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        基于快慢車組合的市域軌道交通越行站設(shè)置分析

        2019-10-18 09:35:03張香明陳穎雪劉志鋼于莉
        物流科技 2019年9期

        張香明 陳穎雪 劉志鋼 于莉

        摘要:《上海市城市軌道交通第三期建設(shè)規(guī)劃》指出,未來5年內(nèi)(2018~2023年)規(guī)劃建設(shè)上海市域軌道交通線路286公里。市域線規(guī)劃建設(shè)的初期應(yīng)將工程需求與運(yùn)營需求相結(jié)合,滿足快慢車的開行。優(yōu)化越行站的設(shè)置數(shù)量。越行站數(shù)量與位置影響工程規(guī)模、工程造價,且受乘客出行需求和企業(yè)運(yùn)營成本的影響。文章建立基于越行站工程造價、乘客出行成本和企業(yè)運(yùn)營成本組成的社會總成本最優(yōu)化模型,通過遺傳算法求解越行站設(shè)置數(shù)量及位置。實例驗證表明,該模型可以兼顧工程投資與運(yùn)營功能的平衡,優(yōu)化市域線越行站的設(shè)置。

        關(guān)鍵詞:市域軌道交通;快慢車;越行站;最優(yōu)化模型

        中圖分類號:F570文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        0引言

        《上海市城市軌道交通第三期建設(shè)規(guī)劃》指出,在未來5年內(nèi)(2018-2023年)規(guī)劃建設(shè)市域軌道交通286公里,以快慢車模式運(yùn)營的市域線和快軌線成為當(dāng)前發(fā)展趨勢,為城市中長距離出行乘客提供服務(wù)。越行站的設(shè)置實現(xiàn)了快慢車組合運(yùn)營。市域軌道交通線路在建設(shè)前期,若僅從運(yùn)營需求角度出發(fā),即只考慮平衡乘客出行需求與企業(yè)運(yùn)營成本的關(guān)系,會造成快慢車越行次數(shù)過多,增加上線車組數(shù)和越行站建設(shè)的數(shù)量,同時,工程造價和后期維修保養(yǎng)費(fèi)用也會增加。僅考慮線路工程建設(shè)的難度,選取不合理的越行站,則會降低快慢車通過能力和乘客滿意度,帶來較多的負(fù)面影響。越行線建設(shè)難度和越行車站性質(zhì)有關(guān),地下車站增加建設(shè)越行線的難度和費(fèi)用是高架車站建設(shè)的4~5倍。根據(jù)國外的先進(jìn)經(jīng)驗,日本筑波快線全長58.3km,共20座車站,并開行三種類型的快慢車,而線路全線僅有3個越行站,既滿足了乘客出行時間的節(jié)省,又降低了線路建設(shè)的費(fèi)用和難度。因此,在市域軌道交通建設(shè)前期,如何兼顧運(yùn)營需求和工程造價要求,設(shè)置合理的越行站,使得既可以滿足運(yùn)營需求又可以使越行站配置最優(yōu)化,是線路規(guī)劃時期的重點內(nèi)容。

        目前,較多學(xué)者從乘客出行需求和降低企業(yè)成本的角度,確定越行位置和快慢車行車方案。Kurt以德國市郊鐵路為研究對象,針對該線路采用的快慢車組織方案進(jìn)行理論分析,并研究了快慢車運(yùn)行模式下的鐵路越行位置的設(shè)計方法;張澤英等研究了列車越行組織會對快慢車行車方案產(chǎn)生較大影響,并分析了影響列車越行的因素;Mignoe等建立數(shù)學(xué)模型確定不同時段快慢車的停站方案,以保證線路運(yùn)能可以滿足沿線各車站不均衡的旅客乘降量;唐祿林從乘客出行時間和企業(yè)運(yùn)營成本的角度出發(fā),建立以乘客旅行時間最短和企業(yè)運(yùn)營成本最小為目標(biāo)函數(shù)的快慢車組合方案多目標(biāo)優(yōu)化模型;陳曉峰從實際出發(fā)分析快慢車開行比例與停站方案之間的聯(lián)系,并以上海地鐵16號線為例,選取不同的快慢車組合模式與開行方案,對比各方案的運(yùn)能得到,適應(yīng)度最高的快慢車運(yùn)行組織方案。

        目前,少有學(xué)者從運(yùn)營需求和工程需求兩者最優(yōu)的角度出發(fā)考慮快慢車行車方案及越行站設(shè)置方案。本文建立由越行站工程造價、乘客出行時間成本和企業(yè)運(yùn)營成本組成的社會總成本的最優(yōu)化模型,對市域軌道交通線路越行站數(shù)量及位置進(jìn)行優(yōu)化研究,確定快慢車行車及越行站設(shè)置方案,并對比基于運(yùn)營需求模型得到的越行站設(shè)置成本。論證工程造價因素對于越行站設(shè)置方案的影響,為越行站設(shè)置決策提供多角度比選方案。

        1問題建模

        市域軌道交通線路設(shè)計快慢車行車方案,確定快車停車與越行車站,為了滿足運(yùn)營需求,往往會選取過多的越行站,甚至規(guī)劃復(fù)線供快慢車開行。這種做法會使得越行線在建設(shè)過程中面臨著建設(shè)空間的制約;另一方面會因為較高的工程造價而增加投資成本。僅考慮線路工程建設(shè)的難度,配置不合理的越行線,則會降低快慢車通過能力和增加乘客出行時間,帶來較多的負(fù)面影響。通過對越行站工程造價、乘客出行時間成本和企業(yè)運(yùn)營成本模型的構(gòu)建,得出社會總成本模型,確定市域軌道交通線路快慢車停站及越行方案。

