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        鐵路車站能力利用率與服務(wù)水平研究

        2018-01-01 00:00:00蔡勝全
        大科技·D版 2018年4期

        摘 要:隨著英國和其他地區(qū)鐵路客運(yùn)量的增加,政府管理者和鐵路運(yùn)營商需要在尋求保持服務(wù)可靠性和準(zhǔn)時(shí)性的同時(shí),做到車站能力的最優(yōu)化利用,這就使得權(quán)衡二者之間的關(guān)系變得尤為重要。特別是對于鐵路樞紐站或者路網(wǎng)的能力瓶頸,其能力利用率和服務(wù)水平之間的關(guān)系不像一般中間站那么單一。在計(jì)算節(jié)點(diǎn)能力利用指數(shù)的OCCASION項(xiàng)目以及將這些技術(shù)應(yīng)用于重新衡量英國鐵路線路使用收費(fèi)系統(tǒng)的線路收費(fèi)項(xiàng)目,DITTO鐵路系統(tǒng)的一個(gè)目標(biāo)是進(jìn)一步研究能力利用率和服務(wù)水平之間的關(guān)系,即鐵路車站和樞紐的擁堵與延誤水平之間的關(guān)聯(lián)性。本文選擇部分車站的圖定時(shí)刻表和晚點(diǎn)數(shù)據(jù)來研究兩者之間的關(guān)系,以預(yù)期的形式,相比區(qū)間地段,給出車站最小能力利用上限的建議值。關(guān)于這些數(shù)據(jù)集合以及相互關(guān)系的研究將會進(jìn)一步進(jìn)行,以確定最合適的能力利用率上限。

        關(guān)鍵詞:鐵路車站;能力利用率;服務(wù)水平

        中圖分類號:U292.5+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1004-7344(2018)12-0140-07

        1 引 言

        英國鐵路運(yùn)輸需求迅速增長,然而鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)增長緩慢。這就要求鐵路行業(yè)盡可能利用鐵路運(yùn)輸能力,特別是在既有線上開行更多的列車,同時(shí)力求保持可接受的服務(wù)水平,比如:準(zhǔn)時(shí)性,以及最為重要的安全性。這一挑戰(zhàn)與鐵路網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)-樞紐和車站最為相關(guān),它們往往是系統(tǒng)的能力瓶頸,并且能力利用率和服務(wù)水平的取舍比普通線路更復(fù)雜、更不容易把控。作為由英國鐵路安全和標(biāo)準(zhǔn)委員會(RSSB)資助的研究項(xiàng)目“優(yōu)化鐵路系統(tǒng)集成體系”(DITTO鐵路系統(tǒng))的一部分,本文介紹了為研究節(jié)點(diǎn)車站能力利用率和服務(wù)水平之間關(guān)系而開展的工作。

        在本節(jié)引言之后,對研究背景進(jìn)行綜述,接著回顧了該領(lǐng)域存在的根本問題以及之前的研究工作。隨后,介紹了文中所使用的方法論及采納數(shù)據(jù),闡述了目前的研究結(jié)果,并概要說明正在進(jìn)行和下一步要開展的工作。最后是文章的結(jié)論部分,并列舉相關(guān)的參考文獻(xiàn)。

        2 背景:問題描述和研究目標(biāo)

        近幾十年,英國鐵路客貨運(yùn)量持續(xù)增長,而鐵路線路通過能力的增長率沒有匹配,其結(jié)果是維持鐵路系統(tǒng)一定的服務(wù)水平面臨越來越大的挑戰(zhàn)。鐵路運(yùn)營商希望提供額外運(yùn)輸服務(wù)以滿足增長運(yùn)輸需求的行為與基礎(chǔ)設(shè)施管理者(和運(yùn)營商)希望保證準(zhǔn)時(shí)性和可靠性的目標(biāo)相沖突。在英國,通過公共績效指標(biāo)(PPM)監(jiān)測鐵路準(zhǔn)點(diǎn)率,PPM是準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)目的地百分比指標(biāo)(準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)是指長途列車在預(yù)定到達(dá)時(shí)刻最多延誤10min,其他列車在預(yù)定到達(dá)時(shí)刻最多延誤5min)。此外,根據(jù)鐵路線路使用協(xié)議第8項(xiàng),路網(wǎng)公司(英國鐵路公司的基礎(chǔ)設(shè)施管理者)和列車運(yùn)營公司(TOC)對延誤有責(zé)任的一方需對另一方進(jìn)行賠償。由于路網(wǎng)公司和列車運(yùn)營公司是兩家完全獨(dú)立的機(jī)構(gòu),同時(shí)面臨與服務(wù)水平相關(guān)的成本費(fèi)用,因此均存在整體保守傾向,不愿意提供額外的運(yùn)營服務(wù),因?yàn)榭赡軙p少他們提供運(yùn)輸服務(wù)和通過能力的整體收益。

