（交通运输规划与管理专业论文）城市轨道交通列车停站方案优化研究.pdf

中文摘要 目前，我国城市交通面临着越来越严峻的挑战，交通需求增长的速度明显高 于交通设施增长的速度，城市交通供需不平衡的矛盾同益严重。优先发展公共交 通是解决城市交通问题的主要出路，发展大容量的城市轨道交通则是解决城市交 通问题非常有效的方法之一。本论文从城市轨道交通列车运营组织中的基础环节 之一列车停站方案入手，在分析各种停站方案的特点及适用条件的基础上， 结合乘客出行选择行为，对多种交通方式竞争条件下的城市轨道交通列车停站方 案优化问题进行分析研究。主要工作有以下几个方面： l 、对城市轨道交通系统的运营效率进行了研究。总结城市轨道交通运营效率 的定义，从乘客和运营企业两方面明确了衡量指标；并对停站方案与运营效率的 关系进行了探讨，给出了停站方案的优化目标。 2 、对列车停站方案问题进行了详细地分析。分析“跨站停站”、“区域停站”、 “快慢车 这三种非站站停的停站方案对乘客出行、系统运营组织的影响，及其 适用条件；结合停站方案的优化目标，以停站与否为自变量，在客流需求已知且 固定的情况下，构建不同停站方案的基本优化模型。 3 、结合交通方式选择问题，建立了综合优化列车停站方案的双层规划模型。 以停站方案基本优化问题为上层规划，将交通方式选择问题作为下层规划；设计 了f r a n k w o l f e 算法、禁忌搜索算法、b l a b g 算法相结合的启发式算法对模型进 行求解；并给出停站方案的选择方法及流程。 4 、基于以上理论研究结果，对天津市津滨轻轨早高峰小时的停站方案选择问 题进行分析，验证了模型的合理性和可行性。 关键词：城市轨道交通；停站方案；运营效率；双层0 1 规划；b l a b g 算法 分类号：u 2 3 9 ；u 2 9 2 4 j 匕塞交适太堂亟堂僮途塞 旦墨墅坠翊： a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m ya n dh i g hs p e e dg r o w t ho fu r b a n p o p u l a t i o n ，t r a v e ld e m a n d so fu r b a nc i t i z e n si si n c r e a s i n g l yg r o w i n g ，w h i c hu s u a l l y e x c e e d st r a n s p o r ts u p p l y i m p r o v i n go p e r a t i o ne f f i c i e n c yo fu r b a nt r a n s i ti sa ne f f e c t i v e m e t h o dt oa l l e v i a t eu r b a nt r a f f i cp r o b l e m b a s e do na n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r sa n d a p p l i c a b l ec o n d i t i o no fs t o p s c h e d u l ep l a np r o b l e mf o ru r b a nr a i lt r a n s i t ，s o m e o p t i m i z a t i o nm o d e l sf o rd i f f e r e n ts t o ps c h e d u l et y p e sw e r eb u i l tu n d e rm u l t i m o d e b a c k g r o u n d ，c o m b i n e dw i t ht h et r a v e lc h o i c e b e h a v i o ro fc i t i z e n s t h e s em o d e l sa r ea l l a i m e da ts e a r c h i n gf o rt h es t o ps c h e d u l ep l a nw h i c hm a k e so p e r a t i o ne f f i c i e n c yo p t i m a l a l la b o v e ，t h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e dt h e c o n c e p to fo p e r a t i o ne f f i c i e n c yo fu r b a nr a i lt r a n s i t p r o p o s e dt h ed e f i n i t i o n ，d e f i n i t u d et h em e a s u r ei n d