基于客流特征分析的城市軌道交通行車組織優(yōu)化研究

龐彥知　陳建球

摘要：文章基于南寧地鐵1號線的運營現(xiàn)狀，通過斷面客流特征分析，對行車組織方案進(jìn)行優(yōu)化，提出采取調(diào)整南寧地鐵1號線列車行車方式、增加行車密度即增開區(qū)段開行列車的方案措施。通過將優(yōu)化后方案與原行車組織方案的運營效率進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方案提高了南寧地鐵1號線的運行效率，使得運營周期縮短，早高峰上行單向運能提高了8.7%，晚高峰下行單向運能提高了10.7%。

關(guān)鍵詞：軌道交通;行車組織;客流特征;運行效率

中圖分類號：U491.2+27

0 引言

城市軌道交通已經(jīng)成為城市交通體系的骨干網(wǎng)絡(luò)，承載著城市大部分的交通出行量，但是隨著客流規(guī)模的不斷增大，城市軌道當(dāng)前的交通運營方案已經(jīng)不能滿足城市的交通需求供給，客流與運能之間不匹配問題日益凸顯。如現(xiàn)在的南寧地鐵1號線（以下簡稱1號線）的客流特征，若繼續(xù)采取原有的行車組織方案，則會出現(xiàn)客流滯留于候車站臺的情況，高峰期客流量大的區(qū)段出現(xiàn)斷面滿載率增高，其他客流量小的區(qū)段出現(xiàn)滿載率下降，不能充分運用列車的載客能力。因此本文基于客流特征進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出優(yōu)化的行車組織方案，以提升運能。

1 城市軌道交通行車組織及客流特征

城市軌道交通行車組織是城市軌道交通的核心，是指揮列車運行、保證行車安全以及提高運輸效率的基礎(chǔ)，提高行車組織效率是提高整個城市軌道交通發(fā)展水平的關(guān)鍵[1-2]。根據(jù)1號線的客流特征分析，改變行車方式，輔以優(yōu)化客運組織手段等，對1號線行車組織方案進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)或優(yōu)化，能夠有效地提高運能。制定合理、科學(xué)、可行的列車行車組織方案可解決1號線運能與客流不匹配的問題，能夠為旅客提供更加方便快捷的出行服務(wù)。城市軌道交通行車組織方案制定的基礎(chǔ)是客流[5]?？土魇侵竼挝粫r間內(nèi)城市軌道交通乘客流動方向的總和[2]。客流的概念既表明乘客在空間上的位移及數(shù)量，又強(qiáng)調(diào)其位移的方向性和起終點[4]，以斷面客流表示。

2 1號線行車現(xiàn)狀分析

1號線是南寧市首條建成通車的軌道交通線路，也是南寧市東西方向的骨干交通線路，線路西起石埠站，東至南寧東站，銜接南寧東站、埌東客運站、火車站、西鄉(xiāng)塘客運站及廣西大學(xué)等主要客流集散點。1號線全線呈東西向橫穿南寧市區(qū)，全長約32.1 km，共設(shè)置25座地下車站，車站平面設(shè)置主要采用島式站臺和側(cè)式站臺兩種形式。1號線配置列車共有30列，其列車采用6節(jié)編組B型列車，列車標(biāo)準(zhǔn)載客量為1 460人次，最大載客量為每列2 088人次，列車運營時速可達(dá)80 km/h，實際運行速度約為40 km/h。

2.1 1號線運營方案

1號線采用雙線單向的運行方式，駕駛模式為ATO（列車自動駕駛）模式。自2019-07-29起，為更方便市民出行，提高運行效率，1號線在工作日早晚高峰上下行線分別加密開行2列車。目前，工作日出庫列車為23列，其中上行線（石埠站至南寧東站方向）車輛段出庫列車11列，下行線（南寧東站至石埠站方向）出庫列車10列，其備用列車為2列，位于折返線上。1號線起訖站：石埠站火車東站;南寧地鐵1號線運營時間為：6：30-23：00。

