楊宇航, 方志偉, 宮振沖, 劉雪鵬

(北京軌道交通路網(wǎng)管理有限公司, 北京 100101)

0 引言

城市軌道交通運(yùn)營企業(yè)在編制列車運(yùn)行圖時,需準(zhǔn)確地衡量和評估運(yùn)輸能力與客運(yùn)需求之間的匹配程度[1],進(jìn)而為優(yōu)化調(diào)整列車運(yùn)行圖提供決策支撐. 既有研究中,一些學(xué)者用上線車組數(shù)、開行對數(shù)、列車旅行速度[2]等指標(biāo)評價列車運(yùn)行圖的性能,或聚焦至列車運(yùn)行過程,通過正點(diǎn)率、晚點(diǎn)時間等指標(biāo)對運(yùn)行圖的魯棒性、穩(wěn)定性[3-5]進(jìn)行分析,但是上述研究主要關(guān)注列車運(yùn)行圖自身編制質(zhì)量的高低,較少關(guān)注運(yùn)行圖運(yùn)輸能力與客流需求間的匹配關(guān)系. 目前軌道交通運(yùn)營企業(yè)主要通過高峰小時最大斷面滿載率來刻畫運(yùn)力運(yùn)量的匹配協(xié)調(diào)程度,從而指導(dǎo)編制列車運(yùn)行圖,然而在軌道交通提質(zhì)增效的高質(zhì)量發(fā)展背景下,運(yùn)力運(yùn)量匹配不應(yīng)僅僅局限在最擁擠斷面,當(dāng)我們需要關(guān)注某個車站的運(yùn)力能否滿足乘客出行需要,或平峰時段運(yùn)力配置是否經(jīng)濟(jì)合理時,高峰斷面滿載率指標(biāo)并不能很好地適用. 此外,除了運(yùn)輸效率,行車組織也應(yīng)關(guān)注服務(wù)水平[6],乘客服務(wù)水平應(yīng)是衡量運(yùn)力運(yùn)量匹配程度的另一重要標(biāo)準(zhǔn). 田婉琪[7]考慮乘車舒適度、平均候車時間等指標(biāo),Jiang[8]考慮列車滿載率、留乘人數(shù)等指標(biāo)分析運(yùn)力運(yùn)量的匹配情況. 綜上所述,在對城市軌道交通運(yùn)力與運(yùn)量的匹配情況進(jìn)行分析評估時,有必要從企業(yè)及乘客視角分別對運(yùn)力與運(yùn)量是否匹配進(jìn)行評價,以便更好的支撐運(yùn)力調(diào)整和運(yùn)營組織,為運(yùn)力資源合理配置提供決策.

本文以城市軌道交通線路為研究對象,基于空間、時間2個維度,分析區(qū)間、列車、車站多個空間層次,并結(jié)合運(yùn)營時段,綜合考慮運(yùn)輸能力利用情況和乘客服務(wù)水平2個運(yùn)力運(yùn)量匹配基本要素給出運(yùn)力運(yùn)量匹配評價方法,并以北京軌道交通線路為例驗(yàn)證方法的實(shí)用性.

1 評價指標(biāo)選擇

1.1 運(yùn)力運(yùn)量匹配多層次分析

城市軌道交通運(yùn)力運(yùn)量匹配包括各區(qū)間、列車、車站等空間層次的匹配,同時,每1個空間層次又可從不同時段進(jìn)行評價,從而得到不同時空維度的匹配情況.

1.1.1 空間層次

1)區(qū)間層

區(qū)間層運(yùn)力運(yùn)量匹配指區(qū)間運(yùn)輸能力與客流的匹配程度,需要區(qū)分線路的上下行,既有研究及實(shí)際運(yùn)營過程中普遍用斷面滿載率指標(biāo)來體現(xiàn).

2)列車層

列車層運(yùn)力運(yùn)量匹配與區(qū)間層類似,指列車額定載客能力與實(shí)際承載客流之間的匹配程度,反映了乘客對列車車廂的利用程度或車廂的擁擠程度.

