城市軌道交通網絡延時運營 特征及難點研究

楊儒冬 ，徐瑞華 ，季 晨

（1. 同濟大學 上海市軌道交通結構耐久與系統安全重點實驗室，上海 201804；2.同濟大學 道路與 交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

0 引言

近年來，伴隨著經濟深化發(fā)展和產業(yè)結構升級，第三產業(yè)比重逐漸攀升，休閑娛樂、購物、餐飲等消費需求的增長帶動了居民消費方式和消費習慣的調整，同時也改變著城市的作息時間，越來越多人傾向于開啟夜間消費模式，使得夜間經濟成為現代城市業(yè)態(tài)之一。我國各大城市也相繼發(fā)布了推進城市夜間經濟發(fā)展的政策文件，均明確提出要從延長公共交通夜間服務時間、加密夜間班次等方面提升夜間公共交通服務水平。城市軌道交通系統作為公共交通系統的骨干，在客流需求大、運能整體不足的城市運輸服務中扮演極為重要的角色。為了契合城市發(fā)展夜間經濟的政策及居民日益增加的夜間出行需求，我國多個城市地鐵公司啟用了延時運營方案，根據線路延時條件及客流需求，從網絡中選擇部分線路延時運營，延長其夜間運營服務時間，在延時運營時段內，安排加班車上線運行，提供運輸服務。但受到軌道、車輛、接觸網、信號等網絡設施設備夜間檢修維護的影響，城市軌道交通線路通常難以實現全天候運營，各條線路根據自身功能定位和客流特點確定末班車時間。為此，對于地鐵運營企業(yè)而言，延時運營是一個亟待解決且極具實用價值的重要課題。

目前對延時運營的研究較少，吳嘉等[1]通過調研國際大城市軌道交通線網的運營時長，結合紐約等典型城市的案例，分析了延時運營優(yōu)缺點及發(fā)展趨勢，并對我國城市軌道交通夜間運營發(fā)展提出了建議；Yang等[2]針對城市軌道交通在延時運營時段OD間路徑可達性實時變化的特點，提出了基于實際可達路徑的延時運營時段網絡加班車客流分析方法，從而能夠獲得準確度更高的夜間客流數據；張鵬[3]考慮高速列車晚點可能導致乘客無法換乘城市軌道交通列車到達目的地，建立了考慮晚間高速鐵路列車晚點的城市軌道交通延時加開列車時刻表編制模型，從而提高樞紐車站換乘銜接的服務質量，提升乘客選擇高速鐵路與城市軌道交通出行的便捷性；Asakura、黃志遠、胡映月等[4-6]基于AFC票卡數據對城市軌道交通網絡客流特征及規(guī)律進行了研究。但對于延時運營條件下網絡的客流規(guī)律、運營特征及運營難點研究較少，為此，以城市軌道交通延時運營為研究對象，分析城市軌道交通延時運營的必要性，結合上海地鐵實際數據，對延時運營條件下網絡客流規(guī)律、運營特征及運營難點進行研究分析，以提升城市夜間公共交通服務水平和城市競爭力。

1 延時運營的必要性

（1）夜間公共交通的社會經濟性及夜間經濟發(fā)展的必要性。從社會經濟角度，保障“在經濟和社會上處于不利地位的公民的流動權利”是公共交通設立的初衷[7]，目前公共交通由于其夜間服務時長等限制使得夜班人員、夜間活動從業(yè)人員等具有夜間出行需求的人無法享受其公益性；從夜間經濟角度，優(yōu)質的公共交通出行是夜間經濟繁榮的基礎和前提，得益于公共交通的低出行成本、便捷性及夜間出行的安全性，城市軌道延時運營能有效刺激和釋放被夜間出行限制而抑制的出行和消費需求。

（2）城市軌道交通當前運營服務時間總體較短。不同城市根據其城市規(guī)模、城市經濟水平和居民出行需求等因素確定線路運營時間和網絡服務時間，但對比國際一線城市的軌道交通運營服務時間，我國城市軌道交通運營服務時間整體偏少。2018年全球年客運量排名前15城市軌道交通網絡運營時間如圖1所示(其中，國內上榜城市的運營結束時間未考慮延時運營的情況)。從圖1可以看出，雖然我國城市在客運總量上排名靠前，但運營時長與全球一流大都市相比還有一定差距，我國主要大城市運營時長比排名前15城市的軌道交通平均運營時長少約1 h。

