2024年7月19日发(作者：罕巍奕)

世界轨蔼嚼恶论坛２０５ＷＯＲＬＤ

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城市轨道交通车站客流分布的仿真模型研究

邹晓磊，高鹏，徐瑞华

摘要：城市轨道交通车站的客流组织和客运设施配置关系到轨道交通运营的安全、可靠性

与服务水平。（本文采用微观离散型仿真方法，建立车站空间布局和设施配置模型及乘客

运动规律仿真模型，研究基于列车运行的城市轨道交通车站客流分布和设施评价，为设计

和建设车站、优化车站设施布局和车站客运组织，提高轨道交通运营安全、可靠性和服务

水平提供参考依据。１

１站内乘客运动及分布规律研究概况

车站作为城市轨道交通系统的基层生产单位，人群集中、流动性大。车站客运设施布局以及工

作组织水平直接关系到城市轨道交通系统的运输安全、效益和服务水平。为优化车站客运设施布

局和车站客运组织，提高轨道交通运营安全和可靠性，研究乘客在站内运动以及分布规律十分重

要。

此类行人交通行为的研究，国外已有在传统解析方法研究的基础上运用仿真方法研究的成果，

而国内正处于起步阶段。在相关仿真研究中，有宏观和微观两种思路。前者研究的对象是人群整

体，而不考虑人群中个体间的相互影响；后者研究的对象是个体，从研究个体在人群中的运动规律

出发，确定人群的行为。后者的拟真程度高、效果好，又可分离散型和连续型仿真。离散型仿真把

空间和时间都离散化，把平面空间划分成微小的基本单元，把时间划分成等长的时间段，行人的运

动就在空间和时间当中离散化。离散型仿真所需运算能力较小，更适合模拟大量个体的运动过程，

其最典型的方法为元胞自动机方法（ｃｅ】ＵａｒＡｕｔｏｍａｔａ）。连续型仿真中空间、时间及其他量都是连

续的，此类模型的核心是一组动力学的微分方程，通过微分方程将各个量的变化联系在一起，其典

型方法有社会力方法、行人气体动力学方法等。连续型仿真具有更好的拟真效果，但所需运算能力

较大。

本文采用离散型微观仿真方法，研究城市轨道交通车站的空间建模和乘客在站内运动和分布的

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世界孰道交通论坛２００５ｗｏＲＬＤ

ＲＡＩＬＷＡＹ

规律，从而为优化车站设施布局和车站客运组织，提高轨道交通运营安全和可靠性提供参考依据。

２车站空间布局模型研究

２．１车站空间结构分析与建模

城市轨道交通车站一般根据功能分成多个层面，如进出口、站厅层和站台层等。在每个层面

上，再根据功能划分成多个区域，如免费区、付费区和候车区等。每个区域当中和区域之间设置配

有一定功能的设施设备。相近的同类设备组成一个设备群。

车站的空间结构层次如图１所示。

进出口层

站斤层

站台层

蚕

图１车站的空间结构层次

根据上述车站空间结构的分析，可按下述方法建立分层网格化空间模型。

（１）分层：将车站空间按照功能划分成不同的层，即进出口、站厅层、站台层等。在层上再划分

区域和布置设施。

（２）网格化：将层面网格化，分成面积大小相等的正方形单元。每个网格存储空间坐标，所属

区域，所属设备和被行人占用的情况。

网格化的平面中，设施的空间占用被离散化，同一个设施占据多个网格。空间的网格化描述如

图２所示。

图２车站空间的髑格化描述

２．２车站客运设施特性分类分析与建模

车站的客运设施具有两个方面属性：空间属性和服务属性。其中，空间属性包含设施的空间位

置，空间占用以及所属的层面、区域和设备群。设施的服务属性包含如服务时间、通过速度、排队特

性和设施连接关系等。

根据客运设施的功能，车站的客运设施可以分为３大类：功能性设施、连接性设施和辅助性设

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轨道交通信息技术与运营效率

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施。功能性设施实现车站客运业务的主要环节，如售票、检票、候车设备、行车设备等。连接性设施

