（交通运输规划与管理专业论文）网络化城市轨道交通行车组织相关问题研究.pdf

中文摘要 摘要： 城市轨道交通，作为各大城市解决交通出行问题的主要途径，是城市公共交 通设施建设和管理的重点。随着我国城市化进程的快速推进，我国既有城市轨道 交通系统的综合能力已经不能够满足日益高涨的城市交通运输需求，城市轨道交 通的线网建设速度不断加快，网络化特征日趋凸显。但由于我国城市轨道交通建 设起步较晚，既有运营组织理论来源于线网规模不大、结构单一的轨道交通现实 基础，无法满足轨道交通在网络化条件下对运营组织理论的客观需要。为改善这 种状况，本文对网络化城市轨道交通的行车组织相关问题进行了一定的研究，具 有一定的理论前瞻性。 本文以客流需求和行车组织方案一体化思想作为研究思路。首先分析了网络 化城市轨道交通客流时间和空间分布的特性，对客流预测理论进行了研究，并提 出了基于a r i m a 和神经网络模型的组合预测模型进行客流预测的新方法。 其次，对网络化轨道交通行车组织的主要问题列车编组方案、车辆交路 方案、运输能力和突发事件下网络化轨道交通行车组织方法进行了研究。其中主 要包括：网络化条件下应从客流的实际需求出发，采用灵活的编组方式，多样的 车辆交路方案，以适应轨道交通的发展；对网络运输能力进行初步探究，指出网 络化轨道交通系统的整体运输能力虽不是线路运输能力的简单叠加，但在一定程 度上反映系统实际运输能力；说明了在发生突发事件时可采取的措施，以控制事 件影响范围、减少效益损失。 最后，从客流需求出发，研究了网络化行车组织协调优化方法。本文先以单 线为研究对象，讨论了单线列车行车组织优化方法，构建了以列车实载乘客量与 标准载客量方差之和最小及使用车底数量最少为目标函数的多目标规划模型，并 采用模糊数学规划方法进行求解，得出了最优列车开行计划。此后，依据系统分 解协调原理，为协调网络中线路上得到发列车时序匹配，提出根据线路在系统中 的作用赋予线路权重的方法，在此基础上调整列车开行计划，力求达到系统整体 运营效果最佳的目的。 关键词：城市轨道交通；行车组织；客流分析与预测；网络化 分类号：u 2 3 1 9 2 监饺亟嫂亟烂蛔越l 垦墨至r ! a b s t r a c t ： a b s t r a c t a st h em a i nw a yt os o l v eu r b a np u b l i c t r a n s p o r tp r o b l e m s ，u r b 趾r a i l 仃肌s i t b c c o m 骼t h ek e y p o i n to fu r b a np u b l i ct r a n s p o r tf a c i l i t i e sc o n s t r u c t i o n 觚dm 锄g e l l l 咖 a j o n gw l t ht h er a p i dp r o g r e s so fu r b a n i z a t i o ni nc h i n a , t h ee x i s t i n gu r b 锄r a i l 仃a n s i t c a n n o tm a t c hm e e tt h en e e d so f r i s i n gd e m a n df o rp u b l i cu r b a nt r a n s p o f t t h e m c r e a s m gl i n ec o n s t r u c t i o nh i g h l i g h t e dn e t w o r k i n gc h a r a c t e r h o w e v e r , d u et 0 t l l e c o n s t m c t l o ns t a r t e dl a t e rc o m p a r e dt oo t h e rc o u n t r i e s , t h ee x i s t i n g0 p e r a t i o nt h e o r y w h i c hc 幻m e sf r o mt h e a c t u a l i t yo fs m a l l s c a l eu r b a nr a i lt 瑚m s i tn 咖o d ( w i t h s l n g l e - s t r u c t u r el sn ol o n g e rt om a t c ht h e o b j e c t i v ed e m a n d su n d e r 廿1 es i t u a 缸o no f n e r k j n go p e r a t i o n t h i sp a p e rd i s c u s s e di s s u e sr e l a t e dt on e t w o r k i n go p e 础o nf o r t h ep u r p o s et on n p r o v et i f f