謝婉澤，左忠義

(1.遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院 ，遼寧 沈陽 110000； 2.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與工程學(xué)院，遼寧 大連116028)

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基于城市軌道交通客流短時(shí)預(yù)測的運(yùn)營編組設(shè)計(jì)

謝婉澤1，左忠義2

(1.遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院 ，遼寧 沈陽 110000； 2.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與工程學(xué)院，遼寧 大連116028)

∶根據(jù)城市軌道交通客流短時(shí)預(yù)測量進(jìn)行運(yùn)營編組設(shè)計(jì)，更接近客流的實(shí)際運(yùn)營情況，具有實(shí)時(shí)、靈活和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn).以一周為周期，使用最近一周的歷史斷面客流量作為原始數(shù)據(jù)，應(yīng)用嵌入式灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合模型進(jìn)行短時(shí)預(yù)測，得到的下一周期斷面客流量更符合客流不斷變化的趨勢.以此為基礎(chǔ)進(jìn)行運(yùn)營編組設(shè)計(jì)，使其更能適應(yīng)客流量的實(shí)時(shí)變化.然后將按計(jì)劃運(yùn)營的實(shí)際客流納入歷史客流，進(jìn)行循環(huán)修正更新，作為下一周期客流短時(shí)預(yù)測基礎(chǔ)進(jìn)行運(yùn)營編組設(shè)計(jì).基于城市軌道交通客流短時(shí)預(yù)測的運(yùn)營編組優(yōu)化，在一定程度上可以提高城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)能，提升運(yùn)營效率，降低運(yùn)營成本.

∶城市軌道交通；客流；短時(shí)預(yù)測；運(yùn)營編組設(shè)計(jì)

0 引言

我國的城市軌道交通現(xiàn)在正處于發(fā)展時(shí)期，快速發(fā)展的同時(shí)也伴隨著很多問題，主要問題就是城市軌道交通客流預(yù)測不準(zhǔn)確以及列車編組形式不合適等.客流預(yù)測不準(zhǔn)確，使得以其為基礎(chǔ)的運(yùn)營編組設(shè)計(jì)不合適，就會(huì)導(dǎo)致運(yùn)營階段的城市軌道交通擁擠不堪或者運(yùn)能浪費(fèi)，進(jìn)而引起運(yùn)營成本的增加[1].

本文根據(jù)城市軌道交通客流的特點(diǎn)，提出了基于客流短時(shí)預(yù)測的運(yùn)營編組設(shè)計(jì)的先進(jìn)理念，更符合客流不斷變化的需求，在一定程度上可以提升城市軌道交通運(yùn)營效率，提高系統(tǒng)運(yùn)能，降低運(yùn)營成本.

1 城市軌道交通客流特點(diǎn)

城市軌道交通線路由于其線路固定，與其他交通方式相互分離，所以受外界因素干擾較小，使得其客流量有其自由的規(guī)律.對城市軌道交通的歷史客流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)出其客流量的特點(diǎn)如下:

(1)時(shí)變性

由于人們的生活規(guī)律和出行習(xí)慣不同，城市軌道交通一天內(nèi)客流也會(huì)隨之變化，一般是清晨與深夜乘客較少，上班上學(xué)時(shí)段客流達(dá)到最高峰.高峰過后客流進(jìn)入低谷，而傍晚放學(xué)和下班時(shí)段客流進(jìn)入次高峰，午夜客流逐漸趨于平穩(wěn).

城市軌道交通客流量在以一周為周期的范圍內(nèi)呈現(xiàn)一種循環(huán)變化的趨勢，由于城市軌道交通客流大部分都是以上學(xué)上班為出行目的的生產(chǎn)勞動(dòng)客流，所以每周的客流量變化趨勢大體相當(dāng)，一周各日客流量相差很小(除節(jié)假日)，因此城市軌道交通客流量具有時(shí)變性的特點(diǎn).

