基于行為特征的智慧地鐵車站空間組構效能分析研究

姚啟帆，陳景衡，雷仁婧，高建

1 背景：智慧技術影響下的地鐵車站空間精細化利用

隨著城市地面建設及交通壓力不斷增大，大量的城市通勤人群涌入地下交通空間[1]。人們對地鐵車站內的功能復合性和空間便利性的需求日益增加，車站內出現了乘車、接駁、購物等多種類型的行為復合。為了應對更大的客流壓力和保障車站安全運行，在建設范圍受限的地下空間內優化和提升車站空間的承載力是必然趨勢。

地鐵車站多位于地下，提高車站承載能力最直接的方法是調整車站規模[2]，但粗放地增加地下工程的面積，相應的代價是建設成本的大幅提升和地下空間的大量侵占。伴隨車站智慧技術變革下的無感安檢、無感檢票等乘車行為的出現，車站的局部區域反而出現了空間的閑置。大量的面積緊缺與空間浪費在同一站點內同時發生，這表明智慧技術影響下的地鐵車站空間利用并不高效。

地鐵車站空間利用的問題，是基于地鐵建設的特殊背景。軌道交通作為地下空間開發利用的核心內容，它與城市空間之間的關系，從最初以投入大量資源進行軌道交通生產建設的狀態，逐漸演化為以效益產出為主的再生產過程[3]。與此同時，2020 年國內制定并發布智慧城軌發展綱要[4]，旨在依托大數據、物聯網、人工智能等新興信息技術，構建新一代智慧型城市軌道交通[4]。簡言之，地鐵車站的建設正處于城市地下綜合開發和交通智慧化建設雙向復合影響變動時期。

新形勢下，地下車站空間的精細化設計，面臨以下難點：（1）空間資源的開發強度正處在動態變化中，車站周邊環境的不確定性和車站的精細規劃相互矛盾；（2）設計總是滯后于技術迭代，地下車站建筑設計具有設計周期長、設計迭代挑戰大、矛盾多的特點。新建車站按照100年的使用年限進行設計，一旦建成，空間更新難度大[5]?？傊?，地鐵車站精細化設計與現有城市開發強度的迅速變化相矛盾，同時又受到車站自身建設長周期的制約，滯后于智慧技術的發展。

2 微觀行人層面的車站空間組構再討論

在既有研究中，對地鐵車站與地下空間利用的討論，包含交通效率、空間使用和城市效能3 個層面。交通效率的研究，是指車站內核的人員運輸效率，與車輛運行、車站運維、客流運載緊密相關[6]，包括了交通設施效率、樞紐換乘效率以及全面的樞紐評價等方面的研究[7]；空間使用的研究，主要的研究對象是軌道交通車站公共區域[8]以及站點周邊相連接的城市公共空間、接駁空間、中介空間等空間類型[9]，并著重于從功能、流線、尺度等各個維度探討空間的組織模式和設計策略[8-9]；城市效能的研究，主要探討車站內核對城市周邊區域發展的影響，即區域價值的最大化，“車站社區”[10]“城市核”[11]“軌交站共享域”[12]“影響域”[13]“外圍域”[14]等多類型的空間模式被提出?？傮w上，既有的研究趨向于認同車站空間本身構成的穩固性，空間精細化設計各維度的操作對象從“車站空間內核的量化研究”轉為“激活車站域的城市效應”等更為外延的范圍進行討論（圖1）。

1 車站域的界定

以更廣泛的視角討論地下車站空間，能夠有效發揮站點的城市綜合效能，但在實際的執行與應用中，這樣的方式將行人的微觀活動行為剝離。一個簡單樸素的事實是，在城市持續膨脹的現實下，人的身體尺度與行為能力顯然不會隨之放大，也不會在漫長的歷史發展中產生顯著變化[13]。車站作為承載行人行為的空間容器，其外圍物理輪廓受制于地下環境，內部空間組織構成是討論微觀行人活動的有效方法和落實空間效率的最佳途徑，這自然地引發出對地鐵車站本身空間組織構成的再討論。

城市地下綜合開發和智慧車站技術對于車站空間的訴求是快速更替和動態變化的，而行人的行為演變是車站空間關聯最為直接、穩定的影響要素（圖2）。如何落回行人微觀層面，基于行人行為演變對空間的基本組織構成進行底層推演，是回答地下車站空間精細化利用問題的關鍵。如何在微觀行人層面審視和評價地鐵車站空間高效利用，是本研究回答的核心問題。

2 車站空間影響要素關聯

研究首先提出地鐵車站“空間組構效能”這一概念，并對其進行界定和描述；其次通過數組的方式建立起組構效能的數學表達式；繼而提出組構效能的量化計算方法；對計算結果進行可視化表達；最終建立完整的地鐵車站空間組構效能分析模型（圖3），并基于兩個地鐵車站的實例進行空間精細化利用的分析與討論。