ss i t u a t i o n ，w h i c hp r o v e d t ob eap r o s p e c t i v es t u d f i r s to fa l l , b a s e do n p a s s e n g e rd e m a n da n dt h et h o u g h to fo p e r a t i o nc o n s e n s u s t 1 1 i s p a p 盯a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a f f i cf l o wi ns p a c e t i m ed i s t r i b u t i o n s t l l d i e d t h es h o r t - t e r mu r b a nr a i lt r a f f i cf l o wp r e d i c t i o nt h e o r y , a n dp r o p o s e da n c wm e t h o dt o t o r e c a s t i n gt r a f f i cf l o wu s i n gac o m b i n a t i o nm o d e lc o n s t i t u t e dw i t ht h ea r i m a m o d e l a n dt h ea n n m o d e l s s e c o n d l y , w ew o r ko nt h em a i np r o b l e m so f u r b a nr a i lt r a n s i to p e r a t i o no r g a m z a t i o l l ， s u c ha 8v e h i c l e m a r s h a l l i n g ，r u n n i n gp a t h sc h o i c e s ，t h et r a n s p o r tc a p a c i t yo fr a i lt r a n s i t a n dt h es p e c i a lo p e r a t i o no r g a n i z a t i o nf o rt h eu n e x p e c t e di n c i d e l 】妇o n l er a i l 缸a n s i t n e t w o r k m o s t l yi n c l u d et h ef o l l o w i n gi s s u e s ：f i r s t ，m 1 ea c t u a l d 即豫n do f p a s s e n g e rf l o wp r e d i c t i o n ，t h eo p e r a t i o n o r g a n i z a t i o ns h o u l du s ef i e x i b l ev e h i c l e m a r s h a i l i n gp r o g r a ma n dm u l t i r o u t i n gm o d et oa d a p tt ot h ed e v e l o p m 吼t o fr a i l 仃a n s i t o nn e n ( c o n d i t i o n ；s e c o n d ，b a s e do nt h ep r i n c i p i u m r e s e a r c ho f 咖r t c a p a c i t yo f t h er a i lt r a f f i cn e t w o r k ，w ep o i n to u tt h a tt h ew h o l et r a n s p o r tc a p a c i t yo ft h er a i l 仃a n s p o r t a t i o ns y s t e mo nn e t w o r ki sn o tj l a s tas i m p l es t a c k i n go ft h el i n e rr a i l 仃a n s i t c a p a c i t y , b u tr e f l e c t i o no ft h ea c t u a lt r a n s p o r tc a p a c i t y , t oac e r t a i ne x t e n t 1 1 l i l d m e t h e s l sp o i n to u tt h a tt h eo p e r a t i o no r g a n i z a t i o ns h o u l dt a k et i m e l y m e a s u r e st oc o n t r 0 1 t h ee f f e c t e da n dn a r r o wl o s s