        這種保守主義以及能力利用率限制的不確定性,意味著某些有潛在價(jià)值的、有整體收益的列車路線將不被利用。這個(gè)問題在車站和樞紐站尤其嚴(yán)重,因?yàn)樗鼈兂3J锹肪W(wǎng)的運(yùn)輸能力瓶頸,與普通線路區(qū)間的站點(diǎn)相比,它們沒有標(biāo)準(zhǔn)的能力利用率的上限值。由于種種原因,現(xiàn)有的時(shí)間穩(wěn)定性分析方法,比如極大代數(shù)法(Goverde,2015),尚未在英國應(yīng)用。相反,更多依靠仿真模擬以及對服務(wù)水平、運(yùn)行時(shí)刻數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)設(shè)施特性之間關(guān)系的實(shí)證研究。因此,為得到最大化能力利用率而不采取重復(fù)使用特定場景模擬的方法,需要更全面地理解樞紐和車站的能力利用率與服務(wù)水平之間的關(guān)系,本文的工作旨在解決這一問題。

        3 文獻(xiàn)綜述

        在英國,鐵路運(yùn)輸需求的增加是一個(gè)事實(shí),近幾年,每年的乘客人數(shù)都比19世紀(jì)40年代末期(OECD,2013)記載的乘客數(shù)量多,但路網(wǎng)規(guī)模卻減小了很多,大約是1948年鐵路路線里程的一半(Capgemini,2013)。雖然列車性能、信號控制技術(shù)在此期間有明顯改善,但不可避免的是鐵路路網(wǎng)的能力越來越緊張。正如交通部(DfT,2012)證實(shí)的那樣,客流的增速并沒有減緩:

        預(yù)計(jì)未來20~30年內(nèi)鐵路運(yùn)輸需求將穩(wěn)步增長,如果我們現(xiàn)在不采取行動,不提供更多額外的運(yùn)力,很多運(yùn)輸服務(wù)將在2020年中期全部飽和。

        通過新建或改造既有鐵路,包括高鐵2號線,連接倫敦與英格蘭中部和北部以及其他地區(qū)的高速鐵路,為路網(wǎng)區(qū)間提供或規(guī)劃提供額外的運(yùn)力。盡可能好地利用既有(和新建)基礎(chǔ)設(shè)施是至關(guān)重要的,從而最大限度地挖掘現(xiàn)有潛在的運(yùn)輸能力。

        但是,定義運(yùn)輸能力并不容易。正如國際鐵路聯(lián)盟(UIC,2004)指出的,即便能,也很難為任何給定的鐵路單元定義具體的運(yùn)力值:

        這樣的取值并不存在,鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)輸能力取決于它的使用方式。

        因此,可達(dá)到的運(yùn)輸能力不僅取決于包括信號系統(tǒng)在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施特征,還取決于使用基礎(chǔ)設(shè)施的列車性能特征和組合,運(yùn)行時(shí)刻表以及實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸服務(wù)的可靠性和準(zhǔn)時(shí)性的目標(biāo)水平。運(yùn)輸能力利用或運(yùn)能消耗(Pachl,2015)是指理論上的最大化(對于給定的運(yùn)營場景)。

        如上所述,在繁忙的鐵路系統(tǒng)中,兩個(gè)重要的且與運(yùn)輸能力相關(guān)的目標(biāo)是:①最大限度地增加可開行列車對數(shù),主要受服務(wù)組合、停站方案等的限制;②保持可接受的準(zhǔn)時(shí)性和可靠性水平。隨著運(yùn)輸能力利用水平的提高,不同運(yùn)輸能力的組合被采用(盡管如上面UIC所指出的,能力可以通過很多不同的方式利用,并對應(yīng)不同的能力服務(wù)水平)。

        然而,正如Pachl(2009)和Martin(2015)所指出的,隨著鐵路交通量的增加,“不同列車之間的運(yùn)行干擾越來越多”,與之相關(guān)的包括等待時(shí)間,既包括計(jì)劃內(nèi)(容許的)和計(jì)劃外(延誤)。一旦能力利用率超過上限,服務(wù)質(zhì)量的下降就尤其明顯(UIC,2004,2013)。

        因此可以看出,對于給定的運(yùn)輸能力利用水平,運(yùn)輸能力供給可能變化很大。相反,對于同一運(yùn)輸能力供給水平,能力利用水平可能不同,這取決于如何提供能力以及對服務(wù)質(zhì)量的影響。具體可總結(jié)如下(Armstrong et al.,2011):

        在運(yùn)輸能力不足的情況下,目標(biāo)通常是最大限度地提高能力利用率水平,這與提供穩(wěn)定可靠的服務(wù)質(zhì)量是一致的。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),有必要針對所討論的區(qū)間或路網(wǎng)的所有部分,即在節(jié)點(diǎn)(樞紐和車站)以及區(qū)間(節(jié)點(diǎn)之間的線路部分),對能力供給和能力利用率進(jìn)行衡量。目前區(qū)間可對能力利用進(jìn)行明確地衡量,但通常不適用于車站等節(jié)點(diǎn)。