3)車站層

車站層運(yùn)力運(yùn)量匹配指車站的運(yùn)輸能力與車站客流需求的匹配程度,此處車站的運(yùn)輸能力指一段時間內(nèi)列車到達(dá)該站后在額定定員的限制下還能承載的運(yùn)力. 車站層運(yùn)力運(yùn)量匹配可很好的反映各個車站的運(yùn)力供給與客流的協(xié)調(diào)匹配情況.

1.1.2 時間層次

時間層次劃分較為靈活,可根據(jù)早高峰、平峰、晚高峰等運(yùn)營時段對運(yùn)力運(yùn)量匹配性進(jìn)行分析,也可按小時對全日進(jìn)行分時分析,或結(jié)合需要直接分析高峰小時以及其他時段的運(yùn)力運(yùn)量匹配情況.

1.2 評價指標(biāo)

運(yùn)力與運(yùn)量的協(xié)調(diào)匹配從運(yùn)營企業(yè)角度考慮需要保證一定的能力利用效率,從乘客角度考慮應(yīng)保證一定的出行體驗(yàn)及服務(wù)水平. 本文選取如下反映運(yùn)輸能力利用及服務(wù)水平的指標(biāo)進(jìn)行評價.

1.2.1 運(yùn)輸能力利用評價指標(biāo)

1)斷面滿載率

區(qū)間運(yùn)輸能力利用情況可用斷面滿載率進(jìn)行評價,表示單位時間內(nèi)運(yùn)營線路單向斷面客流量與相應(yīng)斷面運(yùn)力的比值[9],見式(1):

(1)

2)列車滿載率

列車能力的利用情況可用列車滿載率進(jìn)行評價見式(2):

(2)

3)車站運(yùn)力運(yùn)量匹配度

車站運(yùn)力運(yùn)量匹配度反映了在額定定員的限制下,列車到達(dá)車站的剩余能力與客流需求是否匹配.車站運(yùn)力運(yùn)量匹配度計算方法見式(3):

(3)

(4)

1.2.2 乘客服務(wù)水平評價指標(biāo)

1)列車舒適度

列車舒適度主要取決于列車在每個區(qū)間的載客量,當(dāng)乘客都有座位時,舒適度最高,可量化表示為1;隨著車廂人數(shù)增多,擁擠程度越來越大,舒適度隨之降低;當(dāng)列車載客數(shù)量超過列車定員時可認(rèn)為舒適度為0.列車舒適度計算方法為[1]：

(5)

2)區(qū)間舒適度

區(qū)間舒適度是對研究時段內(nèi)經(jīng)過該區(qū)間所有列車舒適度的總體評價,計算方法與列車舒適度相同[7]：

(6)

式中,fα,i(t)表示t時段內(nèi)區(qū)間α方向i的舒適度;Caα,i(t)表示t時段內(nèi)所有列車的累計額定載客量;Seα,i(t)表示t時段內(nèi)累計座位數(shù).

3)車站滯留人數(shù)

當(dāng)列車容量無法容納乘客繼續(xù)上車時,乘客只能滯留在站臺等候下一趟列車.當(dāng)站臺人數(shù)增多,乘客擁擠極易引發(fā)踩踏等安全事故[10],因此車站滯留人數(shù)是衡量車站運(yùn)力運(yùn)量是否匹配的重要指標(biāo).

2 評價方法

2.1 區(qū)間層

區(qū)間層匹配情況通過斷面滿載率及區(qū)間舒適度進(jìn)行評價.

采用斷面滿載率評價時可設(shè)置1個理想的滿載率標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)既要體現(xiàn)運(yùn)輸能力利用率,又要確保運(yùn)營安全,評價時可用理想滿載率與實(shí)際滿載率的差距反映運(yùn)輸能力利用的合理程度:

(7)

式中,Pα,i(t)為t時段內(nèi)區(qū)間α方向i的運(yùn)力運(yùn)量匹配度;μ(t)為t時段的理想滿載率.Pα,i(t)越接近 1匹配度越高,反之匹配度越低.若設(shè)置平峰時段理想滿載率為50%,高峰時段理想滿載率為80%,當(dāng)匹配度不小于0.8時,平峰、高峰滿載率分布分別為[0.40,0.60]、[0.64,0.96],上述滿載率在實(shí)際運(yùn)營過程中是較為合理的,因此評價時可認(rèn)為匹配度不小于0.8比較合理.