e s w h e nt h er a i lt r a n s i t o p e r a 畸o ne n c o l l 】吡e 塔w i t t l u n e x p e c t e de v e n t s f i n a l l y , t h et h e s i sd i s c u s s e st h ec o o r d i n a t e do p t i m i z a t i o nm e t h o d so ft h eu r b a n r a i l 0 p e r a t i o no r g a n i z a t i o no nn e t w o r kb a s e do nt h e p a s s e n g e r t r a f f i cd 锄锄d a m u l t i - o b j e c t i v ep r o g r a m m i n gm o d e li sd e v e l o p e df o rt h es i n g l e dr o u t eo p e r a t i o n m i n i m i z i n gt h es l i mv a r i a n c ef r o mt h ea c t u a lp a s s e n g e rv o l u m e t os t a n d a r dc a p a c i t ya n d m i i l i m i z i n gt h en u m b e ro fv e h i c l e su s e d t h e nt h em o d e l i ss o l v e db yaf u z z y m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n ga p p r o a c ht od e t e r m i n et h eb e s tt r a i np l a n b a s e do n d e c o m p o s i t i o na n dc o o r d i n a t i o no fs y s t e mp r i n c i p l e ，t h et h e s i sm a k e sa d j u s t m e n tt o l i n e - t r a i lo r g a n i z a t i o nt oc o o r d i n a t et h en e t w o r ko fu r b a nr a i lt r a n s i ta n dg e tt h eb e s t r e s u l t so f u r b a nr a i ls y s t e m k e y w o r d s ：u r b a nr a i l t r a n s i t ；o r g a n i z a t i o n o ft r a i n o p e r a t i o n ；p a s s e n g e r c h a r a c t e r i s t i c sa n dp r e d i c t i o n c i a s s n o ：i j 2 3l9 2 v 图目录 图1 1 论文研究思路5 图2 1 城市轨道交通基本线路6 图2 2 北京、上海城市轨道交通规划线路结构图7 图2 3 单峰型小时客流分布8 图2 - 4 双峰型小时客流分布8 图2 5 全峰型小时客流分布9 图2 - 6 突峰型小时客流分布9 图2 7 无峰型小时客流分布9 图2 8 全日客流分布规律一1o 图2 - 9 全日客流分布规律二1 0 图2 1 0 s p s s 分析小时入站客流图1 3 图2 1 1 三层b p 前馈网络15 图2 1 2 组合模型结构1 7 图2 1 3 三种预测结果与实时数据的比较2 0 图2 1 4 三种模型的百分比绝对误差2 1 图3 - 1 车辆运行交路的多种形式2 7 图3 2 站站停车列车运行方案停车示意图2 8 图3 3 跨站停车列车运行方案停车示意图2 9 图3 4 分段停车列车运行方案停车示意图2 9 图3 5 追踪运行列车先后经过车站时的运行位置。3 3 图3 - 6 站后折返列车折返作业过程3 3 图4 1 大交路列车运行图4 1 图4 2 大小交路衔接列车运行图4 l 图4 - 3 大小交路嵌套列车运行图4 2 图4 - 4 环型交路列车运行图4 2 图4 _ 51 号线与2 号线路走向简图4 6 图4 6 客流随时问变化曲线。4 7 图4 - 7 列车开行计划5 0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：砂四年 导师签 签字日期 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 一躲闭1 梆洲析 致谢 本论文的工作是在我的导师周磊山教授的悉心指导下完成的，在此衷心感谢 两年来周老师对我的关心和指导! 