时变环境下城市轨道交通列车调度优化.pdf

时变环境下城市轨道交通列车调度优化 a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t i o no ft h ep r o c e s so fc h i n a su r b a n i z a t i o n t h e r el sa ni n c r e a s i n g d e m a n df o ru r b a nt r a n s p o r t a t i o nt r a v e l a n dt h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e ns u p p l ya n dd e m a n di s p a r t i c u l a r l yp r o m i n e n t u r b a nr a i lt r a n s i t sw i t hl a r g ec a p a c i t ya n dh i g h s p e e dc a ne f f e c t i v e l y e a s et r a f f i cc o n g e s t i o n w h i l er a i lt r a n s i ts c h e d u l i n gi sd a y t o d a yt r a n s p o r to r g a n i z a t i o no f u r b a nr a i lt r a n s i tc o m m a n dc e n t e r w h i c hr e f l e c t e dt h el e v e lo fr a i lt r a n s p o r to p e r a t o r si no r d e r t oa c h i e v es e c u r i t y p u n c t u a l i t y c o m f o r t a b l e e f f i c i e n to p e r a t i o ns e r v i c e s o p t i m i z a t i o no ft r a i ns c h e d u l i n gc a ni m p r o v et h eo p e r a t i n ge f f i c i e n c yo ft h eu r b a nr a i l t r a n s i t h o w e v e r e x i s t i n gs c h e d u l i n gs o l u t i o ni s l a c ko ft i m e v a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n d p a s s e n g e rt r a i n sc r o w d e d i nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so fc a r e f u la n a l y s i s o ft h er e s u l t so f e x i s t e ds t u d i e s c o n s i d e r i n gt h et i m e d e p e n d e n tc o n d i t i o n sa n dp a s s e n g e rt r a i n sc r o w d e d c o n d i t i o n s w em a i n l yr e s e a r c ht h eo p t i m i z a t i o no ft r a i ns c h e d u l i n gs c h e m e a n dt h ec o n t e n t s a r ea sf o l l o w s i p a s s e n g e rd e m a n di st h eb a s i so ft h es c h e d u l i n go fu r b a nr a i lt r a n s i t o ns u m m a r i z e d u r b a nr a i lt r a n s i tm o r p h o l o g i c a la n ds p a t i a la n dt e m p o r a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h i s p a p e rg e t st h ec o n c l u s i o nt h a tp a s s e n g e rf l o wd i s t r i b u t i o nh a so b v i o u si m b a l a n c ev a r i a b l e c o n d i t i o n su n d e rt i m e v a r y i n gc o n d i t i o n s a n da n a l y s i sr e l a t i o n s h i p b e t w e e np a s s e n g e r s