城市軌道交通線網(wǎng)環(huán)境下客流分析及應(yīng)用探討

張 選，張 鵬

(1.南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210016；2.南京熊貓信息產(chǎn)業(yè)有限公司，江蘇 南京 210012)

1 引 言

隨著AFC系統(tǒng)從單線單系統(tǒng)向多線路、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展和地鐵運(yùn)營(yíng)的逐步開展，在地鐵ACC系統(tǒng)中積累了大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，目前國(guó)內(nèi)地鐵系統(tǒng)更多的以運(yùn)營(yíng)收入的角度在使用所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，進(jìn)行不同運(yùn)營(yíng)商間、不同線路間的收入的清分及AFC系統(tǒng)運(yùn)行情況的統(tǒng)計(jì)。但實(shí)際上這些數(shù)據(jù)對(duì)地鐵來(lái)說(shuō)，如何利用此類數(shù)據(jù)，從此類數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)乘客出行的規(guī)律與列車的運(yùn)行圖之間的關(guān)聯(lián)，檢查列車運(yùn)行圖是否合理，是否滿足乘客出行需求，是否發(fā)揮列車運(yùn)力的最大效能，這些均是行業(yè)方重點(diǎn)研究的課題[1]。以南京地鐵為例，在線網(wǎng)環(huán)境下對(duì)客流進(jìn)行分析，提出計(jì)算模式，旨能對(duì)列車運(yùn)營(yíng)的行車組織提供參考依據(jù)。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

在ACC、AFC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，充分挖掘利用AFC系統(tǒng)運(yùn)行所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，通過(guò)線網(wǎng)建模實(shí)現(xiàn)地鐵客流的動(dòng)態(tài)顯示，指導(dǎo)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證地鐵運(yùn)行圖，最大限度的發(fā)揮地鐵的運(yùn)力，實(shí)現(xiàn)地鐵的綠色節(jié)能，提升乘客服務(wù)體系評(píng)價(jià)水平。

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

在既有ACC數(shù)據(jù)應(yīng)用基礎(chǔ)上構(gòu)建面向軌道交通客流分析與車輛調(diào)度的線網(wǎng)模型，建立站點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系。利用數(shù)據(jù)建模，再現(xiàn)某一個(gè)某一班次列車上人數(shù)等數(shù)據(jù)，直觀的展現(xiàn)出各班車列車實(shí)時(shí)人數(shù)。利用數(shù)據(jù)仿真方法校驗(yàn)列車時(shí)刻表，為列車運(yùn)行圖調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 設(shè)計(jì)原則

在構(gòu)建面向軌道交通客流分析與車輛調(diào)度的線網(wǎng)模型時(shí)應(yīng)充分考慮到與既有系統(tǒng)之間的可擴(kuò)展性、可配置性、可調(diào)整性、可自適應(yīng)性以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一致性。在功能上應(yīng)覆蓋地鐵既有線網(wǎng)所有線路和車站，并能夠自動(dòng)適用于未來(lái)新增加的線路和車站；所涉及的軟件功能和算法實(shí)現(xiàn)方式應(yīng)能夠由用戶自主設(shè)定和配置；所涉及的軟件功能和算法實(shí)現(xiàn)方式應(yīng)能夠由用戶自主設(shè)定和配置；所涉及的全部路網(wǎng)數(shù)據(jù)和路徑權(quán)重等參數(shù)應(yīng)能夠滿足人工調(diào)整和修改的要求；自動(dòng)適應(yīng)地鐵清分系統(tǒng)對(duì)清分?jǐn)?shù)據(jù)模型要求，能夠在新線開通時(shí)自動(dòng)適應(yīng)及動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。

3 模型設(shè)計(jì)

3.1 路網(wǎng)建模

運(yùn)用拓?fù)鋵W(xué)、運(yùn)籌學(xué)中的方法，將清分系統(tǒng)中的交易數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，再結(jié)合線網(wǎng)規(guī)劃圖將其抽象為乘車路徑的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。通過(guò)軟件將乘車路徑的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D構(gòu)建為路網(wǎng)模型，模型中包含意站點(diǎn)間全部路徑的詳細(xì)換乘、里程、站點(diǎn)數(shù)、耗時(shí)信息，任意路徑全部子路徑的詳細(xì)里程、站點(diǎn)數(shù)、耗時(shí)信息等[2]。

在路網(wǎng)建?；A(chǔ)上可以通過(guò)模糊算法，依據(jù)站點(diǎn)間距、換乘站位置、車次間隔、車站客流量、高峰平峰影響等因素對(duì)乘客乘車路徑的原則予以計(jì)算和預(yù)測(cè)。