两年的时光转眼即逝，但是导师对我的谆谆教诲始终铭记于心，我的进步凝 聚着导师的心血，我永远不会忘记导师对我学业上的指导和生活上的帮助，导师 用他严谨务实的治学精神，精益求精的工作作风，乐观豁达的生活态度，孜孜不 倦的事业追求，时时刻刻感染我，教育我，他永远是我学习、工作、生活的榜样! 感谢乐逸祥老师两年来的教诲，让我记得永远不要停下学习的脚步； 感谢孙琦师兄在思想上的帮助，让我知道自己该做些什么，使我更快地成熟 起来； 感谢吴晓东师兄、秦胜师兄、陈雍君师兄、夏明师兄、王永明师兄、房霄虹 师姐、刘彦虎师兄、田苗苗师姐、杨恩慧师姐在学业上的指导，让我在各方面有 了进步； 感谢周艳芳、胡兴宇、王神南、蔡龙军同学在生活上的关心，让我感觉到集 体的温暖； 感谢8 6 0 1 实验室的师弟师妹们给我带来的美好时光。 1 引言 1 1 选题背景 城市轨道交通作为城市公共交通系统的一个重要组成部分，在中国国家标准 城市公共交通常用名词术语中，被定义为“通常以电能为动力，采取轮轨运 转方式的快速大运量公共交通之总称 。它是一个庞大而复杂的技术系统，覆盖了 土建、机械、机电、电子、环境、运输组织等多个专业，具有安全、准时、快捷、 运量大、占地少、污染少及与其他交通干扰少等特点。近年来，轨道交通建设已 成为我国大城市建设的热点，并显示出其规模化、网络化发展方向，对其进行深 入研究不仅有利于城市交通的建设，也将为我国交通产业的发展带来巨大效益。 以北京为例，为适应城市发展的要求、缓解交通拥堵现状、迎接奥运会的举 办，北京正加快建设城市轨道交通网络。近期规划方案中包括8 条市区线路，建 设里程1 6 9 7 公里，3 条通往郊区的市郊铁路线路，建设里程1 0 9 4 公里，建设总 里程为2 7 9 1 公里。预计2 0 0 8 年底北京市区轨道交通线路运营里程将达到2 6 4 7 公里，加上3 条郊区线路，全市轨道交通运营总里程将达到3 7 4 1 公里。至2 0 1 5 年将建成总里程达5 6 1 公里的轨道线路，形成轨道交通网络运营。 随着城市轨道交通整体网络的逐步形成，由单线相对独立运营管理向多线综 合运营管理的方向转变，形成轨道交通网络化运营新局面。新线路、新技术、新 设备的密集投入使用，将大大改变现有运营组织和调度指挥模式。同时，由于轨 道交通网络结构的复杂性、不同轨道交通线路制式和功能的多元性、客流需求时 空分布特点的多重性等因素，都使得网络化运营管理的难度大大增加。 在未来的几年，城市轨道网络运营管理将呈现如下特点： ( 1 ) 客运量需求增大，客运组织要求提高； ( 2 ) 公共安全责任重，应急处置要求高： ( 3 ) 新线建设速度快，运营接管任务重： ( 4 ) 新技术新设备运用多，设备更新改进要求高： ( 5 ) 线路客运需求大，运输能力紧张。 在网络化运营管理条件下，对准确分析网络客流分布特征、制定合理的网络 运营计划、提高各线路运营匹配性、发挥系统的整体运输能力和综合效益以及系 统的应急处置能力等多方面都提出新的挑战。从网络化运营管理的要求角度出发， 我们需要在准确把握轨道交通网络客流分布的基础上，优化线路的行车组织计划 的编制，协调线路配置，只有这样才能充分发挥网络化轨道交通系统的整体效能， 保证网络化轨道交通系统安全、可靠和高效运营。 1 2 研究内容和意义 1 2 1 研究内容 我国轨道交通建设已初具网络化规模，但与之匹配的运营组织理论来源于线 网规模小、结构单一的轨道交通现实基础，无法满足轨道交通在网络化条件下对 运营组织理论的客观需要。因此，有必要从网络层面运营管理的要求出发，分析 网络化客流特征与客流预测模型，阐述网络化行车组织适用方法，研究网络化列 车行车组织优化方法和线路协调匹配方法。 由于行车组织涉及的内容多、范围广，面面俱到地阐述对现阶段能力来讲是 不实际的，因此本论文主要从与行车组织相关的重点问题入手，进行深入研究。 1 2 2 研究意义 我国城市轨道交通建设正由单纯的“线路型 向多元的“网络型”转变。只 有全面完成从单线型向网络化升级的过渡，才能真正体现出城市轨道交通“安全、 便捷、准点、大运量”的人性化客运优势，才能使轨道交通在城市综合一体化交 通中发挥核心作用。网络化进程既能为轨道交通事业发展带来机遇也给轨道交通 建设、运营以及系统的安全保障等多方面提出诸多新要求和挑战。为此，结合不 同城市自身的特点，前瞻性地开展城市轨道交通网络化建设与运营的研究，是摆 在我国城市轨道交通建设面前一项十分紧迫的任务。行车组织作为轨道交通运营 管理中重要组成部分，对其相关问题作深入研究，是研究网络化轨道交通系统运 营理论的重点，也是提高轨道交通运营效益的有效途径。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 国外一些大的城市由于网络规模形成早，在网络化运营方面已经有比较成熟 的经验，在很多方面值得我们借鉴与学习。