        節(jié)點(diǎn)的問題非常重要,因?yàn)樗鼈兺纬陕肪W(wǎng)的能力瓶頸。如Armstrong等人所述,在DITTO研究項(xiàng)目之前的OCCASION項(xiàng)目中,提出節(jié)點(diǎn)能力利用評估措施的缺失,該課題重點(diǎn)研究了節(jié)點(diǎn)能力約束以及從區(qū)間到節(jié)點(diǎn)的能力利用率指標(biāo)(CUI)的擴(kuò)展方法(Gibson等,2002)。CUI方法原則上與UIC406方法類似,但是它是基于計(jì)劃而不是技術(shù)作業(yè)間隔,并且通常在較長的區(qū)間上,與英國使用的時(shí)刻表計(jì)劃流程和運(yùn)營規(guī)則(Network Rail,2016)一致。根據(jù)OCCASION項(xiàng)目的結(jié)論,需要進(jìn)一步研究可用于樞紐和車站,具有代表性的運(yùn)輸能力利用計(jì)量方法,并確定適用于節(jié)點(diǎn)車站的能力利用上限(UIC,2004,2013),像區(qū)間一樣。此外,OCCASION項(xiàng)目最初研究車站和樞紐CUI的測算,集中在London和Edinburgh之間的英國東海岸干線(ECML)的Peterborough,并未考慮或調(diào)查這些CUI和服務(wù)水平之間的關(guān)系。

        如Huber和Herbacek(2013)所述,研究節(jié)點(diǎn)運(yùn)輸能力利用的測算方法得到另一項(xiàng)研究的有力注腳,即UIC406更新(UIC,2013)科研項(xiàng)目與OCCASION項(xiàng)目同時(shí)進(jìn)行,且具有類似的目標(biāo)。在同一篇論文中,作者提到UIC406的后續(xù)研究項(xiàng)目ACCVA。ACCVA的目標(biāo)包括確定合適的節(jié)點(diǎn)能力利用上限,這也是DITTO項(xiàng)目更為廣泛的目標(biāo)之一。

        OCCASION開發(fā)的工具和方法已應(yīng)用于由Arup(2013)在南安普頓大學(xué)和倫敦帝國理工學(xué)院的支持下進(jìn)行的運(yùn)輸能力收費(fèi)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(CCR)。CCR系統(tǒng)的目的是,對包含英國國家鐵路網(wǎng)在內(nèi)的區(qū)間能力利用率與服務(wù)水平之間的關(guān)系(即較高的列車開行數(shù)量造成的二次延誤,稱為擁堵產(chǎn)生的反應(yīng)性延誤或CRRD)進(jìn)行分析、量化,從而計(jì)算出合理的收費(fèi)。然而,并沒有考慮路網(wǎng)中的車站。

        Landex(2011)和Libardo(2011年)介紹了基于UIC406研究運(yùn)輸能力和服務(wù)水平之間關(guān)系的方法。其他的研究方法有Pachl(2009)提出的基于“單通道系統(tǒng)”的行業(yè)方法,Potthoff及其改進(jìn)方法(Mussone,Calvo,2013),以及Vromans(2005)最早提出基于最短間隔倒數(shù)和的方法,隨后由Haith(2014)等人繼續(xù)進(jìn)行研究。

        4 研究方法和數(shù)據(jù)處理

        4.1 研究方法

        迄今為止,DITTO項(xiàng)目對能力利用率和服務(wù)水平之間關(guān)系的研究主要是持續(xù)的實(shí)證分析?;贠CCASION和CCR項(xiàng)目所做的工作,DITTO項(xiàng)目分析了樞紐和車站的能力利用測算和服務(wù)水平數(shù)值。

        最初,DITTO項(xiàng)目用的是2012年CCR項(xiàng)目生成的數(shù)據(jù)。根據(jù)位置對倫敦和東北路網(wǎng)的CRRD數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和匯總,其中每個(gè)車站和樞紐站最少記錄了2012年50條CRRD分類數(shù)據(jù),例如主要起終點(diǎn)站,貨運(yùn)站,兩條到發(fā)線的通過車站等。這種分類是為了便于分析,當(dāng)然也有其他分類。一般來講,這種分類是依據(jù)車站是不是中間的通過車站或者終點(diǎn)站,車站的到發(fā)線數(shù)量(這里通常是指車站的運(yùn)行線路數(shù)量)、站臺數(shù)量以及島式站臺的數(shù)量(如果有的話)等。對于某些布局獨(dú)特的車站或不太容易分類的車站,因?yàn)楠?dú)特的布局或較多的站臺和/或到發(fā)線數(shù)量的車站,采用復(fù)雜、小型、中型或者大型來描述,這取決于車站的規(guī)模。去除掉了周平均少于一件CRRD事件的離群數(shù)據(jù),最后的數(shù)據(jù)集包含該條線路上91.6%的數(shù)據(jù)樣本。表1總結(jié)了節(jié)點(diǎn)的分類,每種類別中包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)量以及與每種類型的延遲次數(shù)。

