臧天哲 顧保南

(同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 201804, 上海)

在城市軌道交通(以下簡(jiǎn)稱“城軌”)建設(shè)階段,需要對(duì)其規(guī)劃線網(wǎng)不斷進(jìn)行優(yōu)化,其方案評(píng)價(jià)離不開城軌線網(wǎng)客流分配環(huán)節(jié)。城軌線網(wǎng)優(yōu)化涉及的變化因素眾多,如線路數(shù)量、換乘站及換乘方案、線位及站位、敷設(shè)方式、運(yùn)營(yíng)組織模式等,其中每個(gè)因素變化所對(duì)應(yīng)的方案評(píng)價(jià)都需進(jìn)行線網(wǎng)客流分配,因而線網(wǎng)客流分配在線網(wǎng)規(guī)劃中會(huì)大量重復(fù)發(fā)生。文獻(xiàn)[1-3]對(duì)城軌線網(wǎng)的建模方法和客流分配算法進(jìn)行了研究,但未能對(duì)線網(wǎng)客流分配全過程進(jìn)行集成以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。文獻(xiàn)[4]以城市道路網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象,對(duì)其客流分配自動(dòng)化進(jìn)行了研究。本文基于對(duì)城軌線網(wǎng)客流分配過程的研究,旨在開發(fā)城軌線網(wǎng)客流分配自動(dòng)化計(jì)算程序。

1 城軌線網(wǎng)客流分配自動(dòng)化計(jì)算程序的開發(fā)需求

目前,常用的主流宏觀仿真軟件,如VISUM、TransCAD等,都可以對(duì)大規(guī)模城軌線網(wǎng)進(jìn)行四階段的計(jì)算。相比于其他宏觀仿真軟件,VISUM軟件在計(jì)算模型豐富度和接口易用性等方面均具有一定優(yōu)勢(shì),因此,本文使用VISUM軟件作為程序開發(fā)的基礎(chǔ)平臺(tái)。基于VISUM軟件的城軌線網(wǎng)客流分配評(píng)價(jià)指標(biāo)手動(dòng)計(jì)算方法主要包含線網(wǎng)供給方案建模、線網(wǎng)需求建模、交通分配計(jì)算及計(jì)算結(jié)果輸出與顯示等4個(gè)部分。在VISUM軟件中手動(dòng)完成上述計(jì)算過程需要龐大的輸入、修改及校對(duì)工作量,且進(jìn)行多方案比選時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較多重復(fù)性工作,給研究工作帶來諸多不便。VISUM軟件本身為用戶開放了豐富的接口(如COM-API(組件對(duì)象模型-應(yīng)用程序編程接口)),通過這些接口可以編寫外部程序以控制VISUM軟件的自動(dòng)化運(yùn)行。因此,需要對(duì)城軌線網(wǎng)客流分配評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算過程進(jìn)行深入分析,開發(fā)外部程序調(diào)用VISUM軟件的計(jì)算模塊,實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入、各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算及計(jì)算結(jié)果輸出的自動(dòng)化運(yùn)行,充分發(fā)揮軟件本身在計(jì)算模塊上的優(yōu)勢(shì),既滿足實(shí)際工作所需的復(fù)雜的分析計(jì)算要求,又提高了客流分配工作的效率。

1.1 線網(wǎng)供給方案建模

本研究開發(fā)的程序需要自動(dòng)讀取所需的外部數(shù)據(jù),并在VISUM軟件中完成線網(wǎng)供給方案模型的構(gòu)建,主要包括車站、線路和時(shí)刻表等對(duì)象的創(chuàng)建及屬性設(shè)置。該程序應(yīng)能夠?qū)┙o方案的變化進(jìn)行便捷的設(shè)定,并能夠在程序中顯示不同的供給方案。供給方案的變化包括規(guī)劃設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)管理兩個(gè)層面:規(guī)劃設(shè)計(jì)方面的變化包括多條規(guī)劃設(shè)計(jì)線路的OD(起訖點(diǎn))、換乘節(jié)點(diǎn)及路由等可能的方案變化;運(yùn)營(yíng)管理層面的變化包括某條或多條線路的列車停靠站點(diǎn)、時(shí)刻表等可能的方案變化。該程序能夠體現(xiàn)城市城軌線網(wǎng)供給方案變化,并在供給方案變化的條件下進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算。

