基于有色Petri網(wǎng)的軌道換乘設(shè)施服務(wù)水平評(píng)價(jià)模型研究

張興強(qiáng),賀 杰,朱竟?fàn)?/p>

(北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院,城市交通復(fù)雜系統(tǒng)理論與技術(shù)教育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100044)

基于有色Petri網(wǎng)的軌道換乘設(shè)施服務(wù)水平評(píng)價(jià)模型研究

張興強(qiáng)*,賀 杰,朱竟?fàn)?/p>

(北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院,城市交通復(fù)雜系統(tǒng)理論與技術(shù)教育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100044)

對(duì)軌道換乘設(shè)施服務(wù)水平的合理評(píng)價(jià),有利于提高換乘站通行能力、換乘安全性和軌道管理水平.首先,筆者對(duì)軌道換乘站換乘方式和換乘設(shè)施服務(wù)過(guò)程進(jìn)行分析,建立了軌道換乘設(shè)施服務(wù)水平評(píng)價(jià)Petri網(wǎng)模型.然后,在考慮換乘站換乘客流不均衡性基礎(chǔ)上,建立了軌道換乘設(shè)施的整體服務(wù)水平評(píng)價(jià)模型.并以乘客感知的“舒適性”和“便利性”作為評(píng)價(jià)指標(biāo),逐個(gè)建立各個(gè)設(shè)施服務(wù)水平評(píng)價(jià)模型.分別采用層次分析法和排序法確定相應(yīng)權(quán)重.最后,根據(jù)制定出的換乘設(shè)施服務(wù)水平等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),運(yùn)用該模型分析得到北京建國(guó)門(mén)站早高峰期換乘設(shè)施整體服務(wù)水平為C級(jí).

城市交通;評(píng)價(jià)模型;有色Petri網(wǎng);軌道換乘設(shè)施;服務(wù)水平

1 引 言

軌道換乘站換乘設(shè)施服務(wù)水平的合理評(píng)價(jià),對(duì)提高換乘站通行能力、安全性和管理水平有重要意義.張弛清[1]采用數(shù)據(jù)調(diào)查和仿真研究了換乘設(shè)施、人行道、樓梯設(shè)施和站臺(tái)等設(shè)施服務(wù)水平;孫立山等[2]采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法評(píng)價(jià)換乘站的服務(wù)水平.但這些研究側(cè)重于單個(gè)設(shè)施,難以反映換乘站的整體服務(wù)水平,或缺乏對(duì)換乘設(shè)施服務(wù)過(guò)程的系統(tǒng)分析.有色Petri網(wǎng)(CPN)作為一種高級(jí)Petri網(wǎng),引入了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和分層分解概念,具有充分的模擬能力和豐富的分析方法,及獨(dú)特的圖形描述和并行推理功能等優(yōu)點(diǎn)[3,4].因此筆者首次將有色Petri網(wǎng)引入到軌道換乘設(shè)施服務(wù)水平評(píng)價(jià)中,借助優(yōu)良的模擬、圖形描述和并行

推理能力,建立了基于有色Petri網(wǎng)的乘客換乘過(guò)程與換乘設(shè)施的關(guān)系.結(jié)合換乘客流特征和設(shè)施適應(yīng)能力,從乘客換乘舒適性和便利性出發(fā),建立換乘服務(wù)水平的綜合評(píng)價(jià)模型.運(yùn)用該模型對(duì)北京建國(guó)門(mén)站換乘設(shè)施整體服務(wù)水平進(jìn)行了評(píng)價(jià).