e x e sf r o mt w oa s p e c t s ：p a s s e n g e r s a n do p e r a t i n ge n t e r p r i s ea n dd i s c u s s e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t o p - s c h e d u l ep l a na n d o p e r a t i o ne f f i c i e n c y 2 d e t a i l e ds t u d i e dt h es t o p s c h e d u l ep l a np r o b l e m c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e ra n d a p p l i c a b l e c o n d i t i o nd i f f e r e n c e so fs k i p - s t o po p e r a t i o n ，z o n a lo p e r a t i o n a n d e x p r e s s l o c a lo p e r a t i o n ，t h r e eo p t i m i z a t i o nm o d e l sf o rt h et h r e es t o ps c h e d u l et y p e s w e r eb u i l to nt h ea s s u m p t i o nt h a tt h ed e m a n do fp a s s e n g e r sw a sf i x e da n dk n o w n 3 c o m b i n e dw i t ht h et r a f f i cm o d ec h o i c e ，ab i l e v e lp r o g r a m m i n gm o d e lo f s t o p s c h e d u l ep l a np r o b l e m w a s b u i l t ，c o n s i d e r i n g t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n s t o p s c h e d u l ep l a np r o b l e ma n dp a s s e n g e rf l o wd i s t r i b u t i o n f r a n k w o l f ea l g o r i t h m ， t a b us e a r c ha l g o r i t h m ，a n db l a b ga l g o r i t h mw e r ec o m b i n e dt os o l v et h em o d e l t h e nt h em e t h o df o rc h o o s i n gt h eo p t i m a ls t o ps e q u e n c ew a sg i v e n 4 b a s e do nt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，s t o p s c h e d u l ep l a nf o rt i a n j i nj i n b i nl i g h t r a i lt r a n s i td u r i n gm o r n i n gp e a kh o u rw a sg i v e n ，v a l i d a t e dt h er a t i o n a l i t ya n d f e a s i b i l i t yf o rt h i sr e s e a r c h k e y w o r d s ：u r b a nr a i lt r a n s i t ；s t o p s c h e d u l ep l a n ；o p e r a t i o ne f f i c i e n c y ；b i l e v e lo - 1 p r o g r a m m i n g ；b l a b ga l g o r i t h m c l a s s n o - u 2 3 9 ；u 2 9 2 4 图l l 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 - 8 图4 1 图4 2 图4 3 图5 1 图5 - 2 图5 3 图5 _ 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图目录 论文研究思路和框架7 城市轨道交通系统运营效率、投入、产出的相互关系9 城市轨道交通基本非站站停的停站方案1 