纵观国内外拥有相类似轨道交通网络 2 规模的城市，如伦敦、巴黎、莫斯科、纽约、柏林、香港、新加坡等，这些城市 的轨道交通网络规模大，线路数目多，在信息技术、管理理念、建设方式等方面 都有较为成功的经验。例如在城市轨道交通运营组织优化的研究领域中，日本有 专门针对城市轨道交通运营管理的信息系统，包括列车运营计划编制、信息统计、 责任监督安排、信息检测等功能，为整个城市轨道交通的安全和通畅运行提供了 必要的技术条件。从轨道交通行车组织经验方面总结，文献 4 3 】介绍了巴黎地铁1 4 号线采用小编组、高密度的行车方式；维也纳2 号线列车采用6 节编组与4 节编 组两种方式交替变换形式，再加上调节行车密度满足不同时期和不同时段客流量 变化上的需要，成为提高城市轨道交通运行效率的有效途径。在研究网络化行车 组织理论问题中文献【4 7 】、文献 4 8 1 从乘客需求角度优化了分时段列车运行时间的 排定方法。 上述城市轨道交通网络运营管理的成功经验值得我们借鉴，但我们应该看到 由于在管理体制、城市公共交通总体水平、乘客出行特点、轨道交通网络的形成 过程等多方面存在较大差异，国外的轨道交通网络化行车组织方式等成果和经验 难以完全适用于我国城市轨道交通网络。同时，国外城市目前使用的计算机辅助 决策系统均主要针对计划编制层面，能够直接运用于实际运营管理的软件系统不 多。 1 3 2 国内研究现状 虽然我国建设城市轨道交通的时间不长，但在列车行车组织方面也取得了一 定的研究成果。其主要研究成果有： ( 1 ) 系统介绍 1 9 9 8 年由季令、张国宝主编的城市轨道交通运营组织对城市轨道交通的 运营进行了全方位的研究和叙述【l 引，2 0 0 3 年何宗华等人编写新的城市轨道交通 运营组织，结合了轨道交通新的发展，对行车组织、客运管理等进行了系统的分 析和研究【3 卅。 ( 2 ) 从客流需求出发，通过对客流特点的分析制定不同的运输组织策略 曹仲明、顾保南等人建议采用小编组、高密度的列车运行方案，同时采用先 进的信号系统，改进折返段布置，以达到最优的运输组织【2 】。聂英杰、陶志祥等人 在详尽分析了客流的时间分布特点和空间存在特点的基础上，讨论了行车组织策 略，提出在非高峰运营时段开行编组辆数少的“短列”，以实现开行最少列车对数， 降低运营能耗【3 】【4 1 。陈浩然提出了以各站的旅客需求量作为地铁列车开行依据的运 营模式【7 1 。徐瑞华等人分析了像世博会这种大规模客流的城轨交通运输组织方案 3 【8 1 。方蕾等人提出以客流为基础，用模拟的方法，研究了运营可控变量调整下的方 案选优问题。针对城市轨道的特点，采用层次分析法对各运行方案进行数量指标、 质量指标、经济指标的综合评价，从而得到最有利的运营组织方案【5 】【6 1 。 ( 3 ) 改造线路、设备，开行“快、慢 列车，达到行车组织优化。 国内部分学者通过分析东京地铁快慢车组合运营的方式及其配线方法，探讨 了上海市域轨道交通r 2 线实行快慢车组合运营方式的可能性【2 6 】【3 7 1 。宋键、徐瑞华、 缪和平对开行跨站停、部分停站、直达列车的组织形式及需具备的条件进行了分 析，重点研究了快慢车的越行问题【1 4 1 【3 8 】。并以上海某市快速轨道交通线为例，通 过计算机仿真铺画列车运行图的方法，对开行快慢车后越行地点的选择，以及列 车始发的均衡性问题进行了分析研究。郭锴从线路功能定位、客流特点出发，对 沪宁城际轨道交通的列车开行方案进行探讨，提出开行大站直达和站站停2 种列 车的组合形式【3 3 1 。李宇东、李侠等人分析了客流的小时不均衡和区段断面不均衡 两大特点，提出长短交路混跑和快慢车并行的运输组织方式及与之适应的运营条 件，并讨论了运营中如何采用灵活的行车组织方式以适应客运需求的方法【2 7 1 1 2 9 1 3 0 1 。 徐瑞华等人提出开行快、慢车的组织方法1 2 9 1 ，让慢车满足沿线乘客的乘降要求， 快车满足卫星城与卫星城以及与中心城之问长距离旅客的乘降要求，以缩短在途 时间。 ( 4 ) 从减少车底使用量方向研究，达到运营的最优化。 杜适敏等人在总结目前使用的城市轨道交通运用车计算方法的基础上，分析 了上海市城轨1 号线和3 号线的运营情况，提出基于功能和定位的新的计算思路， 并提出初步的计算方法f 3 4 】。晏秋研究了城市轨道交通多个循环区段线路上列车最 优开行方案的计算机自动编制问题，给出各种循环方式下，运用车底数下界的数 学计算公式。建立了使列车实载率达到最大的列车目班次运行计划的优化模型， 并讨论了计算机求解算法1 9 1 。 以上研究成果主要是以现有简单的线路条件为研究背景，很少涉及到大规模 网络条件下轨道交通的行车组织，从网络化系统角度对轨道交通的行车组织计划 的理论研究尚处空白阶段，所以本文研究具有一定的探索性意义。 1 4 论文研究思路 本文将按照“客流预测与行车组织方案一体化思想，首先对网络化客流状 态作重点分析，随后阐述了网络化条件下行车组织中的编组方案、交路选择、能 力分析等重点问题，最后提出网络化行车组织优化方法。 