（系统工程专业论文）北京环线地铁运行的模拟研究.pdf

中文摘要 摘要：随着2 0 0 8 年北京奥运会的日益临近，北京轨道交通筹备工作也进入冲刺阶 段。面对奥运客流的更大需求，作为北京轨道交通运输主力之一的地铁环线能否 经得起奥运客流的冲击，出色地完成旅客运输任务，是值得我们研究的问题。因 此，站在奥运的高度，来做北京环线地铁运行的模拟研究是很有必要的 针对这一问题，本文首先介绍了计算机模拟技术的基本理论，论述了地铁运 行过程的特点；然后在对北京地铁环线调研的基础上，通过环线地铁的系统分析， 建立了地铁系统的模拟模型，设计了模拟运行的程序；根据现行的列车运行图对 环线地铁早高峰运行进行模拟；最后依据模拟结果，结合采用定性与定量分析方 法，通过对反映列车运输能力和车站服务水平的指标相关处理，检验了在不同强 度客流波动的影响下，环线地铁的运行状况和车站的服务水平。通过模拟试验， 不难看出计算机模拟的确是解决轨道交通现实问题一种较好的手段。 关键词：轨道交通；环线地铁；模拟；北京奥运会 分类号： a b s t r a c t a b s t r a c t ：a l o n g w i t h2 0 0 8o l y m p i cg a m e s a p p r o a c h i n gd a yb yd a y ，8 e i j h a gh a s e n t e r e dt h ee s s e n t i a ls t a g eo f p r e p a r a t o r yw o r kf o rr a i lt r a n s i t f a c i n gt h eg r e a t e r o l y m p i cp a s s e n g e rf l o w , l o o p - l i n es u b w a y , a so n e o f t h em a i nl i n e i nb e i j i n g ，m u s t w i t h s t a n dt h ei m p a c to f t h eo l y m p i c s ，a n dc o m p l e t et h et r a n s p o r t a t i o nt a s ks p l e n d i d l y i t i sa l li s s u ew o r t hu ss t u d y i n g t h e r e f o r e 。f r o mt h eh e i g h to f t h eo l y m p i c s ，i ti sn e c e s s a r y t od or e s e a r c ho nt h es i m u l a t i o no nl o o p - l i n e t os o l v et h i sp r o b l e m , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo f c o m p u t e rs i m u l a t i o n t e c h n o l o g ya n dd i s c u s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eo p e r a t i n gp r o c e s so f s u b w a yf i r s t l y ；, e s t a b l i s h e st h es y s t e r ms i m u l a t i o nm o d e la n dd e s i g n st h ep r o c e d u r eb a s e do n i n v e s t i g a t i o n ；t h e nc 耵l j e so ns i m u l a t i o ni nt h em o r n i n gr u s hh o u r so n t h ep r e s e n tt r a i n s c h e d u l e a tl a s t , a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l to f t h er e l a t e di n d e x e s ，e x a m i n e st h e t r a i no p e r a t i n gc o n d i t i o na n ds e r v i c el e v e lo f s m t i o n si nt h ed i f f e r e n ts i m u l a t i v e b a c k g r o u n dw i t ht h eq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sm e t h o d s t h r o u g ht h e s i m u l a t i o nt e s t ，i ti sn o td i f f i c u l tt of i n dt h a