（交通运输规划与管理专业论文）基于路网的城市轨道交通系统运输能力研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：作为解决交通出行问题的主要途径，城市轨道交通是各大城市公共交通设 施建设和管理的重点。随着我国一些大城市轨道交通线路的大规模兴建，轨道交 通线路由单线变多线，并逐渐形成路网。在轨道交通网络化的背景下，轨道交通 运输能力问题的研究重点必将从线路转向路网，然而以往的研究皆以简单线路为 背景，路网系统运输能力的概念体系和计算方法至今仍未建立起来。因此，本文 关于城市轨道交通路网系统运输能力问题的研究具有一定的前瞻性和理论价值。 路网系统构成的基本要素是多个“点”和多条“线”。点、线系统运输能力的 研究是路网系统运输能力研究的基础，但路网系统运输能力不仅仅是路网各点、 线子系统运输能力的简单叠加，而是受点、线间相互关系的共同制约。本文结合 城市轨道交通的网络化运营特点，运用系统工程的理论，对基于路网的城市轨道 交通系统运输能力进行了系统的研究。 首先分析了城市轨道交通路网中最基本的线路关系，讨论了五种典型的城市 轨道交通路网结构类型，为路网系统运输能力的研究提供必要的准备。 接着，分别讨论了城市轨道交通系统车站能力以及线路能力的计算方法，以 此作为研究路网系统运输能力的基础。在讨论车站能力时，重点分析了换乘站运 输能力的计算方法；在讨论线路能力时，考虑了列车晚点对追踪列车间隔时间的 影响，引入了列车运行图缓冲时间的概念，对轨道交通线路的通过能力进行了修 正，并运用概率论的知识研究了城市轨道交通列车共线运营条件下通过能力的计 算方法。 随后，结合“线路运输能力及“路网规模 因素，提出了路网系统运输能 力的系列定义，分析了路网系统运输能力的主要特点及其影响因素。在此基础上， 考虑轨道交通换乘客流叠加因素的影响，提出了路网条件下的城市轨道交通路网 系统运输能力的计算方法，并利用上述理论和计算方法对北京市轨道交通系统运 输能力进行了实证研究。 最后，分析了城市轨道交通系统运输能力加强的主要途径和措施，讨论了城 市轨道交通路网条件下车站、线路之间运输能力的协调问题。 关键词：城市轨道交通；路网系统；运输能力：路网结构 分类号：u 2 3 1 9 2 a b s t a c t 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 et r a n s p o r tp r o b l e m s ，u r b a nr a i l t r a n s i tb e c o m e st h ek e yp 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 na n d m a n a g e m e n t a l o n g w i t ht h el a r g e - s c a l ec o n s t r u c t i o no fu r b a nr a i lt r a n s i tl i n e si nc h i n a ， u r b a nr a i lt r a n s i tl i n e sc h a n g e df r o mas i n g l el i n ei n t oan e t w o r k i nt h ec o n t e x to fu r b a n r a i lt r a n s i tn e t w o r k ，t h ef o c u so fu r b a nr a i lt r a n s i ts y s t e mc a r r y i n gc a p a c i t yw i l lb e c o n v e r t e df r o mt h el i n et on e t w o r k p r e v i o u sr e s e a r c ho nt h ec a r r y i n gc a p a c i t y , h o w e v e r a l w a y st a k es i m p l el i n ea st h eb a c k g r o u n d n et h e o r ya n dc u m u l a t i n gm e t h o d so fu r b a n r a i lt r a n s i tn e t w o r kc a r r y i n gc a p a c i t yh a v en o ty e tb e e ne s t a b l i s h e d t h e r e f o r e ，t h i s a r t i c l eo nu r b a nr a i lt r a n s i tn e t w o r kc a r r y i n gc a p a c i t yi s f o r w a r d l o o k i n ga n dh a sa t h e o r e t i c a lv a l u e t h ew h o l eu r b 锄m l lt r a n s i tn e t w o r ki