4 ”葫蔽谚i 赫铸薪r 、 尸一行车组织研究”、 ，础磊优化方法 、 研 究 编组方案 的 _ 客流分布特征 交路选择 广 单线优化方法 背 景 l 整体优化方法 能力分析 与 _ 客流预测模型 意 义 特殊情况下行车方法 图i - i 论文研究思路 5 2 网络化城市轨道交通客流分析与预测 2 1 城市轨道交通路网结构 路网结构是城市轨道交通为市民提供高质量出行服务的前提，也是轨道客流 状况及运营组织研究的基础。只有了解、掌握轨道交通的路网结构，才能有效地 对轨道交通网络上的客流进行分析和预测，并寻求与轨道交通路网结构相适应的 运输组织，最大程度发挥轨道交通作用，解决城市交通问题。 城市轨道交通基本线路，依据形态的不同【l 】【3 2 】，可分为单行线、环线、枝形线、 枝环线几种，示意图如下： o 么c 刍 单行直线、单行曲线环行线枝形线 枝环线 图2 1 城市轨道交通基本线路 f i g 2 - 1t h eb a s i ck i n do f u r b a nt r a n s i tr o u t e s 复杂的轨道交通网路是由若干的简单单行线和环线组成。现阶段已有的城市 轨道交通网络典型结构主要有网格式路网、星形路网、树状路网、放射状路网及 放射式环状路网。 放射式环状路网是以城市中心为核心，由穿过市中心的直径线或是从市中心 出发的射线加上环线构成。兼具放射式路网的方向可达性高、城市各点距中心点 距离短、换乘方便的特点和环状路网加强中心区边缘客流集散点的联系、截流外 围区间的客流、减轻中心区交通的压力的优点。其路网规模庞大，线路结构复杂， 在路网结构中最具有代表性，随着城市轨道交通的大力建设，已成为今后大城市 轨道交通路网的发展方向。从我国轨道交通的发展情况来看，北京、上海的轨道 交通线路已经体现出放射式网状结构的特点，因此本文选择放射式环状路网结构 作为研究网络化城市轨道交通客流分析和预测的背景，研究此种路网结构下的运 输组织行车策略。 6 图2 2 北京、上海城市轨道交通规划线路结构图 f i g 2 - 2 t h er o u t e ss t r u c t u r ep l a no f u r b a nt r a n s i ti nb e i j i n ga n ds h a n g h a i 2 2 客流分析 城市轨道交通是以满足乘客出行需求为目标，为城市居民出行服务的城市公 共设施。因此乘客既是城市轨道交通服务对象，又是城市轨道交通系统建设和运 营的基础。乘客汇集到轨道交通系统即形成“客流”。 客流是动态变化的，对既有网络线路上的运营客流调查数据进行统计分析， 了解客流在时间、空间上的动态变化规律，可以为后续实施线路或者其他城市的 路网规划、线路建设、车站设计、车辆选型等轨道硬件设施建设提供参考，也是 城市轨道交通运营管理中，合理安排运输能力、编排列车车流计划、优化行车组 织的基础。因此，要优化行车组织方案、发挥网络化轨道交通整体的最大能力， 对客流的研究至关重要。 客流是城市轨道交通系统研究的重要依据，对客流的动态变化进行实时跟踪 和系统分析，掌握客流变化规律是保证网络化轨道交通系统运输组织工作得以顺 利进行的前提。客流因时因地而变化，这种变化是城市社会经济活动、轨道交通 网络系统本身特征的反映。客流分析的核心是分析客流的时空分布规律。 2 2 1客流在时间上的动态特性 网络化轨道交通客流时间上的动态特性是指客流随时间变化而表现出的变化 趋势，主要包括一日内、一周内、一季度以及突发事件时的变化趋势。 1 、一日内小时客流分布 小时客流量用以确定城市轨道交通出入口、通道等设备能力，是计算全日行 车计划和车辆配备计划的基础。 7 网络化轨道交通系统中的小时客流量随城市生活的节奏变化而变化，指在一 日之内呈起伏状分布，夜间客流量稀少，黎明前后渐增，上班上学时间达到高峰， 以后客流渐减，至下班或放学时间又出现第二个高峰，进入晚间客流又逐渐减少； 并与轨道交通网络中的线路走向、路网结构、所处交通走廊的特点以及车站类型、 所在地的用地性质有关。依据不同运能轨道交通的不同类型车站，可归纳出以下 五种客流小时分布类型1 0 l 。 ( 1 ) 单向峰型。轨道交通线路所处的交通走廊具有明显的潮汐特征，或车站位于 轨道交通网络中的射线上、周边地区用地功能性质单一时，车站客流分布集中， 有早晚错开的一个上车高峰和一个下车高峰。 ( 2 ) 双向峰型。车站位于综合功能用地区位时，或是轨道交通网络的环线换乘车 站上，其客流分布与其它交通方式的客流分布一致，有两个配对的早晚上下车高 峰。其基本客流主要由工作性客流而构成，在一天的运营时间内出现早、晚两个 客运高峰。 夕| 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 82 02 22 4 文一 八八 46 8 1 01 21 4 1 6 1 82 02 22 4 图2 3 单峰型小时客流分布图2 4 双峰型小时客流分布 f i g 2 - 3u n i m o d a lh o u r l yp a s s e n g e rf l o wd i s t r i b u t i o n f i g 2 - 4b i m o d a lh o u r l yp a s s e n g e rf l o wd i s t r i b u t i o n ( 3 ) 全峰型。