采用區(qū)間舒適度評價時,通過對北京市軌道交通運(yùn)營線路進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查,當(dāng)列車車廂內(nèi)座位剛好都被占用時列車滿載率約為30%;同時基于表1給出的車廂內(nèi)乘客狀態(tài)與列車滿載率關(guān)系[11],結(jié)合式(6)計算得到表2所示的車廂內(nèi)乘客感受與舒適度、列車滿載率對應(yīng)關(guān)系.

表1 列車車廂內(nèi)乘客狀態(tài)及對應(yīng)滿載率 %

表2 列車車廂乘客感受評價及舒適度取值

由于區(qū)間舒適度是對研究時段內(nèi)經(jīng)過該區(qū)間所有列車舒適度的總體評價,且計算方法相同,因此表2對于區(qū)間舒適度、列車舒適度均適用.

2.2 列車層

列車層匹配情況通過列車滿載率、列車舒適度進(jìn)行分析評價,其評價方法與區(qū)間層運(yùn)力運(yùn)量匹配評價方法相同.

2.3 車站層

車站層匹配情況通過車站運(yùn)力運(yùn)量匹配度、車站滯留人數(shù)進(jìn)行評價.

在運(yùn)輸能力利用方面,針對式(3)提出的車站運(yùn)力運(yùn)量匹配度,ps,i(t)大于1說明車站運(yùn)力充足;等于1說明車站可承載運(yùn)力剛好滿足客流需求,但可能無法適應(yīng)今后客流增長帶來的風(fēng)險;小于1說明運(yùn)力不足. 評價時可結(jié)合運(yùn)營管理需要設(shè)置理想的匹配度取值,如設(shè)置理想匹配度區(qū)間為(1.2,+∞).

在服務(wù)水平方面,可通過現(xiàn)場調(diào)查得到車站最大滯留人數(shù)并對其服務(wù)水平及風(fēng)險進(jìn)行評價. 結(jié)合北京市軌道交通運(yùn)營實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),站臺滯留風(fēng)險級別可按表3所示規(guī)則進(jìn)行判別.

表3 站臺滯留風(fēng)險級別判別

3 實(shí)例分析

本文以工作日北京軌道交通15號線為例進(jìn)行實(shí)例分析. 早高峰15號線實(shí)行大小交路套跑,大交路為俸伯—清華東路西口,小交路為后沙峪—清華東路西口,最小間隔3′40″;晚高峰及平峰均為單一交路運(yùn)行,晚高峰間隔4′15″,平峰間隔6′. 分析數(shù)據(jù)由北京軌道交通AFC系統(tǒng)刷卡進(jìn)站數(shù)據(jù)、清分?jǐn)?shù)據(jù)及現(xiàn)場調(diào)研獲取.

3.1 區(qū)間層評價

以15號線下行為例,以1 h為粒度計算各區(qū)間斷面滿載率情況得到圖1. 可看出早高峰15號線下行滿載率較高,08:00—09:00孫河—望京的連續(xù) 4個區(qū)間滿載率均大于100%,其中崔各莊—望京東滿載率達(dá)到最高115%;早高峰向平峰過渡段 09:00—10:00最大滿載率接近90%;晚高峰滿載率整體較低,僅18:00—19:00望京—望京西超過60%. 其余時段大部分區(qū)間的滿載率較低,均在55%以下.

圖1 15號線下行工作日滿載率時空分布

計算各區(qū)間運(yùn)力運(yùn)量匹配度情況如圖2所示.