2 換乘設(shè)施服務(wù)水平評(píng)價(jià)有色Petri網(wǎng)

軌道換乘站換乘方式主要有直接換乘、站臺(tái)換乘、站廳換乘、通道換乘及混合換乘等方式,不同換乘方式下?lián)Q乘客流經(jīng)過(guò)的設(shè)施種類與數(shù)量不同,將各種換乘方式的換乘過(guò)程進(jìn)行整合,得到軌道換乘站客流換乘線路圖(圖1).換乘客流均按照其中某一條線路進(jìn)行換乘.通過(guò)分析換乘設(shè)施對(duì)換乘客流服務(wù)流程,可以將軌道換乘設(shè)施服務(wù)水平評(píng)價(jià)使用的有色Petri網(wǎng)定義為一個(gè)多元組CPN=(∑,P, T,F,C,ω,W,M0,K).其中:

(a)∑表示類型(types)的非空有限集,稱為顏色集(colour sets),在本文中映射為客流舒適度及便利性等指標(biāo).

(b)P=(P1,P2,…,Pn)表示庫(kù)所集,映射為換乘站內(nèi)的各個(gè)換乘設(shè)施.

(c)T=(T1,T2,…,Tn)表示變遷集,P∩T= Φ,P∪T≠Φ;映射為各個(gè)換乘設(shè)施的服務(wù)水平評(píng)價(jià).

(d)F表示流關(guān)系,F?(P×T)∪(T×P);映射為換乘客流流向.

(e)C:p→∑,為顏色函數(shù),映射為計(jì)算換乘客流舒適度及便利性標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù).

(f)W表示F→T,T→P的發(fā)生概率,即可達(dá)性.若庫(kù)所(換乘設(shè)施)Pi中有客流經(jīng)過(guò),則Ti發(fā)生,即W=1;否則Ti不發(fā)生,即W=0.

(g)ω表示變遷的guard函數(shù),它控制變遷T的發(fā)生權(quán)限,在本文中映射為各個(gè)設(shè)施服務(wù)水平的重要程度,即其權(quán)重系數(shù).

(h)M0表示托肯(token),映射為換乘站內(nèi)某線路換乘中的換乘流量Qij.

(i)K表示庫(kù)所容量,映射該換乘站換乘客流總量Q,且滿足M0≤K.

基于此換乘站i→j的換乘設(shè)施服務(wù)水平有色Petri網(wǎng)模型如圖2所示.

圖1 軌道換乘站客流換乘線路圖Fig.1 Passenger transfer line at orbit transfer station

圖2 軌道換乘設(shè)施服務(wù)水平評(píng)價(jià)Petri網(wǎng)模型Fig.2 Evaluation model of rail transfer tacility service level based on Petri nets

圖2中各個(gè)庫(kù)所表示的含義如下:P1表示換乘站內(nèi)某一站臺(tái)i;P2,P5,P8表示換乘站樓扶梯; P4,P6表示換乘站站廳;P3,P7表示換乘通道;P9表示換乘站內(nèi)另一站臺(tái)j.各個(gè)變遷表示的含義如下:T1表示換乘站內(nèi)某一站臺(tái)i的服務(wù)水平評(píng)價(jià); T2,T5,T8表示樓扶梯服務(wù)水平評(píng)價(jià);T3,T7表示換乘通道服務(wù)水平評(píng)價(jià);T4,T6表示換乘站站臺(tái)服務(wù)水平評(píng)價(jià);T9表示站臺(tái)j的服務(wù)水平評(píng)價(jià).

3 基于有色Petri網(wǎng)的軌道換乘設(shè)施服務(wù)水平評(píng)價(jià)模型

基于圖2所建立的服務(wù)水平有色Petri網(wǎng),同時(shí)考慮不同換乘方向的乘客使用和感受換乘設(shè)施重要度的差異性,建立了基于不同換乘方向的換乘設(shè)施服務(wù)水平[5].某軌道換乘站A換乘設(shè)施服務(wù)水平的評(píng)價(jià)模型可以表示為

式中:T(A)表示某軌道換乘站A換乘設(shè)施整體服務(wù)水平;Qij表示由i→j號(hào)線換乘中的換乘客流量;Q表示站內(nèi)換乘客流總量,滿足Q=(且i≠j).i,j表示換乘站A內(nèi)任意兩條不同的線路,n為換乘站A內(nèi)線路總數(shù);m表示i→j號(hào)線換乘中經(jīng)過(guò)的換乘服務(wù)設(shè)施數(shù)量;Tk表示在i→j號(hào)線換乘中,經(jīng)過(guò)的各個(gè)換乘設(shè)施對(duì)應(yīng)的服務(wù)水平,包括Ta,Tb,Tc,Td分別表示樓扶梯、站廳、通道和站臺(tái)服務(wù)水平;ωk表示相應(yīng)的權(quán)重系數(shù),且;各個(gè)服務(wù)設(shè)施權(quán)重系數(shù)可以運(yùn)用層次分析法確定.