3 地鐵車站組構效能分析模型

3 基于行為特征的空間組構效能

3.1 何為空間組構效能

希利爾（Bill Hillier）對于空間組構的定義是：一系列的空間關系，它們之間相互影響。更改其中任何一組空間關系，整個空間組構將會相應地發生變化[15]。地鐵車站在建造完成時是一個空曠完整的物理空間，為保障進出站雙向人群的流暢通行以及方便收費管理，地鐵車站公共區域的物理空間又具體限定為接駁通道、站廳非付費區、站廳付費區、豎向交通、站臺公共區5 個空間單元1）（圖4）。行人連續通過每一個單元，最終達成乘車、出站、換乘的目的。這種因行人流動所串聯起的空間組織模式，即地鐵車站的空間組構。這里的組構不是空間的物理幾何，而是抽象的空間關聯（圖5）。

4 T型換乘車站空間組構單元

5 T型換乘車站空間組構協同匹配

由于車站每個區域的通行行為不同，因此建設時劃分給各組構單元的通行面積也有所差異。為滿足車站內的行走通暢、停留舒適，各組構單元以及設施之間需要在通行面積上進行協同與匹配（圖5），這種協同關系用度量來表示即匹配度。據此，這種基于空間通行面積來反映各單元之間協同與匹配程度的量綱被稱為“空間組構效能”。用數組形式表達如下：

其中：Sn為車站組構中第n 個單元的通行面積；M（n-1）n為第n-1 個單元與第n 個單元之間的匹配度。

空間組構效能具有評價全面性。地鐵空間精細化利用包含兩種情況：一是對物理空間的使用，即是否充分利用地下空間面積；二是對行人流量資源的使用，即是否將站點所帶來的流量變為空間價值。相較于既有研究將地鐵車站空間精細化利用簡單地歸結為地下空間面積的節約[16]，空間組構效能反應出空間面積、功能與人流資源的關聯，能夠雙向交叉評價面積利用的合理性?？臻g組構效能具有量化計算特性?？臻g組構效能的概念在于探究車站局部與局部、局部與整體之間的匹配程度，并使用數組形式表達?；诖?，組構效能能夠被量化計算和可視化表達。

3.2 基于行為特征的組構效能表示

組構單元的通行面積{S1，S2，S3，…Sn}與車站的客流強度直接掛鉤，而客流強度包含兩個關鍵影響因子，即乘降總量和行為特征。

“乘降總量”是車站全日進站、出站、換乘客流之和，包含初期、近期、遠期3 個級別，是客流強度的直接影響因素。隨著地下空間接駁方式多樣化，功能復合性提升。地鐵車站不僅承擔交通客流集散功能，還更多承載商業接駁、城市地下公共活動等非乘車行為。在相同乘降量的前提下，更為復合化的行為特征導致了更高強度的客流沖擊。因此，僅憑乘降總量無法準確地反映出車站的真實客流強度。

“行為特征”是指行人在車站物理空間內的分流、匯合、滯留等通行行為，包含“人群狀態”和“個體行為”兩個層級。人群狀態是一定數量相同或不同的個體行為同時發生而構成的群體現象。車站內人群狀態包含流動、分流、匯合、交叉、滯留等；個體行為包含乘車時的行走觀察、靜止等待、靜止尋路等行為（圖6）。車站物理空間、人群狀態與個體行為三者構成了互為關聯的復雜映射關系（圖7），這種復雜的映射關系解析了車站內部高度復合的行人行為狀態。

6 車站空間行人行為特征

7 行為特征—空間組構關聯映射

基于以上分析，通過對地鐵車站客流預測以及微觀行為的多元影響的調查研究，在現有乘降總量的基礎上計入行為特征因素，更為精細化地確立了地鐵車站4 個等級的客流強度，分別為：a 緊急疏散、b 平均客流、c 動態客流、d 高峰客流（表1）。

表1 行為特征分級及衡量標準

相應的，遵循組構單元面積{S1，S2，S3，…Sn}與客流強度匹配對應的原則，組構單元也分為4 個面積級別（Sna，Snb，Snc，Snd）并與4 級客流強度對應（表1）。由于面積為連續變量，因此組構單元面積級別可以用面積區間[Sna，Snd]表示，而該區間即實際地鐵單元空間設計建造的合理面積區間，在此區間內的車站單元最低能夠滿足緊急疏散客流，最高能夠承載高峰客流。進一步，空間組構效能由一維單元面積匹配數組（公式1）更新為包含單元面積區間的多維數組，具體表達方式如下：