圖2 各區(qū)間運(yùn)力運(yùn)量匹配度時空分布

由圖2可看出,早高峰07:00—08:00石門—望京的滿載率接近理想滿載率,匹配度較高;08:00—09:00孫河—望京由于滿載率較高因此匹配度較低,石門—國展、望京—大屯路東分別處于擁擠區(qū)段前后,滿載率接近80%,匹配度較高. 09:00—11:00擁擠區(qū)段仍未完全退峰,線路兩端部分區(qū)間因客流較小而滿載率較低、匹配度較小,其他區(qū)間的匹配度均處于較高水平. 晚高峰至晚平峰望京東—大屯路東的匹配度相對較高,其他區(qū)間匹配度均小于0.5,結(jié)合滿載率來看,運(yùn)力存在一定程度的浪費(fèi). 午平峰時段10:00—11:00孫河—望京的匹配度較為合理,其他區(qū)間匹配度均小0.8;11:00—17:00線路各區(qū)間匹配度均不超過0.6,滿載率最大僅31%,運(yùn)力同樣存在一定程度的浪費(fèi).

在乘客服務(wù)水平方面,計算得到圖3所示的舒適度時空分布. 可看出,早晚高峰因客流量大、車廂擁擠乘客的舒適度較低. 結(jié)合表2給出的乘客感受與舒適度對應(yīng)關(guān)系,07:00—08:00石門—望京、08:00—09:00石門—望京西、09:00—10:00國展—望京東乘客出行感到擁擠,特別是08:00—09:00孫河—望京的舒適度為0,服務(wù)水平最低. 除了 09:00—10:00,其他平峰時段的舒適度均較高.

圖3 各區(qū)間舒適度時空分布

3.2 列車層評價

對15號線下行早高峰部分列車滿載率及運(yùn)力運(yùn)量匹配度進(jìn)行計算,得到圖4、圖5. 可看出,早高峰小交路列車滿載率普遍低于大交路列車,車廂擁擠程度也較低,運(yùn)力運(yùn)量匹配度更為合理. 大交路列車在南法信的離站滿載率即已超過100%,部分列車直至換乘站望京西后滿載率才降至100%以下,各次列車的運(yùn)力運(yùn)量匹配度自后沙峪起逐漸下降,部分列車的匹配度甚至降至0.2,望京西之后匹配度才有所回升.

圖4 列車滿載率時空分布

圖5 列車運(yùn)力運(yùn)量匹配度時空分布

進(jìn)一步計算各次列車舒適度得到圖6. 可看出,小交路列車僅在客流較大斷面馬泉營—望京東的舒適度較低,在其他區(qū)間舒適度處于合理范圍內(nèi). 大交路列車普遍自石門起就處于較為擁擠狀態(tài),直至大屯路東之后舒適度才回到合理區(qū)間,其中后沙峪—望京的列車舒適度為0,服務(wù)水平顯著下降.

圖6 列車舒適度時空分布

將列車層評價結(jié)果與區(qū)間層評價結(jié)果進(jìn)行對比,可看出區(qū)間層評價能快速、全面的掌握線路運(yùn)力運(yùn)量匹配情況,但是在一定程度上忽略了客流尖峰時段,特別是對單列車能力利用及服務(wù)水平的分析. 然而對于乘客來說,他們無法站在運(yùn)營管理人員的視角對一段時間內(nèi)的運(yùn)力運(yùn)量匹配情況進(jìn)行整體性評價,列車層評價則可進(jìn)一步聚焦至微觀層面,站在乘客的視角去發(fā)現(xiàn)運(yùn)力運(yùn)量匹配存在的問題和瓶頸,以便對癥下藥.

3.3 車站層評價

對15號線下行早高峰08:00—09:00各車站運(yùn)力運(yùn)量匹配度進(jìn)行計算,得到圖7. 可看出,崔各莊、馬泉營、望京東3座車站的匹配度最低,崔各莊、馬泉營的匹配度為0,望京東的匹配度僅為0.1. 此外國展的匹配度為1.2,運(yùn)力可滿足客流需求,但是若未來客流增長或舉辦大型活動發(fā)生聚集性客流時,存在不能適應(yīng)大客流的風(fēng)險. 其余車站的運(yùn)力運(yùn)量匹配度均大于1.8,運(yùn)力可充分滿足客流需求.

