城市轨道交通运营组织优化研究(1) - 图文

国内图书分类号：Ｕ２９２．国际图书分类号：硕邀直轨道童通运萱组织垡丝丛窒年级三雯委２∑级姓名史遄洼申请学位级别工堂亟士专业交通运捡趣型量筐理指导老师但坐拯教援二零一一年六月十六日ＣｌａｓｓｉｆｉｃｄＩｎｄｅｘ：Ｕ２９２．４Ｕ．Ｄ．Ｃ：ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＭａｓｔｅｒＤｅｇｒｅｅＴｈｅｓｉｓＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＳｔｕｄｙｏｎＯｐｅｒａｔｉｏｎＯｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｏｆＵｒｂａｎＲａｉｌＴｒａｎｓｉｔＧｒａｄｅ：２００８Ｃａｎｄｉｄａｔｅ：ＳｈｉｒｕｉｊｉｅＡｃａｄｅｍｉｃＤｅｇｒｅｅＡｐｐｌｉｅｄｆｏｒ：ＭａｓｔｅｒＳｐｅｃｉａｌｉｔｙ：Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ＆ＰｌａｎｎｉｎｇｏｆＴｒａｆｆｉｃａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：ＰｒｏｆｅｓｓｏｒＮｉｓｈａｏｑｕａｎＪｕｎｅ．１６，２０１１西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，’允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于１．保密Ｉ－１，在年解密后适用本授权书；２．不保密０使用本授权书。（请在以上方框内打“寸’）学位论文作者签名：史蜘ｉ名日期：少ｊ『．∥－＞孑指导老师签名：劬极日期：妄妇，，、∥．≥。西南交通大学硕士学位论文主要工作（贡献）声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：１介绍城市轨道交通概况，对运营组织概念进行描述，在分析国内外研究现状的基础上，确定本文的主要研究方向。２对城市轨道交通客流随时间和空间分布情况进行描述，并对客流预测方式进行了分析，介绍了国内外客流预测的新成果，客流预测数据的准确性将直接影响城市轨道交通运营组织的合理性。３概括了城市运营组织的方式方法，包括全日行车计划、列车编组方案、列车交路计划和列车停站方案等，特别分析了不同情况下列车编组、列车交路计划和停站方案的运营组织方式，为下文的优化研究奠定了基础。４站在乘客和运营企业双方利益的角度，对城市轨道交通列车编组方案和行车间隔提出优化方案，建立优化模型，最后用实例对优化模型进行论证。５对列车的停站方案进行优化，分析了与传统站站停方案相比，非站站停方案的优缺点，在此基础上，提出以提高总体运营效率为目标优化停站方案的思路。以快慢车组合的快车跳站停车的方案为例，给出了以节省乘客出行时间和降低企业运营成本为目标的双目标优化模型，并初步探讨了模型的求解方法。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文拓者签名：史ｊ却沾日期：沙ＩＪ．歹．）秒西南交通大学硕士研究生学位论文第ｌ页摘要近年来，随着城市化进程的加快，面对巨大的城市人口出行和环境污染压力，优先发展城市快速公共交通，尤其是城市轨道交通己成为全世界解决城市交通问题有效途径。我国城市轨道交通发展速度也非常快，发展城市轨道交通的必要性、重要性已经成为人们的共识。城市轨道交通系统的发展日新月异，随着城市规模的不断扩大，轨道交通在城市居民生活中的作用越来越重要，这就使其面临更严峻的考验。怎样高效率的运营好轨道交通系统，是大家共同关心的话题。论文在充分借鉴国内外轨道交通运输组织理论成果和运营实践的基础上，采用系统思想，针对轨道交通客流特点，对运营组织中的若干问题进行研究。