1.2 線網(wǎng)需求建模

本研究開發(fā)的程序需要自動(dòng)讀取所需的外部數(shù)據(jù),并在VISUM軟件中完成線網(wǎng)需求模型的構(gòu)建,包括站間OD矩陣,以及需求時(shí)間序列等的設(shè)置。該程序的需求模型應(yīng)能便于對(duì)近期和遠(yuǎn)期、高峰與非高峰等的客流變化進(jìn)行設(shè)定,且在OD需求變化的情況下自動(dòng)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.3 交通分配計(jì)算

本研究開發(fā)的程序需在VISUM軟件中建立交通分配計(jì)算流程體系,按照給定條件的指定路徑搜索方法,以及乘客選擇模型等分配計(jì)算方法,設(shè)置計(jì)算所需參數(shù),并自動(dòng)進(jìn)行交通分配計(jì)算。

1.4 計(jì)算結(jié)果輸出與顯示

本研究開發(fā)的程序需要與指定數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接,并能自動(dòng)且快速地計(jì)算出本線及線網(wǎng)的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo),以及輸出指標(biāo)計(jì)算結(jié)果;該程序還能夠輸出圖片,對(duì)線網(wǎng)總體與局部的各種指標(biāo)進(jìn)行顯示。

2 城軌線網(wǎng)客流分配自動(dòng)化計(jì)算程序的主要技術(shù)流程

基于需求分析,城軌線網(wǎng)客流分配自動(dòng)化計(jì)算程序劃分為線網(wǎng)供給方案建模、線網(wǎng)需求方案建模、交通分配計(jì)算及數(shù)據(jù)輸出等4個(gè)主要功能模塊。城軌線網(wǎng)客流分配自動(dòng)化計(jì)算程序的主要技術(shù)流程,如圖1所示。

圖1 城軌線網(wǎng)客流分配自動(dòng)化計(jì)算程序的主要技術(shù)流程

2.1 線網(wǎng)供給方案模塊

線網(wǎng)供給方案模塊的主要功能是在VISUM軟件中完成線網(wǎng)供給方案模型的構(gòu)建,以描述城軌車站、線路及列車等對(duì)象的特性,包括線網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)與路段的生成,車站、線路、車次、車輛編組的建立與屬性設(shè)置,以及交通小區(qū)的生成等。

2.2 線網(wǎng)需求模塊

線網(wǎng)需求模塊的主要功能是在VISUM軟件中完成線網(wǎng)需求模型的構(gòu)建,即乘客出行信息的描述。該模塊主要包括城軌OD矩陣的導(dǎo)入和乘客出行特征屬性的設(shè)置。

2.3 交通分配計(jì)算模塊

交通分配計(jì)算模塊的主要功能是基于VISUM軟件的計(jì)算流程完成交通分配計(jì)算。具體操作步驟如下:建立交通分配計(jì)算流程,設(shè)置相應(yīng)計(jì)算參數(shù),通過運(yùn)行交通分配計(jì)算流程得到計(jì)算結(jié)果。

2.4 數(shù)據(jù)輸出模塊

數(shù)據(jù)輸出模塊的主要功能是將VISUM軟件中得到的分配計(jì)算結(jié)果進(jìn)行輸出。具體操作步驟如下:按指定對(duì)象和字段生成數(shù)據(jù)列表并將其保存至本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù),將需要的計(jì)算結(jié)果繪制成圖并保存為本地圖片。

3 城軌線網(wǎng)客流分配自動(dòng)化計(jì)算程序的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 線網(wǎng)供給方案建模

3.1.1 節(jié)點(diǎn)與路段生成

在VISUM軟件中構(gòu)建城軌線網(wǎng)時(shí),節(jié)點(diǎn)代表站點(diǎn)的位置,路段代表區(qū)間。路段具有方向性,由起始節(jié)點(diǎn)編號(hào)與到達(dá)節(jié)點(diǎn)編號(hào)來描述。VISUM軟件通過路段屬性表述路段上的交通特性。在構(gòu)建城軌線網(wǎng)時(shí)需設(shè)置允許通過的交通方式、行駛速度、行駛時(shí)間等屬性。本程序從城軌線網(wǎng).shp格式文件中讀取節(jié)點(diǎn)與路段信息,并在VISUM軟件中完成節(jié)點(diǎn)與路段對(duì)象的創(chuàng)建及其屬性設(shè)置。

3.1.2 交通小區(qū)設(shè)置

交通小區(qū)的設(shè)置主要涉及小區(qū)與小區(qū)連接線兩個(gè)對(duì)象。小區(qū)是乘客每次出行的起點(diǎn)與終點(diǎn),它將交通供給與交通需求關(guān)聯(lián)起來。小區(qū)連接線用于將小區(qū)連接到路網(wǎng),即小區(qū)質(zhì)心和連接點(diǎn)之間的離開或到達(dá)路徑。本程序基于城軌站間OD矩陣進(jìn)行客流分配,因此為每個(gè)站點(diǎn)需建立1個(gè)小區(qū)和1條小區(qū)連接線。