tt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi so n e g o o dm e t h o dt os o l v et h er e a l i s t i cp r o b l e mi nr a i lt r a n s i t k e y w o r d s ：r a i lt r a n s i t ；l o o p - l i n es u b w a y ；s i m u l a t i o n ；b e i j i n go l y m p i cg a m e s c l a s s n 0 ： 致谢 万分有幸，我能在沧桑百十年的红果园求学，并得到交通运输学院各位尊敬 的师长们的谆谆教诲，首先向他们表示诚挚的谢意。 我要特别感谢我的导师张超教授，恩师高尚的品德和渊博的学识让我敬佩不 已，三年来与恩师的每一次交流和沟通都让我获益菲浅而且受用终身。本论文从 选题构思直至论文完成，至始至终得到了恩师的悉心教导和无私帮助，在这里， 请让我表达对恩师深深的敬意与谢意! 能够成为恩师的学生是我一生的荣幸! 此外，我要感谢北京地铁设计研究所的蒋玉琨所长，感谢蒋所长几年来在论 文研究工作中对我的指导和帮助，也感谢他能在百忙之中对我的论文工作提出的 中肯意见! 另外，我要感谢我的父母，是他们的精心哺育让我树立了求学的坚定信念； 感谢我的家人和朋友，是他们的鼓励与支持给我完成学业增添了无穷的动力和信 心；感谢我的师兄、师姐、师弟、师妹和我的同学，感谢他们对我的莫大鼓励以 及论文撰写过程中提出的宝贵意见；最后感谢论文工作中给予转载和引用权的资 料、图片、文献、研究思想和设想的所有者。 对所有关心、支持和帮助过我的人，我的感激是永远的，但愿在这篇论文中 流淌的文字能够成为我对他们感恩的符号。 1 绪论 1 1 研究问题的提出 1 1 1 发挥轨道交通能力是解决奥运会交通问题的根本途径 令世人瞩目的2 0 0 8 年奥运会即将在北京举行，这不仅仅是一项纯粹的体育赛 事，更是一次北京乃至中国向世界展示自己，让更多的国家和人民了解自己的最 佳机会。奥运会虽然只有短短半个月的时间，但是其问来自世界各地的运动员， 体育官员、媒体记者以及成千上万的旅游观光者都会涌入北京，这势必对北京市 区各方面建设提出了严峻的挑战 在以往任何一届奥运会中，交通状况无疑都是最为关注的首要问题。交通的 畅通不仅是奥运会成功举办的前提，而且也有助于提升城市形象。面对奥运会期 间构成复杂、流动量大的客流来说，作为城市现代化的标志之一的地铁以其安全 舒适、高效快捷等优势责无旁贷地将担当起输送客流的主力，并将成为解决奥运 会交通问题的根本途径。 表1 - 1 北京市路网统计表( 2 0 0 0 2 0 0 5 ) 常住人口机动车拥有量公交线网总轨道线网总长 轨道交通运量 年份客流量占公共交通比例 ( 万人)( 万辆)长( 虹) ( 1 叫i ) ( 亿人次)( ) 2 0 0 01 3 6 3 61 3 6 51 7 0 0 05 4 4 41 0 8 2 0 0 i 1 3 8 3 31 4 8 05 4 4 61 0 5 2 0 0 2 1 4 2 3 2 1 8 8 o7 4 64 8 1 0 0 2 0 0 3 1 4 5 6 41 6 7 71 1 44 7 2 1 1 2 4 2 0 0 41 4 9 2 71 8 7 11 7 2 0 61 1 46 1 2 8 4 2 0 0 51 5 3 8 0 2 1 4 61 9 2 1 21 1 46 8 1 2 7 资料来源：北京统计年鉴( 2 0 0 0 - 2 0 0 5 ) 由上表卜l 可看出：北京市人口众多，并呈逐年增高趋势，交通基础条件不 高，市区机动车与日俱增，2 0 0 5 年已突破2 0 0 万辆大关。尽管近几年包括轨道交 通网络建设在内的市政建设从整体服务水平上有所提升，但是大部分路段拥挤不 堪的交通状况仍然没有得到有效控制，交通的冲击力相当之大。2 0 0 1 年1 1 月3 0 日下午，北京初降大雪，就造成了北京交通瘫痪。首都的交通是那样的脆弱，像 快速轨道交通这类公交运输工具对于大城市的重要性，实在与血管对于人体的重 要性相似人流、物流运行速度的降低，不但是体力的消耗和成本的加大，城市 的经济运行效率受到普遍不利影响，能源消耗因为行车速度下降而增加，对环境 的污染加重可以说，大城市交通运输结构缺陷引起的交通拥堵、环境恶化，降 低了人们投资、生活于大城市的收益和福利；偏向第二产业的供给结构，影响了 大城市功能的完善、居住和服务功能的发挥及对周边地区发展的扩散效应；边缘 地区基础设施缺乏，尤其是与中心区交通联络不便利，影响了边缘地区就业机会 的创造和人口的吸弓l ；作为最具有支付能力的地区，消费结构被扭曲，约束着我 国汽车产业、住宅产业、轨道交通设备制造业、建材和建筑业等工业部门及其相 关服务业的迅速发展。消除以上各方面的结构缺陷，是我国大城市避免陷入停滞 状态、实现可持续发展的当务之急。如何来尽最大可能发挥地铁、城铁等快速轨 道交通的高效服务来缓解城市交通压力，将是相关部门探讨和研究的重点。为此， 北京市针对2 0 0 8 年制定的城市交通发展目标为：以方便快捷、安全有序、经济环 保为目标，全面推进北京交通建设与管理的现代化进程。