本文的研究正是基于城市轨道交通系统的运营模式，寻找客流时空分布规律、合理编制运营计划的基本思路进行的，针对轨道交通运营的特点，以客流为基础，对轨道交通运营组织进行优化。本文所做工作有如下几部分：（１）介绍城市轨道交通概况，对运营组织概念进行描述，在分析国内外研究现状的基础上，确定本文的主要研究方向。‘（２）对城市轨道交通客流随时间和空间分布情况进行描述，并对客流预测方式进行了分析，介绍了国内外客流预测的新成果，客流预测数据的准确性将直接影响城市轨道交通运营组织的合理性。（３）概括了城市轨道交通运营组织的方式方法，包括全日行车计划、列车编组方案、列车交路计划和列车停站方案等，特别分析了不同情况下列车编组方式、列车交路计划和停站方案的几种形式，为下文的优化研究奠定了基础。（４）在客流分析的基础上，对列车编组和行车间隔提出优化措施，建立以运能最佳匹配和运营企业利益最大化为目标的优化模型，并用实例对该优化模型进行验证；针对轨道交通线路客流空间分布明显不均衡的特点，对列车交路和停站方案进行研究，分析非站站停方案对乘客和运营企业的优缺点，并针对快慢车组合运行的停站方案提出优化思路，建立优化模型，并对模型的算法做了初步探讨。关键词：城市轨道交通；运营组织；客流分析与预测；优化

西南交通大学硕士研究生学位论文第２３页以及折返方式提出更高的要求。跳站运行方式按照组合方式不同或客流特征不同分为以下几类：①按照组合方式：交替跳站方式和快慢车组合方式交替跳站方式指列车有Ａ类车和Ｂ类车两种，车站有Ａ类车站、Ｂ类车站和Ｃ类车站三类，Ａ类车只在Ａ类车站和Ｃ类车站停，Ｂ类车只在Ｂ类车站和Ｃ类车站停，即Ａ类车和Ｂ类车交替跳站，见图３．７。快慢车组合方式指列车有快车和慢车两种，快车为跳站停列车，慢车为站站停列车，两者组合运营，但不发生越行，见图３．８。跳站停歹Ｉ庠◆—＿Ｃ卜－—卜—ｏ—－．卜叫≯—１卜叫了—◆—－（＞＿—◆—弋一站鲜樗歹Ｉ庠◆——卜—◆——◆—１卜—◆——卜—●卜—◆—１卜—◆—－．卜—●●此站停０此糯图３．８快慢结合方式②按客流特征：全线跳站、区间跳站、方向跳站全线跳站指在全线两个方向上都存在跳站：区间跳站指在线路某一端存在跳站，在另一端都为站站停；方向跳站指在上下行的始端或终端存在跳站，如图３－９所示。●卜＿—＿（）＿——◆——●卜＿—＜）＿——◆——●——Ｃ卜—●卜——◆——ｏ——●卜１全线跳Ｉ●叫＞－—＿．Ｉ＿——－＿——３—ｒ●——●——●——●——●——◆——●——●ｒ一一一一一一一一一一１区段跳ｌ．Ｌ一………．Ｊ『●——●卜一—一（＞＿—＿．Ｉ＿——●—Ｌ●——●——●卜—●卜—＿．Ｉ－——◆——●——●ｒ一一一一一一一＿１◆——◆——◆——｜—＿．卜—１卜．—●卜一—●］—●——◆—一＜）＿．．．上行。●——●——●——●卜－—●卜—１卜—一．卜—１卜卜＿．卜—－（）一—．．卜１方向跳。…一…。Ｉ●叫）＿—１卜—一．卜１＿１卜—●卜—１卜—●卜＿—●卜－—●卜—●——●上行ＪＩ●——●一）＿—＿．卜十＿．卜—１卜—１卜—●卜—●——●——●—１Ｌ－……一．．．Ｊ◆此站停。此站不停图３－９按客流特征分的三种跳站方式西南交通大学硕士研究生学位论文第２４页３快慢车组合运行快慢车组合运行指在部分车站设置避让线的条件下开行两种或两种以上不同旅行速度列车，后续列车超越前行列车的一种长期的、永久性的运行方式。快慢车组合运行方式有以下几类：①最高速度相同的快慢车组合运行方式该方案采用相同最高速度的列车，通过停站个数的不同来提高快车的旅行速度，停站个数越少，旅行速度越高，快车越快。快车越行慢车一般发生在车站，因此需在部分车站设置避让线。该方案可为轨道交通线路提供多种不同旅行速度的快慢车服务，以满足不同乘客的出行需求，见图３．１０。／特快车◆—℃卜＿＜）一—ｏ—－Ｃ卜叫≯—Ｃ卜＿－（）＿—ｏ—℃卜＿＜＞—０１１曼车◆——卜—●卜一—◆——卜—●卜．—●——Ｉ＿—１卜＿—◆——卜—１卜．—●●此站睁０此椭图３．