圖1 2018年全球年客運量排名前15城市軌道交通網絡運營時間Fig.1 Operation time of URT in the top 15 cities in the world in terms of annual passenger flow in 2018

（3）城市軌道交通夜間服務質量有待提升。夜間時段，網絡整體客流偏少，OD出行量較為稀疏，且網絡中各線路逐漸結束運營，線路間的銜接協調性逐漸衰減，而網絡各線路間列車的銜接又直接關系到乘客能否成功到達目的地，延時運營后該問題變得更為重要，除了需要考慮原網絡末班車間的銜接外，還需要考慮末班車與加班車及加班車間的銜接關系，從而解決好車流與客流匹配的問題；此外，城市軌道交通與綜合交通樞紐夜間銜接也亟需改善，隨著高速鐵路網越來越密集、選擇軌道交通出行的乘客比例快速攀升，夜間到達樞紐站的列車也越來越多，然而城市軌道交通在夜間時段的服務能力無法滿足通過高速鐵路、城際鐵路等方式抵達樞紐站的乘客對通過公共交通完成“最后一公里”出行的需求，也無法滿足區(qū)域軌道交通一體化對于城市軌道交通銜接和疏解客流的要求。通過優(yōu)化解決城市軌道交通夜間時段、尤其是延時運營時段車流與客流協調匹配的問題，提升城市軌道交通的夜間服務質量，從而帶動延時運營的社會效益的增長。

2 延時運營后夜間時段網絡客流規(guī)律

為了更能體現延時運營對夜間客流的影響，統一定義運營結束前1 h內的網絡客流為夜間客流，結合上海地鐵實際客流數據，從客流的增長性、周期性及不均衡性等角度分析延時運營后城市軌道交通網絡夜間客流規(guī)律。

2.1 夜間客流的增長性

延時運營是城市軌道交通運營企業(yè)基于居民的夜間出行需求和相關部門關于提供夜間交通服務的要求，延長夜間運營服務時間，提供便捷的夜間公共交通服務。具有夜間出行需求的乘客群體有限，所以夜間出行乘客的總體體量較小，需要一定時間來培養(yǎng)夜間出行的客流量或改變居民的夜間出行習慣，但隨著延時運營方案的執(zhí)行，會首先帶動夜間出行客流的總量提升；同時，由于各線路在路網結構中承擔功能的差異性及線路車站周邊的用地性質不同，延時運營條件下網絡各線路的客流增長速率也各不相同。以上海地鐵為例，從2017年4月開始全網多條線路實施延時運營，2017年至2020年1月期間，夜間客流量(運營結束前1 h內的客流)及夜間客流占比不斷提高，上海地鐵延時前后夜間客流總體變化情況如圖2所示，表明延時運營對夜間出行的客流吸引力越來越強。

圖2 上海地鐵延時前后夜間客流總體變化情況Fig.2 Overall change in nighttime passenger flow before and after the operation extension of Shanghai Metro

選擇延時運營的地鐵1號線、2號線和未延時運營的6號線、11號線分析夜間客流數據，得到上海地鐵分線路夜間客流變化規(guī)律如圖3所示，對數據進行線性擬合后發(fā)現，延時運營的1號線、2號線夜間客流增長速率明顯大于未延時運營的6號線和11號線，說明延時運營對線路夜間客流出行有明顯促進作用；1號線和2號線的夜間客流增長率也不同，說明不同線路的延時運營對夜間客流吸引的效果也不同，在后續(xù)制定網絡延時運營方案時應該考慮線路的差異性。

圖3 上海地鐵分線路夜間客流變化規(guī)律Fig.3 Change law of nighttime passenger flow of Shanghai Metro by line

2.2 夜間客流的周期性

基于上海地鐵2017年3月至9月的夜間客流數據，分析上海地鐵夜間客流總體規(guī)律如圖4所示，可以看出，夜間客流具有明顯的周期性；取局部數據，分析上海地鐵夜間客流出行規(guī)律如圖5所示，可以直觀地看出，除節(jié)假日等特殊日期外，一周中周日至周四夜間客流量維持在較低水平，周五及周六夜間客流顯著高于周平均水平。分析其原因，主要是由于周日至周四，通勤客流由于第二天需要正常上班，需要保證一定的休息時間，所以夜間出行需求處于低位；而周五及周六考慮到第二天為休息日，可以在夜間外出就餐、購物、游玩等社交活動，從而使得乘客夜間出行需求明顯提升。為此，基于上述特征，上海地鐵根據夜間客流變化特點，選擇在周五、周六及節(jié)假日進行延時運營，有針對性地滿足乘客夜間出行需求。