p a c e t i m ei m b a l a n c ea n dt r a i ns c h e d u l i n gs c h e m e b a s e do nt i m e v a r y i n gp a s s e n g e rd e m a n d c o n s i d e r i n gt h et r a i nc r o w d e dc o n d i t i o n sa n dp a s s e n g e r a r r i v a lt i m ew i n d o w s t h i sp a p e ra l s o p r o p o s e se a rc o n g e s t i o nd e g r e ea n dt h es t a t i o nt op u n i s ht h e ma st h eo p t i m i z a t i o ng o a l so f t r a i np l a n i i w i t he m p t yt r a i ns c h e d u l i n go fs i n g l e l i n ei so p t i m i z e d t h r o u g ha n a l y z i n gt i m e v a r y i n go ft r a f f i cd e m a n da n dr e q u i r e m e n t so ft r a i nr u n n i n g t h em a t h e m a t i c a lm o d e l i s b u i l tw h i c hi st oo p t i m i z et r a i no p e r a t i o ns c h e m eu n d e rt i m ev a r y i n ge n v i r o n m e n t w h o s e c o n s t r a i n t sa r er e q u i r e m e n t so ft r a i nn m n i n ga n ds u p p l i e dt r a i na n dt h eo p t i m i z a t i o n o b je c t i v ei st om i n i m i z ep a s s e n g e r sw a i t i n gt i m e t h ed e g r e eo fc r o w da n dp u n i s h e do f p a s s e n g e r sa r r i v e d s t a t i o n b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d e lu s i n gg e n e t i c a l g o r i t h m st os o l v et h ee x a m p l e a n df u r t h e rd i s c u s s i o no ft h ep a r a m e t e r si nt h em o d e l t h e r e s u l t ss h o wt h a to p t i m i z e ds c h e d u l i n gs c h e m et ob e t t e rm e e tt h ei n t e r e s t s o fb o t h p a s s e n g e r sa n do p e r a t i o n s i i i i nt r a n s f e rc o n d i t i o n s t h ep a p e ra n a l y z e st i m ev a r y i n go ft w ol i n e s a n dc o n s i d e r s t r a n s i tp a s s e n g e rf l o wi n f l u e n c eo nt r a i no p e r a t i o ns c h e d u l i n g ac o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o n m a t h e m a t i c a lm o d e li sb u i l tw h i c hi st oo p t i m i z et r a i no p e r a t i o ns c h e m e c h a r a c t e r i s t i c so f t 1 1 et r a i nr u n n i n ga n dt h en u m b e ro fa v a i l a b l et r a i ne a c hl i n ei st h ec o n s t r a i n t s a n dt h e m i n i m u mo fp a s s e n g e r sw a i t i n gt i m e t h ed e g r e eo fc r o w d p u n i s h e do fp a s s e n g e r sa r r i v e d s t a t