连接各功能性设施，实现过渡，如楼梯、自动扶梯、进出口等。辅助性设施协助完成客运业务，如导

向装置、多媒体显示、座椅、隔离护栏、墙壁等。

根据服务方式，车站客运设施可以分为：通过型设施和等候型设施。通过型设施的服务方式是

使乘客在设施中通过，如进出口、楼梯、自动扶梯、进出口检票闸机。

等候型设施的服务方式是乘客在设备区域等候并接受服务，如售票口、候车区域。

根据上述分析，建立空间与服务属性相结合的客运设施模型，某车站各层的设施空间配置如图

３和图４所示。

图３

某车站分层设施布局

图４该车站南站厅设施布局的三维模型

３车站乘客运动规律模型研究

３．１乘客在车站的服务流程分析

车站客流可以分为３类，其服务流程如表１所示。

衰１客漉分类爰服务流程

客流分类服务流程

进站一（购票）一检票一候车一上车

下车一检票一出站

下车一检票一（购票）一检票一候车一上车

１４１

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进站和换乘客流中，购票环节是可选环节，对于有预售票或者交通卡的乘客，不需购票。购票

乘客叉可以选择自动或人工售票方式。出站和换乘的乘客根据行为习惯可以分为两种：①对车站

或者周围环境比较熟悉，有固定出站、换乘路线；②对车站或者周围环境不太熟悉，选择最近出口出

站或换乘。

３．２乘客运动的影响因素分析

归纳起来，影响乘客在车站内运动的主要因素如下

Ｐａｔｉｅｎｃｅ

心理

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Ｊｕｄｇｅｍｅｎｔ

影响乘客运动

的主要因素

生理

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拥挤程度Ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ

乘客的运动是上述因素的综合结果，乘客的运动可以抽象表述为

帆＝／（Ｐ，Ｔ，Ｊ，Ｆ，Ｍ，Ａ，Ｇ，Ｓ，Ｇ，Ｃ）

式中：眠，Ｐ，Ｔ，Ｊ，Ｆ，Ｍ，Ａ，Ｇ，ｓ，Ｇ，Ｃ——上述诸因素。

这些因素分别在乘客运动过程的不同阶段产生影响。

３．３乘客的运动过程研究

乘客的运动过程如图５所示。

环境

因素

图５乘客的运动过程

本模型从以下３方面，进行乘客运动路径的确定：

（１）流程的控制：乘客根据出行目的和对环境的熟悉程度，确定运动的流程。

（２）路径的搜索：乘客根据感知，选择从当前点到达目的地的路径。

（３）冲突的解决：乘客问运动中发生冲突时，选择的解决冲突的办法。

３．３．１运动流程控帑】

乘客进出车站时，首先确定一系列目标，再由粗到细选择实现目标所需的一系列设备。乘客运

动时，先运动到某个层面，再选择到哪个区域，后选择所需设施。当设施成为群的时候，再根据自己

的判断选择当中的某个设施接受服务。

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轨道交通信息技术与运营效率

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各类乘客在车站接受服务的运动流程如下：①根据所需服务确定目标序列；②选择当前目标