圖4 上海地鐵夜間客流總體規(guī)律Fig.4 General pattern of nighttime passenger flow of Shanghai Metro

圖5 上海地鐵夜間客流出行規(guī)律Fig.5 Travel pattern of nighttime passenger flow of Shanghai Metro

2.3 夜間客流的不均衡性

夜間客流的不均衡性主要體現在夜間客流的來源與去向在空間上的不均衡。基于上海地鐵2019年9月某周六的夜間客流數據，得到夜間時段進站和出站量排名前10的車站，上海地鐵網絡夜間客流來源與去向分析如表1所示?；趯嶋H數據分析，可以得出：夜間客流來源主要分布在城市內部的交通樞紐、商圈及商務辦公區(qū)等區(qū)域，該部分區(qū)域能夠實現居民的夜間出行、購物消費、辦公及加班等多樣化需求，所以該部分區(qū)域車站的夜間出行客流排名靠前；夜間客流去向主要以大型居住區(qū)周邊車站為主。基于上述規(guī)律，城市軌道交通運營管理部門在制定網絡延時運營方案時，應該考慮夜間客流需求分布特點，使得延時方案能夠盡可能有針對性地覆蓋夜間出行需求較大的區(qū)域。

表1 上海地鐵網絡夜間客流來源與去向分析Tab.1 Analysis of the origins and destinations of nighttime passenger flow in the Shanghai Metro network

3 延時運營時段網絡運營特征分析

3.1 延時運營時段乘客出行影響因素對比

根據城市軌道交通網絡客流出行規(guī)律及各時段的運營特點，可將全日劃分為平峰時段、高峰時段及延時運營時段，各運營企業(yè)可以根據自身運營及運輸組織需要做更為細致的劃分。選取換乘等待時間、換乘次數、擁擠度、可達性、留乘、出行費用及出行時間等指標，來評估各時段內出行乘客需求的側重點，乘客對各項指標的敏感程度用數字1至5表示，基于文獻[8]和文獻[9]中對于高峰、平峰及延時運營時段的乘客統計，結合上海地鐵延時運營時段乘客出行特征的調研分析數據，總結得到城市軌道交通各時段乘客出行影響因素對比如圖6所示。從圖6中可以看出，高峰時段內，乘客對行程出行時間的敏感程度很高，乘客主要關注擁擠度、留乘情況等因素，即城市軌道交通的服務水平和服務能力對乘客影響較大；平峰時段內，客流主要以非通勤乘客為主，其對行程出行時間敏感度較低，更注重出行的擁擠度、出行費用等因素；延時運營時段內，乘客可能由于錯過線路末班車而無法通過城市軌道交通到達目的地，因而該時段出行乘客最為關注的是換乘銜接及行程可達性等因素。

圖6 城市軌道交通各時段乘客出行影響因素對比Fig.6 Comparison of factors influencing passenger travel by URT by time period

基于上述各個時段的客流需求特征，城市軌道交通運營管理部門應該針對不同時段，制定相應的運輸組織方案。高峰時段，客流主體為通勤乘客，時間價值高，加之該時段網絡各線路客流量大，運營企業(yè)在該時段通常以提供足夠運能、加速客流周轉、運送更多乘客、避免客流積壓等為目的組織運營；平峰時段線網客流量水平較低，運營企業(yè)通常在滿足客流需求及運營服務水平的基本要求下，減少上線列車數量，優(yōu)化列車周轉，協調優(yōu)化換乘站各換乘方向的列車運行計劃，縮減換乘等待時間，同時也為下一高峰時段的運營做好準備；延時運營時段乘客最關心的為目的地的可達性，則需要以保障該時段運營服務水平、優(yōu)化末班車與末班車、末班車與加班車、加班車與加班車間的換乘銜接，提升該時段網絡整體可達率和換乘成功率為目的進行運輸組織。基于上述分析，結合上海地鐵2018年1月1日至2019年12月31日期間網絡各線路實際執(zhí)行的多幅列車運行圖數據和對現場編圖人員的實際調研，總結3個時段的運營特征，城市軌道交通各時段運輸組織特征對比如表2所示。