2.2 1號線行車組織

城市軌道交通行車組織反映其軌道交通的發(fā)展水平，只有不斷優(yōu)化行車組織才能更加契合城市的發(fā)展，滿足城市交通的供給需求。目前1號線列車配屬30列，正常運營時，上線列車達(dá)23列，高峰期與平峰期上線列車相差2列，根據(jù)實際客流情況，列車高峰時段行車間隔縮短至4 min 20 s，單程運行時間約為40 min?？紤]車庫需留存?zhèn)溆密?，不足以進(jìn)一步壓縮發(fā)車間隔，如果需要進(jìn)一步優(yōu)化1號線行車組織方案，提高1號線運能和運行效率，應(yīng)考慮調(diào)整列車行車方式。

3 行車組織優(yōu)化措施方案設(shè)計

為了提高1號線在早晚高峰期的運能，緩解早晚高峰客流壓力，主要采用優(yōu)化行車組織的方法，將有限的運能投入到客流較大的重點時段和區(qū)段，同時輔以優(yōu)化客運組織手段，減緩高峰時期的大客流壓力。

3.1 行車組織優(yōu)化模型分析

自1號線運營以來，根據(jù)客流變化特征，已多次進(jìn)行發(fā)車間隔的調(diào)整。在2019-07-29的調(diào)整中，將高峰期主要客流方向的發(fā)車間隔由5 min縮短至4 min 20 s，現(xiàn)上行方向在早高峰時段小時斷面客流約為18 000人次/h，列車平均滿載率約為94.2%;晚高峰小時斷面客流約為15 500人次/h，列車平均滿載率為81.1%，同比去年客流量有所增長，客流與運能之間不匹配日漸突出[1]，如表1所示。

由相關(guān)調(diào)研數(shù)據(jù)可知：1號線早晚高峰時段大客流持續(xù)時間≤40 min，且大客流時段分別為：（1）早高峰時段7：30-8：30上行方向（上行：石埠站至火車東站方向）;（2）晚高峰時段17：30-19：30下行方向（下行：火車東站至石埠站方向）。

在一般情況下，不同區(qū)間和不同站點上客流分布形態(tài)不均衡，即城市軌道交通客流在空間上的動態(tài)特性不同。1號線客流的分布特征體現(xiàn)為工作日上下行單向客流的不均衡性，對于客流高峰時期，可以根據(jù)實際客流計算出其時間不均衡系數(shù)，根據(jù)不均衡系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)來判斷是否需要增加開行列車，減少列車發(fā)車間隔。

單向客流不均衡系數(shù)公式為：

K=Smaxni=1Sin（1）

式中：K——單向客流時間不均衡系數(shù);

Smzx——單向最大斷面客流量（人次）;

Si——單向小時最大斷面客流量（人次）;

n——全日運營小時數(shù)（個）。

當(dāng)單向客流時間不均衡系數(shù)趨向于1時，表明客流分布較均衡;單向客流時間不均衡系數(shù)>1時，表明客流分布不均衡，且其K值越大則表明客流越不均衡。為提高1號線在工作日高峰時段運營效率，實現(xiàn)運輸合理性，可以實行高密度的行車方式，即在工作日的客流高峰時增加列車開行數(shù)，并輔以優(yōu)化客運組織手段，有利于減緩工作日高峰時的大客流壓力。

如圖1和圖2所示為早晚高峰時段的斷面客流，由式（1）可計算得單向客流不均衡系數(shù)分別為：早高峰K=1.92;晚高峰K=1.64

一般市區(qū)地鐵線路不均衡系數(shù)正常值為1.1～1.5之間[3]，而1號線在早晚高峰時段，線路的斷面不均衡指數(shù)達(dá)到1.5以上。為保持各個斷面運力與運量的平衡，可以實行高密度的行車方式，即加開運營列車，以達(dá)到提高運營效率和提高服務(wù)水平，減緩早晚高峰期時段上下行大客流壓力的目的。

由于1號線上下行早晚高峰小時斷面客流量不同，客流流向方向相反，建議采取加開不同高峰（1）時區(qū)段列車的方式，即在工作日早高峰時加開上行方向列車數(shù)量，在晚高峰時段加開下行列車運營列車數(shù)量。

3.2 建立增開列車模型

城市軌道交通的列車車數(shù)為正線運行列車數(shù)和庫內(nèi)列車檢修備用車數(shù)之和。合理地配置投入運營列車數(shù)量能科學(xué)地提升軌道交通運能，并且滿足客流供給需求。