        上述包含91.6%數(shù)據(jù)樣本的數(shù)據(jù)集不包括任何樞紐站,這表明節(jié)點(diǎn)的CRRD主要發(fā)生在車站,至少在國家路網(wǎng)這部分是這樣考慮的。在最初的分析和方法論研究中,沒有將貨運(yùn)站納入研究,有這樣幾個(gè)理由:貨運(yùn)站與路網(wǎng)中車站和樞紐服務(wù)水平分析的相關(guān)性較差;列車運(yùn)行的詳細(xì)數(shù)據(jù)不易獲得;列車開行次數(shù)不如車站和樞紐頻繁。因此,最初的研究重點(diǎn)是表格中的第二項(xiàng),即2股道通過車站。DITTO項(xiàng)目研究了位于London和Edinburgh東海岸的干線(ECML),包括Hertford環(huán)線的Alexandra Palace和Doncaster之間的線路,不包含2012年CRRD數(shù)據(jù)集里的任何車站。因此,選取了屬于2股道通過站的Knaresborough車站(有交匯),用于研究方法和工具的初步開發(fā)。該車站的優(yōu)勢有:2012年記錄了174件CRRD事件,同時(shí)辦理始發(fā)、終到和通過旅客列車服務(wù),包括列車在車站的始發(fā)終到作業(yè)。圖1~3是路網(wǎng)公司網(wǎng)站上國家電子信息部門在線數(shù)據(jù)的附錄(NESA;Network Rail,2017)中獲得,顯示了Knaresborough的建模區(qū)間。該區(qū)域從西部的Harrogate(如圖1底部所示)延伸至東部的Hammerton(如圖3底部所示)。

        雖然建模的重點(diǎn)是在兩個(gè)站臺股道和包含Knaresborough站西向交匯點(diǎn)(并且在較小程度上,轉(zhuǎn)向東向,該線路變成單線),但對建模區(qū)域進(jìn)行了延伸,如前所述,西部包括Starbeck和Harrogate,東部包括Cattal和Hammerton。其主要原因是為Knaresborough車站兩側(cè)的計(jì)時(shí)點(diǎn)位置(TIPLOCs)提供時(shí)刻信息,以便計(jì)算鄰近車站道岔的中間時(shí)刻,此外還包括時(shí)刻表中指定的通過Knaresborough車站站臺的時(shí)刻。對于Harrogate和Knaresborough間的ECS移動,時(shí)間僅針對這兩個(gè)站點(diǎn),而不針對Starbeck,因此需要在模型中包含Harrogate。由于Cattal's納入模型滿足了這一需求,因此不需要納入Hammerton,但為了實(shí)現(xiàn)短期目的,該站和東面的道岔被納入模型,為了便于下面描述的初始路徑搜索。在通用接口文件(CIF)的時(shí)刻表數(shù)據(jù)中,沒有規(guī)定站臺編號(或在NESA摘錄中顯示),如下文所講的,通用的建模方法還有其他方面的好處(比如可以將這種方法擴(kuò)展到在時(shí)刻表數(shù)據(jù)中沒有明確規(guī)定站臺編號的車站)。雖然這種通用化并不是初始研究選擇的主要因素,但這是在Knaresborough站臺數(shù)量和記錄的延誤數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上制定的,因此它提供了另外的一些好處。模型所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集已經(jīng)建立,描述為:TIPLOCs,每個(gè)站臺,用以將節(jié)點(diǎn)連成路網(wǎng)的道岔,以及它們之間的區(qū)間,包括區(qū)間的長度和方向。

        4.2 數(shù)據(jù)處理

        確定了最初要模擬的區(qū)域并取得必要的數(shù)據(jù)后,選定日期和模擬區(qū)域,列車運(yùn)行數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行提?。?012年3月14日星期三,在CCR中使用的“中性”日期,不受節(jié)假日或其他“非標(biāo)準(zhǔn)”時(shí)刻表特征的影響)。OCCASION和CCR項(xiàng)目的數(shù)據(jù)處理方法是基于其他目的開發(fā)的工具,有較多的冗余功能且效率不高。因此,需要重新編寫以滿足DITTO項(xiàng)目的具體需求,未來也可能用于CCR測試以及該領(lǐng)域的其他工作。

        CIF文件搜索了在指定日期開行,并且在Hammerton和Harrogate之間的某些或全部車站停站的列車。在查找這些列車時(shí),記錄了其唯一的ID(UID)、頭碼、服務(wù)代碼,以及表示車站、相關(guān)時(shí)刻和活動(即始發(fā),發(fā)車,通過,到達(dá)或終止)的TIPLOC。然后,處理數(shù)據(jù)集以識別列車的詳細(xì)路線和通過模擬區(qū)域的時(shí)刻。

        如上所述,對于模擬區(qū)域中的一些站點(diǎn),CIF數(shù)據(jù)沒有指定站臺編號,因?yàn)殡p線鐵路是分上下行方向來運(yùn)行,沒有更多的選擇。然而,要準(zhǔn)確評估單個(gè)站臺的能力利用率,確定哪些站臺正在被哪些列車使用是很重要的(這在OCCASION或CCR項(xiàng)目中不是問題,因?yàn)樵谶@些研究中,復(fù)雜車站的站臺和股道都被指定,它們僅評估區(qū)間的能力利用率)。DITTO的路徑搜索方法進(jìn)行了推廣,用來識別未被指定編號的站臺。