3.1.3 站點(diǎn)設(shè)置

在VISUM軟件中,通過車站、站點(diǎn)區(qū)域與站點(diǎn)等3個(gè)層面的對(duì)象來描述1個(gè)車站的特征。站點(diǎn)定義了1條線路的始發(fā)或到達(dá)點(diǎn),列車在此處停泊并完成上下客。站點(diǎn)區(qū)域描述了軌道交通線網(wǎng)中從到達(dá)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入站點(diǎn)以及站點(diǎn)間的通路等區(qū)域。車站是等級(jí)最高的對(duì)象,涵蓋車站的名稱以及其他全部的構(gòu)建屬性。車站包含整個(gè)站點(diǎn)區(qū)域集合,亦包含所有的站點(diǎn)。1個(gè)車站可以包含1個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)區(qū)域。1個(gè)站點(diǎn)區(qū)域唯一從屬于1個(gè)車站,并可包含1個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)。當(dāng)1個(gè)車站包含多個(gè)站點(diǎn)區(qū)域時(shí),1個(gè)車站內(nèi)的不同站點(diǎn)區(qū)域之間的步行時(shí)間可以用來描述換乘步行時(shí)間。本程序在節(jié)點(diǎn)位置建立對(duì)應(yīng)的車站、站點(diǎn)區(qū)域以及站點(diǎn)三級(jí)對(duì)象,并從外部基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中讀取車站信息,完成車站名稱、換乘步行時(shí)間等屬性的設(shè)置。

3.1.4 線路、線路路徑與時(shí)刻表的設(shè)置

在VISUM軟件中,列車運(yùn)行的相關(guān)信息通過線路、線路路徑、行駛時(shí)刻表及車輛歷程等對(duì)象來進(jìn)行描述。線路對(duì)象是1條或多條線路路徑和對(duì)應(yīng)時(shí)刻表的集合,概括了1條線路的基本信息。線路路徑對(duì)象描述了線路在1個(gè)方向上的空間路徑,是1個(gè)交路上行或下行方向的列車?？空军c(diǎn)的集合。行駛時(shí)刻表對(duì)象描述了1條線路路徑下各個(gè)車站的停站時(shí)間以及各個(gè)區(qū)間的行駛時(shí)間,但并不指定發(fā)車時(shí)間。車輛歷程對(duì)象是指1個(gè)行駛時(shí)刻表下的1趟車次,通過指定發(fā)車時(shí)間,并與行駛時(shí)刻表中包含的停站時(shí)間以及區(qū)間運(yùn)行時(shí)間相結(jié)合,即可得到所有車站的到發(fā)時(shí)間。本程序根據(jù)外部基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的列車時(shí)刻表數(shù)據(jù),自動(dòng)建立線路、線路路徑、行駛時(shí)刻表與車輛歷程等對(duì)象,并完成相關(guān)屬性的設(shè)置。

列車時(shí)刻表是描述所有列車始發(fā)、停靠,終到站的站點(diǎn)信息,以及始發(fā)時(shí)間、到達(dá)時(shí)間、停靠時(shí)間等的表格。通常情況下,列車時(shí)刻表的單元格內(nèi)容為到發(fā)時(shí)間,1列表示1個(gè)車次,1行表示1座車站。根據(jù)實(shí)際的列車時(shí)刻表手動(dòng)設(shè)置VISUM軟件中的停站方案與時(shí)刻表,這包含大量的重復(fù)性工作,因此,本程序需要實(shí)現(xiàn)軌道交通線路的停站方案的制定,以及時(shí)刻表的自動(dòng)化設(shè)置。具體實(shí)現(xiàn)的技術(shù)流程主要包含以下兩個(gè)步驟。