节点功能性设备；③搜索通往目标节点功能性设备的路径和连接性设备；④解决与其他乘客的冲

突，运动到目标节点设备；⑤接受服务：排队和接收设备服务；⑥转入新的目标节点或离开车站。

３．３．２路径的搜索

为了解决乘客到达所需设备的路径搜索问题，我们采用空间距离梯度算法和Ａ＊算法相结合

的路径搜索算法。其中，空间距离梯度算法建立所需设备的空间距离场，并在场中按照梯度求算乘

客当前位置到设备之间的静态路径；Ａ＊算法求算静态路径当中短距离运动或者空间变化需要特

殊运动的动态路径。两者相结合，既提高路径搜索的效率，能够实现大量乘客运动的需要，又能提

高路径搜索的质量与灵活性。

Ａ＊算法是人工智能中一种典型的启发式搜索算法，本文通过改变Ａ＊算法估价函数的办法满

足乘客路径选择的多样化，通过优化搜索过程的办法，提高运算效率。

３．３．３冲突的解决

在得到运动路径，实际运动的过程中，乘客问可能会发生空间上的冲突。本文建立了根据乘客

耐心程度、行动能力和空间状况解决乘客间冲突的算法。在算法中，乘客可以根据上述影响因素选

择自己的行为，绕行或者等待。绕行时动态搜索路径。

４基于列车时刻表的车站乘客分布仿真及客运设施评价

４．１城市轨道交通车站客流仿真系统的总体结构

轨道交通车站客流组织仿真系统主要包括车站设施布局管理模块、客流流动模拟模块、线路列

车运行时刻及客流量生成模块、列车延误下客流疏散过程仿真模块，以及仿真结果输出及分析模

块。系统结构如图６所示。

图６轨道交通车站客流组织仿真系统结构

４．２车站乘客分布仿真

（１）列车正常运行下的车站乘客分布（见图７）。售票窗口区域和进出口闸机区域人流密度较

大，产生严重拥挤。进站客流和出站客流产生轻微交织，闸机通行速度较低，进出口闸机处产生一

般拥挤。

站台上，列车未到达时，站台乘客分布较为均衡，靠近楼梯处客流密度较高。上行列车到达后，

出站客流迅速增加，上行方向站台自动扶梯处出现轻微拥堵。

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２００５

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图７列车正常运行下的车站客流运动和密度分布

（２）列车延误情况下的车站乘客分布。列车发生延误时，乘客主要滞留在站台上。如图８所

示，未采取任何措施的情况下，下行列车发生延误５ＩＩｌｉｎ后，站台上产生轻微拥挤。下行列车发生

图８

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列车发生５，７，ｌ蛐延误肘站台客流分布情况

轨道交通信息技术与运营效率

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７ｍｉｎ延误后，站台上拥挤度增加。下行列车发生１０ｒａｉｎ延误后，站台上严重拥挤。

４．３车站客运设施评价

根据仿真结果，可以采用车站拥挤程度、车站客流分布均衡程度以及车站设施的通畅程度进行

对于客流分布及设施布局的评价。

（１）车站拥挤程度。车站拥挤程度是反映车站某区域乘客分布的静态特征，适用于车站候车

区、售票口等等候服务区域，由每平方米乘客数量（乘客密度）来决定。

（２）车站客流分布均衡程度。车站客流分布均衡程度是反映乘客对车站设施的占用及设施间

配合的均衡性特征。在列车正常运行和客流构成相对稳定的情况下，各设施服务区域的乘客密度

分布的比例存在一个均衡值。环境变化时，比例在均衡值附近发生波动。

（３）车站设施的通畅程度。车站设施的通畅程度是结合某区域乘客密度和人群运动速度（群

体的平均速度）综合来反映车站服务区域人群运动的动态特征，适用于楼梯、自动扶梯、进出口闸机

等通过型设备。

５

结论

本文介绍的微观仿真方法、模型以及城市轨道交通客流仿真和设施评价系统已初步实现，并结

合轨道交通的实际运营进行了评价检验，能够较为客观地反映运营中发生的实际现象。通过对客

运高峰时段、平峰时段中列车正常运行和列车不同程度延误下的车站客流运动和分布的仿真来分

析和评价车站布局、设施配置，以及客运组织过程的合理性，仿真分析结果可以用于城市轨道交通

车站建设阶段的设计和评价，以及车站运营阶段的设施布局和客运组织工作的优化。

在今后的研究中，将继续改进乘客仿真模型，进一步加强客运组织工作对客流运动和分布的影

响因素的研究，进一步研究车站客运设施的全面评价办法，使仿真系统更加实用化。

参考文献：

［１］裴玉龙，张亚平．道路交通系统仿真．北京：人民交通出版社，２００４．

［２］

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［３］Ｃａｍｅｒｏｎ

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作者：

邹晓磊同济大学交通输工程学院

助教硕士研究生

高鹏同济大学交通输工程学院

徐瑞华同济大学交通输工程学院

教授系主任博士生导师

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2024年7月19日发(作者：罕巍奕)