圖7 各車站運(yùn)力運(yùn)量匹配度

在乘客服務(wù)水平方面,對早高峰15號線下行各車站滯留情況進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查,表4展示了風(fēng)險等級為C及以上的車站調(diào)查結(jié)果.

可看出,后沙峪、南法信、馬泉營存在較多的乘客滯留現(xiàn)象. 進(jìn)一步對比分析發(fā)現(xiàn)站臺滯留情況與匹配度分析結(jié)果并不完全一致,原因主要和行車方案、客流大小及乘客選擇有關(guān):3座車站均為早高峰進(jìn)站量相對較大的車站,其中后沙峪早高峰為小交路列車始發(fā)站,一些乘客會主動留乘選擇等候空車出行,因此滯留乘客最多;早高峰部分列車達(dá)到南法信時滿載率達(dá)到80%以上,由于車站進(jìn)站量較大,列車能力有時無法滿足所有乘客上車,部分乘客同樣會選擇等候下一趟列車;馬泉營乘客滯留則主要與進(jìn)站量較大、可承載運(yùn)力較小、運(yùn)力運(yùn)量匹配度較低有關(guān). 針對崔各莊、望京東等運(yùn)力運(yùn)量匹配度較低但滯留風(fēng)險也較低的情況,主要是由于兩座車站的進(jìn)站量較小,且車站位于擁擠區(qū)段,所有列車的到站滿載率均已達(dá)到100%,各次列車對乘客來說是無差別的,高峰時期不存在等候下一列車即可輕松上車的情況,因此乘客一般會來車即走,這兩座車站的列車滿載率往往在100%以上. 上述分析也說明了運(yùn)力運(yùn)量匹配評價將數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場驗(yàn)證相結(jié)合,多角度、多手段評價的必要性.

3.4 運(yùn)力配置優(yōu)化建議

針對早高峰線路滿載率較高,尤其是南法信—望京西運(yùn)力運(yùn)量匹配矛盾較為突出的問題,建議增加上線車縮小行車間隔. 考慮到15號線存在配車數(shù)不足的問題,基于既有交路提升運(yùn)力受到限制,建議結(jié)合15號線配線條件將小交路調(diào)整至后沙峪—大屯路東,高峰時段將運(yùn)力精準(zhǔn)投放至運(yùn)力緊張區(qū)段. 此外,可結(jié)合各車站客流特點(diǎn),早高峰開行上行大站快車,快車在乘客集散量較小的車站通過不停車,加快列車周轉(zhuǎn). 然而,為充分應(yīng)對客流進(jìn)一步增長的風(fēng)險,應(yīng)盡早推進(jìn)新車增購并上線運(yùn)營,從根本上提升線路運(yùn)力. 針對平峰滿載率及運(yùn)力利用率較低的現(xiàn)象,可適當(dāng)擴(kuò)大行車間隔,間隔由6 min調(diào)整為 7 min、8 min時,運(yùn)力利用率分別提高14.3%、25.0%.

4 結(jié)論

本文以城市軌道交通線路為評價對象,從區(qū)間、列車、車站多個空間層次,基于高峰、平峰時間分布,運(yùn)用數(shù)據(jù)分析、模型量化、現(xiàn)場驗(yàn)證多種手段,綜合考慮運(yùn)輸能力利用情況和乘客服務(wù)水平兩個運(yùn)力運(yùn)量匹配基本要素,選擇合適的指標(biāo),建立了運(yùn)力運(yùn)量時空匹配評價體系,給出了運(yùn)力運(yùn)量匹配評價方法. 選擇北京軌道交通15號線開展了評價實(shí)例分析,結(jié)果表明了15號線在運(yùn)力運(yùn)量匹配方面存在一定的不足,有必要結(jié)合運(yùn)力運(yùn)量匹配分析評價結(jié)果對運(yùn)力配置進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化. 同時,分析過程也表明:建立 1套多層次、多角度、多手段評價體系,才能保證分析評價工作的全面性和精準(zhǔn)性,且更符合城市軌道交通客運(yùn)組織精細(xì)化管理及高質(zhì)量發(fā)展需要.