1 非站站停的停站方案与标准停站方案的比较一1 2 列车停站方案对城市轨道交通系统运营效率的影响一1 3 乘客的乘车出行过程( 以跨站停站方案为例) 一1 4 跨站停站方案的运营形式1 8 标准停站方案( s ) 和跨站停站方案( s s ) 的运行图一1 9 区域停站方案的运营形式2 3 区域停站方案的运行图2 3 快慢车方案的运营形式2 7 不同快慢车车站股道设置形式一2 8 单向单线的快慢车方案运行图( 快车站设四条股道) 2 9 生成邻居结构示意图( 以跨站停站方案为例) 一3 4 城市客运系统的交通方式网络一3 8 求解停站方案双层模型的基本步骤4 7 停站方案的选择流程图4 9 津滨轻轨及周边交通线路现状5 1 2 0 0 3 、2 0 0 8 年天津一滨海新区交通方式分担情况5 2 2 0 0 3 年- 2 0 0 8 年津滨轻轨在公共交通中的分担率5 2 津滨轻轨早高峰小时下行各站上下车客流分布规律一5 6 津滨轻轨早高峰小时下行线路断面客流分布规律一5 6 津滨轻轨跨站停站方案运行图( 早高峰小时) 一5 9 津滨轻轨区域停站方案运行图( 早高峰小时) 一6 0 津滨轻轨快慢车方案运行图( 早高峰小时) 6 l 津滨轻轨跨站停站方案建议运营组织形式( 早高峰小时) 一6 1 办对运营效率的影响一6 2 k 对运营效率的影响一6 3 h 。，对运营效率的影响6 4 表目录 表5 12 0 0 8 年津滨轻轨早高峰小时车站客流量5 3 表5 2 津滨轻轨高峰小时列车运营时刻与沿线公共汽车平均行程时间5 4 表5 3 津滨轻轨早高峰小时线路断面客流不均衡系数一5 7 表5 4 津滨轻轨早高峰小时跨站停站方案制定结果。5 8 表5 5 津滨轻轨早高峰小时跨站停站方案制定结果5 9 表5 6 津滨轻轨早高峰小时快慢车方案制定结果6 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： 劢铷 f 导师签名： 缘听 i 签字日期：年多月形日 签字同期：年月日 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。 学位做作者签名印砘- 签字日期：力7 年月“日 7 5 致谢 本论文是在我的导师宋瑞教授严格要求、精心指导下完成的。论文完成之际， 向宋老师表示衷心的感谢! 感谢宋老师在论文选题、基础资料收集、论文写作、 修改定稿全过程中给予的关怀、指导和帮助；感谢宋老师多年来对学生的关心、 支持、帮助和包容。在这几年学习期间，我所取得的每一点进步、每一份成绩都 包含着宋老师无微不至的关怀、鼓励和引导。宋老师渊博的专业知识、严谨的治 学态度、坚持不懈的钻研精神、一丝不苟的科研态度、精益求精的科学作风，都 给我留下了深刻的印象，使我终身难忘。她不仅教导了我掌握完整的专业理论和 方法，更培养了我锲而不舍的学习精神和积极认真的工作态度。在宋老师指导下 的这几年学习经历将使我终身受益。我将牢记宋老师的教导，在今后的人生道路 上更加勤奋学习与工作，努力进取! 在论文撰写期间，实验室许旺土博士、赵航博士、孙杨博士、何必胜、郑锂、 张琳琪、王会彬、陈强等同学对该论文的研究思路和技术路线进行了指导，给了 我很多启迪性的思路，并提出许多建设性的建议。此外，屈云超、宋惠娟等同学 也给予了我真诚的帮助。正是无数次的交流、切磋，使我不断捕获灵感，修正错 误；在无数次的合作中，一起面对困难，取长补短，共同进步。 感谢父母的养育之恩和淳朴教导，他们的支持、鼓励和无私的爱，是我不断 前行的力量源泉，使我能够在学校专心完成我的学业，使我有动力、信心和勇气 去跨越一个又一个障碍。 感谢在百忙之中审阅本论文的老师们! 感谢本论文所引用参考文献的所有作者们! 最后，对所有关心、帮助过我的人们表示诚挚的谢意! 1 绪论 1 1 研究背景 随着我国经济的持续快速发展，一方面，城市规模迅速扩大，城市中心区经 济的高速发展、土地的高强度开发、道路的改造困难，使得交通设施建设规模受 到限制；另一方面，城市用地结构的转变、功能的多元化，导致大量城市交通需 求的产生，城市交通面临着越来越严峻的挑战。特别是交通拥挤问题，它使得居 民出行时间成本急剧上升、环境污染更加严重、交通事故日趋频繁，导致整个城 市的经济发展和居民生活受到严重的制约。城市交通问题产生的根本原因在于交 通需求的增长速度明显高于交通设施的增长速度，因此解决交通拥挤问题的出发 点应为平衡交通供给和交通需求，关键在于如何利用有限的交通供给满足不断增 长的交通需求。 目前，我国大力提倡建设“以城市轨道交通为骨架，以城市常规交通为主体 的城市公交网络，以期在一定程度上缓解交通拥堵。利用城市轨道交通系统来缓 解交通拥挤的方法主要有以下两种： ( 1 ) 扩大交通供给。主要通过扩大网络规模、完善基础交通设施配置等方式， 最大限度地提高城市轨道交通系统的运输能力，使交通需求能够在最短的时间内 得到满足。