(2)周期性

城市軌道交通客流在一周內(nèi)的變化具有一定的規(guī)律性，每周周一和周五的客流量相對較高；而周二到周四之間的客流量趨于平穩(wěn)；周末的客流量明顯低于工作日，整體呈現(xiàn)以7天為一周期的周期波動(dòng)性[2].如圖1所示為某城市軌道交通線路2013年7月30日～9月2日的客流量趨勢圖，可以看出周一和周五客流比較集中，高于其他時(shí)間；周二到周四客流相差不多，出行較平穩(wěn)；周六周日是休息日，客流主要是休閑文化客流，明顯低于工作日的客流量.

圖1 某城市軌道交通線路客流量趨勢圖

但是，某些大型商業(yè)中心附近的車站客流變化趨勢有所不同，由于其土地利用類型所吸引的客流主要為購物休閑客流，一周內(nèi)的客流高峰一般出現(xiàn)在周六周日，如圖2為某靠近商業(yè)中心的車站2013年7月30日～9月2日客流量趨勢圖，其斷面客流量在周日達(dá)到峰值.

圖2 某城市軌道交通車站客流量趨勢圖

(3)均衡性

雖然城市軌道交通的日客流量變化較大，但是周均流量卻相差較小.由于出行者的個(gè)人習(xí)慣和工作時(shí)間不全相同，即便是在工作日，不同日期的客流量還是有一定差別的.但如果以一周為周期進(jìn)行分析研究，在沒有節(jié)假日天氣等其它因素的影響下，城市軌道交通的客流量具有均衡性變化的特點(diǎn).如圖3所示是某城市軌道交通線路2013年7月30日～9月2日周客流總量圖，可以看出周客流總量差異不大.

圖3 某城市軌道交通線路周客流總量圖

(4)突變性

季節(jié)因素對城市軌道交通客流的影響較大，例如每年學(xué)生集中考試階段以及南方的梅雨季節(jié)，客流通常是全年的低谷；而對于旅游城市，在旅游旺季時(shí)流動(dòng)人口的增加會(huì)使城市軌道交通線路的客流有較大幅度的增長；此外，舉辦重大文體活動(dòng)或者天氣突變也將引發(fā)城市軌道交通客流短期性的激增.如圖4所示是某個(gè)位于體育館附近的城市軌道交通車站的客流趨勢圖，在演唱會(huì)開始前(19∶00)和演唱會(huì)結(jié)束后(23∶00)客流出現(xiàn)了激增的情況.

圖4 城市軌道交通車站日客流變化趨勢圖

2 城市軌道交通客流短時(shí)預(yù)測

目前，我國城市軌道交通系統(tǒng)的建設(shè)及編組設(shè)計(jì)都是以其客流預(yù)測為主要依據(jù)，但在實(shí)際運(yùn)營過程中，幾乎所有的城市軌道交通客流預(yù)測量與實(shí)際運(yùn)行情況均存在很大的差異，大部分客流預(yù)測量都大于實(shí)際客流量，這就導(dǎo)致依靠客流預(yù)測量建設(shè)的城市軌道交通系統(tǒng)出現(xiàn)規(guī)模偏大或運(yùn)能浪費(fèi)等問題[3].

城市軌道交通客流預(yù)測按照預(yù)測年限可以分為長期預(yù)測，中期預(yù)測和短期預(yù)測.相對于長期預(yù)測，短時(shí)預(yù)測的預(yù)測間隔一般在15 min以內(nèi)，應(yīng)用科學(xué)的客流狀態(tài)檢測手段，捕捉客流系統(tǒng)的狀態(tài)特點(diǎn)，融合多元的客流信息，推演出客流狀態(tài)的運(yùn)行規(guī)律，通過先進(jìn)的模型進(jìn)行預(yù)測，其預(yù)測結(jié)果更加精確可靠，更能適應(yīng)城市軌道交通的實(shí)時(shí)性需求，可以作為城市軌道交通運(yùn)營編組設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù).