        在確定了詳細(xì)徑路之后,根據(jù)指定時(shí)刻的TIPLOCs中間距離,對中間位置點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間內(nèi)插(假定列車在區(qū)間一直運(yùn)行,盡管在一些未預(yù)計(jì)的調(diào)度命令下,像下面所講的這并不完全正確)。時(shí)間內(nèi)插是一種簡化的、沒有考慮速度變化和加減速的影響,但對于計(jì)算能力利用率來說,這是合理的,這種計(jì)算基本上是基于事件和異步的,反映了列車數(shù)量和它們的間隔時(shí)間,而不是詳細(xì)的時(shí)間安排,盡管所用的時(shí)間段來自于詳細(xì)的時(shí)刻表數(shù)據(jù)。

        當(dāng)所有列車的詳細(xì)路線已經(jīng)確定(這些路線是固定的,不需要修改,因?yàn)槭腔谂哦ㄟ\(yùn)行時(shí)刻表進(jìn)行分析),模擬網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間和活動被匯總和分類,并且從24個(gè)1h和標(biāo)記為AH的8個(gè)3h的時(shí)間集合中進(jìn)行分配,從01:00開始。這種方法吸取CCR項(xiàng)目獲得的經(jīng)驗(yàn),其中1h時(shí)間集產(chǎn)生的擾動數(shù)據(jù)比3h時(shí)間集多。從01:00開始和結(jié)束,以3h為一個(gè)時(shí)間單位,這種方法還其它方面的優(yōu)勢,它將標(biāo)準(zhǔn)的早晚高峰期:07:00~10:00和16:00~19:00劃入一個(gè)時(shí)間區(qū)間。從01:00~04:00的第一個(gè)時(shí)間區(qū)間標(biāo)記為A,早晚高峰的時(shí)間區(qū)間分別標(biāo)記為C和F,最后一個(gè)時(shí)間區(qū)間從22:00~01:00標(biāo)記為H。

        對于每個(gè)1h和3h的時(shí)間區(qū)間,通過“縮短”列車活動序列到合適的最小時(shí)間間隔來確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能力利用率。通過計(jì)算,可以區(qū)分不同活動類型和最小間隔/重新占用時(shí)間、停站時(shí)間和周轉(zhuǎn)時(shí)間之間的關(guān)系。對于通過車站的列車,其占用時(shí)分為接入車站的最小間隔時(shí)間。對于停站和然后發(fā)車的列車(即正常的旅客上下車停站),其占用時(shí)分為最短停留時(shí)間和最短間隔時(shí)間之和。對于終到、折返、始發(fā)或入段列車,其占用時(shí)分為最短周轉(zhuǎn)時(shí)間和最短時(shí)間間隔/重新占用時(shí)間之和。在UIC 406(UIC,2013)的修訂版本中沒有給出指導(dǎo)性原則,而且在修訂后,UIC 406說明書中的示例計(jì)算也不包括任何停站列車;然而,將停站時(shí)間和周轉(zhuǎn)時(shí)間縮短到最小與最小化間隔時(shí)間類似,確保了方法的一致性。由于Knaresborough的信號系統(tǒng)采用區(qū)間閉塞控制,使情況變得復(fù)雜,無法獲得標(biāo)準(zhǔn)的最小間隔時(shí)間。根據(jù)運(yùn)行計(jì)劃的行車規(guī)則和運(yùn)行計(jì)劃表中提供的信息,文中采用了以下數(shù)值:

        (1)最短間隔時(shí)間/重新占用時(shí)間-3min;

        (2)最短停留時(shí)間-1min;

        (3)最短周轉(zhuǎn)時(shí)間-5min。

        壓縮時(shí)分首先受限于站臺,道岔和平交道口,擴(kuò)展到區(qū)間,正如OCCASION和CCR的情況一樣,為下一個(gè)控制周期的重復(fù)占用做準(zhǔn)備,并提供更多更全面的數(shù)據(jù)集合。

        從區(qū)間數(shù)據(jù)集可看出,在Knaresborough東面站臺2上,有幾列終到列車沒有發(fā)車,相反地,西面站臺1始發(fā)的列車還沒有終到。可以推斷,CIF的數(shù)據(jù)將從站臺2到站臺1的列車出入段或調(diào)車轉(zhuǎn)線活動排除在外,可能是因?yàn)檫\(yùn)轉(zhuǎn)考慮在單個(gè)TIPLOC內(nèi)進(jìn)行(類似的列車運(yùn)轉(zhuǎn)在其它車站可明確地記錄時(shí)刻,通過循環(huán)或與獨(dú)立的TIPLOC)。通過創(chuàng)建14個(gè)ECS/轉(zhuǎn)線活動,將它們添加到CIF文件并重新計(jì)算能力利用率,來修正這一問題。這種情況可能并不常見,但對運(yùn)用CIF數(shù)據(jù)自動分析能力利用率是一個(gè)障礙,如果將這些活動明確定義包含在運(yùn)行時(shí)刻表數(shù)據(jù)中將是有益的。

        使用Excel將Knaresborough的工作日CRRD數(shù)據(jù)進(jìn)行提取,并將其分配給指定的1h和3h時(shí)間區(qū)間;如下所述,它旨在使此過程自動化,以整合能力利用計(jì)算和延誤分配。