但这种方法往往治标不治本，原因在于城市轨道交通系统能力增大、 可达性提高后，会反过来刺激交通需求增长，使扩充的能力很快又达到饱和，造 成新的交通拥挤。 ( 2 ) 抑制交通需求。主要是通过经济手段、交通政策等的导向作用，影响出 行者对出行时间、出行路线等的选择行为，以达到调节需求的目的。这种方法的 目的很明确，即通过抑制局部地区的交通需求，分散该地区的交通负荷度来缓解 拥挤。但在国内实施的效果却不尽如人意。 国外很多城市轨道交通系统的发展也都经历过这种阶段。大量实践证明，从 运营组织这个决定城市轨道交通供给和供需关系的重要因素着手，通过调整列车 编组方案、列车交路方案、列车停站方案等措施来调节供需关系，缓解现状交通 压力的有效性远比盲目扩大供给或抑制需求强，而优化列车停站方案正是其中最 常用、最有效的策略之一。 目前，我国城市轨道交通列车停站方案制定方面存在的问题主要表现在： ( 1 ) 制定方法以经验为主，缺乏科学性 当前停站方案的制定主要依靠调度管理人员的经验，经验型决策虽然能在一 定程度上把握客流的变化特点，但具有不稳定的缺点，不能做到根据客流的变化 动态地调整计划，停站方案的正确性和科学性得不到保障。不合理的停站方案将 导致资源的浪费和经济效益的下降。 ( 2 ) 方案形式单一，缺乏针对性 除北京、上海等少数城市轨道交通系统以外，大部分城市的轨道交通一般采 用传统的停站方案，列车在所有车站都停，运营组织简单。但一天内的交通需求 是不断变化的，同一线路不同断面的客流分布也是不同的，站站停的停站方案会 造成系统能力浪费、列车运行速度减慢、乘客出行时间增加、车辆使用效率不均 衡等问题。 将优化列车停站方案作为增加城市轨道交通系统吸引力、解决交通拥挤问题 的手段已经在国内外一些城市得到广泛的应用，如纽约、巴黎、东京。然而，国 内对列车停站方案的研究和应用尚未全面展开。只有依靠科学的方法，提出合理 的列车停站方案制定方法，才能从根本上改善城市轨道交通系统的供需平衡问题、 解决城市交通拥堵问题。 本论文的研究依托于8 6 3 计划专题课题“大城市快捷客运交通系统设计关键 技术的研究( n o 2 0 0 6 a a l l 2 2 0 3 ) 完成。 1 2 国内外研究综述 1 2 1 国外研究现状 合理的线网规划是发挥效率的根本，合适的建设标准是发挥效率的保证，而 科学的运营管理是发挥效率的关键【l 】。自上世纪8 0 年代，国外许多学者就开始了 对列车停站方案问题的研究。 s a l z b o m t 2 】和a s s a d 3 】指出在列车方案中，乘客最关心的是列车停站方案，停站 方案的确定实际上需要确定一个车站集合或者它的一个子集，在这个集合内列车 可以停靠。最常用的做法是利用某种评价准则从所有可能的停站方案中选择较优 方案，例如动态规划方法【4 】，利用这些方法可以构造出基于各种不同分区方案【5 叫、 特定停站方式【7 j 和各种不同编组方式【8 】的列车停站方案，如全停站、间隔停站和区 域停站方式。研究结果显示，对于在郊区通勤铁路线上的多对一需求方式，区域 停站方式比其他两种停站方式更加优越【6 】。尽管在市郊通勤系统中的优越性，区域 停站的方法只适用于主要客流量起讫点位于城市的一个或者几个中心车站的铁路 系统，却难以普遍适用于以通勤系统之外的铁路系统【丌。事实上，这篇文章中的实 2 际应用表明，对于城际问高速铁路多对多客流o d 对的情形，各种停站方式的组 合停站方案要比单一的区域停站方式好得多。 不同的列车停站方案具有不同的乘客服务水平、运输能力利用状况、行车组 织复杂性和运营经济效益。v i j a y a r a g h a v a n 叫o 】研究了基于大站快车和区间车调度 策略下的车辆分配、组织和调度问题。c e d 一1 1 j 4 】对采用大站快车或区间车策略下 的公交调度模型进行了深入研究。d e l l e 和f i l i p p i 1 5 】在不同车型选择的前提下，建 立在公交走廊上采用区间车和全程车组合调度的优化模型，其目的是在计划行车 时刻表的条件下使乘客和公交公司的成本最小。e b 甜e i n 【i 。7 1 则建立了公交运营控 制中的越站问题模型。e i s e l e 1 8 】指出如果各列车间能够实现协调配合，那么区域停 站方案将比站站停的停站方案要好的多，因为列车的最终停站数量会比站站停的 停站方案少的多。c h a n g 1 9 】采用模糊数学规划来研究即将修建的台湾城际间高速铁 路列车开行方案问题，以经营者的总体运营成本最少和旅客总旅行时间最少为两 个目标，在多对多客流o d 需求和给定运输能力下，采用模糊数学规划建立了旅 客列车开行方案的多目标优化模型，包括三部分：停站计划、服务频率和客车车 底对数。文中还指出，停站计划与给定的运输需求有关，停站的数量和方式应是 一个弹性计划，而不是由规划者完全确定。 国外在城市轨道交通列车停站方案的应用方面已经具有相当的经验。