其中：Sn為車站組構中第n 個單元的標準通行面積；a，b，c，d 為客流強度。

3.3 組構單元面積區間計算

組構單元面積區間[Sna，Snd]是組構效能量化計算的關鍵。既有的地鐵車站空間計算方法是依據《地鐵設計防火標準》[17]計算車站最小面積標準Sna。而后，基于客流預測數據進行客流仿真模擬，依據模擬結果擴大或調整部分擁堵區域，最終得到車站最終的設計尺寸和面積。本研究在既有計算方法的基礎上，結合數字化模擬的最新方法，將行為特征因素考慮在內，基于上述對4 個級別客流強度的定義，更為細粒度地計算Sna，Snb，Snc，Snd4 個級別的面積，最終得出組構單元更為精細、更為合理的面積區間，為設計實踐提供參考，為效能分析提供依據。

目前廣泛應用的交通行人仿真模擬平臺有AnyLogic、Legion、Steps 和Sim-Walks 等（表2）[18]，其中AnyLogic 的核心算法為社會力模型，即行人受到3 種作用力影響：主觀意識驅動力、人與人之間作用力、人與邊界之間作用力[19]，可以實現包括離散、連續和混合行為的復雜仿真[20]。相較于其他模擬平臺，AnyLogic 具有以下優點：（1）依靠其行人庫實現行人仿真，行人庫中包含了行人對象和人群對象[18]，可以反映乘客個體行走特征及行人自組織現象[21]；（2）AnyLogic不需給出行人行走的完整路徑，在社會力模型中，人具有自激勵機制，每個行人的行走是若干因素共同作用的結果[22]，更加貼近地鐵車站復合化的行為特征；（3）AnyLogic 允許對空間組件進行拼裝和拆分模擬，從組構層面進行模擬研究。因此，本文選用AnyLogic 作為模擬工具，建立面積區間精細化計算流程。其中，行人數量參數依據《西安市地鐵客流預測》中T 型換乘站設計要求進行確定，其他工況如表3。

表2 行人仿真模擬軟件對比

表3 行人模擬工況設置

本文以西安地鐵T 型換乘車站為例對組構單元精細化計算流程進行說明（圖8）。首先，基于疏散客流計算滿足疏散的最小面積方案Sna，計算方法依據《地鐵設計防火標準》[17]執行；并以Sna為初始面積方案，采用序貫試驗法在各單元初始面積的基礎上每次增加一個步長面積，調整步長為5%，直到模擬結果達到表1 中下一級別的衡量標準，記錄達標的各單元面積數據；繼續以上循環直到4 個級別的組構單元面積全部計算完成，循環終止。最終儲存的數據和模擬結果如表4。

表4 模擬結果

8 組構單元面積區間精細化計算流程

3.4 組構效能的計算

以上通過組構單元精細化面積區間計算得到了西安地鐵T 型換乘車站組構效能的多維數組公式（3）。

該數組為車站每一個組構單元對應提供了一個合理通行面積區間，可作為組構單元精細化設計的指導依據，即Sn∈[Sna，Snd]。單元面積低于Sna表示通行能力不足，高于Snd表示通行能力過剩。所以每一個單元Sn在所屬區間[Sna，Snd]中的定位就能夠反映該單元的通行能力，用Tn表示。而T(n-1)與Tn之間的差值即匹配度M(n-1)n，計算方式如下：

其中：Sn為車站的第n 個組構單元面積，單位為m2；a，d 為客流強度；Tn為車站組構中第n 個單元的通行能力值；M(n-1)n為Sn-1與Sn-1之間的匹配度。

進一步，將車站所有單元的通行能力考慮在內，即對多維數組中的所有單元的通行能力值Tn進行均方差（Standard Deviation）計算，就能夠反映出車站空間整體的匹配的均衡關系，研究將這種匹配關系定義為效能不均勻性，并以效能不均勻系數表示，計算方式如下：

其中：Tn為車站組構中第n 個單元的通行能力值（公式4-1）；N為組構單元數量。

進一步，在車站運行時，車站的真實通行能力取決于5 個組構單元中通行能力最低的區域Tmin（Tmin ∈Tn，且為Tn中的最小值），客流強度一旦高于該值，車站便會出現局部擁堵，即存在通行瓶頸區。對所有單元的通行能力值Tn與Tmin進行均方誤差（Mean Squared Error）計算，就能反映車站組構的真實通行效能，計算方式如下：