所以，城市軌道交通客流預(yù)測應(yīng)該長中期預(yù)測和短期預(yù)測相結(jié)合，在城市軌道交通實(shí)際運(yùn)營過程中，客流會(huì)隨時(shí)間推移而變化，由于短時(shí)客流狀態(tài)存在自相似性，使得短時(shí)客流具有可預(yù)測性[4].針對這種變化，如圖5所示，城市軌道交通客流短時(shí)預(yù)測是根據(jù)所選取的歷史時(shí)段客流狀態(tài)預(yù)測未來時(shí)段的客流狀態(tài)，采用科學(xué)的模型和方法使圖中的預(yù)測客流狀態(tài)無限逼近實(shí)際客流狀態(tài)，作為我們進(jìn)行各項(xiàng)工作的依據(jù)和參考.

圖5 城市軌道交通客流短時(shí)預(yù)測概念圖

3 運(yùn)營編組優(yōu)化設(shè)計(jì)

城市軌道交通運(yùn)營編組設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是全日行車計(jì)劃、列車交路計(jì)劃和車輛配備計(jì)劃，而城市軌道交通客流計(jì)劃是運(yùn)營編組設(shè)計(jì)的基礎(chǔ).但客流預(yù)測量與實(shí)際運(yùn)營情況均存在著一定差距，使得基于客流預(yù)測進(jìn)行的運(yùn)營編組設(shè)計(jì)往往出現(xiàn)擁擠不堪或運(yùn)能浪費(fèi)的現(xiàn)象[5].但是，對城市軌道交通客流進(jìn)行短時(shí)預(yù)測，得到的客流預(yù)測量更貼近實(shí)際客流情況，更符合客流不斷變化的趨勢.

通過研究總結(jié)出城市軌道交通具有周期性、均衡性以及短期波動(dòng)性等特點(diǎn)，以一周為周期，使用最近一周的歷史斷面客流作為原始數(shù)據(jù)，選取適當(dāng)?shù)哪Ｐ瓦M(jìn)行短時(shí)預(yù)測，即可得到下一周期的斷面客流短時(shí)預(yù)測量.以此為基礎(chǔ)進(jìn)行城市軌道交通運(yùn)營編組設(shè)計(jì)，使其更能適應(yīng)客流量的實(shí)時(shí)變化，相較于常規(guī)的一成不變的運(yùn)輸計(jì)劃更具有靈活性和快速響應(yīng)性，可以滿足不斷變化的客流需求，在一定程度上可以提高運(yùn)能利用率，降低運(yùn)營成本，具體流程如圖6所示.

圖6 城市軌道交通運(yùn)營編組設(shè)計(jì)流程圖

應(yīng)用城市軌道交通歷史客流數(shù)據(jù)，對斷面客流進(jìn)行短時(shí)預(yù)測，以斷面客流短時(shí)預(yù)測量為基礎(chǔ)進(jìn)行城市軌道交通運(yùn)營編組設(shè)計(jì)，投入運(yùn)營，然后將實(shí)際運(yùn)營客流量納入歷史客流數(shù)據(jù)庫，不斷修正更新歷史數(shù)據(jù)，循環(huán)進(jìn)行客流短時(shí)預(yù)測以及運(yùn)營編組優(yōu)化設(shè)計(jì)過程.

基于短時(shí)預(yù)測的城市軌道交通運(yùn)營編組設(shè)計(jì)具體步驟如下所示∶

(1)確定全日分時(shí)短時(shí)預(yù)測最大斷面客流量

首先計(jì)算城市軌道交通短時(shí)預(yù)測斷面客流量，求出高峰小時(shí)斷面客流量，再依據(jù)全日分時(shí)客流分布模擬圖來確定全日分時(shí)短時(shí)預(yù)測最大斷面客流量.

