網(wǎng)絡化運行條件下城市軌道交通換乘站客流協(xié)同控制研究

胡興麗，龍 訊，鄒 雄

(重慶公共運輸職業(yè)學院 運輸貿(mào)易系，重慶 400247)

引言

隨著城市軌道交通建設進程的加快，城市內(nèi)的軌道交通運營線路增加，線路間逐步成網(wǎng)，城市軌道交通進入網(wǎng)絡化運營時代[1]。在網(wǎng)絡化運行條件下，乘客出行更加便捷，城軌客流量日益增加，進而出現(xiàn)客流分布不均衡，客流需求與運力協(xié)調(diào)匹配難度大等問題，在早晚高峰時段更加突出。換乘站是城市軌道交通的樞紐[2]，換乘站里客流相對更復雜，包括進站客流、出站客流及換乘客流，客流組織的好壞將影響到整個車站的運營效率。為緩解供需矛盾，保證城市軌道交通運營安全，提高服務效率，通過對網(wǎng)絡客流特征進行分析[3]，研究在網(wǎng)絡化運營條件下?lián)Q乘站客流的協(xié)同控制問題，避免大客流可能產(chǎn)生的擁擠、踩踏等安全隱患，實現(xiàn)科學的客流組織作業(yè)，提高城市軌道交通系統(tǒng)服務水平[4]。

1 城市軌道交通車站網(wǎng)絡客流特征分析

當城市軌道交通線路成網(wǎng)后，各條線路之間相交于換乘站，客流相互作用，乘客通過對出行效率的判斷選擇出行線路，客流變化相比于單一線路更加復雜。由于客流增長較快，換乘客流增大，客流分布狀態(tài)及客流需求出現(xiàn)多樣化特點，客流組織方式復雜化。以重慶軌道為例，通過對城市軌道交通網(wǎng)絡客流特征進行分析，研究客流的變化情況[5]。

1.1 客流時間分布

通過對重慶軌道交通工作日分時段進出站客流進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)隨著網(wǎng)絡線路的增加，線路或車站的吸引能力增強，高峰小時的客流強度增大和高峰時間延長，部分車站的早、晚高峰進出站客流量占全日客流總量的比例較大，見圖1。

圖1 某車站分時段進站客流量/人

1.2 客流空間分布

由于線路的走向、輻射范圍、沿線交通組織等不同，不同線路的客流量存在一定的差異。目前重慶市軌道交通處于發(fā)展階段，線網(wǎng)客流存在不均衡性，客流主要集中在某幾條線上，見圖2。隨著路網(wǎng)中線路增加及后期的完善，當形成一定的規(guī)模、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)日趨合理時，乘客可以根據(jù)自己的出行需求方便到達目的地車站，逐漸將客流在網(wǎng)絡中的分布推向均衡狀態(tài)。

圖2 各線路全日線路客流/萬人

1.3 線網(wǎng)換乘客流

城市軌道交通路網(wǎng)中的換乘站連接著不同線路，在網(wǎng)絡化運行中起著重要作用，也是實現(xiàn)網(wǎng)絡化客流組織的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。做好換乘車站的客流組織，有利于提高軌道交通系統(tǒng)運行效率。重慶市各軌道交通線路換乘站的換乘量見圖3。

圖3 重慶線路換乘車站的換乘量/人

2 換乘站客流控制模型

2.1 換乘站服務水平分析

服務水平是指衡量客流運行條件及乘客感受的服務質(zhì)量的綜合指標，對于車站而言包括換乘站的服務水平即車站設施設備服務能力，影響著線路的通過能力，車站設施設備服務能力是指能夠容納旅客的能力，主要與車站的基礎設備設施有關(guān)，如車站布局、站臺面積、安檢、自動售檢票以及電梯等通過能力。對于城市軌道交通換乘站設施設備服務水平包括走行區(qū)設施服務水平、等待服務水平。走行區(qū)設施服務水平由進出站口服務水平、通道服務水平、站臺等待走行水平等組成，等待服務水平包括人工售票、自動售票、安檢機、進出站閘機服務水平等，設施服務水平分級見表1[6]。當線路服務能力與客流需求出現(xiàn)不匹配時，就會造成客流擁堵，因此，為了提高線路服務能力，在一定的線路通行能力及客流需求下，可以通過降低客流擁堵概率，使車站滿足一定的服務水平，同時協(xié)調(diào)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中換乘客流，通過改變客流在時間上和空間上的分布來達到提高網(wǎng)絡運營效率。