        1.1模型假設(shè)

        由于列車停站方案比較復(fù)雜,為方便對社會總成本模型的分析和建立,首先給出以下幾點假設(shè):

        (1)為了避免乘客候車時間過長,采用快慢車1:1的開行比例;

        (2)只研究列車單向開行情況;

        (3)模型優(yōu)化只針對某一種單一交路方式、固定列車編組方案,且列車運(yùn)行參數(shù)相同;

        (4)所有乘客均能上車,站臺無乘客滯留;

        (5)起終點為快車站的乘客選擇乘坐快車,起終點為慢車站的乘客選擇乘坐慢車;起終點一個為快車站一個為慢車站的乘客,根據(jù)在途時間最短的原則,選擇快慢車之間的換乘,且旅途中只能發(fā)生一次換乘;

        (6)列車僅在車站發(fā)生越行行為。

        1.2社會總成本模型

        社會總成本包括越行站工程造價、乘客出行成本以及企業(yè)運(yùn)營成本。

        1.2.1越行站工程造價Z1

        車站的類型不同,增加建設(shè)越行線的難度和造價也不一樣。地下車站建設(shè)難度和造價最高,高架線路次之,地面車站最小。

        (1)越行站設(shè)置數(shù)量

        越行站設(shè)置數(shù)量主要取決于后行快車越行前行慢車的次數(shù)。當(dāng)前行慢車與后行快車之間的追蹤間隔不滿足系統(tǒng)最小追蹤間隔時,快車需要越行慢車來保證線路運(yùn)行安全。依據(jù)下式求解越行站建設(shè)數(shù)量:

        2實例驗證

        2.1線路特征

        A市規(guī)劃建設(shè)某條城市軌道交通市域線路全長為59km,線路共設(shè)13座高架車站,線路平均站間距為4.53km,站站停列車全線運(yùn)行時間為61.87min。線路運(yùn)行列車均為A行車6節(jié)編組(定員1860人)。線路站間距如表1所示。

        根據(jù)線路OD客流預(yù)測,區(qū)間斷面客流不均衡系數(shù)達(dá)到1.93(區(qū)間斷面客流不均衡系數(shù)趨近1,代表客流空間分布較為平均,客流在空間斷面上分布的不均勻程度較大。該線路長距離出行乘客人數(shù)較多,且在部分車站上下車客流比較集中。因此,該市域線路應(yīng)采用快慢車模式運(yùn)行。模型中相關(guān)取值參數(shù)見表2。

        2.2停站及越行方案

        應(yīng)用MATLAB遺傳算法求解基于社會總成本的最優(yōu)化模型和基于運(yùn)營需求成本(乘客出行成本和企業(yè)運(yùn)營成本)的最優(yōu)化模型,并得到相應(yīng)的快慢車停站及越行方案。圖2為迭代過程中目標(biāo)函數(shù)值的變化情況,當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到250代時,兩種目標(biāo)函數(shù)值趨于穩(wěn)定。當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到300代時,兩種目標(biāo)函數(shù)綜合評價值達(dá)到最優(yōu),說明該算法有較好的收斂性。不同目標(biāo)下快車停站及越行方案見表3。

        由計算結(jié)果可知:在優(yōu)化時段60min內(nèi),以社會總成本最小化求得的快慢車發(fā)車總次數(shù)為18次(慢車8次,快車10次);快車發(fā)車間隔為360s,慢車發(fā)車間隔為420s;停車方案為快車停靠站共8座,分別是1、2、3、4、9、11、12、13,并在車站8和車站10配置供快車越行前行慢車的越行線。以運(yùn)營需求成本最小化得出的快慢車發(fā)車總次數(shù)為20次(慢車9次,快車11次);快車發(fā)車間隔為330s,慢車發(fā)車間隔為390s;開行方案為快車停靠站共7座,分別是1、2、4、8、9、12、13,配置越行線的車站共3座,分別是3、7、10。

        對兩種最小化目標(biāo)函數(shù)的成本進(jìn)行對比,對比結(jié)果見表4。由社會總成本最小化確定的越行站配置方案比僅以運(yùn)營需求而得到的方案更有經(jīng)濟(jì)效益。在優(yōu)化時段內(nèi),越行站工程造價成本降低33%??傎M(fèi)用可節(jié)省2.11%,約6471元/小時。實例驗證表明,將工程需求和運(yùn)營需求同時納入市域軌道交通線路建設(shè),可以優(yōu)化越行站的設(shè)置,兼顧工程投資與運(yùn)營功能的平衡。

        3結(jié)束語

        本文將快軌線路工程需求和運(yùn)營需求相結(jié)合,以快車停站與否為決策變量,建立由越行站工程造價、乘客出行成本和企業(yè)運(yùn)營成本組成的社會總成本最優(yōu)化模型,并采用遺傳算法進(jìn)行求解。根據(jù)實例驗證,在滿足運(yùn)營需求的情況下,該模型優(yōu)化了市域軌道交通線路越行站設(shè)置數(shù)量,降低社會總成本。較基于運(yùn)營需求得到的建設(shè)方案,可以降低越行站工程造價33%,節(jié)省總成本2.11%,約6471元/小時。

        本文在越行站配置條件的問題上研究的還不夠深入,日后應(yīng)考慮在車站位置復(fù)雜的情況下,應(yīng)該如何更為合理地設(shè)置越行站。

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