sm a d eu po ft h es t a t i o n sa n dl i n e s ，a n dt h e s t u d yo nt h es t a t i o n sa n dl i n e sc a r r y i n gc a p a c i t yi st h ef o u n d a t i o no ft h es t u d yo nu r b a n r a i lt r a n s i tn e t w o r kc a r r y i n gc a p a c i t y h o w e v e r , t h en e t w o r kc a r r y i n gc a p a c i t yi sn o tt h e s i m p l es u mo fs t a t i o n sa n dl i n e sc a r r y i n gc a p a c i t y , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t a t i o n s a n dl i n e sh a si m p a c to nt h en e t w o r kc a r r y i n gc a p a c i t y t h i sp a p e r , c o m b i n i n gt h e o p e r a t i o n a lc h a r a c t e r so fu r b a nr a i l t r a n s i tn e t w o r ka n dt h e t h e o r y o fs y s t e m s e n g i n e e r i n g ，a n a l y z e su r b a nr a i lt r a n s i tn e t w o r kc a r r y i n gc a p a c i t y f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h eb a s i cr e l a t i o n sb e t w e e nu r b a nr a i lt r a n s i tl i n e s a n ds t u d i e sf i v ec h a r a c t e r i s t i cs t r u c t u r e so fu r b a nr a i lt r a n s i t ，w h i c hl a y st h ew a yo ft h e r e s e a r c hi nt h en e t w o r kc a r r y i n gc a p a c i t y s e c o n d l y , t h et h e o r ya n dc u m u l a t i n gm e t h o d so fs t a t i o nc a r r y i n g c a p a c i t ya sw e l la s t h el i n ec a r r y i n g c a p a c i t ya r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y , w h i c h i sc o n s i d e r e da st h e f o u n d a t i o no ft h es t u d yo nn e t w o r kc a r r y i n gc a p a c i t y w h e nd i s c u s s i n gt h es t a t i o n c a r r y i n gc a p a c i t y , t h i sp a p e rf o c u so nt h ec u m u l a t i n gm e t h o d so ft r a n s f e rs t a t i o n c a r r y i n gc a p a c i t y ；w h e nd i s c u s s i n gt h er a i lt r a n s i tl i n e sc a r r y i n gc a p a c i t y , c o n s i d e r i n g t h ei m p a c to ft r a i ni r r e g u l a r i t y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p to ft h e b u f f e rt i m e i n t ot h et r a i ni n t e r v a l sa n dm o d i f i e st h et r a f f i cc a p a c i t yo fu r b a nr a i ll i n e s a f t e rm 矾 t h i s p a p e rs t u d i e st h et r a f f i cc a p a c i t yo fu r b a nr a i