i o na n dt r a n s f e rw a i t i n gt i m e a sw e l la st h em a x i m i z a t i o no ft h et o t a ln u m b e ro f p a s s e n g e r st r a n s f e ra r eo b j e c t i v ef u n c t i o n u s i n gg e n e t i ca l g o r i t h m t os o l v et h ee x a m p l e t h e i i 兰州交通大学硕士学位论文 s o l u t i o ni sa nu n e v e ns c h e d u l e t h eu n e v e ns c h e d u l er e d u c e sp a s s e n g e rw a i t i n gt i m e t r a n s f e r w a i t i n gt i m e t h es t a t i o np u n i s h m e n ta n d t h ed e g r e eo f c o n g e s t i o nc o m p a r e dw i t he q u a l i z a t i o n s c h e m e b yo p t i m i z i n gt h eu r b a nr a i lt r a i no p e r a t i o ns c h e m e i ti sg r e a ts i g n i f i c a n c et og e t r e a s o n a b l ed e p a r t u r et i m e t a b l e e n h a n c ep a s s e n g e rt r a v e lc o m f o r t a n dr e d u c et h ec o s to fr a i l o p e r a t o r s k e y w o r d s u r b a nr a i lt r a n s i t t r a i ns c h e d u l i n g t i m e d e p e n d e n tc o n d i t i o n g e n e t i c a l g o r i t h m 时变环境下城市轨道交通列车调度优化 目录 摘 要 i a b s t r a c t i i 1 绪论 1 1 1 研究意义 1 1 2 国内外研究现状 2 1 3 研究内容与技术路线 4 1 3 1 研究内容 4 1 3 2 技术路线 5 2 城市轨道交通列车运行组织 6 2 1 客流数据调查 6 2 1 1 客流调查种类 一6 2 1 2 客流统计指标 7 2 2 客流时空分布特性 7 2 2 1 客流时间分布 7 2 2 2 客流空间分布 9 2 3 列车运行组织方式 1 1 2 3 1 列车编组方案 1 1 2 3 2 列车开行交路 1 2 2 3 3 列车停站模式 1 2 2 4 列车实时调度模式 1 3 2 5 本章小结 1 3 3 含空列折返的单线路列车调度优化 1 4 3 1 问题分析 1 4 3 2 数学模型 1 5 3 2 1 符号约定 1 5 3 2 2 约束条件 1 5 3 2 3 目标函数 1 7 3 3 算法设计 18 3 3 1 遗传算法 1 8 3 3 2 算法步骤 2 1 3 4 求解算例 2 2 3 4 1 算例设计 2 2 3 4 2 计算结果 2 3 兰州交通大学硕士学位论文 3 4 3 结果分析 2 5 3 5 参数讨论 2 9 3 6 本章小结 3 3 4 多线路列车调度协同优化 3 5 4 1 问题分析 3 5 4 2 数学模型 3 7 4 2 1 符号约定 3 7 4 2 2 约束条件 3 8 4 2 3 目标函数 3 9 4 3 算法设计 4 1 4 3 1 遗传算法 4 1 4 3 2 算法流程 4 4 4 4 求解算法 4 4 4 4 1 算例设计 4 4 4 4 2 计算结果 4 5 4 4 3 结果分析 4 7 4 5 参数讨论 4 8 4 6 本章小结 51 5 结论与展望 5 2 5 1 主要完成内容 5 2 5 2 主要结论 5 2 5 3 进一步解决的问题 5 3 参考文献 5 4 附录客流数据表 5 6 附件一第三章客流数据 5 6 附件二第四章线路0 客流数据 5 8 附表三第四章线路1 客流数据 6 0 攻读学位期间的研究成果 6 2 一v 一 兰州交通大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究意义 随着我国城镇化进程的加快 城市人口和机动车数量的增加 城市内的交通出行需 求越来越大 现有的交通设施很难满足乘客的出行需求 尤其在客流高峰时段 交通供 需不平衡的矛盾更为突出 作为公共交通的一种类型 城市轨道交通以其运能大 速度 快 准时 安全 节约土地 清洁环保等优势 已成为解决交通拥挤的最有效手段 是 实现城市可持续发展的必然选择 目前我国正处于城市轨道交通的快速发展期和关键期 截至2 0 1 2 年底 全国轨道 交通运营线路总计6 7 条 运营总里程达到2 0 4 2 公里 