许多城 市的轨道交通系统，如巴黎、莫斯科的地铁系统，旧金山、波士顿的轻轨系统， 都采用了特殊的停站方案。 ( 1 ) 纽约地铁通过两种运营组织实现快速列车和普通列车两种服务。一种是 线路复线化，即同一条线路由4 条股道构成，中间2 条开行只在主要车站停靠的 快速列车，外侧2 条开行在每个车站都停靠的普通列车；快速线和普通线通过同 一站台换乘。另一种是同一条线路开行越站快速列车和普通列车。 ( 2 ) 东京轨道交通市郊线( 连接郊外住宅区与城市中心的私营铁路、国铁郊 区线、城市铁路等多种轨道交通体系的线路) 兼顾远距离乘客希望提高旅行速度 以及小站乘客希望缩短候车时间的需求，在市中心以外地区采用快慢车的运营方 式，大大降低了系统的运营费用和提高运营效率。 这些“列车在重要的车站停车，相对不重要的车站交替停车的停站方案， 提高了列车运行速度和服务水平，吸引了大量的客流，避免了线路能力在郊区的 浪费，同时减少了列车运用数量，降低了运营成本，给出行者和运营者带来的利 益远远超过了其带来的不便，特别是在高峰小时内【2 0 】。但由于运营管理比较复杂， 需要大量的换乘，因此需要较高的技术水平才能保证运营的高效和可靠【2 1 1 。 3 1 2 2 国内研究现状 国内已有的关于列车停站方案的研究大多伴随着铁路客运专线的建设和运营 研究丌始的。客流的分布及预测是制定列车停站方案的基础，在市场经济条件下， 应合理优化列车开行方案以满足不同乘客的需求。列车的停站越多，越有利于吸 收沿途客流，但同时会降低旅行速度，又会流失一部分客流【2 2 1 。郭锴【2 3 1 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两种列车的组合形式。兰淑梅【2 4 1 在分析日本新干线运营经验 的基础上，指出在设计我国京沪高速铁路的客车开行方案时，应根据客流构成特 点、分布规律及线路能力利用情况，采用各站交错停站、直达等多种形式的停站 方案。张拥掣2 5 】讨论了高速列车停站影响，以旅客停站时间最少、列车能力浪费 最少、未满足要求的旅客数最少为目标，建立了高速列车开行方案的多目标0 - 1 规划数学模型，构造了多层次0 1 规划求解方法，并结合有序组合树方法对问题进 行求解。 城市轨道交通列车停站方案的制定方法和铁路旅客列车停站方案的制定方法 相似，都以客流o d 作为规划的基础。由于观念上的误区，国内对城市轨道交通 系统的研究重“硬件，轻“运营 ，将研究的重点集中于客流预测、路网规划、 车站设计、车辆控制等方面，对运营组织的研究还没有形成一个完善、全面的理 论体系，对列车停站方案的研究大多还停留在定性分析的阶段。李宇东【2 6 】针对非 高峰运营时段城市轨道交通列车能力浪费的现象，结合我国城市轨道交通系统客 流特点，论证了开行编组车辆少的“短列”的可行性和经济效益。宋键【2 7 1 指出在 市郊快速轨道交通线路上，根据客流潮汐化、向心性的特点，选用合理的列车停 站方案，对优化列车运行组织、提高系统的服务水平和降低运营成本具有重要的 意义。袁博掣2 8 】从城市轨道交通的小时客流不均衡和断面客流不均衡两各方面， 分析了改变运营组织方式的条件，并以节省出行时间为目标，建立了采用分站停 车的运营组织方式满足乘客需求的数学模型。合理的停站方案不仅可以提高服务 质量吸引更多的客流，而且对运输企业经济效益的提高是显而易见的【2 9 1 。刘丽波【3 0 】 在分析东京私铁快慢车组合运营的方式及其配线方法的基础上，指出快慢车组合 运营是缩短市郊轨道交通旅行时间增强客流吸引力的有效方法。 从国外城市轨道交通的实际运营效果来看，只要运营组织方案合理，特殊的 停站方案在技术上是可行的，而且可以达到比较高的行车密度。国内已有城市使 用了或拟采用这些特殊的停站方案。 ( 1 ) 广州地铁3 号线是广州市轨道交通南北向主干线，是全国首条大站快线 制式线路，最大的特点就是大站快车。其运行速度为每小时5 7 5 公里，比常规地 4 铁快4 5 左右。 ( 2 ) 上海轨道交通l l 号线计划于2 0 1 2 年建成通车。根据其客流特点，将采 用直达车、大站车和站站停三种运营模式。其中，直达车从临港新城站至龙阳路 站最快仅需约3 0 分钟，极大地缩短了临港新城与中心城区的距离。 ( 3 ) 为了满足乘客快速进出城的需求，北京地铁6 号线开通运营后将在局部 区域实现快线标准，实现列车的“快慢并行”。比如早高峰时快车从通州驶出，中 间设大站，小站跃行，直接到达中心区。 目前，国内已经认识到列车停站方案问题在城市轨道交通系统运营中的重要 性，但已有文献研究对列车停站方案的特点、使用条件以及具体制定方法等的研 究还不够深入，对停站方案制定方法的数学描述，也少有考虑乘客出行的需求特 点。因此，如何根据不同停站方案的特点，考虑多种交通方式竞争的情况，结合 乘客需求，制定城市轨道交通列车停站方案，是本论文研究的重点所在。 