建立列車配置數(shù)計算模型：

Y1=Y2+Y3（2）

Y2=2LV速×60+T1+T2T間隔（3）

Y3=Y2×25%（4）

式中：Y1——線路列車配置數(shù)（列）;

Y2——運營列車數(shù)（列）;

Y3——車庫中檢修和備用列車數(shù)（一般取值為運營列車數(shù)的25%）;

L——南寧地鐵1號線全程長度（km）;

V速——列車運行平均時速（km/h）;

T1和T2——始發(fā)站和終點站折返時間（min）;

T間隔——行車間隔時間[6]（min）。

截至2019-07-29，1號線每小時斷面客流已經(jīng)增長至1.8萬人次/h，列車滿載率已經(jīng)超過100%，滿載率達(dá)到123%。當(dāng)需要滿足1號線高峰小時單向斷面最大客流時，就需要建立行車間隔計算模型，見式（5）所示：

a=T間隔×V客60V（5）

式中：a——列車滿載率（%）;

V客——高峰小時單向斷面最大客流（人次）;

T間隔——行車間隔（min）;

V——列車載客容量。

當(dāng)時a>1，則列車滿載，乘客會滯留于車站臺上，根據(jù)式（5），當(dāng)增加開行列車后應(yīng)當(dāng)滿足a≤1，即T間隔≤V×60V客。

根據(jù)以上模型可以計算出當(dāng)前1號線列車運營配置數(shù)為18列，而目前實際運營配置為21列。從行車間隔計算模型計算得出，1號線的列車實際滿載率為123.3%，列車擁擠度高。而根據(jù)計算結(jié)果表明，當(dāng)前1號線的行車組織方案不能滿足客流出行需求。見表2。

3.3 根據(jù)列車配置模型與行車間隔模型反推

通過對1號線的客流情況以及斷面客流的不均衡性分析，對行車組織方案進(jìn)行優(yōu)化。針對當(dāng)前的運營現(xiàn)狀，在斷面客流不均衡的情況下，可以采用加開區(qū)段列車的措施[7]。

城市軌道交通線路及列車一旦確定，其線路全長、平均運行速度、折返時間就是確定的，唯一可調(diào)整的就是列車行車間隔。列車行車間隔由列車載客容量及高峰小時單向斷面最大客流量決定。

根據(jù)斷面客流預(yù)測及載客容量建立的列車配置模型與行車間隔模型，可知當(dāng)滿足列車滿載率時，1號線列車滿足客流供給需求。一般情況下，當(dāng)最大斷面滿載率達(dá)到75%～90%時，運營組織運輸效率能夠達(dá)到最高，服務(wù)水平也相對比較高。

當(dāng)前1號線早高峰時段上行最大斷面客流量為1.8萬人次/h，列車滿載率取75%和90%時，根據(jù)式（5）計算可得：（1）當(dāng)列車滿載率為75%時，T間隔=3.65，即行車間隔為3 min 39 s;（2）當(dāng)列車滿載率為90%時，T間隔=4.38，即行車間隔為4 min 22 s。

①T間隔=3.65 ②T間隔=4.38

即：①行車間隔為3 min 39 s;

②行車間隔為4 min 22 s。

滿足a≤1，即T間隔≤V×60V客。

根據(jù)列車配置模型計算可得，在當(dāng)前客流狀況下的列車運營配置列車數(shù)為：（1）Y2=29;（2）Y2=25。

通過模型計算得出，運營列車在小時斷面客流為1.8萬人次/h的大客流，滿足列車載客率90%情況下，其列車運行間隔為4 min 22 s，列車運營配置列車數(shù)為25，相對于高峰客流運營列車數(shù)的23列，增加了2列車;在列車滿足滿載率為75%，行車間隔為3 min 39 s時，列車運營配置數(shù)為29列最佳。綜合考慮當(dāng)前的運營現(xiàn)狀及成本，采取增加2列開行列車的行車方式為佳。

同理，1號線在工作日晚高峰時段下行的小時斷面客流量為1.55萬人次/h，通過建立的模型可得：

（1）列車滿載率為90%時，T間隔=5 min，列車配置數(shù)為Y2=21列;