表2 城市軌道交通各時段運輸組織特征對比Tab.2 Comparison of transportation organization characteristics of URT by time period

3.2 延時運營時段網絡可達性動態(tài)特征分析

在城市軌道交通乘客實際出行中，OD間路徑是否可達不僅只包含物理層面的可達，還受到乘客出行時間、線路列車運行計劃等因素的影響，即使是物理層面可達的OD出行路徑，如果在時間上無列車銜接以供乘客乘坐，則該路徑也是不可達的路徑。而在末班車及延時運營時段，網絡各線路逐漸退出運營，網絡OD間路徑可達性隨時間推移動態(tài)變化，使得乘客在較晚時刻出行時，OD間部分路徑不可達。為此，乘客出行過程中實際可達路徑具有時變特點，它決定了OD的可達狀態(tài)，而OD的可達狀態(tài)又決定了網絡的可達性。以上海地鐵2021年5月某周六為例分析網絡可達性的動態(tài)特點。上海南站可達范圍動態(tài)變化如圖7所示，可以看出，晚上21 : 00前乘客從上海南站出發(fā)可以到達全網所有車站，從21 : 08 : 17開始出現不可達車站，到凌晨時，從上海南站出發(fā)，全網只有5個車站可達，且均為本線車站，網絡可達性極低。從網絡整體來看，計算21 : 00以后每15 min內網絡所有OD對的可達性，上海地鐵全網OD可達性隨時間變化情況如圖8所示。從圖8中可看出，在22 : 30 : 00—23 : 00 : 00時段內，可達性下降最快，降幅約為50%。

圖7 上海南站可達范圍動態(tài)變化Fig.7 Dynamic changes in the accessible range of Shanghai South Railway Station

圖8 上海地鐵全網OD可達性隨時間變化情況Fig.8 Variation of OD accessibility over time for the whole Shanghai Metro network

4 延時運營難點分析

4.1 延時運營時段供需問題分析

延時運營時段服務質量的關鍵在于網絡延時運行計劃的編制，網絡延時運行計劃的編制是一項系統、復雜的工作，最理想的延時運營方案是全網所有線路都延時運營、且延時運營時長足夠覆蓋所有乘客的夜間出行需求。但網絡中各線路及車站定位及承擔的客流水平不同，不同線路及車站客流對于延時運營需求也不同。以上海地鐵為例分析2016年9月(未延時運營)工作日和休息日的小時平均客流數據，上海地鐵網絡小時客流變化趨勢如圖9所示。從圖9中可以看出22 : 00 : 00后網絡客流總量急劇下降，網絡整體出行需求降低。將該時段客流分散到路網，得上海地鐵22 : 00 : 00后網絡客流密度分布如圖10所示。雖然在夜間出行總體需求較高峰時段大幅度下降，但在市中心等局部區(qū)域，仍然具有相當大規(guī)模的夜間出行需求，主要體現在重要交通樞紐、商業(yè)區(qū)及大型辦公區(qū)等區(qū)域。

圖9 上海地鐵網絡小時客流變化趨勢Fig.9 Hourly passenger flow trend in the Shanghai Metro network

圖10 上海地鐵22 : 00 : 00后網絡客流密度分布Fig.10 Traffic density distribution of the Shanghai Metro network after 10 : 00 p. m.

此外，上海地鐵1號線、2號線作為骨干線路，不僅連接了上海的主要機場及交通樞紐，也連接市中心及多個商業(yè)核心區(qū)，沿線大量的樞紐對外交通銜接需求和商業(yè)核心區(qū)對內夜間出行需求對延時運營及其服務水平要求較高，根據客運部門調研發(fā)現，其客流需求甚至能到達凌晨2 : 00；但對于浦江線、18號線等郊區(qū)線路，其客流以跨線客流為主，在晚高峰后，線路客流量水平極低，所以線路收車時間較早，基本無延時運營需求，即不同線路在線網中承擔的作用不同，對延時運營的需求也存在較大差異，沒必要對網絡所有線路都推行延時運營。

延時運營時段網絡供給最直觀的體現就是安排加班車上線運行，但城市軌道交通網絡運營的首要前提是運營安全，需要預留足夠的時間用于各類設施設備的維修養(yǎng)護，這也使得部分超長延時需求無法滿足，例如2號線的延時需求達到凌晨2 : 00，但考慮列車回庫時間及最少需要的維保時間，目前2號線無法做到延時到凌晨2 : 00及以后。結合不同線路的延時運營需求及延時運營條件的差異，如何在網絡中選擇部分線路延時運營、且能夠盡量多地滿足夜間出行需求是當前運營管理部門關心的問題。

