【摘要】 站臺(tái)作為城市軌道交通系統(tǒng)與乘客直接交互的服務(wù)平臺(tái),其高峰時(shí)段的擁擠客流管控技術(shù)已成為提升系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)效率的主要瓶頸。站臺(tái)擁擠是集散乘客交通流自組織和他組織復(fù)合作用下的時(shí)空演化結(jié)果。擁擠狀態(tài)下,乘客對(duì)站臺(tái)空間環(huán)境、設(shè)施布局等靜態(tài)環(huán)境,以及集散乘客交通流狀況等動(dòng)態(tài)環(huán)境的擁擠感知差異對(duì)其運(yùn)動(dòng)行為影響顯著,導(dǎo)致站臺(tái)乘客行為動(dòng)力學(xué)特性相比于車(chē)站其他行人交通設(shè)施處差異明顯。因此,系統(tǒng)地研究站臺(tái)乘客擁擠感知影響因素及其顯著性,構(gòu)建更符合擁擠狀態(tài)下乘客心理學(xué)和行為學(xué)特性的城市軌道交通站臺(tái)乘客行為模型,將有助于研究乘客在復(fù)雜環(huán)境約束下的局部交互導(dǎo)致宏觀(guān)現(xiàn)象的非線(xiàn)性特征,為站臺(tái)擁擠管理提供理論基礎(chǔ)。本文以城市軌道交通站臺(tái)集散乘客研究對(duì)象,重點(diǎn)研究基于擁擠感知的站臺(tái)集散乘客行為動(dòng)力學(xué)建模的相關(guān)理論與方法。論文的主要工作包括以下四方面：(1)在闡述站臺(tái)研究范圍的基礎(chǔ)上,針對(duì)北京市軌道交通典型車(chē)站的站臺(tái)乘客集散行為開(kāi)展了行為觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)了基于視頻的乘客擁擠感知偏好調(diào)查問(wèn)卷,為乘客個(gè)體擁擠感知建模提供理論依據(jù)；設(shè)計(jì)了交通流基本圖數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn),基于人工現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)和視頻拍攝等數(shù)據(jù)采集技術(shù),采集統(tǒng)計(jì)了乘客交通流速度和密度樣本數(shù)據(jù),為仿真模型的有效性驗(yàn)證提供實(shí)踐依據(jù)。針對(duì)乘客交通流基本圖的研究表明：與站臺(tái)連接通道處、站臺(tái)處的乘客交通流基本圖與Greenshields模型具有較好的一致性,擬合優(yōu)度均達(dá)到0.74以上。(2)在分析站臺(tái)擁擠內(nèi)涵及乘客擁擠感知影響因素的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了個(gè)體擁擠感知偏好實(shí)驗(yàn)以獲取個(gè)體主觀(guān)偏好數(shù)據(jù)。針對(duì)擁擠感知偏好數(shù)據(jù)的有序離散特性,構(gòu)建了擁擠感知影響因素的有序選擇Probit模型,采用極大似然估計(jì)方法估計(jì)了模型參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,分別計(jì)算了18個(gè)影響乘客個(gè)體擁擠感知的解釋變量的邊際效應(yīng),研究結(jié)果表明：同等站臺(tái)擁擠環(huán)境下,解釋變量的單位改變量對(duì)乘客處于相應(yīng)站臺(tái)擁擠環(huán)境下個(gè)體擁擠感知概率的影響存在明顯差異。其中,9個(gè)解釋變量對(duì)乘客個(gè)體擁擠感知影響的顯著性存在明顯的相變現(xiàn)象。(3)根據(jù)既有的感知-決策-動(dòng)作行人微觀(guān)行為分析框架,從認(rèn)知科學(xué)角度,分析了站臺(tái)集散乘客擁擠感知過(guò)程,闡述了個(gè)體單元和視覺(jué)信息建模假設(shè)的必要性。根據(jù)個(gè)體單元建模假設(shè),將乘客個(gè)體抽象為具有環(huán)境感知、行為決策和動(dòng)作執(zhí)行三種能力的Agent,并針對(duì)大規(guī)模Agent仿真模型計(jì)算效率與建模細(xì)致度的平衡問(wèn)題,建立了基于環(huán)境感知-行為決策-動(dòng)作執(zhí)行三層體系結(jié)構(gòu)的乘客適應(yīng)性Agent模型。借鑒HCM研究成果,將乘客個(gè)體行為空間劃分為個(gè)體空間和感知空間兩部分,建立了基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的個(gè)體空間回歸模型,根據(jù)視覺(jué)信息建模假設(shè),提出了基于視覺(jué)信息的個(gè)體感知空間概念,將乘客個(gè)體感知空間抽象為乘客個(gè)體視覺(jué)范圍內(nèi)與其最先發(fā)生碰撞的個(gè)體和障礙物的物理距離。在此基礎(chǔ)上,建立了基于神經(jīng)元模型的擁擠感知函數(shù),從認(rèn)知科學(xué)的角度,提出了基于視覺(jué)信息的乘客擁擠感知信息表征方法,即將乘客擁擠感知信息定義為個(gè)體與其視覺(jué)范圍內(nèi)其他個(gè)體和障礙物的心理碰撞距離。(4)站臺(tái)乘客行為建模的關(guān)鍵是如何描述擁擠狀態(tài)下乘客個(gè)體運(yùn)動(dòng)方向和速度的選擇行為。針對(duì)站臺(tái)集散乘客個(gè)體認(rèn)知推理決策的特點(diǎn),基于擁擠感知信息,分別建立了描述站臺(tái)乘客個(gè)體運(yùn)動(dòng)方向和速度選擇行為的認(rèn)知啟發(fā)規(guī)則及其數(shù)學(xué)模型。分別設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單步行通道、復(fù)雜島式站臺(tái)兩種仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景,開(kāi)發(fā)了站臺(tái)乘客仿真模型,確定了合理的仿真測(cè)試方案和具體步驟,以驗(yàn)證仿真模型的有效性。研究結(jié)果表明：基于視覺(jué)信息的表征的乘客個(gè)體擁擠感知信息對(duì)其運(yùn)動(dòng)行為影響顯著,較好地刻畫(huà)了擁擠狀態(tài)下乘客群體的感知機(jī)制對(duì)其行為動(dòng)力學(xué)特性的影響,其變化結(jié)果與乘客擁擠感知影響因素顯著性分析的結(jié)論相同。同時(shí),在基于擁擠感知的站臺(tái)乘客仿真模型中,乘客通過(guò)個(gè)體間的局部簡(jiǎn)單規(guī)則涌現(xiàn)出乘客群體的復(fù)雜集散行為,能較好地再現(xiàn)擁擠情況下乘客交通流涌現(xiàn)的宏觀(guān)交通特性,且模型輸出的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)具有較好的一致性。

