【摘要】 站臺作為城市軌道交通系統(tǒng)與乘客直接交互的服務平臺,其高峰時段的擁擠客流管控技術已成為提升系統(tǒng)網(wǎng)絡化運營效率的主要瓶頸。站臺擁擠是集散乘客交通流自組織和他組織復合作用下的時空演化結果。擁擠狀態(tài)下,乘客對站臺空間環(huán)境、設施布局等靜態(tài)環(huán)境,以及集散乘客交通流狀況等動態(tài)環(huán)境的擁擠感知差異對其運動行為影響顯著,導致站臺乘客行為動力學特性相比于車站其他行人交通設施處差異明顯。因此,系統(tǒng)地研究站臺乘客擁擠感知影響因素及其顯著性,構建更符合擁擠狀態(tài)下乘客心理學和行為學特性的城市軌道交通站臺乘客行為模型,將有助于研究乘客在復雜環(huán)境約束下的局部交互導致宏觀現(xiàn)象的非線性特征,為站臺擁擠管理提供理論基礎。本文以城市軌道交通站臺集散乘客研究對象,重點研究基于擁擠感知的站臺集散乘客行為動力學建模的相關理論與方法。論文的主要工作包括以下四方面：(1)在闡述站臺研究范圍的基礎上,針對北京市軌道交通典型車站的站臺乘客集散行為開展了行為觀測實驗,設計了基于視頻的乘客擁擠感知偏好調(diào)查問卷,為乘客個體擁擠感知建模提供理論依據(jù)；設計了交通流基本圖數(shù)據(jù)采集實驗,基于人工現(xiàn)場觀測和視頻拍攝等數(shù)據(jù)采集技術,采集統(tǒng)計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證提供實踐依據(jù)。針對乘客交通流基本圖的研究表明：與站臺連接通道處、站臺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)度均達到0.74以上。(2)在分析站臺擁擠內(nèi)涵及乘客擁擠感知影響因素的基礎上,設計了個體擁擠感知偏好實驗以獲取個體主觀偏好數(shù)據(jù)。針對擁擠感知偏好數(shù)據(jù)的有序離散特性,構建了擁擠感知影響因素的有序選擇Probit模型,采用極大似然估計方法估計了模型參數(shù)。在此基礎上,分別計算了18個影響乘客個體擁擠感知的解釋變量的邊際效應,研究結果表明：同等站臺擁擠環(huán)境下,解釋變量的單位改變量對乘客處于相應站臺擁擠環(huán)境下個體擁擠感知概率的影響存在明顯差異。其中,9個解釋變量對乘客個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-動作行人微觀行為分析框架,從認知科學角度,分析了站臺集散乘客擁擠感知過程,闡述了個體單元和視覺信息建模假設的必要性。根據(jù)個體單元建模假設,將乘客個體抽象為具有環(huán)境感知、行為決策和動作執(zhí)行三種能力的Agent,并針對大規(guī)模Agent仿真模型計算效率與建模細致度的平衡問題,建立了基于環(huán)境感知-行為決策-動作執(zhí)行三層體系結構的乘客適應性Agent模型。