其中：Tn為車站組構中第n 個單元的通行能力值（公式4-1）；N為組構單元數量。

4 組構效能可視化分析——以兩個T型換乘車站為例

基于以上對于空間組構效能概念的界定及量化計算方式的建立，研究選取兩個T 型換乘車站（科技路站和西工大站）進行實例對比（圖9）。兩站為西安地鐵6 號線上相鄰站點，西工大站設計乘降總量更大，車站規模更大，公共區域部分面積約為科技路站的1.4 倍，主要差距在接駁通道和站廳非付費區部分（圖10）。雖然車站規模不同，但兩個車站內部組構單元的面積占比卻非常接近。為直觀表示兩個車站的組構效能，研究通過平行坐標圖對組構效能多維數組進行可視化（圖11），將車站的組構單元面積（圖11 中折線端點）帶入平行坐標圖，可直觀反映出車站自身組構單元之間的面積匹配情況。

9 西安地鐵T型換乘車站，來源：西安地鐵

10 組構單元面積對照

11 空間效能分析坐標

對于西工大站，接駁通道、站廳非付費區和站廳付費區的通行級別均超過高峰客流標準。原因在于該站點周邊規劃容積率較高，設計面向未來周邊地下空間復合開發留有較大余量。豎向交通雖達到動態客流級別，但該區域在未來客流增大時有可能成為空間通行的瓶頸區。對于科技路站，豎向交通的通行級別高于其他組構單元，這種配置方法考慮到了未來車站流量增大時的通行安全性，但接駁通道和站廳層均無法承載更為復合的行為活動，空間綜合開發改造的潛力不大。

經計算，西工大站效能不均勻系數為0.23，科技路站為0.22，這表明兩個車站均存在一定程度的效能不均衡。西工大站真實效能系數為0.14，科技路站為0.08，表明科技路站真實效能更高，其原因在于西工大站有明顯短板，豎向交通成為車站通行能力的瓶頸區域；而科技路站則完全相反，除豎向交通遠離瓶頸區域，其他組構單元均在瓶頸區附近分布，車站通行瓶頸不明顯，顯然這種在豎向交通部分預留面積富余量的配比方式具有更高的真實效能。

綜上，通過實例研究得出以下結論：（1）兩個車站的總體規模不同，雖然面積配比接近，效能不均勻系數接近，但真實效能差異較大。這說明不可簡單地按比例擴大車站規模來匹配更大流量，而需要組構單元間精細化的匹配計算；（2）兩個車站效能不均勻系數非常接近，但具體影響因素完全不同。西工大站是由于局部瓶頸導致不均衡，而科技路站則是由于局部富余導致的不均衡。而真實效能系數能夠反映出車站短板和真實效能，并在不同車站之間進行對比。

5 組構效能提升策略

為提升地鐵換乘車站的空間綜合使用效能，激發空間的利用潛力，化解空間擁堵“瓶頸”，且保障地下空間的安全，針對以上發現的地鐵車站效能不均衡問題，提出設計優化策略：（1）軌道交通及周邊城市建設具有圈層性[23]，同樣的，地鐵車站各組構單元及相鄰城市空間內的行人行為特征也具有層級性，因此健康的組構配比可使組構各層級的通行能力保持相對均衡，從而保證行人的通行流暢；（2）在未來，行為活動的復合化將率先出現在接駁通道內部，設計應由當前的“通道”概念轉為“接駁空間”，以承載更多的非乘車行為活動。但應避免粗放地擴大接駁通道面積而導致效能的不均衡，連帶影響車站其他區域出現通行瓶頸；（3）在地下空間行為特征復合化的背景下，車站外圍的接駁通道及站廳非付費區將擁有更多的與城市融合可能性。未來應當縮小交通核心范圍，將交通核心限定在站廳付費區、豎向交通以及站臺區內，簡化空間層級，提升整體效能。

6 結語

對“空間組構效能”概念的界定，透析出了“地下車站空間精細化利用”議題下的“組構效能不均衡”問題。從表面上看，該問題是由于空間未精細化計算導致的，只需要調整組構之間的面積配比即可解決。但事實上，地鐵車站空間組構效能的不均衡現象將在未來一段時間內持續存在，該問題是城市地下空間快速變動下缺乏整合規劃的產物，必須從對“組構效能不均衡”現象的考察上升到研究其背后普遍合理的行人行為演變、城市區域不均衡發展、城市用地權屬等多因素的復合作用規律，對其進行科學化的描述、抽象與解釋，并以此建立完整的組構效能評價模型。本研究建立的“組構效能分析模型”從行為特征層面對地鐵空間效能的量化評價進行了初步探索，為地鐵車站的精細化利用提供了細粒度的參考區間，為科學的量化評價體系貢獻了評價邏輯。

注釋

1）車站空間依據使用權限分為乘客活動的公共區、設備區和管理區。其中設備區與管理區為封閉區域，本研究暫不做考慮。