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Ｍｏｄｅｌ

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ａｎｄｓｅｒｖｉｃｅｌｅｖｅｌｏｆＵＲＴ

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城市轨道交通车站客流分布的仿真模型研究

邹晓磊，高鹏，徐瑞华

摘要：城市轨道交通车站的客流组织和客运设施配置关系到轨道交通运营的安全、可靠性

与服务水平。（本文采用微观离散型仿真方法，建立车站空间布局和设施配置模型及乘客

运动规律仿真模型，研究基于列车运行的城市轨道交通车站客流分布和设施评价，为设计

和建设车站、优化车站设施布局和车站客运组织，提高轨道交通运营安全、可靠性和服务

水平提供参考依据。１

１站内乘客运动及分布规律研究概况

车站作为城市轨道交通系统的基层生产单位，人群集中、流动性大。车站客运设施布局以及工

作组织水平直接关系到城市轨道交通系统的运输安全、效益和服务水平。为优化车站客运设施布

局和车站客运组织，提高轨道交通运营安全和可靠性，研究乘客在站内运动以及分布规律十分重

要。

此类行人交通行为的研究，国外已有在传统解析方法研究的基础上运用仿真方法研究的成果，

而国内正处于起步阶段。在相关仿真研究中，有宏观和微观两种思路。前者研究的对象是人群整

体，而不考虑人群中个体间的相互影响；后者研究的对象是个体，从研究个体在人群中的运动规律

出发，确定人群的行为。后者的拟真程度高、效果好，又可分离散型和连续型仿真。离散型仿真把

空间和时间都离散化，把平面空间划分成微小的基本单元，把时间划分成等长的时间段，行人的运

动就在空间和时间当中离散化。离散型仿真所需运算能力较小，更适合模拟大量个体的运动过程，

其最典型的方法为元胞自动机方法（ｃｅ】ＵａｒＡｕｔｏｍａｔａ）。连续型仿真中空间、时间及其他量都是连

续的，此类模型的核心是一组动力学的微分方程，通过微分方程将各个量的变化联系在一起，其典

型方法有社会力方法、行人气体动力学方法等。连续型仿真具有更好的拟真效果，但所需运算能力

较大。

本文采用离散型微观仿真方法，研究城市轨道交通车站的空间建模和乘客在站内运动和分布的

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世界孰道交通论坛２００５ｗｏＲＬＤ

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规律，从而为优化车站设施布局和车站客运组织，提高轨道交通运营安全和可靠性提供参考依据。

２车站空间布局模型研究

２．１车站空间结构分析与建模

城市轨道交通车站一般根据功能分成多个层面，如进出口、站厅层和站台层等。在每个层面

上，再根据功能划分成多个区域，如免费区、付费区和候车区等。每个区域当中和区域之间设置配

有一定功能的设施设备。相近的同类设备组成一个设备群。

车站的空间结构层次如图１所示。

进出口层

站斤层

站台层

蚕

图１车站的空间结构层次

根据上述车站空间结构的分析，可按下述方法建立分层网格化空间模型。

（１）分层：将车站空间按照功能划分成不同的层，即进出口、站厅层、站台层等。在层上再划分

区域和布置设施。

（２）网格化：将层面网格化，分成面积大小相等的正方形单元。每个网格存储空间坐标，所属

区域，所属设备和被行人占用的情况。

网格化的平面中，设施的空间占用被离散化，同一个设施占据多个网格。空间的网格化描述如

图２所示。

图２车站空间的髑格化描述

２．２车站客运设施特性分类分析与建模

车站的客运设施具有两个方面属性：空间属性和服务属性。其中，空间属性包含设施的空间位

置，空间占用以及所属的层面、区域和设备群。设施的服务属性包含如服务时间、通过速度、排队特

性和设施连接关系等。

根据客运设施的功能，车站的客运设施可以分为３大类：功能性设施、连接性设施和辅助性设

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Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ

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施。功能性设施实现车站客运业务的主要环节，如售票、检票、候车设备、行车设备等。连接性设施