运营车站总数达到1 3 5 3 座 其 中已运营的城市轨道交通里程分布如图1 1 所示 北京 上海 广州等大城市的城轨线 路均已网络化布局 预计2 0 1 3 年将有1 2 个城市开通运营新的轨道交通线路 其中新增 运营的城市有哈尔滨 长沙 宁波 郑州 总计新增运营里程约3 8 7 公里 车站2 5 2 座 随着一大批城市轨道交通线路的开通 城市轨道交通运营管理中的一系列热点问题和关 键技术 更加受到人们的广泛关注和重视 上海北京广州深圳天津重庆南京大连武汉沈阳长春成都杭州苏州西安昆明佛山 图1 12 0 1 2 年底全国己运营城市轨道交通里程分布 轨道交通列车调度是城市轨道交通运营管理的核心 是城市轨道交通日常运输组织 的指挥中枢 它是在城市轨道交通系统的物理结构和运能资源给定的条件下 确定轨道 列车合理的行车计划 城市轨道交通列车调度受多种因素的作用和影响 其中起主导作 用的是装备条件 客流需求和营运成本 同时还要考虑车内拥挤 早发或晚到惩罚成本 o o o o o o 加 加 时变环境下城市轨道交通列车调度优化 等因素的影响 因此编制城市轨道交通列车调度方案是一个复杂环境下的系统优化问题 城市轨道交通系统普遍实行了电子计票系统 比较容易获得动态客流需求的参数值 理 论成果的应用价值更大 理应率先在城市轨道交通列车调度理论方面取得突破 轨道交通客流需求在时间 空间和方向上分布的不均衡是一种普遍存在的现象 客 流分布的时间不均衡性表现为乘客的出行需求随时间发生变化 不同运营时刻乘坐轨道 交通出行的人数不同 客流分布的空间不均衡性表现为客流需求随车站发生变化 不同 车站的客流需求有大有小 客流分布的方向不均衡性主要表现为客流需求随方向发生变 化 同一条轨道线路不同方向的客流需求大小有别 这种情况在上下班交通高峰时段尤 其显著 城市轨道交通拥挤现象主要表现为车厢内乘客人数太多导致的车内拥挤 特别在早 晚高峰时期 车站在单位时间内会聚集大量的客流 而许多城市轨道交通的乘客都有一 个到达目的地的期望时刻或时间窗 早于或晚于这一时刻 将导致早到或晚到成本 惩 罚 这一比例在早交通高峰时段尤其明显 由于客流到达是连续性的 而列车到达属 于离散性 若所有等待的乘客的期望时间窗都相同的情况下 会集中选择在一个时段全 部上车 势必会产生车内拥挤 从而降低乘客的舒适度 尽可能减小乘客车内拥挤成本 是城市轨道交通调度方案优化的最重要目标 国内外现行的轨道交通旅客列车运营管理中 主要有均衡调度和阶段均衡调度两种 模式 基于等间隔发车的均衡调度方式 是普通国有铁路 城际铁路客运专线主要选用 的方式 但该调度模式对于城市轨道交通会导致高峰时段乘客排队等待时间过长 非高 峰时段能力虚靡 运营成本增大 阶段均衡调度 就是将运营日划分为若干个时段 每 个时段等间隔均衡发车 不同时段的发车间隔根据需要设置不同的值 这也是城市轨道 交通及短途城际铁路客运专线经常选用的方式 采用阶段均衡调度 能在一定程度上缓 解排队拥挤和能力虚靡现象 但不能从根本上解决问题 它只是一种近似解决问题的折 中方法 因为即使在同一个高峰时段 客流需求变化也非常明显 对于客流需求的空间 和方向不均衡性 以及时间窗现象 现行轨道交通调度方案基本上没有考虑 因此 有 必要深入研究多种因素作用下城市轨道交通列车调度理论和方法 1 2 国内外研究现状 近年来 城市轨道交通运营调度理论方面受到众多专家和学者的广泛关注 并取得 了一系列的成果 主要体现在列车运营组织管理 列车运营组织评价 单线调度优化和 多线调度优化等方面 1 列车运营组织管理方面 张国宝 1 对城市轨道交通运营进行了全面的研究和叙述 何宗华等人 2 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分析和研究 毛保华等 3 以城市轨 道交通系统运营管理为研究对象 对城市轨道交通的运营管理模式 客运组织 运输计 一2 一 兰州交通大学硕士学位论文 划 运行图编制 运输能力计算 列车运行控制 运营安全管理 列车运行过程模拟与 分析 运营经济效果分析等内容进行了深入研究 s i g u r d 4 以美国纽约大都市圈范围内 的轨道交通系统运输组织为研究对象 对包括轻轨 地铁 通勤地铁等子系统的城市轨 道交通线网的发展历史 系统构成 运营模式 客流组织 安全预警管理 运输能力计 算 运营成本核算 列车开行方案等方面进行了系统阐述 形成了都市圈轨道交通系统 运营管理的理论体系 a n t h o n yr n 5 提出了列车调度方案的制定步骤 j e a n f r a n c o i s c o r d e a u 6 1 根据模型与算法对列车运行相关内容其进行归纳总结 分析了研究成果 并提 出了存在的问题 2 列车运营组织评价方面 徐田坤 7 j 对城市轨道交通网络化运营特点进行分析 建立了安全风险评估模型 赵 惠祥 8 构造了城市轨道交通系统的运营安全性和运营可靠性框架 邓连波 史峰1 9 建立 了列车开行方案的指标体系 对补充后的指标进行聚类分析和主成份分析 f a r er a n d 1 0 1 通过定量研究表明 提高轨道交通吸引力的重要途径不仅包括改进服务水平 还要考虑 可达性 出行时间和换乘方便程度等因素 3 单线调度优化方面 施仲衡 介绍了巴黎地铁1 4 号线采用小编组 高密度的行车方式 通过调节行车 