4.2 延時運營難點

延時運營效果的關鍵在于網絡延時運行計劃的制定，網絡延時運行計劃的編制需要根據夜間客流需求及運營管理部門的特定延時目標，確定延時運營線路、線路延時運營時長、開行間隔、交路方案、停站方案及車底運用方案等諸多要素。由上文分析可知，延時運營時段網絡客流量整體水平偏低，但在網絡局部區(qū)域或特定OD間仍存在較大客流需求，為此，在網絡延時運行計劃編制時，可以根據夜間OD客流需求分布特征及運營管理部門需要特別保障的部分OD對在特定時間前可達的要求，篩選出網絡控制OD對集合，并確定控制OD對的最晚可達時間閾值等參數，然后結合網絡線路類型、延時運營條件等因素，確定網絡延時運營線路的組合、各延時線路的延時時長及相關參數，實現在滿足夜間客流需求和既定延時運營目標的前提下，最小化運營成本，既提升夜間公共交通的服務水平，又避免運輸能力的浪費。

其中，考慮到不同線路由于其在網絡結構中的作用以及與銜接線路的關聯程度不同，在延時運營中起到的效果也不同。例如，假設存在A，B 2種可行延時運營方案，都能滿足運營管理部門制定的特定延時目標，選取延時總時長和延時總列次作為方案評選指標，延時運營方案對比示例如表3所示，差異在于方案A與方案B的延時運營線路組合，方案A選擇1，2，7，8，10號線延時運營，方案B選擇1，2，7，9，13號線延時運營，在都能滿足運營特定延時目標的情況下，方案A的總延時時長和延時列次都要比方案B多，說明在延時目標既定的情況下，A方案的延時成本大于B方案，即延時方案B更優(yōu)，表明B方案的延時線路組合比A方案更優(yōu)，也說明了不同線路在延時運營中的效果不同。在確定延時線路和延時運營時長后，基于網絡運行參數、交路方案等數據，進一步完成延時運行計劃編制。

表3 延時運營方案對比示例Tab.3 Example of operation extension plan comparison

延時運營一段時間后，運營管理部門需要根據客流需求和網絡加班車客流情況對現有延時運行計劃進行優(yōu)化，由于延時運營時段網路OD間路徑可達性實時變化的特殊性，通過既有清分系統得到的延時運營時段客流與實際偏差較大，所以需要根據延時運營時段的特殊性，設計網絡加班車客流分析方法，得到更為準確的客流數據，為延時運行計劃的優(yōu)化提供準確度更高的客流數據。

基于得到的準確度更高的加班車客流數據，結合延時運營的核心目標，考慮其與高峰、平峰及末班車時段網絡列車運行計劃優(yōu)化的異同，從延時運營時段網絡整體可達性和乘客等待時間等角度構建目標函數，優(yōu)化網絡加班車開行計劃，提升該時段的車流與客流的匹配度。

綜上，延時運營的難點總結為以下幾個問題。

（1）基于延時運營時段網絡OD間路徑可達狀態(tài)實時變化的特點，如何設計客流分布計算模型，從而得到準確度更高的網絡加班車詳細客流。

（2）在編制網絡延時運行計劃時，如何根據OD需求特征及線路類型等因素，確定網絡中延時運營的線路、各延時線路的延時運營時長、開行間隔等要素。

（3）如何根據延時運營時段OD分布特點、延時運營特征及運營目標對網絡延時運行計劃進行優(yōu)化，在實現其社會效益的同時，還能夠保證一定的服務水平。

5 結束語

區(qū)別于常規(guī)運營時段，夜間時段網絡客流具有增長性、周期性及不均衡性的基本規(guī)律，采用延時運營方案，乘客最關心的為目的地的可達性，則需要以保障該時段運營服務水平、優(yōu)化末班車與末班車、末班車與加班車、加班車與加班車間的換乘銜接，提升該時段網絡整體可達率和換乘成功率為目的進行運輸組織。以不同線路組合的網絡延時運營方案為例，分析網絡延時運營計劃編制的難點，能夠幫助運營管理部門制定更精細化、更契合夜間出行需求的延時運營方案，進而提升城市公共交通運營服務品質。