连接各功能性设施，实现过渡，如楼梯、自动扶梯、进出口等。辅助性设施协助完成客运业务，如导

向装置、多媒体显示、座椅、隔离护栏、墙壁等。

根据服务方式，车站客运设施可以分为：通过型设施和等候型设施。通过型设施的服务方式是

使乘客在设施中通过，如进出口、楼梯、自动扶梯、进出口检票闸机。

等候型设施的服务方式是乘客在设备区域等候并接受服务，如售票口、候车区域。

根据上述分析，建立空间与服务属性相结合的客运设施模型，某车站各层的设施空间配置如图

３和图４所示。

图３

某车站分层设施布局

图４该车站南站厅设施布局的三维模型

３车站乘客运动规律模型研究

３．１乘客在车站的服务流程分析

车站客流可以分为３类，其服务流程如表１所示。

衰１客漉分类爰服务流程

客流分类服务流程

进站一（购票）一检票一候车一上车

下车一检票一出站

下车一检票一（购票）一检票一候车一上车

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莴

客

流

进站客流

出站客流

换乘客流

世镰ｆ界ＯＰ孰Ｊ．Ｄ要２；ｉ８麓嚣２００５

＿嘲ＩＩ＿＿ＩⅣ‘ＶＶｏ

进站和换乘客流中，购票环节是可选环节，对于有预售票或者交通卡的乘客，不需购票。购票

乘客叉可以选择自动或人工售票方式。出站和换乘的乘客根据行为习惯可以分为两种：①对车站

或者周围环境比较熟悉，有固定出站、换乘路线；②对车站或者周围环境不太熟悉，选择最近出口出

站或换乘。

３．２乘客运动的影响因素分析

归纳起来，影响乘客在车站内运动的主要因素如下

Ｐａｔｉｅｎｃｅ

心理

Ｔａｇａｌｏｎｇ

Ｊｕｄｇｅｍｅｎｔ

影响乘客运动

的主要因素

生理

熟悉程度

运动目标

环境空间特征

引导组织

Ｆｉｇｕｒｅ

Ｍｏｖａｂｉｌｉｔｖ

Ａｗａｒｅｎｅｓｓ

Ｃｏａｌ

Ｓｐ日ｔｉａｌｉｔｙ

Ｇｕｉｄａｎｃｅ

拥挤程度Ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ

乘客的运动是上述因素的综合结果，乘客的运动可以抽象表述为

帆＝／（Ｐ，Ｔ，Ｊ，Ｆ，Ｍ，Ａ，Ｇ，Ｓ，Ｇ，Ｃ）

式中：眠，Ｐ，Ｔ，Ｊ，Ｆ，Ｍ，Ａ，Ｇ，ｓ，Ｇ，Ｃ——上述诸因素。

这些因素分别在乘客运动过程的不同阶段产生影响。

３．３乘客的运动过程研究

乘客的运动过程如图５所示。

环境

因素

图５乘客的运动过程

本模型从以下３方面，进行乘客运动路径的确定：

（１）流程的控制：乘客根据出行目的和对环境的熟悉程度，确定运动的流程。

（２）路径的搜索：乘客根据感知，选择从当前点到达目的地的路径。

（３）冲突的解决：乘客问运动中发生冲突时，选择的解决冲突的办法。

３．３．１运动流程控帑】

乘客进出车站时，首先确定一系列目标，再由粗到细选择实现目标所需的一系列设备。乘客运

动时，先运动到某个层面，再选择到哪个区域，后选择所需设施。当设施成为群的时候，再根据自己

的判断选择当中的某个设施接受服务。

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轨道交通信息技术与运营效率

Ｒａｉ／ｗａｙ

Ｉｎｆｏｒａｍｔｉｏｎ

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各类乘客在车站接受服务的运动流程如下：①根据所需服务确定目标序列；②选择当前目标