借鑒HCM研究成果,將乘客個體行為空間劃分為個體空間和感知空間兩部分,建立了基于經(jīng)驗數(shù)據(jù)的個體空間回歸模型,根據(jù)視覺信息建模假設,提出了基于視覺信息的個體感知空間概念,將乘客個體感知空間抽象為乘客個體視覺范圍內(nèi)與其最先發(fā)生碰撞的個體和障礙物的物理距離。在此基礎上,建立了基于神經(jīng)元模型的擁擠感知函數(shù),從認知科學的角度,提出了基于視覺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體與其視覺范圍內(nèi)其他個體和障礙物的心理碰撞距離。(4)站臺乘客行為建模的關鍵是如何描述擁擠狀態(tài)下乘客個體運動方向和速度的選擇行為。針對站臺集散乘客個體認知推理決策的特點,基于擁擠感知信息,分別建立了描述站臺乘客個體運動方向和速度選擇行為的認知啟發(fā)規(guī)則及其數(shù)學模型。分別設計了簡單步行通道、復雜島式站臺兩種仿真實驗場景,開發(fā)了站臺乘客仿真模型,確定了合理的仿真測試方案和具體步驟,以驗證仿真模型的有效性。研究結果表明：基于視覺信息的表征的乘客個體擁擠感知信息對其運動行為影響顯著,較好地刻畫了擁擠狀態(tài)下乘客群體的感知機制對其行為動力學特性的影響,其變化結果與乘客擁擠感知影響因素顯著性分析的結論相同。同時,在基于擁擠感知的站臺乘客仿真模型中,乘客通過個體間的局部簡單規(guī)則涌現(xiàn)出乘客群體的復雜集散行為,能較好地再現(xiàn)擁擠情況下乘客交通流涌現(xiàn)的宏觀交通特性,且模型輸出的仿真數(shù)據(jù)與實際數(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)絡化運營特征的日益顯現(xiàn)，以及由此誘發(fā)的復雜客流需求，導致其運行效率和服務水平面臨著嚴峻挑戰(zhàn)。城市軌道交通系統(tǒng)網(wǎng)絡效應的發(fā)揮依賴于運營組織和建筑環(huán)境的協(xié)調(diào)配合。由于城市軌道交通系統(tǒng)投資昂貴、建設周期長，建成后難以對不合理的布局進行有效改進；因此，在經(jīng)典的車站設計與客流組織中，國內(nèi)外管理部門和廣大學者主要以基礎設施的時空資源為主體研究對象，經(jīng)過長期積累形成了相對完整的方法論體系，并在實際應用中發(fā)揮了積極的作用。然而，隨著城市軌道交通線網(wǎng)發(fā)展到一定規(guī)模時，筆耕文化傳播，單純地通過網(wǎng)絡建設以增加設施設備規(guī)模和提高其能力，已不能有效地滿足由于網(wǎng)絡效應所誘發(fā)的復雜客流需求，擁擠成為常態(tài)。因此，提高乘客在城市軌道交通網(wǎng)絡中的移動效率將成為提升運營組織水平和服務質(zhì)量的關鍵。車站客流組織水平的提升對城市軌道交通系統(tǒng)網(wǎng)絡效應的發(fā)揮具有重要的支撐作用。作為車站內(nèi)乘客最為密集的場所，站臺客流具有高集中性、時空不均衡性、短時沖擊性等特征。若站臺客流大量集結且無法及時疏散時，將造成乘客在車站的耗時急劇增長。
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2國內(nèi)外既有研究綜述