在路徑建模中一般采用遍歷操作法進(jìn)行路徑建模。遍歷的目的是找出在軌道交通路網(wǎng)拓?fù)渲幸粚?duì)進(jìn)站和出站之間可能的路徑，因?yàn)樵诰W(wǎng)狀拓?fù)鋱D中換乘車站既是兩條線路的交叉點(diǎn)，三個(gè)換乘站可能形成環(huán)路，所以為避免在遍歷時(shí)算法線路無(wú)窮的循環(huán)中，需要控制從一條線路換乘到另?xiàng)l線路的次數(shù)，即換乘次數(shù)控制，而對(duì)于乘客一般不會(huì)選擇超過(guò)3次以上的換乘的乘車路徑，最終遍歷結(jié)果得到在換乘次數(shù)控制下的一對(duì)進(jìn)站和出站之間所有可能的路徑。

遍歷結(jié)果的數(shù)據(jù)量取決于車站與線路的數(shù)量，并隨著線路和車站的增長(zhǎng)呈比例增長(zhǎng)。假設(shè)城市軌道交通規(guī)劃最終將有13條線路，240個(gè)車站，28個(gè)換乘站，因此任意兩個(gè)可達(dá)車站的

但對(duì)于同條線路的車站，認(rèn)為乘客是不換乘的，考慮到13條線路，240個(gè)車站，則不經(jīng)過(guò)換乘的進(jìn)站和出站有

所以需通過(guò)換乘才能到達(dá)的車站對(duì)大概有26 457對(duì)，考慮到在換乘次數(shù)的控制下，換乘遍歷結(jié)果的可能路徑數(shù)目有

路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中2條路線相交的換乘節(jié)點(diǎn)25個(gè)，3線相交的換乘節(jié)點(diǎn)數(shù)為3個(gè)，且系統(tǒng)定義最大換乘次數(shù)為3，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中有13條線路，240個(gè)車站，平均每條線路有車站240/13≈19(個(gè))，假定平均每條線路有換乘車站約為2(個(gè))，則依據(jù)公式的所有換乘路徑有

240×(19+2×(19+2×(19+2×19))=68 400(條)

考慮到實(shí)際的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中可能有4條線相交一個(gè)換乘點(diǎn)的情況，所以路徑條數(shù)還會(huì)有所增長(zhǎng)。

以下是對(duì)各種特殊路網(wǎng)拓?fù)涞奶幚矸椒?/p>

(1)交叉線

在路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中存在多條線路在一個(gè)換乘點(diǎn)交匯的情況，在遍歷算法中是以深度優(yōu)先遍歷的，在遍歷完一條線路所有車站后將退回到上一換乘點(diǎn)，再遍歷該換乘點(diǎn)上另?xiàng)l線路的站點(diǎn)。

如圖1所示，在遍歷算法中，從起始站點(diǎn)1出發(fā)的遍歷過(guò)程如下：

圖1 交叉線示意圖

1→x，判斷x點(diǎn)是否是換乘點(diǎn)；

遍歷經(jīng)過(guò)x換乘點(diǎn)的線路；

遍歷該線路所屬車站中無(wú)換乘點(diǎn)，記錄所有遍歷的到達(dá)車站；

退回x換乘點(diǎn)，檢查是否還有其他線路經(jīng)過(guò)x點(diǎn)，如果有跳轉(zhuǎn)到3，否則退回到上一換乘點(diǎn)，直到退回到起始站點(diǎn)，結(jié)束本起始站點(diǎn)的遍歷。

(2)環(huán)線

在路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中某條線路成為封閉的環(huán)。在遍歷算法中的一個(gè)重要特點(diǎn)是無(wú)向性，只記錄起點(diǎn)車站、換乘車站、到達(dá)車站，而不記錄在該條路徑上經(jīng)過(guò)每個(gè)車站以及站點(diǎn)順序，但在權(quán)值計(jì)算時(shí)需要考慮到路徑里程和時(shí)間的不同。

以圖2為例，從A1車站進(jìn)站，B1車站出站，在乘客選擇乘車路徑時(shí)可能的有：

圖2 環(huán)線示意圖

路徑一：A1→A2→A3→B1；

路徑二：A1→An→A4→A3→B1；

路徑三：A1→An→Bn→A3→B1；

在這里討論路徑一和路徑二，在遍歷算法中記錄的是兩個(gè)路段：A1→A3、A3→B1，所以對(duì)遍歷算法而言，這兩條路徑其實(shí)是一條。

(3)共線

在路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有兩條線路甚至多條線路的部分共線重疊的情況，該共線上的車站同屬于兩條或多條線路。

3.2 路徑選擇

乘車路徑的算法主要有“最短路徑法”和“多路徑法”。一般情況下客流預(yù)測(cè)時(shí)“最短路徑法”為推薦選項(xiàng)，但是實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)還需統(tǒng)籌考慮乘客的乘車時(shí)間、換乘站之間的舉例、不同線路及車站的擁擠度等因素，乘客可能采用符合自身服務(wù)需求的其他換乘路徑進(jìn)行換乘。在實(shí)際路徑建模時(shí)，有些乘車路徑有多個(gè)選擇，此時(shí)需采用“多路徑法”進(jìn)行補(bǔ)充。“多路徑法”是指在線路成網(wǎng)下，進(jìn)站與出站之間存在多條乘車路徑，在路網(wǎng)建模下，通過(guò)算法對(duì)多條路徑進(jìn)行優(yōu)選，去除一些不合理的路徑，在輔以不同路徑權(quán)重，得出的一條最佳乘車路徑。