节点功能性设备；③搜索通往目标节点功能性设备的路径和连接性设备；④解决与其他乘客的冲

突，运动到目标节点设备；⑤接受服务：排队和接收设备服务；⑥转入新的目标节点或离开车站。

３．３．２路径的搜索

为了解决乘客到达所需设备的路径搜索问题，我们采用空间距离梯度算法和Ａ＊算法相结合

的路径搜索算法。其中，空间距离梯度算法建立所需设备的空间距离场，并在场中按照梯度求算乘

客当前位置到设备之间的静态路径；Ａ＊算法求算静态路径当中短距离运动或者空间变化需要特

殊运动的动态路径。两者相结合，既提高路径搜索的效率，能够实现大量乘客运动的需要，又能提

高路径搜索的质量与灵活性。

Ａ＊算法是人工智能中一种典型的启发式搜索算法，本文通过改变Ａ＊算法估价函数的办法满

足乘客路径选择的多样化，通过优化搜索过程的办法，提高运算效率。

３．３．３冲突的解决

在得到运动路径，实际运动的过程中，乘客问可能会发生空间上的冲突。本文建立了根据乘客

耐心程度、行动能力和空间状况解决乘客间冲突的算法。在算法中，乘客可以根据上述影响因素选

择自己的行为，绕行或者等待。绕行时动态搜索路径。

４基于列车时刻表的车站乘客分布仿真及客运设施评价

４．１城市轨道交通车站客流仿真系统的总体结构

轨道交通车站客流组织仿真系统主要包括车站设施布局管理模块、客流流动模拟模块、线路列

车运行时刻及客流量生成模块、列车延误下客流疏散过程仿真模块，以及仿真结果输出及分析模

块。系统结构如图６所示。

图６轨道交通车站客流组织仿真系统结构

４．２车站乘客分布仿真

（１）列车正常运行下的车站乘客分布（见图７）。售票窗口区域和进出口闸机区域人流密度较

大，产生严重拥挤。进站客流和出站客流产生轻微交织，闸机通行速度较低，进出口闸机处产生一

般拥挤。

站台上，列车未到达时，站台乘客分布较为均衡，靠近楼梯处客流密度较高。上行列车到达后，

出站客流迅速增加，上行方向站台自动扶梯处出现轻微拥堵。

１４３

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２００５

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图７列车正常运行下的车站客流运动和密度分布

（２）列车延误情况下的车站乘客分布。列车发生延误时，乘客主要滞留在站台上。如图８所

示，未采取任何措施的情况下，下行列车发生延误５ＩＩｌｉｎ后，站台上产生轻微拥挤。下行列车发生

图８

１４４

列车发生５，７，ｌ蛐延误肘站台客流分布情况

轨道交通信息技术与运营效率

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７ｍｉｎ延误后，站台上拥挤度增加。下行列车发生１０ｒａｉｎ延误后，站台上严重拥挤。

４．３车站客运设施评价

根据仿真结果，可以采用车站拥挤程度、车站客流分布均衡程度以及车站设施的通畅程度进行

对于客流分布及设施布局的评价。

（１）车站拥挤程度。车站拥挤程度是反映车站某区域乘客分布的静态特征，适用于车站候车

区、售票口等等候服务区域，由每平方米乘客数量（乘客密度）来决定。

（２）车站客流分布均衡程度。车站客流分布均衡程度是反映乘客对车站设施的占用及设施间

配合的均衡性特征。在列车正常运行和客流构成相对稳定的情况下，各设施服务区域的乘客密度

分布的比例存在一个均衡值。环境变化时，比例在均衡值附近发生波动。

（３）车站设施的通畅程度。车站设施的通畅程度是结合某区域乘客密度和人群运动速度（群

体的平均速度）综合来反映车站服务区域人群运动的动态特征，适用于楼梯、自动扶梯、进出口闸机

等通过型设备。

５

结论

本文介绍的微观仿真方法、模型以及城市轨道交通客流仿真和设施评价系统已初步实现，并结

合轨道交通的实际运营进行了评价检验，能够较为客观地反映运营中发生的实际现象。通过对客

运高峰时段、平峰时段中列车正常运行和列车不同程度延误下的车站客流运动和分布的仿真来分

析和评价车站布局、设施配置，以及客运组织过程的合理性，仿真分析结果可以用于城市轨道交通

车站建设阶段的设计和评价，以及车站运营阶段的设施布局和客运组织工作的优化。

在今后的研究中，将继续改进乘客仿真模型，进一步加强客运组织工作对客流运动和分布的影

响因素的研究，进一步研究车站客运设施的全面评价办法，使仿真系统更加实用化。

参考文献：

［１］裴玉龙，张亚平．道路交通系统仿真．北京：人民交通出版社，２００４．

［２］

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作者：

邹晓磊同济大学交通输工程学院

助教硕士研究生

高鹏同济大学交通输工程学院

徐瑞华同济大学交通输工程学院

教授系主任博士生导师

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