加快轨道交通、城市道 路、高速公路、城市对外交通枢纽以及现代化交通运营管理体系建设，为保障和 促进北京社会经济及城市发展提供充分的交通条件，为奥运会提供一流的城市交 通服务l l 】。 图1 - 12 0 0 8 北京轨道交通图 f i g u r e1 - 1r a i lt r a n s i tm a po f b e i j i n gi n2 0 0 8 奥运期间，l l 线、5 号线、1 0 号线及奥运支线将相继开通，预计到时轨道交 通运营线网总长达1 9 5k m 。如图1 - 1 所示，其中l 1 线将东直门与机场2 、3 号航 站楼连通；5 号线纵贯南北，过环线在雍和宫站、崇文门站中转；1 0 号线作为奥 2 运支线的连接线，除了承担奥运期间奥运突发客流的主要疏散、分解任务，还是 北京三、四环之间第二条地铁环线的一个组成部分。这些新线路的开通势必对现 有环线地铁的运营有一定影响，有必要对奥运背景下环线地铁运行进行相关的研 究分析。 1 1 2 计算机模拟是研究地铁相关问题的有效手段 计算机模拟( 又称计算机仿真) 是指用模型代替真实系统，在计算机上做模 拟实验的方法。因为在现实中，直接用真实系统进行试验，往往不经济、不安全 或者做不到甚至没有意义。所以，随着近年来计算机技术的发展，计算机模拟在 包括交通运输系统在内的许多领域得到了广泛的应用 计算机模拟方法力图研究系统活动过程的全部，属于系统工程方法的范畴， 它以准确性高、容量大、逻辑性严格、计算速度快的优点，在解决采用传统解析 方法难以解决的复杂交通运输问题上发挥了优势。在地铁交通系统中，要想了解 研究在奥运会期间北京环线地铁的运行情况，在基本信息、数据的基础上通过计 算机模拟，不仅可以得到系统的运行特性和相关参数，而且对仿真结果的分析、 对比和评估可以获得地铁在奥运会这一特殊环境下的行为表现及服务水平，无疑 这是一种经济可行、实施便捷的方法。 1 1 3 地铁运行模拟研究中存在的问题 计算机模拟技术在我国的应用时间不算很长，具体领域的实践还远不够成熟。 目前，在我国除少数的几个特大城市建有地铁和轻轨系统外，很多大城市也在建 设和筹建轨道交通，虽然在城市轨道交通的客流预测、路网规划、车辆控制系统 等方面有了一些较深入的研究，但是计算机模拟研究尚属探索实践阶段，研究视 野多局限于从设计角度对硬件设施的研究，而从运行组织角度对地铁运行的研究 却较少。 模拟研究是建立在对模型有正确的分析和选择的基础之上的，基于从实际出 发的模型和模型中所涉及的参数，一些研究还存在一定缺陷，对于仿真研究而言 应引起足够的重视。 1 2 研究意义及作用 1 2 1 为城市轨道交通运行组织提供一个研究平台 城市轨道交通客流在时间、方向、断面上呈现不均衡性，而且对于一条线路 上又有若干个车站，这样一个复杂的系统对于轨道交通运行组织研究来说就变得 较为困难。对环线地铁运行模拟的研究，可以提供一个列车运行研究的实验平台， 通过对预先设定的场景进行模拟，进而比较反映地铁系统运营服务水平的指标， 从而制定与现有运输能力相匹配的较好的运行方案，为地铁运行组织问题的研究 提供实验平台。 1 2 2 为0 8 年奥运会北京环线地铁的运行提供决策支持 能否平稳地完成0 8 年北京奥运会期间客流的输送任务，对于北京轨道交通系 统来说是一个不小的考验。了解研究在奥运会期间北京环线地铁的运行情况，在 基本信息、数据分析整理的基础上，通过计算机模拟，不仅能得到系统的运行特 性和相关参数，而且通过对仿真结果的分析、对比和评估可以获得地铁各站在奥 运会这一特殊环境下的行为表现，找出地铁系统存在的瓶颈和不足之处，可以为 0 8 年奥运会北京环线地铁的运行提供决策支持。 1 3 研究内容及论文框架 本文研究的重点内容就是：客流的波动模拟及其对运输组织的影响分析研究， 即现有的运输能力以及地铁各站接待能力条件下研究北京环线能经得起多大强度 的客流冲击，通过对环线运行的模拟研究为奥运会轨道交通的运营组织提供决策 依据 论文的主要框架如图卜2 所示。 4 图i - 2 论文主要框架结构图 f i g u r e1 - 2m a l ls t r u c t u r a lf r a m eo f t h ee s s a y 2 计算机模拟技术概述 2 1 计算机模拟技术的概念 计算机模拟，也叫仿真，它是指为了求解问题而人为地模拟真实系统的部分 或整个运行过程 2 j 1 9 6 1 年，g w m o r g e n t h a t e r 首次对“仿真”进行了技术定义， 即“仿真意指在实际系统尚不存在的情况下对于系统或流动本质的实现”。另一 个典型的对“仿真”技术性定义进行的是k o r n ，他在1 9 7 8 年的著作连续系统仿 真中将仿真定义为“用能代表所研究的系统的模型作实验”。1 9 8 2 年，s p r i e t 进一步将仿真的内涵加以扩充，定义为“所有支持模型建立与模型分析的活动即 为仿真活动”。o r e n 在1 9 8 4 年给出了仿真的基本框架“建模一实验一分析”的基 础上，提出了“仿真是一种基于模型的活动”的定义，被认为是现代仿真技术的 一个重要概念1 3 1 。 