lt r a n s i ts y s t e mb yt h ew a yo f p r o b a b i l i t yt h e o r yo nt h ec o n d i t i o nt h a td i f f e r e n ts o r to f tr a i n sr u no nt h es a m ep a r to fa l i n e i a b s t a c t t h i r d l y , c o m b i n i n gr a i lt r a n s i tl i n e sc a r r y i n gc a p a c i t yf a c t o ra n dd i s t a n c ef a c t o r , t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h er e l a t i v ei n t e g r a t e dc o n c e p ts y s t e mo ft h ec a r r y i n gc a p a c i t yo f u r b a nr a i lt r a n s i tn e t w o r ka n da n a l y z e st h em a i nf e a t u r e sa n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so f u r b a nr a i lt r a n s i tn e t w o r kc a r r y i n gc a p a c i t y o nt h i sb a s i s ，c o n s i d e r i n gt h ei m p a c to f t r a n s f e rp a s s e n g e rf l o w , t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h ec u m u l a t i n gm e t h o d so fu r b a nr a i l t r a n s i tn e t w o r kc a r r y i n gc a p a c i t ya n da p p l i e st h em o d e l sa n dm e t h o d sa b o v et ob d j i n g u r b a nr a i lt r a n s i tn e t w o r k ，a n dt h er e s u l tp r o v e st h a tt h et h e o r yi nt h i sp a p e ra r eu s e f u lt o ac e r t a i ne x t e n t f i n a l l y , t h i sp a p e rp r e s e n t st h ep r i n c i p a lm e a n sa n dm e a s u r e so fs t r e n g t h e n i n g u r b a nr a i lt r a n s i ts y s t e mc a r r y i n gc a p a c i t ya n da n a l y z e st h ec o o r d i n a t i o nr e l a t i o n s b e t w e e nt l i ec a r r y i n gc a p a c i t yo fs t a t i o n sa n dl i n e s k e y w o r d s ：u r b a nr a i l t r a n s i t ；n e t w o r ks y s t e m ；c a r r y i n gc a p a c i t y ；n e t w o r k s t r u c t u r e c l a s s n o ：i j 2 3 1 9 2 独创性声明 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。 学位敝储躲拓移签翎期：叼年6 月夕日 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： 么一格 m 声多月9 日 导师签 签字日期 致谢 本文是在导师周磊山教授的悉心指导下完成的，在此衷心感谢周老师一直以 来对我的关心和指导! 两年的时光转眼即逝，但是导师对我的谆谆教诲始终铭记我心。导师以其严 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，时刻感染、教育着我。平日里，导师不仅传授我做学问的方法，而且还 教会我做人的道理，这为我今后的发展提供了莫大的帮助和支持，是我宝贵的人 生财富。在论文的选题、构思、研究及撰写期间，周老师给予了我悉心的指导， 使我开阔了思路，明确了方向，保证了学位论文的顺利完成。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。