轨道交通线路位于用地己高度开发的交通走廊，或车站位于轨道交 通大型换乘站或公共建筑、设施高度集中的地区时，客流分布无明显的低谷，双 向上下车客流全天都很大。 ( 4 ) 突峰型。车站位于体育场、影剧院等大型公用设施附近，演出节目或体育比 赛结束时，有一个持续时间较短的突变的上车高峰。一段时间后，其它部分车站 可能有一个突变的下车高峰。 圭至一 46 81 01 21 4 1 6 1 82 02 22 4 一 下车 一l 46 8l o1 2 1 41 6 1 82 02 22 4 卜 v - r 岔 图2 - 5 全峰型小时客流分布图2 - 6 突峰型小时客流分布 f i g 2 - 5h o u r l yp a s s e n g e rf l o wd i s t r i b u t i o nw i t h o u tb i gf l u c t u a t i o n f i g 2 - 6h o u r l yp a s s e n g e rf l o wd i s t r i b u t i o nw i t hd a s hf l u c t u a t i o n ( 5 ) 无峰型。当轨道交通本身的运能比较小或车站位于用地还没有完全开发的地 区时，客流无明显的上下车高峰，双向上下车客流全天都较小。 上车 、 4681 01 2 1 41 6182 02 22 4 、一 下车 图2 7 无峰型小时客流分布 f i g 2 7h o u r l yp a s s e n g e rf l o wd i s t r i b u t i o nw i t h o u ts u m m i t 针对不同的小时客流分布类型，可以采用线路单向分时客流不均衡系数【1 0 1 来 描述其全日客流分布状况，计算公式如下： 口，= 彳删a t h( 2 1 ) 式中：口，为单向分时客流不均衡系数； 4 单向分时最大断面客流量( 人) ； k 单向最大断面客流量( 人) ； i j 卜q 日营业小时数( 个) 。 线路往往以高峰小时的客流量作为确定配备车辆数的依据，高峰小时客流量 越大，需要投入的车辆数越多。 2 、一周内全日客流分布规律 城市居民的工作与休息是以一周为循环周期进行的，这种活动规律性必然要 9 反映到一周内各日客流量的变化趋势上。在以通勤、通学客流为主的轨道交通线 路上，双休日的客流会有所减少；而在连接商业网点、旅游景点的轨道交通线路 上，双休日的客流又会有所增加。另外，与其他工作日早、晚高峰小时客流量相 比，星期一与节假日后的早高峰小时客流和星期五与节假日前的晚高峰小时客流 相对较大。根据全日客流在一周内分布的不均衡和有规律的变化，从运营经济性 考虑，轨道交通系统常在一周内实行不同的日行车计划。 星期一星期- - - 星期三星期四星期五星期六星期日 图2 8 全日客流分布规律一 f i g 2 - 8f u l l t i m ep 舔8 e n g e rd i s t r i b u t i o nd i s c i p l i n e ( 1 ) 星期一星期二星期三星期四星期五星明六星明日 图2 - 9 全日客流分布规律二 f i g 2 - 9f u l l - t i m ep 嬲s e n g e rd i s t r i b u t i o nd i s c i p l i n e ( 2 ) 3 、季节性或短期性客流的不均衡 在一年内，客流还存在季节性的变化，比如由于梅雨季节和学生复习迎考等 原因，6 月份的客流通常是全年的低谷。另外，在旅游旺季，城市中流动人口的增 加又会使轨道交通线路的客流增加，短期性客流量突增通常发生在举办重大活动 如奥运会、世博会等或遇到天气骤然变化的时候。 2 2 2 客流在空间上的动态特性 网络化轨道交通客流在空间上的动态特性指不同车站和不同区间段上客流的 不均衡性，包括网络中不同线路和一条线路区段的动态特性。轨道交通路网由线 l o 路组成，分析轨道交通网络客流的空间动态性主要从路网的线路空间动态性入手。 l 、方向动态性 在轨道交通网络中的线路上，由于客流的流向原因，上下行方向的客流通常 是不相等的。在网络中位于放射线位置的轨道交通线路上，早、晚高峰小时的上 下行方向客流不均衡尤为明显。可以采用轨道交通线路上下行方向不均衡系数【l o 】 来描述轨道交通线路上下行方向客流均衡程度，计算公式如下： = 2 a a ( 以+ 4 ) ( 2 - 2 ) 式中：上下行方向客流不均衡系数； 以上行方向最大断面客流量( 人) ； 4 下行方向最大断面客流量( 人) 。 方向不均衡系数反应了路网中线路不同方向上的客流分布情况。在上下行方 向最大断面客流不均衡程度较大的情况下，路网中射线线路上要做到经济合理地 配备运力比较困难，但在环形线路上可采取内、外环线路安排不同运力的措施。 