不管是手工模拟，还是利用计算机模拟，都不是用数学解析方法或物理试验 方法，而是利用仿真模型产生一个人为的系统经历，虚拟地表现真实系统的结构 和行为，然后观察这个人为系统的经历，获得模拟过程的数量反应结果，以便描 述或推断出与实际系统有关的运行特征或行为效果【4 】。如果所研究的问题足够简 单，可以用通常的微积分、概率论、代数方程等解析方法求解，而真实系统往往 非常复杂，很难或者无法用理论方法求解，这里就不得不借助于模拟模型，利用 仿真算法进行求解。 系统模拟是模拟现有系统或未来系统运行状态的一种技术手段。这里所说的 系统是指相互联系又相互作用着的对象之间的有机结合 5 1 ，包含所有工程及非工程 的系统。系统按其状态是否连续变化可分为连续系统和离散系统两种。 若一个系统的状态是随时间连续变化的，就称为连续系统。这类系统的动态 特性可以用微分方程或一组状态方程来描述，也可以用差分方程或一组离散状态 方程来描述。无论是用哪种方法描述，只要实际状态变化是连续的，都应归为连 续系统一类。另一类系统，其状态变化只在离散时刻发生，而且往往又是随机的， 通常用“事件”来表征这种变化，所以又叫离散事件系统。在工程系统和非工程 系统中都有许多这类系统，如通信系统、交通管理系统等。这些系统通常规模庞 大、结构复杂，般很难用解析法求得结果，因此，更有必要用系统仿真技术进 行系统分析或设计。 系统仿真研究的目的在于对现有系统或未来系统的行为进行再现或预先把 握。当人们需要了解某一系统在特定条件或环境下的运行状态时，将该系统置于 特定条件或环境下，对系统本身作完整的实际运行，当然可以得到系统的运行特 6 性和主要参数，但是，这往往需要付出昂贵的代价。对于某些正在设计中的系统， 如规划的道路网系统、社会经济系统或具有灾难性后果的系统，如道路交通事故 的再现等，甚至根本无法进行系统的实际运行。于是，对系统进行仿真研究，在 不需要现有系统参与或未来系统存在的情况下，利用仿真模型进行仿真实验，通 过对仿真输出结果的分析，对比和评估来获得系统的行为表现，无疑是一种经济 可行、实施便捷的方法，若仿真模型的选择较为准确的话，可以清晰、准确地实 现真实系统运行和过程再现。 2 2 系统模拟的特征 1 ) 系统模拟是一种有效的“实验”手段，它为一些复杂系统候选了一种计算 机实验环境，使系统以往和未来的行为及其长期动态性，能在极短的时间内在计 算机上得到重现和预见。 2 ) 为了有效地进行模拟实验，需要建立仿真模型。仿真模型是对实际过程或 实际问题的抽象和简化，通常包含系统中的逻辑关系和数学关系。 3 ) 系统模拟的输出结果是在仿真运行过程中，由仿真软件自动地、不断地对 系统行为和系统状态进行观察和统计得出的。每次仿真运行结果只是对系统行为 的一次随机抽样，因此，一次完整的仿真实验往往由多次独立的重复仿真运行所 组成。 4 ) 系统模拟的目的通常是要对具有多种随机因素的复杂系统做出综合评估。 而仿真对于现有系统或未来系统而言，每一次模拟计算的结果，都只是基于仿真 实验所使用的样本的随机抽样。因此还需要通过必要的统计推断，才能得出对现 有系统和未来系统真实性能的估计。 2 2 1 系统模拟的优点 从学科领域划分，系统模拟是运筹学的一个重要分支，它与线性规划和网络 技术一起并称为运筹学的三大支柱。在复杂系统中，尤其是受多种随机因素影响 的系统，往往很难用数学模型( 即使建立了数学模型) 进行精确的求解。系统模拟 则可通过系统内部的逻辑关系和数学关系，面向系统的实际过程和系统行为来构 造模型，从而得到复杂随机系统的解。这是系统仿真技术得以广泛应用的最基本 原因，系统仿真具有如下优点： 1 ) 模拟时间的可伸缩性使用计算机模拟技术可以把几个月甚至几年的客观 系统的活动在几分钟甚至几秒钟内模拟出来另外，通过适当的安排，模拟也可 7 以对真实系统中变化的细微情节“放宽时间”进行研究。 2 ) 模拟运行的可控性在模拟模型运行过程中，可以根据需要随时暂停模型 的运行，并得到暂停运行时的各项统计数据，以取得系统发展中任一阶段的有关 信息，并且不会影响最终的试验结果。 3 ) 模拟实验的优化性。模拟可以在不同条件下多次重复一项实验。可以通过 直接控制实验条件或输入参数，得到系统的不同结果或考察系统的极限状态和特 殊行为。当有多个备选方案时，还可以从中进行优选。因此，系统仿真为系统分 析和决策人员提供了一种有效的实验环境【6 】。 2 2 2 系统模拟的缺点 当然系统仿真技术也存在着固有的缺点，如： 1 ) 仿真实验需要进行大量独立的，可重复的运行，需要占用大量的计算机内 存并消耗较多的机时。 2 ) 系统仿真本身不具有优化功能，每次仿真实验只能给出问题的一个可行解， 要获得问题最优解或满意解，通常需要反复多次的仿真实验，而且得到的结论不 能保证是最优的，因此带有枚举法的弱点。 3 ) 构建仿真模型是直接面向问题的建模的过程，对于同一个实际问题，由于 建模人员自身素质的差异或对问题把握的深度不同，往往会构造出不同的仿真模 型，其仿真运行结果自然也就不同。因此，仿真建模常被称为非精确建模，从某 种意义上说，仿真建模是一种“艺术”而不是技术。 以上缺点是由计算机模拟技术本身的性质造成的，但随着计算机科学的发展 和仿真理论研究的不断深入，这些问题会得到有效的解决。