        在利用2012年的數(shù)據(jù)對Knaresborough進(jìn)行初步研究之后,運(yùn)算過程被應(yīng)用到DITTO項(xiàng)目的主要研究區(qū)域,在Alexandra Palace和Doncaster之間的東海岸干線,主要側(cè)重于研究該區(qū)間往南方向的(或“上行”,即去往倫敦)列車,Grantham和Huntingdon之間的線路,特別是Peterborough,是這條線路上的重要車站和樞紐。上行線路部分如圖4所示。

        選擇以Peterborough為中心進(jìn)行研究有幾個(gè)原因:該路網(wǎng)的同一部分在OCCASION項(xiàng)目中也有研究,因此項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)熟悉并擁有該地區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在這期間,Peterborough的布局進(jìn)行了一些改造,之前的側(cè)式站臺1被拆除,通過站臺3恢復(fù)使用,以及在西側(cè)增加了島式站臺6和7,所以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也進(jìn)行了相應(yīng)更新,圖16是修改后的車站布局圖。通過類似的研究領(lǐng)域,OCCASION項(xiàng)目也提供了一個(gè)一致的“分析平臺”,并將DITTO鐵路系統(tǒng)項(xiàng)目(Preston等,2017)與OCCASION項(xiàng)目得到的結(jié)果進(jìn)行比較。盡管對Peterborough車站布局的改造,降低了兩項(xiàng)研究之間的一致性,但影響效果并不明顯,特別是在更廣泛的研究區(qū)域內(nèi),而且比選取其它替代車站來研究獲得的一致性要高得多。

        除了基礎(chǔ)設(shè)施改動之外,為反映它們對服務(wù)水平的影響(以及運(yùn)行時(shí)刻表計(jì)劃規(guī)則的任何變化),需更新分析數(shù)據(jù),即采用新的運(yùn)行時(shí)分表和服務(wù)水平數(shù)據(jù)集。使用2015年7個(gè)月的時(shí)分表數(shù)據(jù),并選擇2015年11月4日星期三這個(gè)“中性日期”作為代表性日期進(jìn)行仿真,取得了相應(yīng)的服務(wù)水平數(shù)據(jù)。然后,ECML重復(fù)Knaresborough的分析處理過程,兩者的結(jié)果將在下一章節(jié)中介紹。

        4.3 數(shù) 據(jù)

        如上所述,初始分析的數(shù)據(jù)來源于之前進(jìn)行的CCR工作,然后獲得了基于ECML分析的更新的運(yùn)行時(shí)刻表和服務(wù)水平數(shù)據(jù)。英國鐵路行業(yè)開放數(shù)據(jù)的可用性日益增加:CIF格式的運(yùn)行時(shí)刻表數(shù)據(jù)(用于能力利用率計(jì)算)和歷史服務(wù)水平數(shù)據(jù)(某些列車的晚點(diǎn)記錄)都來自于Network Rail網(wǎng)站。這代表近年來數(shù)據(jù)可用性顯著改善,因?yàn)镺CCASION和CCR項(xiàng)目對這些數(shù)據(jù)集提出了專門的要求。

        跟以前一樣,運(yùn)行時(shí)刻表計(jì)劃規(guī)則(Network Rail,2016)也規(guī)定了最小的計(jì)劃時(shí)間間隔,最小銜接間隔以及車站最短停留時(shí)間和周轉(zhuǎn)時(shí)間,這些資料可以在線查找。

        為了構(gòu)建路網(wǎng)模型,可以在線獲得一些數(shù)據(jù),包括本文中用于說明車站布局的部分附錄。但這是通過參考其他資料來源來補(bǔ)充,包括商業(yè)出版的股道圖和鐵路行業(yè)內(nèi)可用的電子“五英里圖表”。

        5 研究結(jié)果和結(jié)論

        下面介紹這項(xiàng)工作的研究結(jié)果和結(jié)論,首先是Knaresborough車站的前期工作,然后是Retford和Peterborough之間的ECML車站。

        5.1 Knaresborough車站

        Knaresborough車站站臺1和2采用小時(shí)單位(0~23)和3h單位(A~H)的CUI值如表2示,以及分配給每個(gè)站臺的相應(yīng)年度CRRD時(shí)分。

        站臺1和2的3h單位能力利用率和CRRD結(jié)果分別如圖5和6示。

        對于這兩個(gè)站臺,可以看到能力利用率和延誤之間呈指數(shù)關(guān)系,與排隊(duì)理論的預(yù)測一致(線性和冪函數(shù)關(guān)系也進(jìn)行了分析),盡管較小的R2值表明其他因素也影響服務(wù)水平。該站靠近東部的單線路段可能是一個(gè)因素,從R2的值較小和東面站臺2的CRRD值較高可看出。這兩種情況下,相對較低的CUI取值時(shí),CRRD迅速增加。