3.1.4.1 線路停站方案識(shí)別

采用VISUM軟件仿真1條線路中列車的實(shí)際運(yùn)行情況時(shí),需設(shè)置好列車需要停靠的車站。1條軌交線路1個(gè)方向的1個(gè)停站方案對(duì)應(yīng)VISUM軟件中的1個(gè)線路路徑對(duì)象。具體如下:創(chuàng)建1個(gè)空集合L用于存儲(chǔ)線路路徑。讀取列車時(shí)刻表中第1班車次對(duì)應(yīng)的1列,創(chuàng)建1個(gè)新的線路路徑對(duì)象l0。依次讀取此列每個(gè)時(shí)刻表的數(shù)值,若不為空值就代表該班列車在當(dāng)前停站方案下?？看苏?將該車站的編號(hào)添加到l0中,直至該列的所有非空值讀取完畢。新建對(duì)象l1,取值為l0,將l1添加至L中,并初始化l0。讀取列車時(shí)刻表的下列,將該車次停靠車站的編號(hào)添加到l0中,并與L中所有線路路徑對(duì)比:若l0與l1一致,表示該車次屬于l1對(duì)應(yīng)的停站方案;若l0與l1不一致,則新建對(duì)象l2,取值為l0,將l2添加至L中,并初始化l0。以此類推,對(duì)列車時(shí)刻表中的每列循環(huán)計(jì)算,即可確定1條線路的所有停站方案,以及每個(gè)車次與停站方案的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.1.4.2 列車時(shí)刻表建立

將列車到發(fā)時(shí)間輸入至線網(wǎng)供給方案模型。VISUM軟件中的行駛時(shí)刻表對(duì)象描述了1條線路路徑下列車在各個(gè)車站的停站時(shí)間,以及在各個(gè)區(qū)間的行駛時(shí)間,但并不指定發(fā)車時(shí)間。因此,需明確每個(gè)車次屬于1個(gè)停站方案下的某個(gè)停站時(shí)間方案。針對(duì)車次k,在式(1)中已經(jīng)確定了該車次對(duì)應(yīng)的列車停站方案m,則在線路路徑對(duì)象lm下新建行駛時(shí)刻表對(duì)象p0。對(duì)于該車次?？康能囌緄,停站時(shí)間的計(jì)算方法為:

tk,i,停=tk,i,發(fā)-tk,i,到

(1)

式中:

tk,i,停——車次k的列車在車站i的停站時(shí)間;

tk,i,發(fā)——車次k的列車在車站i的發(fā)車時(shí)間;

tk,i,到——車次k的列車在車站i的到站時(shí)間。

列車從車站i至車站i+1的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算方法為:

tk,i,運(yùn)=tk,i+1,到-tk,i,發(fā)

(2)

式中:

tk,i,運(yùn)——車次k的列車從車站i至車站i+1的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間;

tk,i+1,到——車次k的列車在車站i+1的到站時(shí)間;

tk,i,發(fā)——車次k的列車在車站i的發(fā)車時(shí)間。

依次計(jì)算k在每個(gè)?？寇囌镜耐Ｕ緯r(shí)間和區(qū)間運(yùn)行時(shí)間,并將其存儲(chǔ)在行駛時(shí)刻表對(duì)象p0中。比較p0與lm下的所有行駛時(shí)刻表對(duì)象,從而判斷k屬于哪種停站時(shí)間方案。

在VISUM軟件中確定了k的停站時(shí)間和區(qū)間運(yùn)行時(shí)間后,若要確定該車次在所有停靠車站的到發(fā)時(shí)間,還需指定該車次的發(fā)車時(shí)間。設(shè)k屬于m下的停站時(shí)間方案s,則在lm的行駛時(shí)刻表對(duì)象ps下新建車輛歷程對(duì)象vk,指定其發(fā)車時(shí)間屬性為tk,1,發(fā)。至此,該車次在所有?？寇囌镜牡桨l(fā)時(shí)間已經(jīng)確定。循環(huán)執(zhí)行以上步驟,就可以確定列車在每條線路每個(gè)停站方案每個(gè)方向上的到站和發(fā)車時(shí)間。

3.1.5 車輛編組設(shè)置

車輛編組信息可以通過車輛單元和車輛組合兩個(gè)對(duì)象進(jìn)行描述。車輛單元是指1節(jié)車輛,車輛組合是由多節(jié)車輛單元組合成的列車編組。車輛單元包含座席數(shù)量與載客容量等屬性,車輛組合的這些屬性值等于車輛組合所包含的車輛單元的對(duì)應(yīng)屬性值之和。本程序根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中各條線路的列車編組信息,自動(dòng)創(chuàng)建相應(yīng)的車輛單元和車輛組合對(duì)象,并建立其與線路之間的聯(lián)系。

3.2 線網(wǎng)需求建模

3.2.1 OD矩陣創(chuàng)建

需求矩陣描述了起點(diǎn)小區(qū)和終點(diǎn)小區(qū)之間的需求。OD矩陣中的數(shù)值代表起點(diǎn)小區(qū)和終點(diǎn)小區(qū)之間的出行量,是交通分配中不可或缺的部分。本程序以小區(qū)數(shù)量為維度創(chuàng)建OD矩陣,并讀取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的OD矩陣數(shù)據(jù)。