路徑選擇計(jì)算方法法如下：

(1)找出兩站(起點(diǎn)站、終點(diǎn)站)間的所有路徑的算法。

(2)從兩點(diǎn)(起點(diǎn)站、終點(diǎn)站)間的路徑中選取符合某條件路徑的算法。

(3)結(jié)合理論或?qū)嶋H調(diào)研數(shù)通過(guò)算法據(jù)優(yōu)選出乘客可能選取的路徑。

(4)從某起點(diǎn)到某終點(diǎn)的乘客的路徑權(quán)重分配到線路、車站的算法。

3.3 客流分析

在客流交易的出站交易中一般包含了進(jìn)站信息，如：進(jìn)站線路、進(jìn)站車站、進(jìn)站時(shí)間、進(jìn)站設(shè)備等。因此，在工程應(yīng)用中可以以出站交易為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對(duì)短時(shí)間的客流進(jìn)行建模，通過(guò)算法模型可以算出T1～T2時(shí)間段內(nèi)線網(wǎng)上線或下行的客流信息。

當(dāng)城市軌道交通多線路成網(wǎng)時(shí)客流的行徑路徑將會(huì)存在換乘情況，交易數(shù)據(jù)將會(huì)存在無(wú)法反映乘客的實(shí)際換乘路徑的情況。此時(shí)，可以采用路徑建模中的最佳路徑作為乘客選擇實(shí)際換乘的乘車路徑，并將有換乘的行程信息拆分成在各個(gè)線路上的乘坐信息。在此基礎(chǔ)上，對(duì)進(jìn)出站之間的不同的換乘選擇根據(jù)權(quán)重按比例拆分[3]。

計(jì)算規(guī)則應(yīng)遵循如下規(guī)則：

(1)由行車調(diào)度系統(tǒng)給出的列車運(yùn)營(yíng)計(jì)劃時(shí)刻表。

(2)結(jié)合路網(wǎng)建模、路徑選擇計(jì)算出某時(shí)間段內(nèi)某條線路的上線或下行斷面客流信息[4]。

(3)根據(jù)斷面客流信息，將詳細(xì)信息根據(jù)不同的權(quán)重拆分為具體的子路徑，并將子路徑對(duì)應(yīng)到具體的車次[5]。

(4)通過(guò)匯總分析，就可以得到具體列車的上車人數(shù)、下次人數(shù)的理論值，即斷面客流的理論分析數(shù)據(jù)[6]。

4 工程應(yīng)用

在工程應(yīng)用中，通過(guò)路網(wǎng)建模、路線選擇、客流分析等方式可以將客流數(shù)據(jù)精確到具體的行車，對(duì)于列車的行車組織具有指導(dǎo)意義[7]。主要功能體現(xiàn)如下。

(1)列車運(yùn)行客流模型展示

對(duì)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合線網(wǎng)規(guī)劃圖，可以模擬實(shí)際的列車運(yùn)營(yíng)時(shí)的客流分布?？梢詾檫\(yùn)營(yíng)部門提供實(shí)時(shí)的線路、車站、列車上人員分布特點(diǎn)，可以動(dòng)態(tài)咱先各車站進(jìn)站人數(shù)、出站人數(shù)[8]。

(2)早晚高峰時(shí)間確定

通過(guò)客流在早晚高峰形成的趨勢(shì)，在多種時(shí)間不同情況下，判斷早晚高峰的時(shí)間段[9]。

(3)超載列車預(yù)測(cè)

根據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)站、出站客流信息并結(jié)合列車時(shí)刻表，可以對(duì)超載車站、超載時(shí)間、超載列車進(jìn)行預(yù)測(cè)。在軟件上輔以不同的顏色，直觀的為行車組織級(jí)客流管理提供決策依據(jù)[10]。

(4)列車時(shí)刻表測(cè)試

定期使用歷史客流數(shù)據(jù)和行車時(shí)刻表進(jìn)行測(cè)試，模擬并驗(yàn)證大客流情況下列車時(shí)刻表編排的合理性。

5 總 結(jié)

通過(guò)合理的路網(wǎng)建模與路徑選擇設(shè)計(jì)生成相應(yīng)的線網(wǎng)模型，在此基礎(chǔ)上形成合理的路徑拆分和模擬乘坐算法，得到客流模型數(shù)據(jù)。并結(jié)合列車行車數(shù)據(jù)可以進(jìn)行直觀的模擬乘坐展示和客流模型數(shù)據(jù)應(yīng)用進(jìn)行工程應(yīng)用，為行車調(diào)度進(jìn)行指導(dǎo)。