(2)確定運(yùn)營時(shí)間內(nèi)各小時(shí)應(yīng)開行列車數(shù)

(3)確定行車間隔時(shí)間

(4)確定全日行車計(jì)劃

在確定運(yùn)營時(shí)間內(nèi)分時(shí)開行列車數(shù)和行車間隔時(shí)間的基礎(chǔ)上，檢查行車間隔時(shí)間，避免間隔時(shí)間過長.因?yàn)檫^長的行車間隔時(shí)間會(huì)增加乘客候車時(shí)間，降低乘客出行速度，不利于吸引客流.根據(jù)行車間隔標(biāo)準(zhǔn)，城市軌道交通列車在高峰運(yùn)營時(shí)間內(nèi)，行車間隔時(shí)間一般不超過6min；在其他非高峰運(yùn)營時(shí)間內(nèi)，行車間隔時(shí)間最好不超過10min[6].另外，全日行車計(jì)劃中高峰小時(shí)行車間隔時(shí)間還要保證其符合列車在折返站的出發(fā)間隔時(shí)間.

(5)確定列車交路

在城市軌道交通線路中客流量不均衡的區(qū)段，采用合理的列車交路可以有效地平衡客流，交路設(shè)計(jì)是運(yùn)營編組設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分.列車交路方案規(guī)定了列車的運(yùn)行區(qū)段、折返車站和按不同列車交路運(yùn)行的列車對數(shù).

合理的列車交路可以給乘客帶來方便，同時(shí)還能提高列車運(yùn)用率，避免運(yùn)能浪費(fèi)，降低運(yùn)營成本.因此，科學(xué)的列車交路方案可以使城市軌道交通行車組織更加經(jīng)濟(jì)合理.

(6)確定列車開行方案

結(jié)合城市軌道交通全日行車計(jì)劃和列車交路方案進(jìn)行合理調(diào)整，確定最終的城市軌道交通列車開行方案.

4 實(shí)例分析

以某城市軌道交通為例，由于客流具有周期性變化的特點(diǎn)，現(xiàn)以周一的歷史客流作為實(shí)例進(jìn)行短時(shí)預(yù)測，一周內(nèi)其他各日的斷面客流量可以通過相同方法進(jìn)行短時(shí)預(yù)測.

本文應(yīng)用嵌入式灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合模型對其某周一運(yùn)營期間(06∶00～00∶00)客流進(jìn)行短時(shí)預(yù)測，在此基礎(chǔ)上，按照基于短時(shí)預(yù)測的城市軌道交通運(yùn)營編組設(shè)計(jì)流程，確定全日分時(shí)短時(shí)預(yù)測最大斷面客流量，計(jì)算運(yùn)營時(shí)間內(nèi)的開行列車數(shù)以及行車間隔時(shí)間，確定全日行車計(jì)劃，設(shè)計(jì)交路方案，最終確定開行方案，將原列車開行方案與優(yōu)化后列車開行方案對比如表1所示.

表1 優(yōu)化前后列車開行方案對比

(1)運(yùn)營成本對比

城市軌道交通的運(yùn)營成本是指在日常生產(chǎn)運(yùn)營過程中與運(yùn)營生產(chǎn)直接有關(guān)的所有費(fèi)用支出，而城市軌道交通列車開行方案是左右基本運(yùn)營支出的重要因素.

由表1我們可以看出優(yōu)化后開行列車數(shù)減少了58對，也就是根據(jù)客流短時(shí)預(yù)測進(jìn)行運(yùn)營編組設(shè)計(jì)優(yōu)化的開行列車對數(shù)減少了約22%，這在滿足最大斷面客流量的運(yùn)營基礎(chǔ)上還大大地節(jié)約了運(yùn)營成本.

(2)列車滿載率對比

城市軌道交通列車滿載率是指列車載客人數(shù)與列車定員人數(shù)的比例，由于客流因時(shí)間段和空間分布的不同，列車滿載率在高峰時(shí)段有時(shí)可達(dá)到120%，在低谷時(shí)段只有30%.