1緒論

城市軌道交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)特征的日益顯現(xiàn)，以及由此誘發(fā)的復(fù)雜客流需求，導(dǎo)致其運(yùn)行效率和服務(wù)水平面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。城市軌道交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)的發(fā)揮依賴(lài)于運(yùn)營(yíng)組織和建筑環(huán)境的協(xié)調(diào)配合。由于城市軌道交通系統(tǒng)投資昂貴、建設(shè)周期長(zhǎng)，建成后難以對(duì)不合理的布局進(jìn)行有效改進(jìn)；因此，在經(jīng)典的車(chē)站設(shè)計(jì)與客流組織中，國(guó)內(nèi)外管理部門(mén)和廣大學(xué)者主要以基礎(chǔ)設(shè)施的時(shí)空資源為主體研究對(duì)象，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期積累形成了相對(duì)完整的方法論體系，并在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了積極的作用。然而，隨著城市軌道交通線(xiàn)網(wǎng)發(fā)展到一定規(guī)模時(shí)，筆耕文化傳播，單純地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)以增加設(shè)施設(shè)備規(guī)模和提高其能力，已不能有效地滿(mǎn)足由于網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)所誘發(fā)的復(fù)雜客流需求，擁擠成為常態(tài)。因此，提高乘客在城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)效率將成為提升運(yùn)營(yíng)組織水平和服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵。車(chē)站客流組織水平的提升對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)的發(fā)揮具有重要的支撐作用。作為車(chē)站內(nèi)乘客最為密集的場(chǎng)所，站臺(tái)客流具有高集中性、時(shí)空不均衡性、短時(shí)沖擊性等特征。若站臺(tái)客流大量集結(jié)且無(wú)法及時(shí)疏散時(shí)，將造成乘客在車(chē)站的耗時(shí)急劇增長(zhǎng)。
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2國(guó)內(nèi)外既有研究綜述