近年来从统计学的角 度提出的仿真模型确认的理论，可以使仿真建模实现从非精确向精确过渡，从“艺 术”领域转向技术领域。 系统的计算机模拟是近半个世纪以来发展起来的一门新兴学科，它与各门技 术学科、管理学科、经济学科以致社会学科都有着紧密的联系，这正是系统仿真 得到日益广泛应用的原因。它在许多领域都进行了成功的应用，并取得了显著的 经济效益。其在国外发展的统计资料表明，运筹学各个分支在管理科学中的应用， 以系统模拟的应用项目最多，约占全部应用项目的1 3 m 。我国自2 0 世纪8 0 年代 以来，也在管理领域中开始推广计算机模拟技术，在大型项目的论证、研制进度 和预算，在政策分析、计划安排、经济分析和调试配置等方面，为管理部门提供 了决策依据，并取得较好的经济效益。 2 3 系统模拟的步骤 计算机模拟包括三个要素，即系统、模型和计算机；联系这三个要素的活动： 模型建立、模拟模型建立及模拟试验。以上三个要素和三个基本活动的关系可用 图2 - 1 来表示。 图2 - 1 计算机模拟三要素与三基本活动关系 f i g u r e 2 1t h e r e l a t i o n b e t w e e n t h r e e e l e m e n t sa n d t h r e e b a s i c a c t i v i t i e s o f c o m p u t e r s i m u l a t i o n 模拟研究的步骤，见图2 - 2 所示，主要分为四部分： 1 ) 系统分析 就是要明确问题和提出总体方案。首先要把被模拟系统的内容表达清楚，弄 清模拟的目的，系统的边界，确定问题的目标函数和可控变量，并加以数量化， 找出系统的实体、属性和活动，描述子系统与总系统的关系。 2 ) 模型构造 包括建立模型、收集数据、编写程序、程序验证和模型确认等。建立模型就 是选择合适的模拟方法，确定系统初始状态，设计整个系统的模拟流程图。然后 根据需要收集、整理数据，用模拟语言编写、调试程序 3 ) 模型的运行与改进 首先确认一些具体的运行方案，如初始条件、参数、步长等，然后输入数据， 运行程序，将所得出的模拟结果与实际系统比较，进一步分析和改进模型，直到 符合实际系统的要求及精度为止。 4 ) 设计格式输出模拟结果 包括提供文件的清单，记录重要的中间结果。输出格式要利于统计结果的分 析。输出分析既是对模型数据的处理，同时也是对模型可靠性的检验。 在实际模拟中，上述的每一步骤往往需要多次反复迭代。 9 图2 - 2 模拟研究步骤示意图 f i g u r e2 - 2s c h e m a t i cd r a w i n go f t h es i m u l a t i o nr e s e a r c h 1 0 3 地铁运行过程分析 3 1 地铁运行与铁路运行的区别 地铁与铁路的功能和定位有着本质的区别。铁路作为服务于城际之问甚至是 省际之间的一种交通工具，线路上基本上都远离人口密集的城市区域，站间距很 大，客货列车混行，具有大编组、低密度、追踪间隔时问长的特点；而地铁作为 城市内的公共交通工具服务对象主要是城市居民，线路形式多种多样，有高架线、 地下线和地面线，地铁的站间距短，线路上运行的列车种类单一，列车运行具有 小编组，高密度、追踪间隔短的特点。 地铁的线路形式不同于铁路，除两条正线和必要的存车线与渡线外，一般没 有其他的配线，列车的进路比较简单，有利于实现列车运行的自动控制；从保证 乘客安全的目的出发，也要求各系统在任何状态下均能可靠、及时、准确地采取 相应的措施。地铁高密度、追踪间隔短的特点也要求地铁具备相当的自动化控制 水平。由于地铁运行具有相当的重复性，相应的系统运行过程也是相对固定的。 这是地铁运行与铁路运行又一个显著不同的差别嗍。 因此，地铁运行和铁路运行有着本质的不同，无论是设备构成、运营调度等 都不尽相同，不能拿铁路的东西生搬硬套。 3 2 环线地铁与非环线地铁运行的区别 环线地铁与非环线地铁运行的显著区别在于：环线是封闭的，环线列车在同 一条线路上一直单向循环运营，调度组织上连贯性较好；非环线地铁列车则需要 折返运行，即在到达终点站后，列车要按交路折返运行。 3 3 地铁运行过程分析 地铁列车的运行主要是依据地铁列车运行图。地铁列车运行图应是在每段时 间里地铁列车开行组织与地铁客流的最佳配合。列车随时间而移动，客流随时问 而变化。对于某个车站，旅客的到达是随机的，但旅客随列车的离站而成批消失。 相对于运动的列车来说，车站又是一个变量，它随列车位置的移动而变换车站。 因此可以说，代表地铁运行的地铁列车运行图是时间、车站、列车、客流四个变 量的函数，其简单的函数表达式为： 地铁运行o c f ( 时间、车站、列车、客流) 要使列车运行状况最优，即寻找时间、车站、列车、客流的最佳配合在这 四个变量中时间是连续增长的，车站、列车的变化是按顺序变化的，而客流量又 是时间和车站的函数。如此复杂的问题，运用计算机模拟手段来实现列车运行的 过程或者检验车站的服务能力无疑是比较理想的途径 9 1 。 3 3 1 车站运行过程分析 车站运行过程就是指车站从开放到关闭的整个运营过程车站的主要任务就 是接待到站列车、服务到站客流，顺利平稳地保证地铁列车的运行。