列車滿載率是衡量城市軌道交通運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，也是衡量乘客舒適度的服務(wù)指標(biāo).列車滿載率越大，單列列車載客量越多，日開行列車數(shù)就相對減少，相應(yīng)的運(yùn)營支出就越少.但是日開行列車數(shù)就越少，乘客的候車時(shí)間就會(huì)增加，乘車空間就會(huì)越小，因此乘客的舒適度服務(wù)指標(biāo)就會(huì)越差，所以列車滿載率應(yīng)該控制在一個(gè)相對平衡的范圍內(nèi).

根據(jù)周一的短時(shí)預(yù)測斷面客流量，選取早高峰8∶00～8∶15計(jì)算各個(gè)斷面的列車滿載率，與優(yōu)化前的方案進(jìn)行對比如表2所示.

表2 優(yōu)化前后列車滿載率對比

通過城市軌道交通短時(shí)預(yù)測的斷面客流量進(jìn)行運(yùn)營編組設(shè)計(jì)優(yōu)化后，列車滿載率分布更均衡，對于滿載率較高的斷面如“I-J”，優(yōu)化后滿載率有所降低，提高了乘客的服務(wù)水平；而對于始發(fā)站和終到站客流低谷時(shí)段適當(dāng)延長發(fā)車間隔，平衡乘客等待時(shí)間和發(fā)車間隔，在一定程度上改善滿載率較低的情況，提高城市軌道交通運(yùn)能利用.

5 結(jié)論

經(jīng)過實(shí)例分析證明，應(yīng)用適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛯Τ鞘熊壍澜煌〝嗝婵土鬟M(jìn)行短時(shí)預(yù)測，通過得到的短時(shí)預(yù)測斷面客流量，更加貼近客流的實(shí)際情況，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行城市軌道交通運(yùn)營編組設(shè)計(jì)優(yōu)化，在一定程度上提高了運(yùn)能利用率，降低了城市軌道交通的運(yùn)營成本，均衡了滿載率，具有一定的科學(xué)性和優(yōu)越性.

[1]余攀．城市軌道交通列車編組優(yōu)化研究[D]．北京:北京交通大學(xué)，2011.

[2]王奕，徐瑞華．基于周期時(shí)變特點(diǎn)的城市軌道交通短期客流預(yù)測研究[J]．城市軌道交通研究，2010(1)∶46-49.

[3]毛榮昌．城市軌道交通客流預(yù)測方法研究[D]．南京:海大學(xué)，2005.

[4]邵春福，熊志華，姚智勝．道路網(wǎng)短時(shí)交通需求預(yù)測理論、方法及應(yīng)用[M]．北京:清華大學(xué)出版社，2011.

[5]程雯．關(guān)于城市軌道交通列車編組形式的探討[J]．都市快軌交通，2006(4):29-32.

[6]毛保華．城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營管理[M]．北京:人民交通出版社,2009.

Urban Rail Transit Marshalling Design Based on Passenger Flow Short-Time Prediction

XIE Wanze1，ZUO Zhongyi2

(1.Liaoning Guidaojiaotong Polytechinic Institute,Shenyang 110023,China; 2.School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Marshalling design according to short-term prediction of urban rail transit traffic has the advantages of instantaneity,flexibility and fast-response,which is much closer to the actual passenger flow situation.On a weekly basis and using historical sectional passenger in the last week as the original data,short-term prediction is conducted to determine the passenger flow next cycle,which can meet the changing trend better.Making the marshalling design based on the short-time prediction passenger flow can adapt to the real-time changes.The actual operating passenger flow can be included in the historical data to fix and update the database,which is the basis of predicting and marshalling for the next cycle.To some sextent,marshalling design based on passenger flow short-time prediction can improve the transport capacity,improve operational efficiency and reduce operating costs of the urban rail transit system.

urban rail transit;passenger flow;short-time prediction;marshalling design

∶1673-9590(2015)03-0001-05

∶2014-07-08作者簡介∶謝婉澤(1988-)，女，助教，碩士，主要從事交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理的研究E-mail:fall721@qq.com.

∶A