谨在此对周 老师表示衷心的感谢! 感谢乐逸祥老师在论文撰写期间给我提供的宝贵建议，使我的论文更加充实 完善；此外，乐老师严谨的治学作风也为我树立了学习的榜样。 感谢孙琦师兄在思想上对我的帮助，使我能够尽快适应研究生生活，快速地 成长起来。 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、周妍师姐、周艳芳师姐、蔡龙军 师兄、胡兴宇师兄在学业上对我的指导，使我在学习方面取得了更大的进步。 感谢缪道平、邹晖同学在生活和学习上对我的关心，让我感受到同窗的情谊； 特别是缪道平同学在我论文撰写期间给予了我无私的帮助，在此向他表达我的感 激之情。 感谢8 6 0 1 实验室的师弟师妹们给我带来的美好时光。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1 选题背景及研究意义 1 1 1 选题背景 1 绪论 我国人口与经济的增长带动了交通出行量的大幅增长，迫切要求大中型城市 发展以城市轨道交通为主干地位的公共交通模式，以有效解决城市的大量交通出 行和交通拥堵问题。作为城市交通的骨干，城市轨道交通以其大容量、高速度、 安全舒适的特点成为居民首选的交通出行方式。 近十年来，全国已有近2 0 个百万人口以上的城市开展了轨道交通建设的前期 研究工作，北京、上海、广州等1 0 个城市陆续修建地铁及轻轨线路并投入运营， 建成投入运营及试运营的线路共2 2 条，达6 0 2 3 公里。随着城市轨道交通新线的 不断建设和投入使用，轨道交通运营线路由单线变多线并逐渐形成路网。目前， 我国北京、上海、广州等特大城市正按城市总体规划的要求，向城市轨道交通网 络化建设发展。根据各城市近期轨道交通发展规划，到2 0 1 2 年，北京轨道交通路 网将全部覆盖中心城，运营里程将达到4 4 0 公里；到2 0 1 5 年，北京将建成“三 环、四横、五纵、七放射”共1 9 条线、5 6 1 公里运营里程的轨道交通路网。而在 上海，轨道交通路网已初具规模，随着2 0 0 7 年“三线两段 ( 6 号线、8 号线一期、 9 号线一期开通试运营，1 号线向北延伸3 个车站，4 号线实现环线运营) 的开通， 上海轨道交通运营线路总数达到8 条，运营线路总里程达2 3 6 公里，覆盖全市1 3 个行政区域，形成了“一条环线、七条射线、九个换乘站、九站共线 的轨道交 通路网雏形；此外，上海将在2 0 1 2 年左右形成共1 3 条线路，3 0 0 多座车站，运营 总里程超过5 0 0 公里的轨道交通基本路网。城市轨道交通大规模路网的不断形成， 标志着我国城市轨道交通建设进入一个理智而又超前的新阶段。 1 1 2 研究意义 运输能力是城市轨道交通系统最重要的参数，一切运输组织都要以运输能力 作为出发点。城市轨道交通运输组织只有由点、线构成的一个完整的轨道交通路 网系统才能完成。点系统能力、线系统运输能力的研究是路网系统能力研究的基 础，但路网系统运输能力不仅仅是组成路网各点线子系统运输能力的简单加总， 北京交通大学硕士学位论文 孤立地研究“点”或“线刀系统的运输能力具有很大片面性，所以从系统的观点 讲“轨道交通运输能力”应该是轨道交通路网系统的运输能力，而不是其各子系 统的运输能力。然而，目前关于路网系统运输能力的研究并不多见，因此有必要 对其进行深入分析与探讨。 基于路网的城市轨道交通系统运输能力研究是一个全新的研究领域，探索性 很强，同时它是运输能力合理利用与加强的前提，也是城市轨道交通运输规划与 管理工作的重要指标，对该问题的研究，具有如下理论和现实意义： l 、路网系统运输能力理论的研究将为路网系统运输能力的计算提供科学的方 法。城市轨道交通路网系统运输能力不仅仅是组成路网系统的各点、线系统运输 能力的简单加总，而是受点、线间相互关系的共同制约，如何提供合理计算方法， 还有待从概念体系等方面进行系统的研究与深化。 2 、路网系统运输能力计算方法的研究可为今后路网系统运输能力的利用、加 强和发展提供客观量化的依据。对城市轨道交通路网规模扩大、线路延长后运能 增加的客观效果进行的综合分析评价，是在路网系统运输能力的概念和计算方法 分析基础上进行的定量计算，将为城市轨道交通路网进一步合理规划提供依据。 3 、路网系统运输能力的研究能够为城市轨道交通的运输组织提供较为优化的 运输方案。在现有路网系统条件下，对于一定的运输需求，研究路网系统运输能 力，有助于运输管理部门对全路路网运输能力的整体把握，作出点、线能力协调 的运输组织方案，充分发挥路网运营效率。 4 、路网系统运输能力的研究有利于促进城市轨道交通路网整体合理布局与协 调可持续性发展。各子系统能力的发展与布局的协调情况将影响城市轨道交通系 统整体运输效能的发挥。因此，迫切需要从整体上深入研究路网系统相关设备群 间的运输能力计算、利用、加强和发展的关系，从而确定城市轨道交通技术设备 的合理规模和布局。 1 2 国内外研究现状 以往关于城市轨道交通运输能力的研究主要是围绕轨道交通线路运输能力展 开的，其方法则沿用了铁路运输能力的计算方法，包括：图解法、分析计算法和 模拟分析法。 