3.2.2 需求組成部分與時(shí)間序列設(shè)置

需求組成部分是由采用同一種出行方式的乘客組成的集合。在分析時(shí)段內(nèi),出行需求的時(shí)間分布通過一個(gè)開始時(shí)間和一個(gè)需求時(shí)間序列來描述,即可以將分析時(shí)段劃分為更小的時(shí)間間隔,并指定每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的需求占總需求的比例。本程序針對(duì)城軌線網(wǎng)客流進(jìn)行分配時(shí),將需求組成部分對(duì)應(yīng)的交通方式設(shè)定為公共交通,并按照基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的乘客出行時(shí)間分布設(shè)置時(shí)間序列。

3.3 交通分配計(jì)算

3.3.1 計(jì)算流程的建立

針對(duì)公交出行的建模,VISUM軟件提供了3種不同的公交分配方法,即基于交通系統(tǒng)的分配方法、基于發(fā)車頻率的分配方法和基于時(shí)刻表的分配方法。這3種方法所需的輸入數(shù)據(jù)不同,其結(jié)果的精度及計(jì)算時(shí)間也不同。對(duì)于已有時(shí)刻表信息的城軌線網(wǎng),本程序選擇基于時(shí)刻表的分配方法建立交通分配計(jì)算流程。

3.3.2 計(jì)算參數(shù)的設(shè)置

VISUM軟件構(gòu)建的交通分配計(jì)算模型,主要包括路徑搜索、路徑預(yù)選、路徑阻抗計(jì)算、路徑選擇等步驟。本程序從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中讀取參數(shù)設(shè)置信息,并依次對(duì)交通分配計(jì)算模型中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3.3.3 交通分配的計(jì)算

在完成計(jì)算流程的建立以及模型參數(shù)的設(shè)置后,本程序按照給定算法運(yùn)行分配計(jì)算流程,從而得到計(jì)算結(jié)果。

4 實(shí)例分析

本文以上海城軌線網(wǎng)為研究對(duì)象,分別通過手動(dòng)方式和本文開發(fā)的自動(dòng)化程序建立城軌線網(wǎng)客流分配模型,并進(jìn)行客流分配工作。與手動(dòng)方式相比,自動(dòng)化計(jì)算程序的效率提升主要體現(xiàn)在以下方面:

1) 線網(wǎng)供給建模。在建立城軌線網(wǎng)客流分配模型時(shí):手動(dòng)方式下需在VISUM軟件中創(chuàng)建對(duì)象,并為每類對(duì)象創(chuàng)建自定義屬性并賦值,當(dāng)需要進(jìn)行方案比選時(shí)還需重復(fù)進(jìn)行這些操作;而自動(dòng)化計(jì)算程序可以自動(dòng)地讀取建模所需數(shù)據(jù),并自動(dòng)完成多方案的建模工作。

2) 線網(wǎng)需求建模。采用多個(gè)時(shí)段的OD矩陣進(jìn)行交通分配,手動(dòng)操作時(shí)需要逐一設(shè)置分配時(shí)段,并為每個(gè)時(shí)段添加矩陣。本程序可以自動(dòng)按需讀取需求矩陣并將其導(dǎo)入模型。

3) 結(jié)果輸出與顯示。在導(dǎo)出交通分配計(jì)算結(jié)果時(shí):手動(dòng)操作方式下每次分配后需在線網(wǎng)、線路、路段、車站等多個(gè)層面創(chuàng)建列表,并為每個(gè)列表選取不同的字段;本程序可以通過讀取參數(shù)文件,按規(guī)則自動(dòng)創(chuàng)建列表并導(dǎo)出至本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。在繪制計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)圖時(shí):手動(dòng)操作方式下需為每張圖片設(shè)置圖形樣式,當(dāng)需要顯示多個(gè)屬性時(shí)就會(huì)產(chǎn)生大量重復(fù)工作;本程序可以讀取預(yù)設(shè)的圖形參數(shù),自動(dòng)繪制各種類型的圖片。

5 結(jié)語

本文研究了城軌線網(wǎng)客流分配的自動(dòng)化計(jì)算方法,并通過軟件二次開發(fā)編寫了基于VISUM軟件的城軌線網(wǎng)客流分配自動(dòng)化計(jì)算程序。通過對(duì)實(shí)例的分析,采用該方法進(jìn)行城軌線網(wǎng)客流分配評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算,不僅可以滿足評(píng)價(jià)所需的復(fù)雜的分析計(jì)算要求,而且提高了評(píng)價(jià)工作的效率。