2.1城市軌道交通車站乘客集散研究
城市軌道交通車站乘客運動行為特征及乘客集散問題受到國內(nèi)外學者的廣泛關注，其研究成果主要集中在實證分析、基于排隊論的數(shù)學模型和基于行人模型的仿真模型三方面。實證分析主要是通過實地數(shù)據(jù)調(diào)查，得到乘客的運動行為特征，分析乘客的速度密度流量關系，為提高乘客的集散水平提供理論參考。實證分析能夠直觀的反應乘客的運動行為特征，但實證分析數(shù)據(jù)獲取工作量大、獲取難，數(shù)據(jù)采集誤差大。排隊論模型研究乘客集散過程時進行了較強的建模假設，并未考慮個體間的相互差異及個體間的相互影響，乘客在集散過程中的行為并不完全適合排隊論規(guī)則。因此，采用排隊論研究乘客在車站的集散過程具有一定的局限性。行人模型是在分析乘客行為的基礎上，建立乘客集散仿真模型，分析車站乘客運動規(guī)律及集散過程，能夠較合理、恰當?shù)乜坍嫵丝瓦\動行為，是國內(nèi)外學者研究乘客集散的主要理論方法。

2.2行人微觀行為建模
回顧既有關于行人運動行為建模研究，其研究理論與方法主要涵蓋了數(shù)學、物理、計算機科學、經(jīng)濟學、生物以及復雜性科學等領域。隨著對問題研究的不斷深入，行人動力學建模技術和方法呈現(xiàn)出多學科交叉的態(tài)勢。既有模型較好地模擬了行人運動運動過程中由于微觀交互涌現(xiàn)的自組織現(xiàn)象，并從不同角度闡述了其機理。根據(jù)對行人運動行為刻畫細致程度的差異，行人模型通常可分為宏觀模型和微觀模型2類。

3城市軌道交通站臺乘客行為特征分析.....27
3.1典型站臺環(huán)境........27
3.2站臺乘客行為觀測實驗.....29
4城市軌道交通站臺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城市軌道交通站臺乘客擁擠感知建模............67
5.1問題描述......67

6基于擁擠感知的城市軌道交通站臺乘客行為建模

6.1基于擁擠感知的乘客行為建模
無限理性忽略甚至完全無視決策主體，通常為人類，所面臨的時間、知識、信息和計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建模型，其最著名的模型是預期效益最大化模型和貝葉斯模型。然而，無限理性的最大弱點是未能準確地描述現(xiàn)實生活中決策主體在不確定條件下的決策行為。為克服無限理性刻畫現(xiàn)實世界的不足，用受限制條件下的最優(yōu)化觀點以替代無限理性，其本質(zhì)是構建充分考慮人類頭腦局限性的、更加現(xiàn)實的決策模型，但該類模型甚至比無限理性模型需要的知識和運算步驟還要多。

6.2仿真設計
準確地描述擁擠狀態(tài)下站臺集散乘客行為動力學特性是構建城市軌道交通站臺乘客集散仿真模型的核心問題。站臺集散乘客行為建模的關鍵是如何描述擁擠狀態(tài)下乘客個體運動方向和速度的選擇行為。本節(jié)在考慮擁擠感知對站臺乘客運動行為影響的基礎上，針對站臺乘客運動行為決策的特點，基于快速節(jié)檢啟發(fā)規(guī)則，分別從個體運動方向和速度的選擇行為兩個方面，構建描述擁擠狀態(tài)下乘客運動行為的認知啟發(fā)規(guī)則及數(shù)學模型。方向選擇行為是站臺集散乘客運動過程中最重要的行為模式之一。既有研究表明行人在運動過程中傾向于選擇無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，則傾向于選擇在當前位置處偏離目標點角度最小的運動方向。上述行為模式可以理解為行人運動軌跡選擇行為的效應。因此，在動態(tài)的站臺集散過程中，乘客需要在避讓其他乘客個體障礙物與盡量減少從最短走行路徑上的偏離之間進行決策。
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7結論與展望

本文在國內(nèi)外既有研究成果及實踐經(jīng)驗的基礎上，針對站臺乘客擁擠感知及行為動力學建模相關問題展開研究，主要工作及研究結論如下：城市軌道交通站臺環(huán)境以及其集散客流特征的復雜性，導致乘客在擁擠、快速的集散過程中產(chǎn)生不同于其他行人交通設施處的行為動力學特性。本文在闡述站臺研究范圍的基礎上，針對北京市軌道交通典型車站的站臺乘客開展行為觀測實驗，分析站臺乘客運動行為特征，在闡述城市軌道交通典型站臺的建筑空間結構和設施設備配置布局的基礎上，從乘客集散運動軌跡范圍的角度，研究認為站臺是大量乘客乘降及臨時候車的公共場所，和與之連接的通道、樓梯及自動扶梯等設施設備共同滿足乘客的集散需求，并界定了研究范圍為站臺和與之相連的通道兩部分，其環(huán)境包括直接服務于乘客集散的所有設施設備。
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