1 、图解法 在铁路运输中，图解法是以人工模拟运输生产实际，用特定图形表示和确定 通过能力的方法，即用人工铺画区段( 区间) 最大运行图的方法来确定区段( 区 间) 通过能力。同样地，图解法也可以应用于城市轨道交通运输。 2 1 绪论 一般地，图解法可用于计算折返间隔时间。图解法将组成列车折返作业过程 的各个单项作业时间按作业顺序绘制在作业程序图上，然后在图上找出相邻两列 折返列车的折返出发问隔时间。此外，图解法也可用来验证采用解析法计算得到 的结果。 图解法的最大优点是综合考虑各种影响因素，计算结果比较可靠，可直观的 表示各作业过程的设备占用时间；最大的缺点是比较繁琐，工作量比较大，结果 因人而异，具有一定的近似性，并且只反映结果而不反映过程，难以分析影响因 素。 2 、分析计算法 分析计算法是在对实际情况进行分析研究的基础上，建立数学模型公式，利 用公式求解的方法。 在铁路运输能力计算方面，苏联学者【4 5 】首先提出了实际可利用能力的概念， 指出由作业中断造成的通过能力损失使实际可利用能力比现有的计算通过能力要 小得多，通过能力的主要损失不在于运行中断本身，而在于中断所引起的扰动， 但文中并未对扰动规律做深入研究。 m o r l o k ( 1 9 8 1 ) 【5 4 】讨论了综合运输系统的能力，并把o d 需求作为矢量集，进而 提出了t r a 伍cl a n e 和t r a 衢cp a t t e r n 的概念，并提议开发一个综合运输系统的数学 模型，模型的目标函数是综合交通运输系统的最大能力，约束条件是各种交通模 式、子系统设备能力、可耗资源限制、机车车辆有效性和运输成本等。 n i j k a m p ( 1 9 9 3 ) 5 5 】进一步拓展了系统运输能力的许多附加限制条件，认为运输系统 应该是一个受多维限制的系统，不仅受路网拓扑结构限制，还受到包括诸如环境、 运营规则和有效管理等更为广泛的限制。r i d d l e ( 1 9 9 9 ) 5 6 】在考虑了这些限制条件以 后，建立了一个综合运输系统的数学模型。p o p k e nd o u g l a s ( 1 9 9 6 ) i ，7 】讨论了以边际 费用为基础的运输能力分析模型，来分析评估运距和运能平衡，该模型只需要较 少的系统参数，就可以决定费用有效性。b i n t o n g ( 1 9 9 0 ) 5 8 】运用概率论的方法研究 了单线铁路列车时刻表的可靠性评价方法，并以列车发到在时刻表规定的时刻中 心随机波动为前提给出了列车延误概率、会车与越行概率的评价方法，建立了列 车扰动的非线性方程，其模型求解结果可用于评价时刻表的可靠性。 我国学者闵保华、高资【2 0 】提出了客车占用区间的表格推算法，李相文【2 l 】提出 了计算客车扣除系数的累加组合法，吴汉琳四】修正了复线自动闭塞区段旅客快车 基本扣除系数的计算公式，提出了全区段计算耋的步骤和方法，张玲【2 3 】又将旅客 列车扣除系数分为最小基本扣除系数基小、基本补充扣除系数基补和额夕b j s l ：i 除系数 外扣三部分，并提出了算法和如何使基 最小的越行方案。 3 北京交通大学硕士学位论文 胡安洲【2 6 】等提出了能力利用中的无效能力的概念，又进一步论述和研究了能 力利用中的无效能力的特点、转化、传递规律及增加能力动态储备的重要性等。 杨肇夏【2 7 】等考虑到实际运输组织中随机扰动造成的列车晚点及对列车运行组织的 影响，研究了列车区段运行过程中列车晚点的传播及运行图指标体系。朱家荷【2 8 】 分析计算了不同类型单、复线区段可能被利用的通过能力，为扩能改造提出了参 考意见。胡安洲、杨涔2 4 】系统地讨论了铁路运输能力的概念、计算、利用和加强 等问题，为新阶段的铁路运输能力问题的系列研究奠定了基础。 在轨道交通运输能力计算方面，我国学者基于铁路运输能力的研究成果，考 虑了影响轨道交通运输能力的若干因素，提出了更加符合轨道交通运营特点的能 力计算方法。张国宝【l 】等对城市轨道交通列车交路方案及选用时考虑的因素进行了 分析，认为在比选列车交路方案时，除了应符合客流的空间分布特征外，还应考 虑通过能力是否适应。重点对采用特殊交路时的中间站扩返能力与线路通过能力 损失问题进行了定量分析，提出了在采用特殊交路时可供采取的扩能措施。 郑晓龙【3 5 】等通过对城市轨道交通系统中列车间隔的分析，提出了影响列车间 隔的3 大因素：安全间距、车站停留时间和运行裕量，并在此基础上推导固定自 动闭塞和移动自动闭塞系统下列车间隔的计算公式。通过对两公式的比对，得出 了移动自动闭塞系统能够缩短列车运行间隔，提高线路通行能力的结论。 杨杰f 2 】考虑到在实际的运营中，车辆、信号、牵引情况、线路条件等因素的变 化必然会对追踪列车间隔时间造成影响，通过对城市轨道交通列车实际运行不确 定性的分析，提出了城市轨道交通追踪列车间隔时间是由最小列车间隔时间和平 均必要缓冲时间两部分组成，对轨道交通线路通过能力进行了修正。 徐瑞华【3 】结合市域快速轨道交通线上列车开行交路种类多，运营组织相对复杂 的特点，分析了多种交路对城轨交通线路通过能力和车底运用的影响，研究了运 行图周期的概念及其特点，提出了“运行图周期分析法 ，建立了多种交路条件下 城市轨道交通通过能力和车底数量的数学模型，并给出了实例计算。 