        5.2 東海岸干線:Retford-Peterborough

        在東海岸干線上,對Retford和Peterborough之間的車站進(jìn)行了等效分析,使用最新的時(shí)刻表和CRRD數(shù)據(jù)用于往南方向的上行列車。沒有對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行列表,每個(gè)站的布局圖和相關(guān)統(tǒng)計(jì)輸出如圖7~19所示。

        圖7顯示了Retford站的布局(往南方向的線路從下到上),圖8中的數(shù)據(jù),顯示上行主要線路方向的3h通過能力利用與通過總CRRD之間的關(guān)系。圖9和10顯示了上行島式站臺(UPL,Platform 1)和道岔2242的相同結(jié)果,這里UPL重新加入上行主要線路。

        可以看出,上行線路和道岔2242的數(shù)據(jù)特別采用了期望的形式,并且所有三個(gè)擬合的指數(shù)曲線都具有相當(dāng)高的R2值。然而,島式站臺的CUI值很低,不太可能決定CRRD的整體服務(wù)水平。匯集點(diǎn)道岔的數(shù)據(jù)包含了三個(gè)數(shù)據(jù)集里的最大CUI值以及最高的R2值。直觀來看這是正確的,因?yàn)榈啦韺⒔影l(fā)上行線路的最多數(shù)量的列車,并且通過道岔的列車將最容易因?yàn)閾矶乱鹧诱`。

        Newark North Gate車站的布局和CRRD/CUI關(guān)系如圖11和圖12所示。再次,研究了上行線路(UM),島式站臺(NPL)和匯集點(diǎn)道岔之間的關(guān)系,并且發(fā)現(xiàn)道岔(2181A)的數(shù)據(jù)具有最高級別的相關(guān)性,為0.5953,如圖12所示(上行主要股道的等效R2值為0.5416)。該數(shù)據(jù)與Retford車站道岔的等效值類似,盡管Newark North Gate車站的R2值相當(dāng)?shù)汀?/p>

        Grantham車站的布局和CRRD/CUI關(guān)系如圖13和圖14所示。又一次,研究了上行快速線路(UF,站臺1),下行/上行低速線路(DUS,站臺4)和它們的匯聚點(diǎn)道岔2104A之間的關(guān)系。

        最高相關(guān)系數(shù)(0.9136)是在下行/上行低速線路獲得的,但對于Retford和Newark North Gate的島式站臺,CUI值非常低。次高的R2值為0.8716,對于道岔,略高于上行快速線路(0.8204)。

        圖15~19揭示了Peterborough車站的布局和選定的CRRD/CUI分析結(jié)果。不同股道/站臺和道岔1218采用往南方向延誤總計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始分析產(chǎn)生相對較低的R2值,上行島式站臺2(U2)與上行快速(UF)/上行主干(UM)線路(圖17)在道岔1218匯集。這反映了車站的相對復(fù)雜性,以及往南運(yùn)行列車的排序和站臺4~7的延誤(圖16右側(cè)),站臺1~3也類似。

        因此延誤數(shù)據(jù)被分解到股道或站臺,其優(yōu)點(diǎn)是可以消除一些偏離值,如圖17示,這與通過站臺4~7的貨運(yùn)列車較大延誤相關(guān)。分解的效果數(shù)據(jù)可以通過比較圖18和圖19以及相關(guān)的R2值。對于分解數(shù)據(jù),最高水平的相關(guān)性是在上行快速線路(站臺3)獲得,R2的值接近0.85。

        5.3 研究結(jié)論

        可以看出,對于選定的車站,歷史能力利用率和與擁堵相關(guān)的延誤值之間的關(guān)系是一種期望指數(shù)(或類似)形式,并且能力利用水平似乎與擁堵延誤存在一定的一致性,超過這個(gè)水平,反應(yīng)延遲時(shí)分開始顯著增加。根據(jù)最初的2004年UIC 406說明書,這些值似乎也低于建議用于普通路段,即在混合交通道路3h區(qū)間的60~75%之間(實(shí)際差異大于此值,因?yàn)镃UI方法將時(shí)間表縮短到最小計(jì)劃時(shí)分,大于技術(shù)作業(yè)時(shí)分,從而產(chǎn)生更高的能力利用值)。這與列車運(yùn)行的相對復(fù)雜性和可變性一致,站點(diǎn)之間的交互(匯合點(diǎn)在較小程度上),以及節(jié)點(diǎn)構(gòu)成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)瓶頸的共識。需要進(jìn)一步的數(shù)據(jù)和分析來進(jìn)一步發(fā)展這種認(rèn)識,總結(jié)這種聯(lián)系(如果可能的話),確定適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)能力利用率上限。

        5.4 正在開展和進(jìn)一步研究的問題

        目前正在擴(kuò)展和開發(fā)通過能力利用和CRRD數(shù)據(jù)集,并持續(xù)深入分析它們之間的關(guān)系。除了發(fā)現(xiàn)一些有用的和有趣的研究結(jié)論之外,目前的工作已經(jīng)表明,對單個(gè)車站和樞紐站的分析是相當(dāng)費(fèi)力且耗時(shí)的。在必要時(shí)候,能力利用的計(jì)算處理需要對每個(gè)車站(或樞紐站)節(jié)點(diǎn)建模表示,但該模型可以重復(fù)用于分析不同的運(yùn)行時(shí)刻和時(shí)間段。然而,延誤時(shí)分并不一定是相同的(如果同一列火車在不同的時(shí)間在同一地點(diǎn)被延誤,指令可以重復(fù)使用,但必須進(jìn)行初始賦值,記錄,并隨后匹配完成這項(xiàng)任務(wù))。