如图3 - 1 所 示，车站的运行过程的重点就是服务乘客的过程。乘客从进站到出站过程顺利程 度，就体现了车站的服务水平。在这一过程中，车站楼梯通道、售票厅、站台都 是易发生乘客拥堵的地点，而站台又是乘客集散高发区应引起高度重视。本文的 研究重点放在站台的客流上。 乘客进站 乘客通过楼梯、通道到达售票厅 乘客排队购票 乘客检票进入站台 乘客站台候车r 卜_ 1乘客换乘 乘客上车离站 乘客通过大厅、通道， 出站口出站 乘客站台捧队出站 乘客下车 图3 - 1 车站运行过程示意图 f i g u r e3 - 1t h es c h e m a t i cd r a w i n go f t h es t a t i o n so p e r a t i o np r o c e s s 1 2 3 3 2 列车运行过程分析 列车运行过程是指列车从进入运营开始，正线运行到最终退出运营的全过程， 具体如图3 - 2 所示。整个运营过程中，正线运行是列车运行过程的核心，列车依 据列车时刻表穿行于各车站，完成旅客输送任务。 图3 - 2 列车运行过程示意图 f i g u r e3 - 2t h es c h e m a t i cd r a w i n go f t h et r a i nm o v e m e n t p r o c e s s 4 北京环线地铁的系统分析 4 1 现状描述 北京环线( 2 号线) 围绕城市二环以内的中心区闭合运行，该地铁环线全长 2 3 1 k m ，于1 9 8 7 年开通运营，全线共设1 8 座车站，都是岛式站台。目前四座换 乘车站中，东直门、西直门站可换乘城铁1 3 号线，复兴门、建国门站可中转地铁 1 号线。环线作为城市内部交通的保护壳，是北京轨道线网的骨干线路。 4 1 1 行车组织 ( 1 ) 列车运行交路 图4 i 环线列车运行交路示意图 f i g u r e4 - 1t h es c h e m a t i cd r a w i n go f t h et r a i nm o v i n gr o u t ei nl o o p - l i n e ( 2 ) 列车运行指标 列车旅行速度：3 4 k m h ，列车技术速度：4 6 k i n h ： 高峰小时单向最大运力：1 9 2 0 0 人时( 1 7 列、6 辆列、1 8 8 人辆) ( 3 ) 运营时间 早4 ：3 0 送电，晚2 4 ：0 0 停电； 内环：早4 ：5 3 ：晚2 3 ：2 6 ： 外环：早4 ：5 8 ：晚2 3 ：3 9 4 1 2 线路基本情况 站台有效长度为1 1 8 m ： 线路最高限速：8 0 k n d h ： 站台限速：5 0 k m h ( 无屏闭门) 1 4 j e 立交通太堂亟坐位论塞j e 塞珏线垃毯的丕统盆扳 4 1 3 车辆情况 目前，环线配备的车辆均为凸轮调阻或调压车，在线运用车组为6 辆编组， 全部为动车，共2 0 4 辆，高峰运用车组为2 6 列，列车全长1 1 7 5 m 。 1 ) b j 一3 型电动客车车辆参数 最高运行速度：8 0 k m h ；车辆自重：3 3 5 t ； 列车总重：2 6 5 8 t ( 定员时) ，2 8 3 3 t ( 超员时) ； 列车定员按6 人f ，超员按8 人m 2 ( 每人按6 0 k g 计) ； 制动方式：电阻制动，空气制动。 2 ) 车辆配备 环线共有3 4 组列车，全部列车为6 辆编组，均为动车。 4 1 4 车站情况 全线共设1 8 座车站，都是岛式站台，全线车站情况详见表4 1 。 表4 - 1 环线各站基本信息表 停站时分( s ) 序号 站名 站中心里程( k n l ) 配线换乘 外环 内环 l 西直门 1 2 1 6 有岔1 3 号和4 号线 6 06 0 2车公庄 1 0 2 6 有岔 3 0 3 0 3 阜成门 8 5 09 号线 3 06 0 4 复兴门 7 2 6 有岔l 号线 6 06 0 5长椿街 6 4 73 0 3 0 6 宣武门 4 2 4 有岔4 号线 3 0 3 0 7 和平门 3 4 1 3 03 0 8 前门 2 3 93 0 6 0 9 崇文门 o 6 25 号线3 0 3 0 1 0 北京站 2 2 7 1 有岔 6 06 0 l l 建国门 2 1 6 8 有岔i 号线 6 06 0 1 2 朝阳门 2 0 0 5 3 03 0 1 3 东四十条 1 8 8 83 0 3 0 1 4 东直门 1 8 0 3 1 3 号线 6 06 0 1 5 雍和宫 1 7 1 0 有岔 5 号线 3 03 0 1 6 安定门 1 5 8 7 3 03 0 1 7 鼓楼大街 1 4 0 38 号线3 0 3 0 1 8 积水潭 1 3 0 7有岔 6 06 0 1 9 西直门 1 2 1 6 有岔 6 06 0 1 环线外环方向为西直门开往车公庄方向，内环方向为西直门开往积水潭方向； 备注2 停站时分为早高峰时问段内的停站时分； 3 换乘路线在可规划期范围内 4 1 5 运营情况 环线2 0 0 4 年总体运营情况，如表4 2 所示。 