城市轨道交通枢纽乘客集散模型及微观仿真理论

城市轨道交通是解决大城市交通问题的主要手段，建设交通便捷、功能丰富、资源节约、环境友好的城市轨道交通枢纽是实现和谐交通的重要内容。然而，目前国内外在这类枢纽的设计和评价上依然主要依靠静态的经验估计办法，无论在工程实践上还是相关理论上都存在着一些不足：枢纽设计标准缺乏科学依据、枢纽的集散效率和服务水平无法准确衡量、对乘客和交通环境的关系认识不清楚等。解决这些问题将为准确预测新建和既有枢纽的客流负载能力提供技术指导和评价手段，为实现乘客与交通的和谐发展提供理论和技术保障。本论文基于以上这些问题，结合北京市城市轨道交通建设管理有限公司课题“北京市城市轨道交通宣武门、崇文门规划枢纽布局评价”和国家自然科学基金课题“铁路客运专线换乘枢纽交通设计理论与方法”，对乘客在城市轨道交通枢纽内部的集散理论和微观仿真进行研究。 本文首先对国内外城市轨道交通枢纽乘客集散方面的研究做了详细的综述。在此基础上，针对已有研究的薄弱方面，围绕城市轨道交通枢纽内部设施的使用效率和乘客集散安全的评估问题，建立了枢纽乘客集散理论体系框架。该理论体系以“点—线—网”和“乘客—乘客群—乘客流”为两条主线，较全面地提出了乘客集散理论研究的基本内容和方法论。本论文主要就该理论体系的基础核心问题—基于乘客集散行为的微观仿真，展开了深入研究。 通过组织大量的实地行人交通特性调查，开发了半自动行人交通数据视频分析系统；对调查的交通参量数据进行统计，总结分析了乘客的宏观特性，从设施行为、流向行为、目的行为、拥挤行为、时段行为、安全疏散行为等六方面研究了乘客在枢纽内的微观行为。研究了乘客集散的静态分析方法，提出了枢纽中的冲突点分析、延误分类界定及计算、瓶颈判别的理论与方法。 基于对乘客复杂的集散行为的认识，本文对其中的关键行为—路径选择行为、移动行为和碰撞规避行为建立了乘客集散模型，提出了一种逆向改进型A*路径选择模型，并运用动态博弈和交换机制的方法解决了同步决策和交织死锁问题，该模型集多智能体(multi-agent)、元胞自动机(cellular automata)、社会力(social foroe)、驾驶行为(steeringbehavior)的优势于一体，具有更加广泛的适应性和更强的处理能力。 论文还首次提出了四元模型校验法，即运用基本图检验、自组织再现、实际数据拟合、疏散经验一致性校验四种方法综合校验模型，其优点是能够保证模型同时符合交通、自组织、实际数据和疏散等方面的要求，提高模型的准确性。校验结果表明，本文提出的乘客集散模型是现有类似模型中唯一能够完全通过四元校验法的模型，证明了模型的可靠性。 为了使已经建立的模型应用于实际，论文系统研究了乘客集散仿真的两种实现途径：离散仿真和连续仿真，提出了运用枢纽状态矩阵变化实现乘客集散连续仿真模型离散化的研究思路，探讨了运用所提模型建立仿真模型时的一些关键技术，并提出了城市轨道交通枢纽集散评价标准。这些标准以仿真所能获得的数据为自变量，从乘客集散的安全、效率和舒适三方面综合反映了城市轨道交通枢纽的乘客集散能力。 考虑到模型的实用性，利用所提出的数学模型建立了基于多智能体的乘客集散微观仿真模型，开发了城市轨道交通乘客集散仿真软件MTR-PedsIM。通过运用该仿真软件进行大量的行人微观仿真试验，进一步研究了行人自组织行为产生的机理和本质，提出了行人自组织现象产生的基本条件，建立了自组织参数之间的数学关系，完善了行人流自组织理论。 最后，结合课题情况，论文分别就既有枢纽和新建枢纽两个案例，模拟了乘客集散情况，并提出了枢纽内瓶颈传播的过程，获得了灾难情况下人员疏散的时空转移特性。仿真成功地再现了枢纽内部人流的运动特征和枢纽的空间利用情况，解决了实际课题中枢纽集散的评估和优化问题，表明所建立的模型具有良好的仿真能力和应用前景。