金娟【4 l 等总结了在移动闭塞的条件下地铁列车线路通过能力的计算方法，提出 了通常构成线路通过能力的3 个方面，即区间追踪能力、中间站通过能力及折返 站折返能力。给出区间追踪能力和中间站通过能力的计算模型，最后探讨折返站 的种类及折返能力，提出如何降低列车的行车间隔，从而提高线路的通过能力的 措施。 分析计算法的优点是计算简便易行，通用性强，并可以据此分析各种因素的 影响。但是分析计算法也具有一定的局限性，由于对研究对象和影响因素都进行 了一定的简化处理，不可能完全符合实际。 4 l 绪论 3 、模拟分析法 模拟分析法是指针对具体问题，按一定的优化目标，应用各种算法，利用计 算机强大的运算能力和图形显示、人机交互界面功能进行运行图自动铺画的方法。 该方法兼具图解和分析计算功能，既可以模拟人工铺图中综合把握各种影响因素 的特点，又可以在大量模拟铺画的基础上进行统计分析，研究各种因素的变化对 运输能力的影响。 随着计算机快速时发展，模拟技术在铁路问题中的应用得到了发展， d f r a n k ( 1 9 6 6 ) t 5 9 】最早开始了列车运行延误模拟研究。随后e r p e r t e r s e n ( 1 9 7 4 ) i 删 和b e s t s ys g r e e n b e r g ( 1 9 8 8 ) 6 1 1 分别提出了列车延误模拟模型和分析模型，而较全 面的模型则是铁路线路模拟和优化结构模型( e r p e r t e r s e n ，1 9 8 2 ) 6 2 j ，该模型以列车 从区间两端车站按一定的随机分布出发为前提，根据列车运行过程所满足的各种 约束条件，建立了可用于列车运行模拟和优化的模型，并编制了计算程序，该模 型可用于列车运行延误分析和规划列车运行时刻表。日本学者运用计算机模拟方 法对新干线列车运行延误和恢复策略进行了分析研究【6 3 彤】，并开发了新干线列车 运行模拟系统和扰动情况下列车运行控制专家系统。日本学者还运用液体动力学 模型1 6 6 1 ，将列车运行看成液体中的振动源以振动波传播的原理进行了研究。 r u b i n ( 1 9 7 5 ) t 5 2 】运用模拟方法评估了铁路运输能力的多个特性，把铁路运输能 力定义为各种延迟的函数，并提出了与能力有关的多个延迟函数( 如列车速度、 区间长度、闭塞分区长度和单线或双线等) ，论证了运行速度影响运输能力的最重 要参数，阐明了运行速度对运输能力的影响情况。 胡安洲【2 9 】提出了确定双线自动闭塞区段旅客列车扣除系数的模拟分析法，该 方法从全区段出发，对全图各种客车计算其平均扣除系数，既可计算给定客车方 案的客车扣除系数精确值，也可计算客车方案未定时扣除系数范围，还可确定扣 除系数的宏观控制值，是一种采用计算机来计算扣除系数的好方法。杨肇夏【2 5 】开 发了确定双线自动闭塞区段各种扣除系数的微机交互系统，将计算机模拟人工与 c a d 技术相结合，充实了计算机编图理论。 徐瑞华【3 0 】分析和研究了运输能力利用中无效能力的特性及转化规律，建立了 运输系统能力利用的动态数学模型，系统地阐述了能力损失在各子系统问的传递 和恢复过程，表明了各子系统能力损失及恢复的有关递推关系，揭示了能力损失 的内在规律，还运用计算机模拟的方法对列车区间运行延误的影响进行了模拟分 析，进一步建立了基于列车基本运行图的区段一技术站系统能力损失影响模拟分析 模型，并通过具体实例说明能力负荷的转移是可行的。 张星斟3 l 】在现有铁路运输能力计算、利用与加强等有关概念和理论的基础上， 深入研究了铁路运输系统储备能力的有关概念和理论，给出了储备能力的计算公 北京交通大学硕+ 学位论文 式以及它与各种能力利用率之间的关系，并对其基本内涵和特征进行了深入分析， 对列车运行的随机有控过程进行了理论分析和描述，建立了基于有控随机与随机 有控约束的列车运行模拟模型，确定了列车运行模拟中的主要参数分布，并在给 出撒点( 冗余) 条件下列车运行方案铺画原则的基础上，建立了多种撒点并存时 运行方案综合铺画和给定负荷条件下列车运行方案综合随机铺画的数学模型，为 运营线路合理储备能力分配的计算机模拟研究提供了条件，最后以实例成功进行 了计算机仿真试验，实现了对运营线路合力储备能力的分配研究，初步给出了运 营线路合理储备的大致范围。 刘仍奎【3 2 】借鉴了动态优化、灰色系统和模糊理论的思想方法，从动态和模糊 的角度探讨了能力协调问题，以车站作业过程为实例，建立了车站的动态传递方 程，找出了具有普遍意义的动态协调函数，给出了协调概率的计算方法，并应用 可靠性数学的理论和方法分析了铁路区间复合系统的可靠性及其对通过能力、安 全状况的影响。 计算机的运用，使得大量的动态模拟人工图解成为可能，并有效克服分析计 算法某些因素量化上的困难，既可以针对具体区段进行精确计算，又继承了分析 法便于分析影响因素的优点。但是计算机铺画的运行图可行方案往往数量巨大， 使得方案的比选和优化十分复杂，这是利用模拟分析法确定通过能力的一个不足。 尽管目前关于运输能力的研究已取得了不少成果，但是从整体上看，以往的 研究多数以车站、线路的运输能力为研究对象，而围绕路网系统运输能力而展开 的研究很少。