(1)樓扶梯服務(wù)水平Ta.

樓扶梯服務(wù)水平由“樓梯”和“自動(dòng)扶梯”服務(wù)水平兩者加權(quán)平均確定.而樓梯或者自動(dòng)扶梯的服務(wù)水平均又由舒適度等級(jí)和便利性等級(jí)加權(quán)平均確定:

式中 Qf,Qs,Qe分別表示單個(gè)方向換乘客流總量,通過(guò)樓梯的客流量,通過(guò)自動(dòng)扶梯客流量,且有Qf=Qs+Qe;T(X1),T(X2)分別表示乘客對(duì)樓梯感知的便利性等級(jí),舒適性等級(jí);γ1,γ2為相應(yīng)權(quán)重.T(Y1),T(Y2)分別表示乘客對(duì)自動(dòng)扶梯感知的便利性等級(jí),舒適性等級(jí);β1,β2為相應(yīng)的權(quán)重.

(2)站廳服務(wù)水平Tb.

站廳服務(wù)水平Tb主要由站廳的舒適度等級(jí)和行駛便利性等級(jí)加權(quán)平均確定:式中 T(C1),T(C2)分別表示站廳舒適性和便利性等級(jí);μ1,μ2為相應(yīng)權(quán)重.

(3)通道服務(wù)水平Tc.

通道服務(wù)水平Tc主要由通道的舒適度等級(jí)和便利性等級(jí)加權(quán)平均確定:

式中 T(R1),T(R2)分別表示通道舒適性和便利性等級(jí);η1,η2為相應(yīng)權(quán)重.

(4)站臺(tái)服務(wù)水平Td.

站臺(tái)i的服務(wù)水平由候車區(qū)和行走區(qū)服務(wù)水平組成,根據(jù)木桶原理可得:

式中 T(Z1),T(Z2))分別表示站臺(tái)i的行走區(qū)服務(wù)水平,候車區(qū)服務(wù)水平.

4 軌道換乘設(shè)施服務(wù)水平等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

本文采用攝像法采集若干個(gè)軌道換乘站換乘通道、樓梯和站臺(tái)上客流數(shù)據(jù),使用視頻播放器,統(tǒng)計(jì)各設(shè)施處的速度、密度,然后使用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件將通道、上下行樓梯和站臺(tái)行走區(qū)的速度、密度進(jìn)行擬合,得到速度—密度關(guān)系式,根據(jù)流率與速度、密度的關(guān)系,推出流率與密度關(guān)系,并繪制出關(guān)系圖,即可得出其密度和流率的極限值.通過(guò)總結(jié)已有的研究成果[1,6],比對(duì)調(diào)查結(jié)果,制定舒適性與便利性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1-表7所示.

表1 站臺(tái)行走區(qū)服務(wù)水平標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Service level standard of platform walking area

表2 站臺(tái)候車區(qū)服務(wù)水平等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Service level standard of platform waiting area

表3 換乘通道、站廳舒適性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Service level standard of tunnel orconcourse comfort

表4 換乘通道、站廳便利性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Service level standard of tunnel orconcourse convenience

表5 樓梯、自動(dòng)扶梯舒適性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Service level standard of stair or escalators comfort

表6 樓梯便利性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Service level standard of stair convenience

表7 自動(dòng)扶梯便利性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 7 Service level standard of escalators convenience