密度满足不同时期和不同时段客流量变化需要 形成较为完备的理论体系 郑晓龙 l 列 分析了列车最小开行间隔的影响因素 推导出固定闭塞和移动闭塞系统下列车间隔的计 算公式 在满足最大能力需求下 不同时段合理的列车开行间隔具有提高列车运营效益 的作用 张飞舟0 3 对公交车辆智能调度及相关技术进行了研究 提出了运用遗传算法和 混合遗传算法来进行车辆调度优化的方法 童刚 1 4 建立了公交调度模型并求出均匀的发 车间隔 董强 l5 等探讨了带软时间窗的单线路单车型的公交调度问题 分别选择运力与 运量的平衡 乘客的不方便程度与公交公司的成本最小作为目标函数建立公交调度的数 学模型 牛惠民教授 1 6 1 1 7 通过对轨道交通的特点和需求的时变特征分析 建立了以动车组数 量和运营成本为约束条件 以乘客等待时间最小为目标函数的模型 设计了遗传算法对 问题进行求解 以南京市轨道交通1 号线为背景进行算例分析 文献 l8 中针对地铁客流 的不均衡性 采用空列折返模式使有限的车底数最大限度的满足乘客需求 并使其等待 时间最小 文献 1 9 研究了线路上各站点客流分布的不均衡 采用大站快车方式进行组合 调度研究 a s s i s 等 2 0 研究了城市轨道交通线路的客流时间动态特性以及车站乘客候车时间和 乘降时间 据此提出了分时段列车时刻表的优化排定方法 f u r t h 等 2 1 利用数学规划的 方法确定发车的频率和行车时间表 将公交补贴 车辆型号 乘客特点作为约束条件加 以考虑 k o u t s o p o u l s 等 2 2 引入了乘客拥挤度的概念 同时考虑了公交调度中时间的相 时变环境下城市轨道交通列车调度优化 关性 用线性规划方法进行求解 a n d rd ep a l m a 等 2 3 研究了在给定公交车辆数量的前 提下 当乘客对出行次数和时刻延误成本有不同的期望时 分析了单条线路的发车时刻 优化方法 x u e s o n gz h o u 等 2 4 1 针对单线铁路以所有列车运行时间最小为目标 以列车运 行和安全要求为约束条件建立模型 利用分枝限界法对其求解 m i c h a e lr b u s s i e c k l 2 纠 以列车载客能力为约束条件 建立了旅客列车开行方案的数学模型 并利用启发式算法 对模型求解 c h r i s t i a nl i e b c h e n 2 6 1 在列车均衡调度模式下 以乘客等待时间最小为目标 建立模型 最后用遗传算法对模型求解 m i c h i e la 27 根据列车的出发和到达的时间窗 约束建立了n p 完全问题及相应的启发式算法 4 多线调度优化方面 c a s t e i l i 等 2 8 研究了城市轨道交通线网内换乘站衔接的各条线路的客流量 客流时 间分布特性和方向特性 据此提出适应各线客流特征的列车时刻表的优化方法 r a c h e l c 2 9 讨论了在城市交通网络中乘客换乘问题 此文献通过以所有乘客换乘等待时间最小 为目标 建立了混合整数规划模型 并对其求解得到协调列车时刻表 ac e d e r 等 3o j 针 对公交网路中多个换乘点的存在 以车辆在换乘点的相遇次数最大化为目标进行优化 调整各线路的发车间隔 使得发车时刻表得到最大协同 曹仲明 顾保南等人通过先进 的信号系统和改进折返段布置方法 采用小编组 高密度的多线调度方案 达到最优的 运输组织 3 丁晋春通过分析不同阶段 不同城市轨道交通线路调度指挥中心的设置形 式 介绍了网络化运营的城市轨道调度指挥中心设置的发展方向 并对设置方案提出建 议 3 引 房霄虹等人从网络化运营管理的角度出发 在准确把握轨道交通网络客流分布的 基础上 研究城市轨道交通各线路间的协调问题 制定合理的网络规划和运营计划 以 保证轨道交通网络的高效 安全和可靠运营 33 1 基于以上分析 大多文献在对列车调度优化时 较少地考虑了时变条件下客流需求 对列车调度的影响 本文将根据客流分布的时间 空间和方向不均衡特征 提出含有空 列折返的组合调度模式 建立不均衡发车和组合调度的统一数学模型 研究车内拥挤 早到或晚到惩罚作用下轨道交通用户的出行行为 此外 在多线轨道交通列车调度优化 方面 缺少考虑换乘因素的列车协同调度优化的研究 本文将研究高峰时段内的拥挤环 境下 基于不均衡发车的多条城市轨道交通线路调度方案协同优化的编制理论 1 3 研究内容与技术路线 1 3 1 研究内容 本文的主要研究内容和章节安排如下 第二章时变环境下城市轨道交通列车调度 客流需求是列车调度方案优化的基础 通过分析客流调查内容及客流需求的时空分布特性 准确地刻画时变环境下的客流变化 规律 介绍 y t 车编组方案 列车开行交路 列车停站模式等列车运行组织方式 阐述 兰州交通大学硕士学位论文 了轨道交通实时调度模式 为调度优化模型的建立奠定理论基础 第三章含空列折返的单线列车调度方案优化 通过对单条线路的客流时变规律和 列车运行特征分析 以最小化乘客等待成本 车内拥挤成本 到站惩罚成本为e i 标 建 立了优化模型 并采用了遗传算法进行求解 通过算例对模型进行验证与分析 第四章多线路列车协同调度优化 以轨道交通换乘点为切入点 阐述了多线路列 车协同调度机理 以列车运行条件和运营成本为约束 网络中所有乘客出行效率最高为 目标 建立了相应的数学模型 考虑了网络条件下本线客流和换乘客流对列车调度方案 