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        考慮客流時空不均衡性的城軌列車大小交路方案研究

        2022-08-05 03:06:28盧立紅文春景
        山東交通科技 2022年3期

        盧立紅,文春景

        (山東省交通科學研究院,山東 濟南 250031)

        引言

        隨著城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大和網(wǎng)絡化運營的發(fā)展,客流的時空不均衡性越來越明顯。在滿足乘客需求的基礎上,對資源進行優(yōu)化配置,成為運營管理考慮的首要問題。國內(nèi)外眾多專家學者在城市軌道交通多樣化運營領域進行了深入研究,提出了組織多編組列車、大小交路運行、開行快慢車等方式[1-4]。徐新玉[5]對城市軌道交通不同交路形式的適應性、優(yōu)缺點進行了分析;許得杰等[6-7]在考慮小交路區(qū)段列車滿載率的基礎上,構(gòu)建了大小交路運行方案的多目標優(yōu)化模型。大小交路運行模式能夠有效地匹配客流時空不均衡性問題,但目前研究中針對客流時空不均衡性的分析略顯不足。

        1 客流時空不均衡性分析

        客流是確定列車行車方案和優(yōu)化行車組織的基礎,充分考慮客流的動態(tài)時變性對提高線路、設備與車輛的利用率具有重要意義。

        1.1 客流時空分布特征

        客流的動態(tài)變化與車站周邊的用地性質(zhì)、交通便捷程度相關(guān),主要有三種類型:(1)從時間不均衡性看,主要因車站周邊的用地性質(zhì)、交通區(qū)域的不同,分為全峰型、單向峰型、雙向峰型、突峰型、無峰型。(2)從空間不均衡性看,主要體現(xiàn)在不同車站進出站客流量大小不同,分為均等型、中間突增型、逐漸縮小型、兩端萎縮型。(3)從斷面不均衡性看,與車站進出站客流分布類型有相似之處,分為凸起型、均等性、漸變型、不規(guī)則型。

        1.2 客流不均衡性指標

        (1)客流時間不均衡系數(shù):表示線路在不同時段斷面客流量的差異,時間不均衡系數(shù)越大,則斷面客流量的大小與時間變化的關(guān)聯(lián)越大。(2)客流斷面不均衡系數(shù):表征線路不同區(qū)段斷面客流量大小的差異。在相同時段,線路的斷面不均衡系數(shù)越大,表示該線路的客流分布越不均衡。(3)客流方向不均衡系數(shù):表示線路同一時段上下行方向客流量差異的大小,方向不均衡系數(shù)較大,則考慮在上下行采取不同的列車發(fā)車方案。

        1.3 對行車組織方案的影響

        針對城市軌道交通客流時空分布情況,采取合適的行車組織方法,既能夠節(jié)省運力又滿足乘客需求。(1)當客流存在時間分布不均衡情況時,可分時段開行大小編組列車或者采用高低密度行車的方法。在高峰時段采用大編組或者組織高密度行車,縮減發(fā)車間隔;平峰時段采用小編組或者低密度行車,增大發(fā)車間隔。(2)當客流存在空間分布不均衡情況時,若方向不均衡系數(shù)較大,可按方向設計相應的行車方案,比如安排不同的運力等;不同車站客流空間分布不均衡時,可開行區(qū)段列車,即組織大小交路運行。

        2 列車交路方案選擇模型

        2.1 列車交路的分類及適用性

        交路可以分為長交路、短交路、分段交路、交錯交路與組合交路,根據(jù)不同的情況,采取不同的交路方案。(1)長交路適合全線客流較均衡的線路,組織形式簡單,方便管理,乘客出行需求滿足度高,但在線路客流不均衡時,會導致運能浪費。(2)長短交路適合線路客流分布不均衡,存在某一區(qū)段的斷面客流量遠大于其他區(qū)段的情況,可減少開行列車對數(shù),更經(jīng)濟合理,但需設置中間折返站,增加折返作業(yè)的復雜性。(3)分段交路適合線路斷面客流量分布不均衡,但在每一區(qū)段均有向心聚集客流的線路,能夠較好地解決相鄰兩區(qū)段客流分布不均的問題,但共用折返站線路配置要求較高,客運組織復雜。(4)交錯交路適用于市區(qū)客流量較大,而郊區(qū)客流量相對較小的情況,可滿足客流量較大的市中心的出行需求,但對于不同交路的共用折返站配置要求高。

        2.2 交路方案選擇模型

        Si是線路上車站的集合其中:[Sa,Sb]為短交路的運行區(qū)間,[Sq,Sz]為長交路的運行區(qū)間;x 為乘客的上車車站;y 為乘客的下車車站。

        2.2.1 模型假設

        (1)列車采取站站停模式,不存在越行。(2)采用大小交路模式,且僅考慮長交路和短交路。(3)假設單位小時內(nèi)列車發(fā)車頻率不變。(4)假設各車站均具備折返作業(yè)條件。(5)假設乘客到達服從均勻分布。

        2.2.2 目標函數(shù)

        從乘客和運營商角度出發(fā),以乘客總等待時間最小化及運營成本最小化構(gòu)建目標函數(shù),進行方案評選。

        (1)乘客總等待時間W

        乘客總等待時間越短,則地鐵的服務水平越高,乘客滿意度越好,吸引客流越多。乘客總等待時間模型:

        式中:W1—出行OD 均位于短交路區(qū)段內(nèi)的乘客的等待時間,min;W2—出行OD 位于[Sq,Sa]或 [Sb,Sz]內(nèi)乘客的等待時間,min;f1、f2—短交路與長交路列車發(fā)車頻率。

        (2)運營成本C

        以運用車輛數(shù)、列車周轉(zhuǎn)時間計算列車運行成本,所建模型:

        式中:TC1—短交路列車周轉(zhuǎn)時間,s;TC2—長交路列車周轉(zhuǎn)時間,s;tYi,i+1—短交路列車在i,i+1 區(qū)間的運行時間,s;tYj,j+1—長交路列車在j,j+1 區(qū)間的運行時間,s;tTi—列車停站時間,s;t'Z—列車在短交路折返車站折返時間,s;tZ—列車在長交路折返車站的折返時間,s。

        總目標函數(shù):

        式中:α,β—子目標函數(shù)的權(quán)重值,根據(jù)實際情況進行設置。

        2.2.3 約束條件

        城市軌道交通在組織大小交路運行時,需要結(jié)合實際情況進行約束,盡量使方案更加合理。

        (1)短交路途經(jīng)車站數(shù)Sx

        短交路過短會導致列車頻繁折返,造成運營成本增加;過長則無法體現(xiàn)列車短交路開行的優(yōu)勢,因此需要對其進行約束。

        式中:Smin—短交路區(qū)間車站最少值;Smax—短交路區(qū)間車站最大值。

        滿載率過低會造成運力浪費,增加運營成本;滿載率過高則會影響乘客舒適度,因此需要將列車滿載率控制在合理范圍內(nèi)。

        式中:τ1、τ2—列車滿載率的下限和上限。

        (3)最小發(fā)車間隔

        考慮到技術(shù)、線路等因素的限制,發(fā)車間隔需要大于最小發(fā)車間隔 Hm。

        (4)最小追蹤間隔

        為了保證運營安全,需要滿足列車最小追蹤間隔Imin的約束。

        2.3 模型求解

        遺傳算法的本質(zhì)是通過選擇操作保留優(yōu)良基因的個體至下一代,然后通過交叉操作進行基因重組,通過變異操作進行基因突變,使得個體向更好的方向進化,最后得到最優(yōu)個體?;静襟E:編碼→初始種群化→適應度評價→選擇、交叉、變異→最優(yōu)解。

        3 案例分析

        3.1 線路概述

        地鐵線路為西南至東北走向,全長39.15 km,車站26 座,編號1 →26 為上行方向,反之為下行。運行時間是—次日早高峰為晚高峰為

        3.2 客流不均衡性分析

        全日分時客流時間不均衡系數(shù)和上下行早晚高峰斷面客流空間不均衡系數(shù),見表1~表3。

        表1 全日上、下行時間不均衡系數(shù)

        表2 上行早晚高峰斷面客流不均衡系數(shù)

        表3 下行早晚高峰斷面不均衡系數(shù)

        從表1 可得,早、晚高峰以及開始運營和結(jié)束運營時段的時間不均衡系數(shù)較大,表明這些時段客流與全日單位小時平均斷面客流量差異較大,可以考慮適當調(diào)整發(fā)車間隔來匹配客流需求。

        結(jié)果顯示:在車站4 至車站5 區(qū)間以及車站5至車站6 區(qū)間的斷面客流不均衡系數(shù)均遠大于1,而車站21 至車站26 內(nèi)所有區(qū)間的斷面不均衡系數(shù)均小于0.2。由此可得,這兩大區(qū)域的斷面客流相較線路平均斷面客流量的差異較大,可以考慮在大客流區(qū)間組織短交路運行,來提高服務水平,降低運營成本。

        通過早、晚高峰的上下行斷面客流量對比,發(fā)現(xiàn)早高峰時段,上下行方向最大客流斷面均為車站6至車站7區(qū)間,并且下行方向客流基本高于上行方向,故早高峰時段的交路計劃可依據(jù)下行斷面客流情況編制。而晚高峰時段,上下行方向最大客流斷面仍是車站6 至車站7 區(qū)間,但上行方向的斷面客流都基本高于下行方向,故晚高峰時段的列車交路計劃依據(jù)上行斷面客流編制。

        3.3 大小交路方案的確定

        表4 列車交路運行計劃

        結(jié)果分析:(1)早晚高峰時段,在車站1 至13區(qū)段開行小交路列車,其中時段,小交路開行列車對數(shù)為2 輛,其余時段為1 輛。(2)長交路列車的開行對數(shù)在為9 輛,為10 輛,為7 輛,為10 輛,為8 輛,其余時段為6 輛。該方案結(jié)合實際情況既滿足高峰時段乘客的交通需求,又控制了運營成本。

        4 結(jié)語

        (1)通過對城市軌道交通動態(tài)客流時空不均衡性進行分析,提出組織小交路運行來均衡交通供需矛盾。(2)從乘客和運營商的角度出發(fā)以乘客等待時間及運營成本最小化為目標函數(shù),以列車滿載率、發(fā)車間隔、短交路區(qū)間等為約束條件,構(gòu)建了城市軌道交通列車交路方案選擇模型。(3)基于某地鐵線路的客流數(shù)據(jù),通過求解得到較優(yōu)的交路方案,驗證了模型的合理性。

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