表4 2 环线运行状况表 运行指标单位 环线指标 日客运量( 万人次) 5 0 7 4 0 5 日周转量( 万人次公里) 2 7 0 8 6 6 线路平均运距( 公里从次) 5 3 平均线路负荷强度 ( 人次，公里日) 2 1 9 6 6 平均正点率 ( ) 9 8 4 2 环线功能 北京市以皇城为中心，形成了规划完整、布局严谨、建筑规范的呈“棋盘形” 布局的典型特征。改革开放以来，随着国家经济的强盛和城市化进程的加快，城 市布局建设正由“棋盘形”向城市中心为棋盘形、城市外围为环状放射形形态转 变，环绕城市的三环路、四环路、五环路相继建成通车，将大量穿城需求分散疏 导到环城线上，减轻了其对城市中心的交通压力。 北京地铁环线自1 9 8 4 年建成、1 9 8 7 年闭合运营以来，其对北京城市中心区的 客运交通拥挤起到了重要的缓解作用。在北京地铁一环一线( 不包括八通线) 5 4 k m 线路中，线长2 3 k m 的环线运量占到总运量的5 3 5 3 ，其线路负荷是一线的1 5 5 倍，在环线沿线形成了西直门、积水潭、东直门、建国门、前门、复兴门等若干 个交通换乘枢纽，环线作为城市内部交通的保护壳，不仅保持城市交通的通达性， 而且维护城市中心功能，在城市交通路网中的作用是不容置疑的。 4 2 1 穿越截流 环线像一道屏障对过境交通起到穿越截流的作用。将起点和终点都在环线以 外的交通量都引到环线上，有效避免了过境交通占用城市内部道路现象，提高环 内交通的运行效率，减轻中心区的交通压力。 4 2 2 进出分流 环线对进出市中心的交通起到进出分流的作用将一个端点在环内，另一端 点在环外的交通量部分吸引到环线上，一方面减少进出车辆对环内道路的占用， 1 6 另一方面将交通流量分散到多条射线道路上，避免交通集中涌入。 4 2 3 内部疏解 环线对市中心的交通起到内部疏解的作用。将终点和起点都在环内的中心距 离的交通量吸引到环线上，为城市内部交通提供快速绕行的选择。如果环线上集 中了大量短距离的内部交通，环线特有的交通功能就会逐步丧失，仅能成为形态 上的环路，其功能与多条径向线相交围成的巨型网络相当，主要起到通达交通的 作用0 0 1 。 4 3 客流分析 轨道交通的客流是指单位时间内，轨道线路上乘客流动人数和流动方向的总 和。客流既表明了在空间上的位移及其数量，又强调了这种位移带有方向性和起 讫位置。对客流的分析，不仅是轨道交通网络规划，车站规模设计及设备容量选 择的依据，也是轨道交通系统合理安排运输能力、编制运输计划、组织行车和分 析运营效果的基础n 1 1 。 4 3 1 客流的分类及特征 根据人们出行目的的不同，通常把轨道交通客流分为两类：工作性客流和生 活性客流。 工作性客流主要是城市内部甚至是城市与卫星城之间或不同城市之间由于工 作和学习而产生的客流。一般来讲，这部分客流的特点就是客流量大，乘车时间 相对集中，乘车高峰时间短，规律性强，较为稳定，是客流高峰时的主要来源， 是全日客流量的主要组成部分。 生活性客流是由人们的多种生活需要构成的，如购物、探亲访友、就医、参 加娱乐活动、旅游等。这一部分客流的特点是一天中持续的时间长，受气候变化 和季节变化影响比较大。一般来说，节假日客流量相对较大，平日客流相对较少， 与工作性客流相比，生活性客流具有较大的不确定性和不稳定性。 由于城市轨道交通客流构成的因素较多，具体反映在轨道交通路网上、方向 上、断面上的客流动态特点都是不同的。总之，从城市轨道交通的需求来看，轨 道交通客流具有以下几个基本特征： ( 1 ) 普遍存在性：无论是宏观领域还是微观领域，由于需求与供给、生产与 1 7 消费的普遍存在决定了人们的出行需求； ( 2 ) 复杂多样性：由于客流构成以及人们出行目的的不同，从而决定了客流 无论是在运输方向、范围以及强度等在时问段分布上的不同，呈现出复杂多样性； ( 3 ) 时空聚散型：客运的时间变化通常有一定的规律可循，这是由居民和流 动人口在学习、购物，通勤、旅游等方面的规律性带来的，例如大多城市通常在 早晨7 点到9 点和下午5 点到7 点为交通出行高峰时期，而中午前后都有卜2 段 交通出行的低谷时期。 北京环线地铁主要承担的是城市内部的客流输送，特点也较为明显：客流流 量大，时间性强，起伏变化幅度大，高峰时间显著，乘车距离短，转换车交替频 繁。 4 3 2 环线客流动态性分析 轨道交通线路上的客流动态反映了城市轨道交通线路上客流量的分布特点。 客流动态数值是用通过量表示的，各个路段的通过量按时问顺序排成数列，即可 显示出轨道交通整条线路上客流量动态数值及变化的特点。根据轨道交通线路上 客流量动态变化的方向和数量及波动的幅度，可以提供研究轨道线路的新途径， 调整运营车辆的选型及配备各阶段车辆数，以及修改列车行车时刻表等资料【l “。 1 ) 客流在方向上的分布特性 一股线路都有上下两个方向。两个方向上的客流量在同一时问段内是不相等 的有的线路双向的客流量几乎相等，而有的线路则差异很大；另外，由于线路 上各车站的上下车人数是不相等的，因此车辆经过各断面时的通过量也是不相等 的。如图4 2 示，环线地铁早高峰小时断面流量外环稍高于内环方向，没有呈现 出明显的单向型趋势。 