的影响 第五章结论 对论文的核心内容和算例结果进行了简明扼要的总结 阐述了论文 的不足之处和需进一步研究的问题 1 3 2 技术路线 本文的技术路线如图1 2 所示 著 匦叠 月 旦 泵 及 基 础 知 日 论 文 研 究 的i 核 心 部 分l 篷鬻塑墼壹堂孳堡篓鲨錾鍪塑攀薹鎏 1 豳豳蜜 图1 2 论文技术路线 一5 一 号 时变环境下城市轨道交通列车调度优化 2 城市轨道交通列车运行组织 城市轨道交通列车调度是保证各部门正常运行的前提 是列车运营的具体作业计划 体现轨道交通运营公司的经营方向和管理水平 列车调度方案优化必须以客流需求为基 础 必须考虑客流动态及时空不均衡特征 2 1 客流数据调查 客流是指在单位时间内 城市轨道交通线路上乘客流动人数和流动方向的总和 客 流数据调查是调度工作的前提和基础 通过对现有轨道交通客流进行数据统计和分析 可以了解和掌握客流在时间 空间上的动态变化规律 为线路的规划和调度管理提供数 据参考 2 1 1 客流调查种类 1 全面客流调查 全面客流调查是对全线客流的综合调查 通常包含客流抽样调查 全面客流调查时 间长 工作量大 需要较多的调查人员 但通过对调查资料进行整理和统计分析 能对 客流现状及客流规律有全面清晰的了解 全面客流调查有随车调查和站点调查两种调查 方式 随车调查是在车门处对全日运营时间内所有运行列车的上下车乘客进行调查 站 点调查是在车站检票口对全日运营时间内所有在车站上下车乘客进行调查 2 客流抽样调查 抽样调查是用样本近似地代替总体 有利于减少客流调查的人力 物力和时间消耗 乘客情况抽样调查通常是用问卷方式进行 一调查内容主要包括乘客构成和乘车情况两方 面 3 断面客流调查 断面客流调查是一种经常性的客流抽样调查 可选择一两个断面进行调查 一般是 对最大客流断面进行调查 调查人员用直接观察法调查车辆的乘客人数 4 节假日客流调查 节假日客流调查是一种专题性客流调查 重点对春节 元旦 国庆节 双休假日和 若干民间节日期间的客流进行调查 调查内容包括机关 学校 企业等单位的休假安排 都市旅游业 娱乐业的发展程度 城市居民生活式的变化等 一般通过问卷方式进行 5 突发客流调查 突发客流调查主要针对影剧院 体育场馆等客流快速集散的站点进行专项客流调查 该项调查主要涉及影剧院 体育场馆的规模与附近轨道交通车站的客流影响程度和持续 时间之间的关系 兰州交通大学硕士学位论文 2 1 2 客流统计指标 客流调查结束后 对客流调查资料应认真整理 采用适当的统计方法汇总分析各项 指标 城市轨道交通系统全面客流调查后应汇总计算的主要指标如下 1 乘客人数 对乘客人数的汇总指标可由以下组成 分时各站上下车人数 全日各站上下车人数 分时各换乘站换乘人数 全日各换乘站换乘人数 全线全日乘客人数 全线高峰小时乘 客人数 2 断面客流量 断面客流量的指标有 分时各区间断面客流量 全日各区间断面客流量 分时最大 断面客流量 全日最大断面客流量 高峰小时最大断面客流量 3 运送距离 乘客的运送距离指标有 本线乘客乘坐不同站数人数及所占比例 跨线乘客乘坐不 同站数人数及所占比例 乘客平均运距 4 乘客构成 全线持不同票种乘客人数及所占比例 车站按年龄 出行目的等统计的乘客人数及 所占比例 车站三次吸引乘客人数及所占比例 从不同距离和不同方式到达车站的乘客 人数 居住在城市不同区域乘客人数及其所占比例都是乘客构成的统计指标 5 车辆运用 在车辆运用方面 可将客车公里 客位公里 客流密度 平均满载率 高峰小时最 大客流断面满载率作为统计指标 2 2 客流时空分布特性 城市轨道交通客流具有明显的时空不均衡性 本节将从以下两方面对客流的时变性 和空间不均性进行分析 2 2 1 客流时间分布 城市轨道交通客流的时变性是指在列车运营的时段内客流随着时间的变化而呈现 出一定的变化规律 在优化列车调度方案时 由于客流的时间不均衡特征 列车的运行 线也应随着它的变化而呈现不均衡性 这样才能更好的满足客流的出行需求 根据城市 轨道交通客流时间分布特征将其归纳为单峰型 双峰型 全峰型 凸峰型 无峰型五类 种类型 3 4 1 如下图所示 1 单峰型 图2 1 反映了单峰型客流分布示意图 单峰型客流一般出现一个早高 峰现象 在高峰时段内 应增大列车的开行数量来满足高峰期客流出行需求 1 0 8 6 4 2 o 时变环境下城市轨道交通列车调度优化 5 0 07 0 09 0 0 1 1 0 01 3 0 01 5 0 01 7 0 01 9 0 02 1 0 0 图2 1 单峰型示意图 2 t 2 峰型 图2 2 为双峰型客流分布图 双峰型一般表现为早高峰和晚高峰客流 而在其余时段内客流量较小 整体上呈现出明显的潮汐特征 为适应这类客流应将增大 早晚高峰时段内列车的开行数量 1 0 8 6 4 2 o 5 0 0 7 0 09 0 011 0 01 3 0 01 5 0 0 1 7 0 01 9 0 02 1 0 0 图2 2 双峰型示意图 3 全峰型 全峰型客流是指线路上的流量在运行时间内没有明显的高峰 表现 为一种稳定的较大客流量 如图2 3 所示 1 0 8 6 4 2 0 5 0 07 0 0 9 0 011 0 01 3 0 0 1 5 0 01 7 0 01 9 0 02 1 0 0 图2 3 全峰型示意图 一8 一 