表1 設施服務水平分級

2.2 換乘站客流控制模型

網(wǎng)絡化運行條件下城市軌道交通多站客流協(xié)同控制是為了均衡路網(wǎng)出行客流量，使路網(wǎng)服務能力最大限度滿足乘客出行需求，同時，對于車站實行了客流控制將會延長旅客的出行時間，城市軌道交通服務質(zhì)量就會降低，因此在建立協(xié)同控制模型時需要考慮到乘客的平均等待時間，同時充分運用線路的運輸能力及將車站設備設施的服務水平控制在一個分級[7]。因此，對需要客流控制的換乘站選取客流最大作為控制目標，同時結(jié)合人均延誤時間最小來建立目標函數(shù)，避免乘客超長等待，這樣能夠有效滿足其他時間段的客流出行需求。對于客流控制需要結(jié)合到車站本身的服務能力、換乘服務能力及區(qū)間輸送能力等約束條件，保障整個網(wǎng)絡化運行下的運營安全，實現(xiàn)企業(yè)效益最大化。

2.2.1 模型假設及參數(shù)設置

為簡化模型計算強度，對相關(guān)影響因素進行假設：（1）列車按既定運行圖運行，不發(fā)生變化，不存在突發(fā)事件。（2）乘客能夠快速進出車站，對站內(nèi)候車乘客影響較小，不在站內(nèi)逗留。（3）乘客按照先到先上車原則，同時遵循先下車后上車原則。（4）研究的換乘站以兩線換乘為主，進站客流、出站客流以及換乘客流對車站內(nèi)線路熟悉，不產(chǎn)生客流沖突。

定義H為路網(wǎng)換乘車站集合，為區(qū)間集合，，換乘車站的換乘通道視為區(qū)間，且分方向描述；T為客流控制時段，ti為控制時段編號，

2.2.2 目標函數(shù)

城市軌道交通網(wǎng)絡化運行下客流控制，將從兩個方面進行考慮，一個是從乘客方面，保證乘客出行效率，延誤時間越小越好[8]，另一個方面就是從企業(yè)方面，達到運輸效率最大，使車站單位時間內(nèi)所服務的乘客數(shù)量最大化，以實現(xiàn)運營收益最大。目標函數(shù)：

式中: △t—控制時段的時長，s；時間段內(nèi)hi車站的最佳進站客流量，人；時間段內(nèi)hi車站的實際進站客流量，人；客流通過率。

2.2.3 約束條件

在ti時間段內(nèi)hi車站的實際進站客流量，包括ti時段內(nèi)新到達的客流，ti-1時段內(nèi)的滯留乘客以及ti時段內(nèi)換乘客流TFti hi三部分。換乘站hi在ti時間段內(nèi)的最佳進站客流不能超過實際進站客流，同時需滿足最低的進站客流需求，即設定車站最低進站客流為實際需求的50%。對于換乘車站要考慮換乘客流同時也要考慮本站進出站客流。對于網(wǎng)絡化客流控制中，任意區(qū)間的客流通過量不超過最大的區(qū)間輸送能力：

式中：T Fhi—現(xiàn)有的換乘客流量，人；θ—減小系數(shù)；—換乘站的承載能力，人；Cdm(ti)—區(qū)間最大輸送能力，人。

2.3 模型求解

針對多目標優(yōu)化問題求解，需將多目標問題轉(zhuǎn)化為單目標問題。對于多目標優(yōu)化問題求解的算法目前都比較成熟，例如粒子群算法、理想點法、約束法等，通過MATLAB 即可快速求解[9]。采用NSGA-Ⅱ多目標遺傳算法[10]求解客流控制模型，該算法具有解集收斂性好，運行速度快等特點，算法過程見圖5。

圖5 NSGA-Ⅱ算法應用過程

通過求解得到客流控制時段，客流控制換乘車站以及客流控制數(shù)量，然后結(jié)合各換乘站本身的特點采取客流控制方法，例如設置欄桿、鐵馬、閘機開放數(shù)量、電梯運行方向、售檢票作業(yè)速度、進出站及換乘導向設置等[11]，提高換乘車站服務水平，實現(xiàn)網(wǎng)絡化客流控制的目的。

3 結(jié)語

（1）通過對軌道交通線路客流特點進行分析，為客流控制奠定了基礎。（2）目前各城市軌道交通線路逐漸進入網(wǎng)絡化控制狀態(tài)，換乘站作為路網(wǎng)中的重要節(jié)點，客流聚集程度較高，針對路網(wǎng)中的換乘站的客流控制進行研究，具有一定的實踐意義。（3）考慮乘客延誤最小和企業(yè)運輸效率最大兩個方面建立了換乘站的客流控制模型，對換乘站客運組織起到一定的指導作用，但對模型的驗證需要實際路網(wǎng)的數(shù)據(jù)才能進行進一步的探討。（4）網(wǎng)絡化軌道交通運行情況下，客流數(shù)據(jù)是一個大數(shù)據(jù)，要實現(xiàn)路網(wǎng)多站客流協(xié)同控制，需要從多方位角度進行研究，同時需要用于實際應用并得到充分驗證。