１０最高速度相同的快慢车组合运行方式②最高速度不同的快慢车组合运行方式该方案的快车一般为最高运行速度较大的列车，慢车为最高运行速度较小的列车，快车在中间停站个数较少或一站不停，慢车一般是站站停。快车越行慢车一般发生在车站，因此需在部分车站设置避让线。该方案由于采用两种不同最高运行速度的列车，快车与慢车的旅行速度相差较大，有利于节省长距离出行乘客的乘车时间，可在郊区至市区、市中心至机场的长距离线路中采用，见图３．１１。快－车（高速）◆—＿Ｃ卜－—》—Ｃ卜＿—≯—℃卜—》—Ｃ卜—＞—ｏ—＿＜）＿—０１慢车（彳隧）◆—－．卜—◆——｝—＿．卜—◆——｜—１卜＿—◆—１卜—●——｜１●此站停０此站不停图３－１１最高速度不同的快慢车组合运行方式⑧设快车专用线的快慢车组合运行方式该方案的快车和慢车在各自专用线上分别独立运行，快车可在线路的任何位置越行慢车，无需另设避让线。该方案快车与慢车之间无干扰，运行组织灵活，提高了乘客的出行效率，但在前期规划和建设时需要在全线增设第三条轨道和第四条轨道，建设成本较高。西南交通大学硕士研究生学位论文第２５页第４章车辆编组和行车间隔的优化研究通过第二章的介绍，我们了解了客流的时空分布情况，而客流是城市轨道交通运营组织的基础和依据，因此我ｆ门有必要根据客流的时空分布不均衡的特点，对轨道交通的运营组织方式展开讨论。在此基础上，充分考虑系统的设备能力，站在节约运能，降低运营成本的角度建立优化模型，提高运营效率。本章主要研究车辆编组方案和行车间隔的优化。‘４．１运营组织方法分析４．１．１基于不同客流特征的运营组织方法１客流时间分布不均衡的运营组织通过第二章的介绍，我们了解了客流的时空分布情况，而在一些里程较短的初期线路，其客流的时间分布不均衡情况较空间分布不均衡更为突出，因此，有必要针对客流的时间分布不均衡情况进行分析，进而对其运营组织进行优化。针对客流时间不均衡情况的优化主要表现为根据全天客流变化情况，对列车编组辆数和行车间隔进行优化。为避免根据全天客流高峰时段编组列车造成的平峰时段列车空载严重，一般采取以下两种措施【矧：①全天客流高峰过后的其他时段，减小车辆对数，增大行车间隔，但这会造成旅客等待时间过长，造成运营服务水平的降低，不利于吸引客流，从长远发展来看，考虑到大部分乘客的现实利益，行车间隔时间应分时段确定，高峰期较小，平峰期可以相应增大，但最终确定的行车间隔时间应不超过ｌＯｍｉｎ为宜。②在非高峰时段开行小编组列车，高峰时段进行小编组“合二为一，，，从减小车底运用成本的角度，这种方式可充分保证行车间隔时间不会过长，减少乘客的等待时间，但是这种方式会因为大小编组间列车的重组，给设备系统及维修带来考验。２客流空间分布不均衡的运营组织客流的空间分布不均衡，在线路上具体表现为上下行方向客流的不均衡和区间断面客流分布不均衡，第二章已经探讨过各个不均衡系数的计算方法，分别针对方向不均衡和断面不均衡情况加以说明：①对线路客流分布方向不均衡指数ａｄ较大的线路（一般为口≥１．２时），直线线路上，经济合理地配备运力比较困难，无法避免断面客流量较小方向因车辆满载率过低而引起的运能闲置；但在环形的轨道线路上，可以将上行和下行线路安排不同的运力措施，避免断面客流量较小方向的运能浪费。西南交通大学硕士研究生学位论文第２６页②对断面不均衡系数Ⅸｈ较大的线路（一般为％≥１．５时），一般采取的措施为，在客流量大的区段加开区段列车，即采用长短交路结合的行车组织方案。但随着行车密度的增加，此方案对运营组织和车站的折返设备要求较高∞１。４．１．２行车间隔时间的确定行车间隔时间是指相邻两列车向同一方向发车的最小间隔时间，它是一个综合性指标。行车间隔时间与轨道系统运输能力成反比，行车间隔时间越短，每小时所能通过的列车数就越多，其所需车辆数量也就越多，而轨道的运输能力也就越大。行车间隔时间的确定，取决于信号系统、车辆性能、折返能力、停站时间等诸多因素，最小行车间隔时间是列车开行间隔的最主要的影响因素。线路的设备和行车作业水平不同，列车在任意ｋ时段的开行间隔不能小于保证线路运行安全作业的行车间隔时间‰嗍，即：吃≥‰（‰＝ｍａｘ｛樱，群，磴｝）式中：磕，——区间最小行车间隔时间（４．