2.1城市軌道交通車(chē)站乘客集散研究
城市軌道交通車(chē)站乘客運(yùn)動(dòng)行為特征及乘客集散問(wèn)題受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，其研究成果主要集中在實(shí)證分析、基于排隊(duì)論的數(shù)學(xué)模型和基于行人模型的仿真模型三方面。實(shí)證分析主要是通過(guò)實(shí)地?cái)?shù)據(jù)調(diào)查，得到乘客的運(yùn)動(dòng)行為特征，分析乘客的速度密度流量關(guān)系，為提高乘客的集散水平提供理論參考。實(shí)證分析能夠直觀(guān)的反應(yīng)乘客的運(yùn)動(dòng)行為特征，但實(shí)證分析數(shù)據(jù)獲取工作量大、獲取難，數(shù)據(jù)采集誤差大。排隊(duì)論模型研究乘客集散過(guò)程時(shí)進(jìn)行了較強(qiáng)的建模假設(shè)，并未考慮個(gè)體間的相互差異及個(gè)體間的相互影響，乘客在集散過(guò)程中的行為并不完全適合排隊(duì)論規(guī)則。因此，采用排隊(duì)論研究乘客在車(chē)站的集散過(guò)程具有一定的局限性。行人模型是在分析乘客行為的基礎(chǔ)上，建立乘客集散仿真模型，分析車(chē)站乘客運(yùn)動(dòng)規(guī)律及集散過(guò)程，能夠較合理、恰當(dāng)?shù)乜坍?huà)乘客運(yùn)動(dòng)行為，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究乘客集散的主要理論方法。

2.2行人微觀(guān)行為建模
回顧既有關(guān)于行人運(yùn)動(dòng)行為建模研究，其研究理論與方法主要涵蓋了數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、生物以及復(fù)雜性科學(xué)等領(lǐng)域。隨著對(duì)問(wèn)題研究的不斷深入，行人動(dòng)力學(xué)建模技術(shù)和方法呈現(xiàn)出多學(xué)科交叉的態(tài)勢(shì)。既有模型較好地模擬了行人運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于微觀(guān)交互涌現(xiàn)的自組織現(xiàn)象，并從不同角度闡述了其機(jī)理。根據(jù)對(duì)行人運(yùn)動(dòng)行為刻畫(huà)細(xì)致程度的差異，行人模型通�？煞譃楹暧^(guān)模型和微觀(guān)模型2類(lèi)。

3城市軌道交通站臺(tái)乘客行為特征分析.....27
3.1典型站臺(tái)環(huán)境........27
3.2站臺(tái)乘客行為觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn).....29
4城市軌道交通站臺(tái)乘客擁擠感知影響因素及其顯著性分析....45
4.1乘客擁擠感知影響因素....45
4.2乘客擁擠感知因素量化分析.........52
5城市軌道交通站臺(tái)乘客擁擠感知建模............67
5.1問(wèn)題描述......67