5 案例分析

本文以北京建國(guó)門(mén)換乘站為例,對(duì)其換乘設(shè)施服務(wù)水平進(jìn)行評(píng)價(jià).圖3和圖4分別為某工作日早晚高峰換乘客流量.由圖可知:客流量具有明顯的早晚高峰,早高峰在7:45-8:45時(shí)客流達(dá)到最大,總換乘量為25 362人,其中由1→2號(hào)線的客流量為11 636人(通過(guò)樓梯為8 415人,通過(guò)自動(dòng)扶梯的為3 221人);由2→1號(hào)線的客流量為13 726人(通過(guò)樓梯9 503人,通過(guò)自動(dòng)扶梯4 223人).晚高峰在7:45-8:45客流量達(dá)到最大,總換乘量為22 859人,其中1→2號(hào)線的客流量為12 320人,由2→1號(hào)線的客流量為10 539人.

圖3 早高峰換乘客流量Fig.3 Transfer passenger flow during morning peak

圖4 晚高峰換乘客流量Fig.4 Transfer passenger flow during evening peak

軌道換乘站內(nèi)部客流量大小將會(huì)影響乘客對(duì)設(shè)施舒適性、便利性的感受,進(jìn)而影響行人對(duì)換乘設(shè)施服務(wù)質(zhì)量的評(píng)價(jià).因早高峰換乘客流量大于晚高峰的換乘客流量,因此選取早高峰客流統(tǒng)計(jì)各設(shè)施的平均密度、速度和V/C比.根據(jù)早高峰通道、樓扶梯和站臺(tái)的視頻資料統(tǒng)計(jì)出各設(shè)施處的平均速度及密度如表8所示.

表8 各設(shè)施處平均密度、速度和V/C比Table 8 Proportion of facility average density,speed and V/C

本文將服務(wù)水平A、B、C、D、E級(jí)分別賦值1、2、3、4、5.采用排序法和問(wèn)卷調(diào)查,得到乘客對(duì)樓梯與自動(dòng)扶梯舒適性和便利性的權(quán)重分別γ1=β1= 0.44,γ2=β2=0.56;站廳舒適性和便利性的權(quán)重分別為μ1=0.45;μ2=0.55;通道舒適性和便利性的權(quán)重分別為η1=0.63;η2=0.37.將調(diào)查得到的各設(shè)施處的密度、速度與V/C比值和調(diào)查得到的各設(shè)施的長(zhǎng)度(或臺(tái)階數(shù))代入評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表1-表7中,利用單個(gè)換乘設(shè)施服務(wù)水平評(píng)價(jià)模型(式(2)-式(5)),得到各換乘設(shè)施服務(wù)水平如表9所示.

表9 建國(guó)門(mén)換乘站各換乘設(shè)施服務(wù)水平Table 9 Service level of transfer facility at Jianguomen Station

運(yùn)用層次分析法確定建國(guó)門(mén)換乘站換乘設(shè)施權(quán)重系數(shù),得到站臺(tái)1、樓扶梯、通道、站臺(tái)2的權(quán)重分別為0.11,0.30,0.48,0.11.

將建國(guó)門(mén)站早高峰換乘客流量和表9中的各設(shè)施服務(wù)水平代入模型中,得到:

(1)1→2號(hào)線方向換乘設(shè)施服務(wù)水平為

(2)2→1號(hào)線方向換乘設(shè)施服務(wù)水平為

(3)建國(guó)門(mén)站內(nèi)換乘線路數(shù)為2條,故n=2.該換乘站換乘設(shè)施整體服務(wù)水平為

從評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看,各個(gè)換乘設(shè)施對(duì)換乘服務(wù)水平的影響差別較大,通道對(duì)換乘服務(wù)水平影響最大,這主要體現(xiàn)在客流消耗在通道內(nèi)的時(shí)間上;樓扶梯次之,這主要表現(xiàn)在自動(dòng)扶梯擁擠度上,造成極大的乘客擁擠及安全性降低.

