【摘  要】本文介绍了TransCAD、GTMS、AnyLogic 三个仿真软件，以天津地铁6 号线初期设计为应用背景，给出在单条地铁线路设计中，客流预测、牵引计算、车站仿真三个环节的应用举例，说明在地铁设计中引入此类软件的实际意义和效益。

【关键词】 交通仿真；客流预测；牵引计算；车站疏散

 

      仿真技术是计算机仿真技术在工程领域的重要应用，是反映复杂现象的分析技术和方法。在面对多种约束条件下寻求问题最优解时十分有效，也是评估各类运用设计方案效果的客观方法。在城市道路几何设计方案、交通控制方案中已经得到普遍使用，获得了很好的应用效益。

      当前，全国多个城市都在大力建设城市轨道交通体系，而城市轨道交通规划与设计是一项涉及多个专业学科的复杂系统工程。同时其投资巨大，进行实际线路实验比较困难，因此，诸如客流预测、车站应急疏散等很多问题，都无法通过数学计算和经验估算很好地把握，在客流预测、列车编组等问题上的讨论大多使用经典数学模型或是对比类似城市的方法，而这种定性方法在多种现实限制下往往难以准确，利用仿真软件解决上述问题无疑是一个好的思路和发展趋势。

      当前，国内已有一些交通仿真软件在轨道交通中的研究，但大多是从学术和轨道网前期规划的角度进行应用，并且各项研究只是针对客流预测等单个问题，相互基本没有联系。而实际建设时，各条地铁线一般是相对独立地进行设计，同时各个环节是互相关联成系统的。本文分别介绍了TransCAD、GTMS、AnyLogic在单条地铁线客流预测、牵引计算、车站人流仿真三个环节的应用，系统地介绍仿真软件在地铁设计中的实际使用，说明引入此类软件的实际意义和效益。

 

      TransCAD是美国Caliper公司开发的专供交通需求分析的交通地理信息系统软件，既具有一般GIS的功能，又能够对交通问题提供空间决策支持系统的功能。TransCAD软件把地理信息技术和交通规划技术较好地结合在一起，可以方便地对各类交通运输及相关数据进行存储、提取、分析和可视化。

      轨道网客流预测是通过交通预测模型，在分析现状交通基础上，对各规划年限内轨道交通线路的客流规模、分布、特征、规律进行预测。客流预测是进行轨道交通建设必要性、系统选择、系统建设效益分析及各项专业设计的基础和前提。

      城市轨道交通建设项目需求预测一般采用以“四阶段”预测方法为主的思路。但常规公交和轨道交通之间的方式划分是一次性完成的，划分时参数标定依据的基础数据是通过实际调查或者意向调查得来的，不能实时地反映公交线路的实际流量对公交出行时间和公交服务水平的影响。

      为解决这一问题，建议使用方式划分和交通分配联合模型将公交OD在联合网络进行分配。将经典的“四阶段”规划模型简化为三个阶段，即出行生成预测、出行分布预测和多种运输方式综合网络条件下的交通分配，使网络流的运行与实际换乘行为更为贴近。

      TransCAD对应的实施具体流程如图1所示。

      利用上述方法，本文对天津地铁6号线2020年全日断面流量预测部分结果如图2所示。

      GTMS(General-purposed Train Movement Simulator System)是北京交通大学与香港理工大学合作开发的通用列车运行计算系统。该系统能在输入设计坡度、动车组类型等设计数据后，依据系统自开发的地铁动车组牵引计算模型，可视化地显示列车在各个区间的运行速度、电流情况等，并能将仿真结果以DXF等通用文件格式保存。大大简化了人工计算时间，且更加准确可信。

      城市列车牵引计算是分析计算城市列车运行参数及相关问题的学科，用以解算列车质量、运行速度、运行时间、制动以及能源消耗等有关问题。它是地铁运输组织的依据，是动车编组选择、选线设计、经济评估以及信号机布置等的基础，是有效的组织列车运行和整个轨道交通系统设计的重要任务之一。

      城市列车牵引计算包括：动车牵引力、列车阻力和列车制动力的计算；动车组的列车重量和运行速度的计算；站间运行时间的计算；列车制动条件及其结果的计算；机车的能源消耗量计算等。在进行线路设计时，列车牵引计算有助于选择经济合理的线路断面和平面，确定车站、车辆段的分布位置。

      由于列车运行过程涉及到许多因素，如何准确、快速地计算出列车在各种不同条件下的运行效果并予以评价是列车牵引计算的任务。传统的列车牵引计算是基于手工的。手工计算精度差、效率低，工程师们一直在探讨更有效的方法。

      以天津地铁6号线为例，利用该软件对地铁全线牵引情况进行模拟，具体应用流程如图3所示。

      其中，地铁运行模拟V-S曲线部分截图如图4所示。

      AnyLogic是俄罗斯XJ公司推出的面向多个领域的著名仿真软件。软件中的行人库，是一个基于行人社会力模型开发的行人行为模拟库，允许创建行人建筑（如地铁站，安检通道等）或街道（其中具有大量行人），并有效地可视化你所模拟的过程，以验证和展示交通仿真模型。并可以收集不同区域的行人密度统计数据，以确保服务点在假定的负载下具有可接受的性能表现，估测行人在特定区域的停留时间长度，检测建筑结构的潜在问题。

      地铁车站形式、规模及内部设施布局进行科学合理的设计，是提高车站客流集散效率和服务水平的前提。采用动态仿真技术对车站设计进行施工前的效果模拟，可以直观准确地检测出车站在高峰时段、紧急疏散等情况下的设计是否合理。使用AnyLogic进行车站设计评估流程如图5所示。

      在天津地铁6号线红旗南路站的站厅设计中，我们应用了AnyLogic对站厅设备布局进行了仿真评估。红旗南路站位于天津市南开区迎水道与红旗南路交口，是天津地铁3号线和6号线的换乘站，车站主体为地下双层岛式站台车站，客流量预计较大。

      设计初始根据以往经验，计划在进站口安装3个进站闸机，一个电动扶梯和一侧楼梯，但能否适应实际需求设计人员意见不一。因此，决定采用上述方法对站厅布置进行了仿真评估。仿真选取了红旗南路的高峰小时数据作为参数输入，即高峰小时进站人数 2200人，行人行为参数采用AnyLogic中社会力模型默认值。在仿真设置中将随机种子取固定值1。仿真一小时后发现，大厅闸机入口最大排队85人，并出现明显拥挤状况。

      因此，在变更车站建筑设计时，决定新增加一个进站闸机，并在扶梯两侧各设楼梯。在其它条件完全不变的情况下，大厅闸机最大排队人数降为39 人，大厅拥挤状况得到

      明显改善。仿真效果图和最终设计图如图6、图7所示。