１）群——车站最小行车间隔时间：群——折返站最小折返间隔时间。在对行车间隔进行优化之前，必须先确定线路、区间和车站等设备条件下，能够达到的最小行车间隔，根据限定的最小行车间隔，再进一步根据客流情况对全天行车间隔时间进行优化。为了减少乘客的等待时间，也为了进一步吸引客流，城市轨道交通应该尽量组织小编组、小间隔行车，所以必须努力降低系统的最小行车间隔，这要求轨道交通系统在规划建设期，就要充分考虑未来可能出现的客流及设备运用情况，减小最小行车间隔给运营组织带来的限制。我国城市快速轨道交通工程项目建设标准规定，每条线路远期设计最大通过能力，在全封闭型路段为３０对／ｈ，行车间隔为２ｒａｉｎ，近年来列车运行普遍采用ＡＴＣ系统，最小行车间隔时间可以达到７５．９０ｓｔｌ０１。在编制全日行车计划时，首先根据已知的预测客流量计算出全日编组列车数，根据编组辆数计算出各个时段的行车间隔。由于全天客流量在时间上分布有很大不同，计算出的行车间隔时间存在很大差异，高峰时段较小，平峰和其他时段相对较大。在保证最小行车间隔的情况下，为满足高峰期的巨大客流量，应该尽量减小该时段的行车间隔，而平峰期和其他时段客流量相对较小，为提高车辆满载率，可适当增大该时段的行车间隔。但如果行车间隔过大，则会增加乘客候车时间，不利于轨道交通吸引客流，因此，为了既方便乘客，又提高运营企业的服务水平和效率，最终确定的高峰时段的行车间隔不宜大于６ｒａｉｎ，其他时段则不宜大于１０ｒａｉｎ。西南交通大学硕士研究生学位论文第２７页４．２优化模型从上文的研究来看，根据客流的时间分布特征制定轨道交通运营组织方案，可以遵循一定的规律。为了节省运营成本、缩短候车时间、提高运营效率等，需要优化传统的单一的运营方式，根据客流的时间分布特征，针对全日客流随时间分布情况，分高峰期、平峰期和低谷期等几个时段，对列车编组和行车间隔时间进行优化。轨道交通之所以具有较强的吸引力，是因为载客量大、舒适度高、速度快。轨道交通运营企业所需要的，是保持这些优势的同时，增加企业收益，提高运营效率。我们通过分析可以发现，运营企业的运营收益取决于两个方面，一是运营满足客流的情况下，编组车辆数最少；二是全天运营时段内票价总收入最高。而在满足一定服务水平的条件下，列车编组车辆数是影响运营企业效益的重要环节，所以本节研究的主要内容是，根据客流随时间分布不均衡的特点，编组合理的车辆数，设置相应的行车间隔时间，达到企业收益最大化，运营服务满意度较高的目的。研究的主要目的是对全天的车辆编组辆数和行车间隔时间进行优化。对车辆编组和行车间隔的优化的目标是考虑运营企业效益的同时，保证乘客的利益。因此以车辆编组数和行车间隔时间为变量，建立一个多目标规划模型。４．２．１模型假设影响车辆编组的因素较多，需要分析轨道交通线路的特点、根据客流需要等很多因素来考虑，会产生一些可变因素不好确定，因此建立模型前必须对这些可变的值加以预先约定，概括和简化实际情况。本文建立模型前，作如下假设：（１）编制全日行车计划时，依客流变化将全日划分为几个时段，如高峰时段、次高峰时段、高平峰时段、低平峰时段和低谷时段，各时段内的运营组织方法一致；（２）各车站客流到达分布情况在无限小的时间段内符合正态分布，为此我们假设在各计算时段内各车站的旅客均匀到达车站；（３）同一时段内，列车发车间隔相同；（４）各时段内乘客可以忍受的候车时间为定值，超过该候车时间的情况下，乘客会产生不满。根据交通调查中的数据，早高峰时段乘客可以耐受的等待时间不大于６ｍｉｎ，其它时段不超过ｌＯｍｉｍ（５）假设区间内列车匀速运行，且途中未发生突发情况；（６）达到较高服务水平，乘客没有滞留情况：（７）线路上车辆选型和列车编组辆数固定，列车标准荷载和列车最大容量为定值：车辆载客量小于最大载客量。２、变量及符号说明

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