（2）列車滿載率為75%時，T間隔=3 min 57 s，列車配置數(shù)為Y2=27列。

通過模型計算可得，在工作日晚高峰時段采取行車組織優(yōu)化方案措施即加密開行列車的行車方式，增開開行列車2列為佳。

通過以上模型建立分析與計算結(jié)果，結(jié)合實際客流調(diào)研數(shù)據(jù)，針對1號線上下行早晚客流差異特征和上下行客流斷面不均衡問題，采取加密開行列車措施，即加開運營列車。在工作日早高峰時段，上行線增開開行列車數(shù)2列;在工作日晚高峰時段，下行線增開開行列車數(shù)2列。高峰時段單向加開開行列車，提升該方向上的運能，能有效減緩高峰時刻客流壓力。增開的區(qū)段列車可暫停于折返線上，高峰客流時段增開列車的成本及安全作業(yè)任務(wù)條件充足，可從車庫調(diào)度列車。

3.4 1號線運輸能力提升分析

城市軌道交通系統(tǒng)的運輸能力一般定義為：線路某一方向單位時間T（通常為1 h）所能輸送的總旅客人數(shù)。列車運輸能力主要由線路通過能力和列車載客能力兩個因素決定。

運輸能力表示為式（6）：

Z=XY（6）

X=TL（7）

式中：Z——運輸能力（人次）;

X——線路通過能力，即單位時間T內(nèi)可通過的最大列車數(shù)（列）;

Y——列車容納定員載客人數(shù)（人次）;

L——列車最小追蹤間隔時間（min）。

通過式（6）計算南寧軌道交通1號線原行車組織方案的運輸能力與優(yōu)化的行車組織方案的運輸能力，作比較后，結(jié)果得：

早高峰上行：

優(yōu)化后的行車組織方案原行車組織方案=2523-1×100%≈8.7%

晚高峰下行：

優(yōu)化后的行車組織方案原行車組織方案=2119-1×100%≈10.5%

由計算結(jié)果得出，1號線行車組織優(yōu)化方案運輸能力相對于原行車組織方案提升了8.7%。

如前頁表3、表4所示，在對1號線進(jìn)行客流分析及行車組織現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)客流特征的分析和軌道交通行車組織優(yōu)化模型的建立，相比于原1號線行車組織方案，高峰客流時段的斷面客流有所減小，列車滿載率達(dá)到90%。運能相較于原1號線行車組織方案：上行單向運能提升8.7%;下行單向運能提升10.5%。通過優(yōu)化方案模型建立的行車組織方案，其運營效率得到了提升，提高了南寧地鐵1號線的服務(wù)水平。

4 結(jié)語

本文以南寧地鐵1號線為研究對象，通過調(diào)查其運營狀況，分析1號線當(dāng)前的行車組織方案不足以滿足客流需求的原因，并由此通過收集數(shù)據(jù)，掌握客流不同時段的分布特征，分析其斷面客流量，有針對性地設(shè)計出行車組織優(yōu)化方案，解決不同高峰時段客流與運能不匹配的問題。通過設(shè)計模型，調(diào)整1號線的行車方式，即增開區(qū)段列車，通過調(diào)整行車方式后與原行車組織方案運營效率相比較，獲得行車組織優(yōu)化方案，提升運能。但本文的優(yōu)化方案，只是單一線網(wǎng)方向研究，內(nèi)容有局限性。隨著南寧軌道交通的不斷建設(shè)與發(fā)展，南寧市將開通更多的地鐵線路，線網(wǎng)的交路越來越復(fù)雜，因此對于行車組織可以進(jìn)行多方面的研究。

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基金項目：

2018年南寧市青年科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培育項目“南寧地鐵4號線列車自動駕駛停車精度及節(jié)能優(yōu)化研究”（編號：RC20180109）;2017年度南寧市人才小高地專項資金資助項目“列車控制系統(tǒng)仿真平臺普適性研究”（編號：20170403）;2017年度南寧市人才小高地專項資金資助項目“高鐵列控中心系統(tǒng)失效機(jī)理研究”（編號：2017042）;南寧學(xué)院校級教學(xué)團(tuán)隊培育項目“軌道與交通教學(xué)團(tuán)隊”（編號：2021JXTDPY04）

作者簡介：龐彥知（1982—），副教授，研究方向：軌道交通;

陳建球（1984—），副教授，研究方向：軌道交通。