在铁路运输能力计算方面，仅有胡安洲【3 3 】等根据能力的系统性和有 效性特点，以动态的观点来研究能力，提出了铁路运输系统设备群的总体有效能 力的概念，它取决于系统所受到的随机扰动因素，各子系统之间的协调、耦合关 系等，其定义是指在一定的运输组织方式条件下，系统设备群整体所能实现的有 效能力，反映单位时间内系统实际可完成运输任务的最大量。施其洲瞰】从系统理 论和运输需求的理念出发，提出了路网系统运输能力的概念模型，其定义的路网 系统运输能力是指在现有固定设备、活动设备、人力、一定运输需求及车流径路 分配方案和行车组织水平条件下，单位时间内铁路路网系统在整体上最大可能的 运输生产能力，其计算单位是万吨公里年。由于铁路运输过程与城市轨道交通运 输过程具有一定的差异性，铁路路网系统运输能力的相关理论方法在给城市轨道 交通路网系统运输能力研究提供借鉴的同时，并不完全适用于城市轨道交通。 随着城市轨道交通大规模兴建，线路逐渐成网，轨道交通运输能力的研究重 点必将从线路转向路网，然而以往的研究皆以简单线路为背景，路网系统运输能 力的概念体系和计算评价方法至今仍未建立起来。 6 l 绪论 1 3 研究内容和技术路线 1 3 1 研究内容 本论文从研究城市轨道交通路网结构出发，分析了五种路网结构类型的典型 特征，在对城市轨道交通车站能力、线路能力进行系统研究的基础上，提出了完 整的路网系统运输能力的概念体系和计算方法，最后结合北京市轨道交通的运营 实例，计算和分析了该市路网系统的运输能力，对相关理论和模型加以验证。 本文共分为八章，具体内容如下： 第一章：绪论。对国内外运输能力的研究现状进行了总结分析，提出了基于 路网的城市轨道交通系统运输能力研究的重要意义和必要性。 第二章：城市轨道交通路网结构研究。分析了城市轨道交通线路的三种基本 线型，并对路网结构基本单元的形态和排列方式分别进行了介绍，接着讨论了城 市轨道交通五种路网结构类型的形态特点及线路间的相互关系。 第三章：城市轨道交通点系统运输能力分析。分析了车站能力的主要影响因 素，即通道通过能力、自动售票及检票设备通过能力以及空间容纳能力，在此基 础上，利用系统工程的思想研究了车站能力以及换乘站能力的计算方法。 第四章：城市轨道交通线系统运输能力分析。讨论了轨道交通线路通过能力 和输送能力的计算方法。在借鉴轨道交通线路通过能力传统计算方法的基础上， 考虑了列车晚点对追踪列车间隔时间的影响，引入了列车运行图缓冲时间的概念， 对追踪列车间隔时间进行了修正。随后运用概率论的知识研究了城市轨道交通列 车共线运营条件下通过能力的计算方法。 第五章：城市轨道交通路网系统运输能力分析。提出了路网系统运输能力的 系列定义，分析了路网系统运输能力的主要特点及其影响因素。考虑了轨道交通 换乘客流叠加因素的影响，提出了路网条件下的城市轨道交通路网系统设计运输 能力的计算方法，并对城市轨道交通路网系统使用运输能力以及潜在运输能力进 行了数学描述。 第六章：北京市轨道交通系统运输能力实证研究。根据前文所研究的理论以 及现有统计资料，重点计算分析了北京市轨道交通路网系统运输能力。 第七章：城市轨道交通系统运输能力加强。分析了城市轨道交通运输能力加 强的主要途径和措施，并分别从线路之间的能力匹配和线路与车站的能力匹配两 方面讨论了城市轨道交通路网条件下运输能力协调问题。 7 北京交通大学硕士学位论文 第八章结论与展望。总结本文的研究内容与研究成果，并对进一步的研究工 作进行了展望。 1 3 2 技术路线 本文在大量查阅国内外文献的基础上，综合运用运输组织学、系统工程学、 交通工程学以及概率论等知识，采用理论研究和实例分析相结合的方法来开展本 文的研究工作，技术路线如图1 1 所示： 研究背景与意义 上 国内外研究现状 图1 1 技术路线图 f i g u r el - 1t e c h n o l o g yr o a d m a p 8 2 城市轨道交通路网结构研究 2 城市轨道交通路网结构研究 城市轨道交通路网布局的合理性，对轨道交通系统运营效率的发挥具有很大 的影响，因此城市轨道交通路网结构的研究是分析计算轨道交通路网系统能力问 题的基本前提。城市轨道交通路网结构的研究主要是车站和线路的分布问题。从 理论上讲，应使车站及线路的运营费用最小，乘客的出行时间最短，换乘次数最 少，即通过路网的互联互通、高效管理以及合理运营，充分发挥路网效益，实现 路网的最大运能。 2 1 路网结构的定义 在一个轨道交通系统中，当一条轨道交通线路上的乘客可以通过轨道交通换 乘站或其他轨道交通线路到达另一条轨道交通线路时，称这两条轨道交通线路是 相互连通的。城市中相互连通的轨道交通线路在一起就构成了轨道交通路网，以 下简称路网。从路网的定义可以看出，路网包括线路和车站。轨道交通路网结构 是指路网中的线路和车站的搭配和排列，即路网中线路及车站的分布【_ 7 1 ，如3 条线 路的轨道交通路网可以出现如图2 1 所示的几种路网结构。 ( a ) 三角形( b ) 日字形 ( c ) 树状 图2 1 三条线路的轨道交通路网结构形式示意图 f i g u r e2 一lu r b a nr a i lt r a n s i tn e t w o r ks t r u c t u r e so ft h r e eu r b a nr a i lt r a n s i tl i n e s 2 2 路网结构的类型 2 2 1 基本线型 线路是路网的基本构成单位，再复杂的路网也是由若干简单线路构成。