        對于相對簡單的情況,例如,2股道通過車站,其中一個(gè)方向運(yùn)行的列車使用一條股道/站臺,而相反方向運(yùn)行的列車使用另一條股道/站臺,可以按方向以相對快速和直接的方式進(jìn)行半手動延誤分配。但是,與Peterborough的情況一樣,當(dāng)一個(gè)方向有多條股道和站臺選擇時(shí),以及有不同的列車類型(貨運(yùn),以及長途,通勤和管內(nèi)旅客列車),始發(fā)站和終點(diǎn)站,對每條股道、站臺和道岔的延誤分配需要更多的思考和更長的處理時(shí)間。因此,正在研究處理延誤記錄并將其自動分配給車站和樞紐站的股道和/或站臺的方法。這將有助于開發(fā)一個(gè)更大的數(shù)據(jù)集合,無論是在地理上還是在時(shí)間上,并且在鐵路網(wǎng)絡(luò)的站點(diǎn)上進(jìn)行多周期(如四個(gè)星期)快速延誤分配。

        這項(xiàng)工作的一個(gè)重要部分是確定車站和樞紐站能力利用的合適上限,超過這個(gè)限度將不大可能達(dá)到可接受的服務(wù)水平。這種方法考慮了提供額外的列車服務(wù)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益與列車延誤導(dǎo)致利益受損,這二者之間的權(quán)衡(Preston等,2015)。這個(gè)和其它方法將會被進(jìn)一步分析和研究。

        如前所述,英國鐵路行業(yè)持續(xù)依賴于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和它們之間的聯(lián)系(與數(shù)據(jù)模擬相結(jié)合)。除了計(jì)算和分配CUI和相關(guān)的CRRD數(shù)據(jù),研究路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和區(qū)間的能力利用率與服務(wù)水平的關(guān)系之外,研究目前已有方法的應(yīng)用,比如用極大代數(shù)法來評估英國列車運(yùn)行時(shí)刻的穩(wěn)定性。開發(fā)這些模型并將其計(jì)算結(jié)果和預(yù)測與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比將是非常有用的,這是計(jì)劃在這一領(lǐng)域進(jìn)一步開展工作的目標(biāo)。

        下一步的工作將會由英國鐵路和公路局(ORR’s)在即將開展的2018年英國鐵路定期評估(PR18)(ORR,2016)中進(jìn)行。評估項(xiàng)目將包括資金水平,績效目標(biāo)和各種措施的重新調(diào)整,可能包括線路使用收費(fèi),而DITTO鐵路系統(tǒng)項(xiàng)目的一些研究結(jié)論很可能被應(yīng)用。

        6 結(jié) 論

        本文中的建模和分析是建立在以前的工作基礎(chǔ)上,對一般通過車站和樞紐站(可能)能力利用與服務(wù)水平(即延誤)之間的關(guān)系進(jìn)行擴(kuò)展,并做進(jìn)一步的理解和認(rèn)識。改進(jìn)的能力利用計(jì)算方法和工具得到了令人滿意的結(jié)果,并將在DITTO鐵路系統(tǒng)項(xiàng)目接下來的研究中繼續(xù)開發(fā)和實(shí)施,并用于更廣泛的分析目標(biāo),可能包括PR18的每個(gè)方面。

        關(guān)于運(yùn)輸能力利用與服務(wù)水平之間關(guān)系更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),有助于揭示在多大程度上,在既有的時(shí)刻表里提供更多的運(yùn)輸服務(wù)而不會引起不可接受的服務(wù)水平降低,從而有助于確定路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的能力利用上限,類似于節(jié)點(diǎn)之間區(qū)間的能力上限值。除了解決UIC 406第二版中提出的一些問題之外,最大化運(yùn)輸能力的同時(shí)保持可靠可接受服務(wù)水平是一個(gè)具有普遍意義廣泛討論的問題。

        作為共同關(guān)注的一部分,增進(jìn)對二者關(guān)系的理解,研究結(jié)果還提供了一個(gè)數(shù)據(jù)集,該數(shù)據(jù)集可用于驗(yàn)證英國現(xiàn)行時(shí)間表穩(wěn)定性分析的其它方法,如:極大代數(shù)法。在這方面的成功有助于說服行業(yè)保守和懷疑的觀點(diǎn),其優(yōu)點(diǎn)和潛在的好處在其他地方已得到證實(shí)。

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        譯文出處:Journal of Transport Planning Management 7(2017)187-205.

        journal homepage:www.elsevier.com/locate/jrtpm.

        收稿日期:2018-3-25

        譯者簡介:蔡勝全(1966-),男,四川內(nèi)江人,高級工程師,主要從事鐵路運(yùn)輸組織和鐵路樞紐及車站規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

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