1 3 研究目的和意义 本论文的研究目的在于：在既有城市轨道交通系统网络布局、设施配置的基 础上，从运营效率的角度出发，开展多种交通方式竞争条件下的列车停站方案问 题的研究。 ( 1 ) 给出城市轨道交通系统的运营效率的定义，提出运营效率可行且有效的 衡量方法。 ( 2 ) 以运营效率为出发点，给出列车停站方案的基本制定方法。 ( 3 ) 采用双层规划对列车停站方案制定问题进行建模，并设计启发式算法求 解模型，为该问题的解决提供一种理想的方法和途径。 ( 4 ) 对案例求解的相关数据进行分析，对多种交通方式竞争条件下的列车停 站方案问题提出相应的意见和建议。 本论文的研究意义在于：通过对列车停站方案的研究，优化列车运行组织， 指导城市轨道交通系统的运营，改进城市轨道交通系统的服务水平，降低运营成 本。 ( 1 ) 明确城市轨道交通系统运营效率的衡量指标，为基于客运需求的运营效 果评价提供了新的参考标准。 ( 2 ) 具体针对不同停站方案的特点，给出各自的优化模型，丰富当前停站方 案优化问题的研究内容。为城市轨道交通列车停站方案的制定提供了良好的决策 支持，具有一定的实践意义。 ( 3 ) 应用双层规划理论，将停站方案变动带来的客流变动反映到方案的制定 5 过程中，使有限的交通投入最大程度地满足交通需求，使停站方案的制定方法更 为可行，在实际应用中更具有针对性。 1 4 研究内容与技术路线 本论文主要研究城市轨道交通列车停站方案的制定问题。在给出各种停站方 案制定方法的基础上，采用双层规划的理论和方法来研究多种交通方式竞争条件 下的列车停站方案制定及其相关问题，并用实际案例加以论证。 全文共分6 章，第2 、3 、4 章围绕本研究的主要内容进行了理论分析，第5 章将理论研究应用于实际，最后一章是本研究工作的总结和展望。 第1 章为绪论。阐述了列车停站方案的相关研究现状，概述了本论文研究的 基本出发点、研究思路和主要内容。 第2 章为城市轨道交通列车停站方案问题分析。首先综合已有文献，总结城 市轨道交通系统运营效率的定义，归纳出衡量指标；并探讨停站方案与运营效率 的关系，给出停站方案问题的优化目标。 第3 章为列车停站方案的基本模型及算法。分析“跨站停站、“区域停站 、 “快慢车 三种停站方案对乘客出行、系统运营组织的影响及其设置条件；以运 营效率提高最多为目标，运用0 1 规划的有关方法，以停站与否为自变量，设计不 同停站方案的优化模型，设计禁忌搜索算法进行求解。 第4 章为多种交通方式竞争条件下的列车停站方案双层模型与算法。根据线 路的交通需求情况、客流分布特点，以交通方式选择为下层优化问题，运用 f r a n k w o l f e 算法进行求解；在此基础上，结合第3 章的研究成果，构建停站方案 的双层规划模型，设计b l a b d 算法进行求解；并给出了停站方案的选择方法。 第5 章为案例分析。基于前三章的理论，以天津市津滨轻轨为例对模型与算 法进行了验证，进一步验证了论文理论方法的合理性和可行性。 第6 章为结论与展望。对全文的工作做了全面的总结，阐述了论文的研究意 义和研究成果，并指出了本研究中存在的不足和后续研究需要注意的问题。 论文的技术路线如图1 1 所示。 6 ( 1 绪论 妙 厂2 城市轨道交通列车停站方案问题分析 、 i 明确运营孳率的定义| | 归纳运营效霉的衡量指标 _ l 雩莩瓣 ll i ”。 1。l g l 、；兰主盎。厶k 忒 1 1分析停站方案 i 、 i 总结运营效率的概念 - i与圣；聂军磊羹系 i 妙 ： 厂 3 列车停站方案的基本模型及算法 l、 分析不同方案的特点探讨不同方案的适用条件 l i ! _ 1 建立停站方案基本模型 卜j i之乡 7 4 多种交通方式竞争条件下的列车停站方案双层模型及算法 上层停站方案模型下层交通方式选择模型 ji 建立停站方案双层规划模型 设计双层规划模型的 求解算法 t _ _ 卜卜一i o 列车在该站不停车列车在该站停车 起终点站 图3 - 1 跨站停站方案的运营形式 f i g u r e3 - 1o r g a n i z a t i o no fs k i p - s t o po p e r a t i o n 不同的停站方案导致列车运行时间的不同，对跨站停站方案与标准停站方案 列车运行图进行比较，如图3 - 2 2 0 1 所示。图中，h 为标准停站方案下列车发车间隔， 也是跨站停站方案下始发站的发车间隔；珞为列车在站停靠时间；与巧分别表 示标准停站方案与跨站停站方案的平均运营时间；瞑与曙分别表示标准停站方案 与跨站停站方案的平均运营速度。 1 8 问 图3 - 2 标准停站方案( s ) 和跨站停站方案( s s ) 的运行图 f i g u r e3 - 2t i m e - d i s t a n c ed i a g r a mo fs t a n d a r d ( s ) a n ds k i p - s t o p ( s s ) o p e r a t i o n s 1 、车站的列车发车间隔 在跨站停站方案下，各车站的列车发车间隔随停靠列车的类型而不断变化， 同类车站的发车间隔则是相同的。 