6基于擁擠感知的城市軌道交通站臺(tái)乘客行為建模

6.1基于擁擠感知的乘客行為建模
無(wú)限理性忽略甚至完全無(wú)視決策主體，通常為人類(lèi)，所面臨的時(shí)間、知識(shí)、信息和計(jì)算能力的限制以制定決策策略，傳統(tǒng)上借助于概率論以構(gòu)建模型，其最著名的模型是預(yù)期效益最大化模型和貝葉斯模型。然而，無(wú)限理性的最大弱點(diǎn)是未能準(zhǔn)確地描述現(xiàn)實(shí)生活中決策主體在不確定條件下的決策行為。為克服無(wú)限理性刻畫(huà)現(xiàn)實(shí)世界的不足，用受限制條件下的最優(yōu)化觀(guān)點(diǎn)以替代無(wú)限理性，其本質(zhì)是構(gòu)建充分考慮人類(lèi)頭腦局限性的、更加現(xiàn)實(shí)的決策模型，但該類(lèi)模型甚至比無(wú)限理性模型需要的知識(shí)和運(yùn)算步驟還要多。

6.2仿真設(shè)計(jì)
準(zhǔn)確地描述擁擠狀態(tài)下站臺(tái)集散乘客行為動(dòng)力學(xué)特性是構(gòu)建城市軌道交通站臺(tái)乘客集散仿真模型的核心問(wèn)題。站臺(tái)集散乘客行為建模的關(guān)鍵是如何描述擁擠狀態(tài)下乘客個(gè)體運(yùn)動(dòng)方向和速度的選擇行為。本節(jié)在考慮擁擠感知對(duì)站臺(tái)乘客運(yùn)動(dòng)行為影響的基礎(chǔ)上，針對(duì)站臺(tái)乘客運(yùn)動(dòng)行為決策的特點(diǎn)，基于快速節(jié)檢啟發(fā)規(guī)則，分別從個(gè)體運(yùn)動(dòng)方向和速度的選擇行為兩個(gè)方面，構(gòu)建描述擁擠狀態(tài)下乘客運(yùn)動(dòng)行為的認(rèn)知啟發(fā)規(guī)則及數(shù)學(xué)模型。方向選擇行為是站臺(tái)集散乘客運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最重要的行為模式之一。既有研究表明行人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中傾向于選擇無(wú)其他行人和障礙物干擾的走行路徑；若存在其他行人和障礙物的阻擋，則傾向于選擇在當(dāng)前位置處偏離目標(biāo)點(diǎn)角度最小的運(yùn)動(dòng)方向。上述行為模式可以理解為行人運(yùn)動(dòng)軌跡選擇行為的效應(yīng)。因此，在動(dòng)態(tài)的站臺(tái)集散過(guò)程中，乘客需要在避讓其他乘客個(gè)體障礙物與盡量減少?gòu)淖疃套咝新窂缴系钠�離之間進(jìn)行決策。
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7結(jié)論與展望

本文在國(guó)內(nèi)外既有研究成果及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)站臺(tái)乘客擁擠感知及行為動(dòng)力學(xué)建模相關(guān)問(wèn)題展開(kāi)研究，主要工作及研究結(jié)論如下：城市軌道交通站臺(tái)環(huán)境以及其集散客流特征的復(fù)雜性，導(dǎo)致乘客在擁擠、快速的集散過(guò)程中產(chǎn)生不同于其他行人交通設(shè)施處的行為動(dòng)力學(xué)特性。本文在闡述站臺(tái)研究范圍的基礎(chǔ)上，針對(duì)北京市軌道交通典型車(chē)站的站臺(tái)乘客開(kāi)展行為觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，分析站臺(tái)乘客運(yùn)動(dòng)行為特征，在闡述城市軌道交通典型站臺(tái)的建筑空間結(jié)構(gòu)和設(shè)施設(shè)備配置布局的基礎(chǔ)上，從乘客集散運(yùn)動(dòng)軌跡范圍的角度，研究認(rèn)為站臺(tái)是大量乘客乘降及臨時(shí)候車(chē)的公共場(chǎng)所，和與之連接的通道、樓梯及自動(dòng)扶梯等設(shè)施設(shè)備共同滿(mǎn)足乘客的集散需求，并界定了研究范圍為站臺(tái)和與之相連的通道兩部分，其環(huán)境包括直接服務(wù)于乘客集散的所有設(shè)施設(shè)備。
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