因此 研究线路的关系是了解、掌握路网构成的基础，是研究路网上不同线路性质和作 用的前提。 9 北京交通大学硕士学位论文 依据形态的不同【7 l ，城市轨道交通线路可分为： 1 、单行线：单行直线和单行曲线。列车在这类线路上来回运行，在线路的端 点进行必要的作业，这类线路在路网中最为常见。 2 、环线：首尾两点相交的线路类型，列车可在其上反复运行，是路网线路的 基本组成线型。 3 、扩展类型线： ( 1 ) 枝形线：由两个及其以上的单行线组成，线路有交叉点，交叉点是列车运 行的分界点。 ( 2 ) 枝环线：由单行线和环线组成，环线一般位于单行线的端点处，列车在此 类线上运行只需在单行线的一个端点掉头即可。 一上c 刍 ( a ) 单行直线、单行曲线( b ) 环线 ( c ) 枝形线 ( d ) 枝环线 图2 - 2 城市轨道交通线路类型 f i g u r e2 - 2t y p e so f u r b a nr a i lt r a n s i tl i n e s 扩展类型线由单行线和环线组成，根据单行线和环线数量的不同可以有多种 扩展形式，其中枝形线和枝环线最为基本。整个轨道交通路网都是由若干条单行 线和环线组成，即便是再复杂的线路也可以分割成最简单的线型。 2 2 2 路网结构的基本单元 ( a ) 十字交叉( b ) x 字交叉( e ) t 字交叉( d ) y 字交叉 ( e ) 鱼形交叉 ( f ) 弧弦交叉 图2 3 两条线路的交叉方式 f i g u r e2 - 3c r o s sm o d eo ft w ou r b a nr a i lt r a n s i tl i n e s 1 0 2 城市轨道交通路网结构研究 路网结构是路网中线路和车站的搭配和排列。作为路网结构的基本单元，两 条线路的搭配和排列方式是路网结构中最基本的搭配和排列，因此首先对两条线 路的结构做一简要介绍。 根据两条线路的形态、排列方式及与其相搭配的换乘站个数的不同，可将两 条线路组成的结构划分为以下几种： l 、“十字形或“x 字形交叉结构 如图2 - 3 ( a ) 、( b ) 所示，两条线路以一个换乘站相连，换乘站也是两条线路的中 间站，线路由换乘站向周围四个方向伸展，呈“十 字形或“x 字形。“x 字 交叉结构常用于三角形放射状路网；“十”字交叉结构常用于棋盘式路网，如图2 _ 4 为北京轨道交通路网中的“十字形交叉结构。 麓墨盈曩 _ 币e l 曩 _ 珲鞔 图2 4 北京轨道交通路网中的十字形交叉结构 f i g u r e2 - 4c r o s ss t r u c t u r eo fb e i j i n gu r b a nr a i lt r a n s i tn e t w o r k 2 、“t ”字形或“y 字形交叉结构 如图2 - 3 ( c ) 、( d ) 所示，两条线路以一个换乘站相连，换乘站是一条线路的中间 站，也是另一条线路的终点站，线路从换乘站向周围三个方向伸展，呈“t 字形 或“y 字形。“t 字交叉结构、“y 字交叉结构常见于树状路网，如阿姆斯特 丹的轨道交通。 北京窑通大学硕十学位论文 图2 - 5 阿姆斯特丹轨道交通路网中的y 字形交义结构 f i g u r e 2 - 5 y - s l l a p e dc r o s ss h u c t u r eo f a m s t 日d a m u r b a nr a i l t r a n s i t n e t w o r k 3 、鱼形交叉结构 如图2 - 3 ( e l 所示，两条线路在市中心的两端相交，交点和线路之间构成一个环 形形状如鱼，称为“鱼形交叉”。此种交叉方式能将两条线路汇集的客流引向两 端地位相同的换乘站，线路上各点也能起到分流作用，缓解市中心的交通压力， 保持路网结构的稳定。多伦多、里约热内卢、马赛的轨道交通路网均采用此种交 叉结构，如图2 4 1 所示。 鬻 f i g u r e 2 * f 图i s h 譬s h a p 里尔e dc r 轨道o s ss t 她m o l 路阿t r o o f 中的l i l l e 皇黧叉r a i 麓t r a n s i tr m t w o t k 2 石-urb自l 4 、弧弦交叉结构 如图2 - 3 0 ) 所示，一条线路与一条环线以两个换乘站相连，两个换乘站不连续。 这种结构是单形线和环线交叉的代表。它的位置一般由环线确定，其作用在于方 便乘客的换乘，最大程度的减轻中心区的过境客流，从环线上转移辐射线上的客 2 城市轨道变通路网结构研究 流。北京地铁1 、2 号线即呈弧弦交叉结构，如图2 7 所示。 图2 - 7 北京轨道交通路同中的弧弦交叉结构 f i g q m 2 - 7 0 l o c d - a m s n o f b 嘶h g u r b a n r a i l t r a c l s i t n e i w o r k