图4 - 2 环线高峰小时断面流量图 f i g u r e4 - 2t h ef l o wd i a g r a m i ns e c t i o no f t h el o o p - l i n ei nr u s hh o u r s 客流在线路方向上具有不均衡性。对于客流分布在方向上的不均衡性一般用 客流的方向不均衡指数胁表示，其计算方法见公式： 。一2 m 甜c r z ，唿) 力2 1 矿m a x 萨m 耐 ( 4 1 ) 式中：吃，一内环方向高峰小时最大断面客流量 呓一外环方向高峰小时最大断面客流量 方向不均衡系数表明轨道线路两个方向客流的分布情况。一般线路的方向不 均衡指数只为1 1 1 2 t ”1 ，环线方向不均衡性指数在正常范围之内，内外环方向 没有呈现明显的不均衡性当线路的方向不均匀系数超过上述取值范围时，为满 足较大方向上的客流需求，在制定列车行车计划时可以考虑在较大客流方向增开 车次，但在对于像环线这样城市内部的线路当行车密度较大时，增开车次己经不 太容易，而且行车组织管理也相当困难，可以考虑适当增加列车编组，以增加轨 1 9 道系统的运输能力来满足需求，但会造成某些断面上的运输能力的浪费。以目前 环线方向不均衡程度来看，现行运营调度基本可以满足客运需求。 2 ) 客流在断面上的分布特性 由于轨道交通线路上每个车站的上下车人数是不相等的，因此车辆经过线路 各断面时的通过量也是不相等的，若把一条线路上各个断面的通过量的数值按上 行或下行的前后次序排成一个数列，这个数列就能显示出轨道线路各个断面上的 客流形态。从这些数量关系中，可以看出轨道客流在不同时间内在断面上的分布 特点和演变规律。 在线路的一个方向中，沿线路各个断面的客流量不尽相等，存在一定的差异， 但客流在不同断面上表现出来的差异经常会表现出一定的规律性，对于客流在断 面分布上表现出的这种差异的规律性，称之为客流的断面不均衡规律。断面不均 衡规律可以用断面不均衡系数助表示。其计算方法是： 矿 p h = 竖_ ( 4 2 ) 三n l - i k 式中：p o 一单向最大断面流量 形一单向断面区间客流量 h 一区间个数 由环线高峰小时断面流量图也可看出，客流在线路各断面上的分布是有一定 特点的，从上、下行每个方向上看，断面流量呈现s 型走向。上、下行方向断面 不均衡系数都在1 5 以下，运行正常。断面不均衡系数反映轨道线路上不同断面 客流的不均衡程度，轨道交通的行车组织安排以高峰小时最大断面客流量来计算 轨道列车的编组，当岛较大时，为了满足整个线路的运输能力，势必会造成客流 较小的断面的运输能力的浪费，一般来讲，当线路的断面不均衡指数1 5 以上时， 保持线路各个断面运力与运量的平衡，就必须要采取一定的措施，以增大最大断 面的运输能力【1 3 1 。 3 ) 客流在时间上的动态特性 客流形态是受外界因素影响而经常变动的，但经过充分的调查研究后可以看 到，在一定的时间与范围内，其变异程度具有某些规律性。掌握客流的动态变化 规律，是轨道交通企业进行组织运营计划的基础。从季节、周日、昼夜三种不同 的时间角度可以探求出一定的客流的演变规律。 ( 1 ) 季节性交化 一年中每月的客流量户有差距而不平衡，有一定的起伏变化在一般情况， 冬季每月的客流量比较高，夏季则比较低。这是因为冬季寒冷，部分骑车人和步 行者往往改乘公交或地铁。岁尾年初人们的生活出行增多也是导致客流量大幅度 上升的重要原因 ( 2 ) 周日间的变化 在一个星期的七天中，由于受到工作和休假目的影响，每天的客流量是不等 的但变化较为稳定，每周的客流量将会有重复出现的规律。如图4 - 3 为环线2 0 0 5 年九月份在一周内的客流变化图，从图中可以看出，在工作日期中星期一和星期 五的客流明显偏多这是因为轨道交通客流一般周一早高峰，周五晚高峰偏大， 这一时间内存在大量出城或返城的工作客流；周六、周日客流量全天较为平稳， 无平日高峰特点，生活娱乐性客流占主要部分。 图4 - 3 环线一周客流变化图 f i g u r e4 - 3t h ec h a r to f p a s s e n g e rf l o wc h a n g e se a c hd a yp e r w e e ko f l o o p - l i n e ( 3 ) 昼夜间变化 一昼夜内各个单位时间的客流动态是不同的，运营于北京市二环上的环线地 铁的基本客流是由工作性客流组成的，环线总体上看来，在一天的运营时间内出 现两个明显的客运高峰，呈现出典型的客流双峰型特征。如果对环线上的1 8 个车 站分类研究，根据一天中客流动态变化又可以划分出不同的类型，如表4 - 3 所示。 表4 3 环线地铁车站高峰类型表 类型特点车站 早高晚低 西直门、东直门、安定门、积水潭、雍和宫、崇文门 双峰型 早低晚高朝阳门、东四十条、宣武门 较高复兴门、建国门 平峰型 较低 车公庄、阜成门、长椿街，鼓楼大街、和平门 多峰型北京站、前门 由表4 3 也可以看出：大多数车站全天客流呈现早高晚低的双峰型特点，而 呈现早低晚高特征的车站主要是集中在一些繁华的商业区、就业密集地带，这里 易于出现下班时的晚高峰。客流全天较高的平峰型车站多是中转换乘车站，这里 交通流量较大。呈现客流多峰型特征的车站主要是这些车站连接一些长途车站、 火车站，客流不稳定根据每时段旅客流量的差距性变化呈现一天之中的多峰变化。 客流