h = h 口= 2 h ( 3 一1 ) h 彳口= h - ) - t 蚴一f 站一 ( 3 - 2 ) 式中：h 。a 车站的发车间隔，m i n ： j i l 。b 车站的发车间隔，m i n ； h 占- a b 车站的发车间隔，m i n ； 列车在始发站到该a b 车站之间所有a 车站的停留时间，m i n ； t 蜘列车在始发站到该a b 车站之间所有b 车站的停留时间，m i n 。 2 、乘客在车内的乘车时间 在跨站停站方案中，尽管列车的运行区间长度、运行速度没有变化，但列车a 、 列车b 的停站数量均有所减少，在车站的总停留时间也就变化了，所以乘客在车 内的出行时间得到节省。 3 、乘客在出行起点车站的候车时间 实施跨站停站方案后，不同类型车站的发车间隔不同，导致乘客的候车时间 也发生了变化。在a 车站和b 车站，乘客候车时间的变化如式( 3 3 ) 所示；在 a b 车站，乘客候车时间的变化如式( 3 - 4 ) 所示。 a t e , a = a t 邬= 兰一等= 兰专一兰( 3 - 3 ) 1 9 蓬蛰 a 心 b a 肚 b a 肚 f 等一占=鱼一丝：鱼二堕 222 ( 3 - 4 ) 在实际运营中，如果连续实施跨站会导致在被跨站候车乘客的候车时间过长， 容易引发乘客的不满情绪，因此在选择车站类型时应该避免出现许多连续的a 车 站或b 车站。 4 、乘客在a b 站的换乘等待时间 在a 车站、b 车站之间出行的乘客不能够直接到达目的站，如果乘客不得不 从他们所在车站先到达a b 车站，然后再乘另一类型列车到达目的站，否则就无法 完成出行，使这部分乘客的出行非常不便。这是采用跨站停站方案不可避免的缺 点之一。因换乘而增加的平均换乘等待时间即为a b 车站的列车a 、列车b 之间 的发车间隔h 。r 。 5 、列车配置 由式( 2 3 ) 可知，列车配置数量与运营时段长度咒营、列车发车间隔h 以及 列车在区间的运行时间t 话和列车在中间站的停留时间t 站有关。跨站停站方案能够 缩短列车在中间站的停留时间，在其它因素一定的情况下，保障运营效率所需的 列车数量就减少了。 综上所述，采用跨站停站方案能够缩短列车的平均运营时间，提高列车的平 均运营速度，如图3 2 中 _ o l 区域i 列车i 卜i _ 1 _ 卜孓d _ c 卜o 勺一1 o 列_ 乍在该站不停车 列车在该站停车起终点站 图3 - 3 区域停站方案的运营形式 f i g u r e3 - 3o r g a n i z a t i o no f z o n a lo p e r a t i o n 与图3 4 相应的区域停站方案运行图如图3 4 所示。 图3 4 区域停站方案的运行图 f i g u r e3 - 4t i m e d i s t a n c ed i a g r a mo f z o n a lo p e r a t i o n l 、车站的列车发车间隔 如果城市轨道线路具有s 个区域，称这s 个区域的jy ) j y d 车发一次车为一个发 车组，第s 列车发车后，下一发车组开始发车。在同一运营时段，统一发车组的列 车以相同的发车间隔h 离开始发站。发车组之间的间隔 ，如式( 3 6 ) 所示，h ，随 着区域数量以及区域i 内所有车站在站停留时间的增加而增加，为区域i 内各 车站的停站时间。 h ：= s 五+ l f ( 3 6 ) ， 除各区域的终端站外，非终端站只有一个区域的列车停靠，发车间隔即为发 车组之间的间隔j i i ，。在同一发车组内，去往同一终端站的列车的发车间隔即为j l l ； 相邻发车组内，去往同一终端站的列车的发车间隔如式( 3 7 ) 所示。 h d = h ：一j i l 一t 蜘 ( 3 - 7 ) 式中：t 蜘列车在区域s 内的总停站时间。 2 、乘客在车内的乘车时间 区域1 的列车实际上为站站停列车，能够保持相同的运行速度；对于每个随 后的区域，列车不停靠的所有车站都存在停留时间的节省。所以乘客在车内的出 行时间得到节省。 3 、乘客在出行起点车站的候车时间 实施区域停站方案后，同一停站区域的列车发车间隔均增加了一个发车组间 隔j j l ，导致部分乘客在出行起点车站的平均候车时间发生变化。去往非终端站的 乘客在出行起点车站的候车时间变化如式( 3 8 ) 所示。对去往终端站的乘客而言， 当在同一发车组内有去往同一终端站的列车时，乘客的候车时间为 2 ，与标准停 站方案相同；当乘客需要等待下一发车组的列车时，乘客的候车时间变化如式( 3 9 ) 所示。 = 鲁专= 峨一= 鲁一等= ( 1 - s ) h - z t 站l ， 2 ( 2 - s ) h - z t 站“+ k 2 ( 3 8 ) ( 3 9 ) 在实际运营中，如果候车时间过长，容易引发乘客的不满情绪，因此应在保 证运营效率的同时确定合适的区域数量，并调整同一发车组内的列车发车间隔h 以 避免候车时间增加过多。 