路网中每条线路具有不同方向的动态性，综合在一起即表现出路网的方向动态性， 就放射式环状路网而言，客流在早晚高峰常表现为单向型客流，早高峰从市郊流 向市内，晚高峰从市内返回市郊。 2 、断面客流的动态性 轨道交通网络中的线路由于行经区域的用地开发性质不同，所覆盖的客流集 散点的规模和数量不同，因而出现线路各个车站乘降人数不同，线路单向各个断 面的客流存在不均衡现象是不可避免的。 不均衡系数【1 2 】可按下式计算： = k 4 - n 其中：单向断面客流不均衡系数； 4 单向断面客流量( 人) ； 刀单向全线断面数( 个) 。 轨道交通网络中线路单向各个断面客流 ( 2 3 ) 断面客流不均衡系数反应线路上不同断面的客流的不均衡度，当不均衡系数 较大时，应采取一定措施，以保持线路各个断面客流量的平衡，减少运能虚糜。 3 、各个车站乘降人数分布特征 轨道交通网路中线路上各个车站的乘降人数不均衡，甚至相差悬殊情况并不 少见。在不少线路上，全线各站总的乘降量集中在少数几个车站上办理。此外， 新的居民住宅区形成规模和新的轨道交通线路加入网络投入运营，也会使车站乘 降量发生较大的变化及带来不均衡的加剧或新的不均衡。 从网络化轨道交通系统中客流时间、空间变化的特征看，与单线客流呈线型 变化趋势，即线路中间区段客流量较大向两端逐渐减小，网络化轨道交通客流分 布随路网结构呈曲面变化，客流量由环线包围的市中心到射线触及的市郊逐渐减 少，为多层次多方向变化趋势。从客流的方向性来讲，对比单线客流点到点的对 应关系，网络系统中的轨道交通客流由于线网的交错生成大量的换乘客流，客流 的起终点较难确定，增大了客流研究的复杂性，也使网络化轨道交通的客流更具 实时性特征。 2 3 客流预测 在网络化城市轨道交通系统不断建设、完善的阶段，已建设运营的线路客流 分布将会随着网络中线路的增加发生变化，并随着路网的形成，网络中客流变化 将更具实时性特征。因此，准确合理地确定和预测网络化运营条件下的客运需求、 客流性质，对于优化列车运营计划、制定客流输送方案等，具有极为重要的指导 作用，可满足提高运营组织效率和可靠性的需要。 传统客流预测采用城市交通客流预测模式，一是采用城市交通规划中的“四 阶段 预测模式，分析和预测城市道路网的轨道交通系统的客流量。二是运用趋 势外推法预测未来新建轨道交通线路的客流量。三是以车站确定的吸引区域来计 算各站点、断面、线路的客流量。客流预测方法常用的有：定量预测方法和定性 预测方法。定量预测方法主要有时间序列客流预测方法和移动平均法。定性预测 方法使用较多的有德尔菲法等。轨道交通网络系统客流预测结果包括：站间双向 到发客流量，全日和高峰小时的客流量，总客运量，各站进出客流量，全日客流 的时段和断面分布，以及全市总运量比重等。 由于网络轨道交通正处于积极建设阶段，网络中各线路客流影响性和依托性 逐步加大，长期客流预测己难以准确反映客流的变化趋势，在轨道交通网络线路 实施时期中，短期客流预测将更实际可行的为行车组织编制方案服务，提高运营 组织效率。为此，这里主要研究客流短期预测模型，首先介绍两个预测精度较优 的短期客流定量预测模型：a r i m a 模型和人工神经网络模型。 2 3 1a r i m a 模型 a r i m a 模型是由b o x 和j e n k i n s ( 1 9 7 7 ) 首次提出了一种时间序列预测分析非线 性平稳模型，自回归求和滑动平均过程，简称a r i m a ( p ，d ，q ) 。其中，p 为自回归 项数，q 为滑动平均项数，d 为使之成为平稳序列所做的差分次数( 阶数) 。a h m e d 和c o o k 在1 9 7 9 年首次将时间序列模型用于交通流预测领域；1 9 8 4 年o k u t a n i 和 s t e p h a n e d e s 将a r i m a 模型应用到u t c s 中；1 9 9 3 年a r i m a 模型又被k i m 和 1 2 h o b e i k a 应用到高速公路交通流量预测中i 删。 a r i m a 模型是一种非平稳的时间序列模型，常用于描述时间序列统计特性， 它是参数化模型处理动态随机数据的一种实用方法。通过对实测数据序列的统计 处理，将它拟合成一个参数模型，再利用这个模型来分析研究实测数据序列内在 的各种统计特性，从而可以按照它的统计规律，利用现在和过去的观测值来预测 其未来值。其模型思想是对非平稳的时间序列用若干次差分使其成为平稳序列， 即差分次数为d ，再用以p 、q 为参数的a r i m a 模型对该平稳序列建模，之后经 反变换得到原序列。以p ，q ，d 为参数的a r i m a 模型预测方程可表示为： y t = o o + q ，l y t i + q ，2 y t 一2 + + q p y , 一e + f t - 0 1 6 t l 一0 2 6 , 一2 一一o q 6 , 一g l z 珥j 式中：只为样本值；纺( f