建國(guó)門(mén)換乘站1→2號(hào)線換乘方向設(shè)施服務(wù)水平為D級(jí),2→1號(hào)線換乘方向服務(wù)水平為C級(jí).這種換乘方向服務(wù)水平的差異性是由于換乘客流方向不均衡性所導(dǎo)致的.

建國(guó)門(mén)站換乘設(shè)施整體服務(wù)水平為C,其服務(wù)質(zhì)量一般.其主要原因是由于自動(dòng)扶梯客流密度很大,達(dá)到1.721-1.768 p/m2,乘客乘坐扶梯的舒適感大大降低;站臺(tái)行走區(qū)客流密度較大,達(dá)到1.133-1.342 p/m2,同時(shí)客流行走路線混亂,造成客流運(yùn)行速度較低,為0.69-9.78m/s,需要對(duì)站臺(tái)客流行走路線進(jìn)行合理規(guī)劃和組織.換乘通道的服務(wù)水平為C,但其換乘便利性較差,通道過(guò)長(zhǎng),雖然換乘便利性服務(wù)水平也達(dá)到C級(jí),但這和我國(guó)地鐵換乘通道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)低有關(guān).

6 研究結(jié)論

(1)筆者首次將有色Petri網(wǎng)引入到換乘設(shè)施服務(wù)評(píng)價(jià)中,建立軌道換乘設(shè)施服務(wù)水平評(píng)價(jià)的Petri網(wǎng)模型.基于此,在考慮換乘客流不均衡性的基礎(chǔ)上建立軌道換乘設(shè)施整體服務(wù)水平評(píng)價(jià)模型.將該模型應(yīng)用于北京建國(guó)門(mén)站,計(jì)算得到其換乘設(shè)施服務(wù)水平C級(jí),充分說(shuō)明了模型實(shí)用價(jià)值大、可操作性強(qiáng).

(2)案例分析結(jié)果表明:建國(guó)門(mén)換乘站換乘服務(wù)水平為C,其換乘質(zhì)量一般.換乘客流方向不均衡性是導(dǎo)致?lián)Q乘方向服務(wù)水平差異性的主要原因.通道對(duì)換乘服務(wù)水平影響最大,樓扶梯次之.客流密度大導(dǎo)致自動(dòng)扶梯、站臺(tái)行走區(qū)的乘客舒適感降低,是換乘設(shè)施服務(wù)水平低的主要原因.

(3)該模型建立的思路,同樣可以用于研究軌道換乘站進(jìn)、出站設(shè)施的服務(wù)水平評(píng)價(jià).但是,從乘客感知角度出發(fā),而未考慮其它因素影響,建立的單個(gè)設(shè)施服務(wù)水平評(píng)價(jià)模型顯得不夠精確,需要進(jìn)一步研究并加以完善.

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Urban Rail Transfer Service Evaluation Based on Colored Petri Net

ZHANG Xing-qiang,HE Jie,ZHU Jing-zheng
(Key Laboratory for Urban Transportation Complex Systems Theory and Technology of Ministry of Education, School of Traffic and Transportation,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

Reasonable evaluation on the transfer facility is vital to improve the transfer station capacity, security and management.With analysis of the transfer mode and service process of transfer facility in urban rail transfer stations,this study develops a model to evaluate the level of service(LOS)of transfer facilities using the colored Petri net and considering the passenger flow imbalance.The LOS of each transfer facility area is defined with the indexes of“comfort”and“convenience”.The analytic hierarchy process(AHP) and ranking method are used to determine the weight of the transfer facilities and the evaluation indexes. Finally,the model is used to evaluate the LOS in Jianguomen Station of Beijing during morning peak.On the basis of the classification standards,the the general LOS in Jianguomen Station of Beijing is calculated to be“C”.

urban traffic;evaluation model;colored Petri nets;rail transfer facility;level of service (LOS)

U491.2

: A

U491.2

A

1009-6744(2013)05-0101-06

2013-03-05

2013-04-04錄用日期:2013-04-15

張興強(qiáng)(1970-),男,安徽合肥人,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師.

*通訊作者:zhangxq@bjtu.edu.cn