4 、乘客在区域终端站的换乘等待时间 实施区域停站方案会导致只有当起迄点均在同一区域范围内时，乘客出行才 不需要换乘，很多出行都需要在区域的共同终端站进行换乘。这使得部分乘客的 出行非常不便，是采用区域停站方案不可避免的缺点之一。由图3 5 可知，乘客需 要等待下一发车组中的相应列车到达才能完成换乘，因换乘而增加的平均换乘等 待时间即为列车在区域终端站的发车间隔以。 5 、列车配置 与跨站停站方案类似，区域停站方案中不是所有列车都到达线路的两端，大 部分列车能够以更短的周期时间运营，在其它因素一定的情况下，保障运营效率 所需的列车规模同样减少了。而且列车的能力与每个区域乘客流量更好地适应。 综上所述，采用区域停站方案能够缩短列车的运营时间，提高列车的平均运 营速度，节省长途出行乘客的出行时间，减少运营所需的列车数。但该方案增加 了大量的换乘出行，o d 之间的直达性显著降低，增加了中间站候车乘客的平均 在站等待时间，以及在不同区域之间出行乘客的换乘时间。 3 2 2 区域停站方案优化模型 l 、模型假设与参数变量 ( 1 ) 模型假设 所有列车均从线路的始发站发车； 只研究列车单向运营的情况，不考虑列车的折返； 列车在区间的运营时间、在各站点停留时间均不受停站方案的影响； 忽略由于列车加、减速带来的时间损失； 同一运营时段采用相同的停站方案； 同一运营时段内的客流量稳定； 列车能够允许站台上所有乘客上车，不会发生乘客滞留现象； 两站之间有直达列车时，乘客不会选择换乘方案； 乘客在换乘站的换乘步行时间不受停站方案的影响。 ( 2 ) 基本参数 s ： mm = 1 , 2 ，s ) ，线路上行车区域的集合，为避免出现过多的同向换乘， 列车行驶区域的数量不宜过多，以不多于刀6 为宜【2 0 】，n 为线路车站总数， s = n 6 】，【】为四舍五入的取整函数； t 运盯：列车在i 站、- ，站之间的运行时间； g ( 搿+ 1 ) ：沿线f 站与f + 1 站之间的断面客流量，q ( 讲1 ) = q m l j ) + 扩一g ，f n ， 矿为f 站的上车客流；g 为f 站的下车客流； g ：优化时段内的平均断面客流量； z ：客流不均衡系数的临界值，一般取1 2 1 5 1 4 6 ； 其余参数的定义同3 1 - 3 1 。 ( 3 ) 决策变量 j ：车站z 与区域朋列车的停站对应关系，= 譬鬈竺器篇。 2 、划分列车行驶区域 由于所有列车均从线路的始发站发车，因此只需要划分出列车的行驶区域即 可。这里以运营效率提高最多为目标，构建区域停站方案的规划模型，对区域终 端车站进行选择。 ( p 3 2 ) 目标函数： m a x c l z l = c 1 ( ) + ( ) + ( ) ( 3 - 1 0 口) ( 1 - s ) j l i 一五，f k ( ) = 严陲艺i = l 熹。w 刊叫 m = l，= ，+ i， ；( 2 _ h b k + ( 1 一钿) ( 1 一锄) k 川。 砭卜l l 一x ( 1 一锄) 写 - r - i2智篇mj w 、w 习 ( & ) ：刮卜_ 1 ) + 氛驴氛( 1 _ 钿) ( 1 _ ) k 艺羔啊( 1 一锄) 时吁 c ti ，州月。_ li m a x 互= f 广竺手 l ( 1 一) k 卜 ( 3 - 1 0 b ) 6 0 p 五十蕊l 州闰月删+ 1 j l i = l j 根据区域停站方案的特点得到以下约束条件： ! ! 二垒：生当：! ：鱼! 业z g j 1 ，m s i = l j 1 ，i n m = l ( 3 1 0 c ) ( 3 1 0 d ) ( 3 1 0 e ) z i 0 ，z 2 0( 3 - 1 q 厂) 目标函数( 3 1 0 a ) 满足乘客出行时间变化最大，包括列车不停站通过某些车 站所节省的停站时间( t 站) 、去往非终端站的乘客在出行起点车站所增加的等待 时间( t 等) 、在区域终端站进行换乘所增加的换乘时间( ) 。目标函数 2 6 如 、- 、k 一 0 k 艺m。 。斗 川汹，删 = 、， 世 中 其 ( 3 1 0 b ) 满足企业的运营成本变化最大，即列车数量的减少所节省的运营列公罩 费用。 约束( 3 1 0 c ) 保证区域终端站的断面客流不均衡系数不小于临界不均衡系数， 是开行区域列车的基本条件之一；约束( 3 1 0 d ) 每个区域至少包含1 个车站；约 束( 3 1 0 e ) 保证确保每个车站都有列车停靠；约束( 3 1 q 厂) 确保采用区域停站方 案是可行的。 3 2 3 采用区域停站方案应具备的条件 1 、客流条件 区段停站方案适用于大部分乘客的乘车区间是郊区段各站与市区段终点站之 问，如远郊区与中央商务区之间、远郊区与轨道交通坏线换乘站之间的通勤出行， 常用于从城市中心向郊