兰州交通大学硕士学位论文 4 凸峰型 图2 4 为凸峰型客流分布示意图 例如当线路经过体育场 歌剧院 等大型集散地时 会在短时间内出现高峰期 此时段一过 客流又回复到平稳状态 图2 4 凸峰型示意图 5 无峰型 当城市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 双向上下客流全天都较小 如图2 5 5 0 07 0 09 0 01 1 0 01 3 0 01 5 0 01 7 0 01 9 0 02 l 0 0 图2 5 无峰型示意图 在客流高峰期优化列车调度方案时 若不考虑客流的时变性 就会出现高峰期列车 运能不足 车内乘客拥挤严重 降低了乘客出行舒适度 而在低峰时段会造成列车能力 虚糜 增加了列车运行成本 针对这种客流的不均衡性 需在高峰时段内增加列车开行 数量 低峰时段减少列车数量 或者通过编组大小来满足乘客的出行 2 2 2 客流空间分布 1 方向客流不均衡性 对于双线运行的城市轨道交通 方向不均衡性是指在同一时段内城市轨道交通两方 o 8 6 4 2 o 0 8 6 4 2 0 时变环境下城市轨道交通列车调度优化 向的客流量存在差异 根据流量差异的大小可分为客流双向均衡和客流双向不均衡 对 于一条城市轨道交通线路 若同一时段内上下行客流量大小相差不大 则为客流双向均 衡 如图2 6 所示 若上下行客流量相差较大 则为客流方向不均衡 如图2 7 所示 图2 6 客流双向均衡示意图 上行 一l 璺 i i 翟l i一 一 l 站2 站3 站4 站 聃6 j沾7 站8 j啮9 站i j1 i l 一 1 一 一 2 断面客流不均衡性 断面客流不均衡性表现为线路各站点上的上下车人数不相同 站点客流的不均衡主 要是由线路的走向和线路周围的开发程度而决定的 若城市轨道交通沿线经济发达 客 流量大 则断面客流的分布较为均衡 若城市轨道交通连接着经济发达的大城市 但途 经经济欠发达地区 则断面客流一般呈两头大中间小的分布特征 对于站点不均衡性的 客流可通过开行大站快车或者区间列车的方式缓解高峰客流 萌 i 刊疋q 1 奇uj 溉 奢詈 似 锄 揣 慨 枞 铴 兰州交通大学硕士学位论文 2 3 列车运行组织方式 2 3 1 列车编组方案 列车的编组确定了列车的载客能力 编组方案主要由车辆选型和编组辆数构成 1 车辆选型 在建设部颁发的 城市快速轨道交通工程项目建设标准 中 推荐了a b c 三 种车辆类型 地铁使用的车辆为a b 型 所以本文只讨论a b 型 高运量 高峰小时 单方向最大断面客流量为5 7 万人次 的城市轨道交通线路应选择a 型车 大运量 高峰 小时单方向最大断面客流量为3 5 万人次 的城市轨道交通线路应选用b 或a 型车 中 运量 高峰小时单方向最大断面客流量为1 3 万人次 的轻轨线路应选用c 或b 型车 a b 型车辆的容量正常状况下分别为2 6 8 人 辆 1 8 0 人 辆 目前地铁系统中所采用的车辆 主要是a b 两种类型 车辆参数见表4 1 所示 表2 1a b 两种类型参数 车辆选型所涉及的因素很多 相互之间既关联又制约 最终的选型是各因素总体协 调平衡的结果 车辆的技术特征是车辆选型的基础 选型时需兼顾长远期规划 留有一 定的运能储备 以备远期客流增长需要 2 编组形式 对于城市轨道交通列车编组大小的划分 通常认为4 辆及以下为小编组 5 辆及以 上为大编组 一般编组大小取1 8 辆 列车编组形式主要有3 种典型类型 即4 车编组 小编组 6 车编组和8 车编组 大编组 4 辆车编组 初期车辆购置费较大编组低 在运营过程中 可以缩小行车间隔 满 足中小城市客运量小的需求 在中小客运量的情况下可以提高运营效率 对于客运量需 求高且行车密度大短编组运行的时段 此种编组形式也是可取的 但是两动两拖的编组 形式动车比例低 适应线路能力差 6 辆车编组 该编组形式动车比例介于4 车编组与8 车编组间 此种编组形式能够 适应线路能力的需要 但随着动车比例增高 车辆购置费与维修费也相应提高 8 辆车编组 优点是动力大 适合特大城市及大城市人1 3 密度高度集中 上下班高 峰时的客流需求 但是动车比例高 车辆购置费与维修费最高 不同编组形式都有不同 的优缺点 选择编组形式时应视客流量级别 轨道交通线网规划等方面进行统筹决策 时变环境下城市轨道交通列车调度优化 2 3 2 列车开行交路 列车交路计划是指根据运营组织的要求及运营条件的变化 按列车运行图或由行车 调度指挥列车按规定区间运行 折返的列车运行计划 城市轨道交通系统中 根据列车 运行组织确定的折返车站位置 客流特征 车底段位置及列车配置情况 基本列车运行 交路大致分四类 单一运行交路 大小运行交路 分段运行交路 交错运行交路 除基 本运行交路外 还有其他一些复杂的交路型式 如共线运行交路 环形运行交路等 目前大部分城市轨道交通线路采用单一运行交路的形式 因为其优点是运营简单 管理便利 乘客无需换乘 当运营秩序出现不正常情况时 运营调整压力小 能够尽快 恢复常态运行 2 3 3 列车停站模式 列车停站方案是城市轨道交通运营组织中的基础环节 规定了列车的停站模式 根 据客流特点和列车运营服务能力将列车停站方案分为四类 1 站站停站方案 列车在全线所有车站均停车 此停站方案列车种类简单 运营组织不复杂 不存在 列车越行情况 乘客无需本线换乘 