12 = r21 = r32 = r41 = 1/ 6
4) 換乘流量全部位于交叉口南進、出口, 且呈均勻分布。即r12 = r41 = 1/ 2
5) 換乘流量全部位于交叉口西進、出口, 且呈均勻分布。即r11 = r22 = 1/ 2
6) 換乘流量全部位于①區,且呈均勻分布。即r11 = r12 = 1/ 2 6 種狀態下4 種布站方式最短換乘步距的計算結果如表1 所示。
由算例可以看出:
1) 當道路寬度及出入口位置確定后, 方式4 (地鐵站位于交叉口正下方) 的換乘加權步距與換乘的方向性無關,且為一定值。
2) 當乘客換乘需求平均分布或換乘主方向與地鐵線路行車方向垂直時, 方式2 (地鐵站位于一條道路的正下方,且地鐵走向與此路段垂直) 也是較為理想的選擇。見圖2 所示。
3) 當各方向都有換乘需求時(狀況1 ～ 3) ,方式4 (地鐵站位于交叉口正下方) 的換乘加權步距最小。
4) 當換乘只在某個方向或區域存在需求時(狀況4 ～ 6) ,就近設置地鐵站是較好的布設方案。
圖2 乘客換乘需求平均分布情況下的4 種換乘加權步距 對于方式1 (地鐵站位于一條進口道的正下方,地鐵走向與此路段平行) ,不適應于換乘主方向與地鐵線路行車方向垂直的情況。見圖3 所示。
圖3 方式1 布站情況下6 種狀況的換乘加權步距
6) 對于方式2 (地鐵站位于一條道路的正下方,且地鐵走向與此路段垂直) ,不適應于換乘主方向與地鐵線路行車方向平行的情況。見圖4 所示。
圖4 方式2 布站情況下6 種狀況的換乘加權步距
7) 方式3 的換乘步距較大,除在狀況6 (換乘流量全部位于①區) 的情形下,一般不建議采用此方式設站。
4 步行系統改善措施
通過合適的改善設計,可減少行人設施存在的瓶頸,提高步行通道的通行能力。
1) 在高密度的行人通道中,同向走行的乘客之間相互干擾。行人會利用一切空擋超越前者,從而會引起對對向人流的干擾。在這種情況下,可以在通道中間放置一些柱狀物,起隔離墻的作用。行人若要走到另一側,需要繞道行走,這樣會減少行人占用對人流空隙的情況。
2) 在通道設施的突變處,把突變改為漏斗形的漸變,可以提高行人通過瓶頸處的流暢性,其最佳的形式是球狀外凸形漸變。見圖5 所示。
3) 當兩股人流垂直相交時,會出現不同方向上行人間的對頂。若在相交處放置圓形障礙物形成繞行,可以減少步行效率的損失。根據仿真顯示,步行效率可提高13 %。
地鐵站步行通道優化設計的目的是提高通行能力和減少換乘步距。由于建成后的地鐵站不易改動位置,而僅調整公交線網或公交站臺只能起到局部改善銜接換乘的作用,所以在確定地鐵站的局部位置時就應充分考慮其與公交換乘的優化銜接, 使換乘系統達到最佳的設計。