也无需关注站台上的列车信息显示 位于市区范围 内的城市轨道交通线路 同一区段内的短途客流 通常采用站站停站方案 2 跨站停站方案 跨站停站方案节省了列车上长途乘客的出行时间 但降低了换乘乘客的方便性 增 加了运营组织复杂性 适应沿线客流部分车站上下客流较大 而其他车站客流较为均衡 的情况 对于早 晚高峰客流起到较好地集聚和疏散的作用 3 区段列车停站方案 在长短交路下 长交路列车在短交路区段内不停车通过 在短交路区段外站站停车 短交路列车则在短交路区段内每站停车 中间折返站同时又是换乘站 长交路列车在短 交路区段内不停站通过 减少长交路列车的停站时间及起停车附加时间 提高了旅行速 度 对于长距离出行的乘客来说 节约了出行时间 缩短了车辆运行周期 减少车辆运 用和运营成本 但由于长交路列车在短交路区段内不停车 导致在不同区段间上下车的 乘客增加了换乘时间 在行车量大的情况下 增加运营复杂性 该方案适应具有明显潮 汐式通勤客流的线路 及早 晚高峰分别向市中心汇聚和向市郊疏散的线路 具有较好 地集聚和疏散作用 4 线路上开行两类长交路 即普速 站站停的慢车和快速 跨多站停的快车 快速列车只在线路主要客流集散站停车 而在其他车站不停车通过 在提高跨多站停车 列车旅行速度的同时 避免了跨站停车方案乘客需要换乘问题 提高运营经济性 不降 低乘客服务水平 运用灵活 运营部门可根据客流特征 按不同比例开行快慢车列数 存在的问题是 在线路通过能力利用率比较高的情况下 可能会产生快车越行慢车的情 一1 一 兰州交通大学硕士学位论文 形 给运营组织带来难度 如果不安排越行 则会损失线路通过能力 适合远郊区与中 央商务区之间 远郊区与轨道交通环线换乘站之间的通勤出行 2 4 列车实时调度模式 城市轨道交通车辆调度可以分为线路调度和区域调度 其中线路调度是区域调度的 前提 我国目前普遍采用的线路调度模式 在时变环境下 列车的实时调度以客流变化 为基础 通过对列车时刻表和调度模式的优化 建立非均衡列车调度方案来满足乘客的 需求 线路调度模式是以单条线路的客流需求为基础对列车进行调度 通过对列车的发车 时刻 停站模式和折返模式的优化来适应客流需求的变化 例如为应对客流方向不均衡 性 可使列车在小客流方向不停站 最大限度地满足大客流方向的客流需求 在线路调 度中只建立一个综合调度中心 调度中心可以按照线路的数量设置相应的调度区 每个 调度区可以对各条线路进行直接指挥 调度中心直接指挥日常运输生产 以行车为核心 围绕安全 正点 通过各专业调度区 直接向车站发布调度命令 车站受令后按调度中 心的命令 组织实施 区域调度模式是对形成线网的多条线路进行调度 区域调度使各线路之间协同调度 提供更好的服务质量 并且能够整合资源 降低运营成本 在区域调度中强调系统的层 次分明 清晰 并且上级调度中心随时可以监控下级调度中心的状态 下级调度中心只 有在必需的情况下 才和上级的调度中心通信 区域综合调度中心负责指挥日常运输生 产 它以行车为核心 围绕安全 正点 通过各专业调度台 向车站发布调度命令 车 站受令后按调度中心的命令组织实施 2 5 本章小结 列车调度受多种因素的影响 本章通过对客流特征和列车运行组织方式的分析 归 纳了客流的时空特征和列车运行特点 其中 客流的时间不均衡性可表现为单峰型 双 峰型 全峰型 凸峰型和无峰型 空间不均衡性表现为方向不均衡性和断面不均衡 在 列车运行组织方式中 分析了列车编组 开行交路和停站模式对列车调度方案的影响 为后续章节的研究做好铺垫 时变环境下城市轨道交通列车调度优化 3 含空列折返的单线路列车调度优化 含空列折返的列车调度模式是指列车从起始站载客运行到达折返站 再从折返站空 驶返回起始站 返回途中不在中间站停车 考虑到客流的时变特征和方向不均衡性 本 章以单条线路的早高峰时段客流为研究对象 进行含空列折返的列车调度优化 从而保 证列车的运营效率和乘客的出行质量 单线列车调度优化模型以列车在起始站的发车时 刻和列车在折返站的折返模式作为决策变量 列车运行条件和可用车底数目为约束条件 乘客出行效益为优化目标 从而得到最优列车调度方案 3 1 问题分析 1 线路构成 对于单条城市轨道交通线路 假定有门个车站 起始站为1 折返站为n 从起始 站到折返站的车站编号依次为1 2 3 刀 并用f 标记车站 2 客流需求 在时变环境下早高峰客流往往具有方向不均衡的特性 即在同一时段内 一个方向 的客流量要远远大于另一个方向的客流量 本文假定1 站一 z 站为大客流方向 门站一l 站为小客流方向 很显然列车在满足大客流方向需求的条件下 小客流方向需求也必然 会满足 因此可以仅考虑大客流方向的需求 忽略小客流方向对调度方案的影响 假定 o 刀表示研究时段 早高峰 列车在起始站发车时刻的划分以1 m i n 为单位 即列车均在某一时刻的分钟整数位发车 所以可将研究时间段以l m i n 为单位均分为若 干个时间片 用掣表示时间片f 内从f 车站到 车站的乘客数量 3 列车运行 列车从起始站1 出发 途经中间站到达折返站刀 在折返站进行准备作业后 可按 照两种运行方式返回起始站1 即列车从门站到1 站不停车空列折返 或者按普通列车 进行折返 如图3 1 所示 图3 1 城市轨道交通列车运行模式 兰州交通大学硕士学位论文 假定列车运行过程中 车站f 与车站i 1 区间的运行时间为