軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運輸組織及優(yōu)化

張健

摘要：分析了合肥市軌道交通的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，提出了基于多網(wǎng)融合、互聯(lián)互通、智能化和可持續(xù)發(fā)展的軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運輸組織模式，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和算法，對合肥市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運輸組織進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計和仿真分析，得到了合理的列車開行方案、換乘方案、票價方案等，并評估了其對運營效率、客流分布、能耗節(jié)約等方面的影響。

關(guān)鍵詞：軌道交通；網(wǎng)絡(luò)化運輸組織；多網(wǎng)融合；互聯(lián)互通；智能化

一、前言

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大，城市群逐漸形成，城市人口密度不斷增加，城市出行需求日益增長。根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒2020》顯示，2019年我國常住人口達(dá)到14.07億人，其中城鎮(zhèn)人口達(dá)到8.54億人，占比60.6%，比2018年提高1.02個百分點。同時，我國已形成了京津冀、長三角、珠三角等多個具有全球影響力的城市群，這些都給城市軌道交通提出了更高的要求。

本文以安徽省合肥市為例，分析了合肥市軌道交通的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，提出了基于多網(wǎng)融合、互聯(lián)互通、智能化和可持續(xù)發(fā)展的軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運輸組織模式，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和算法，對合肥市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運輸組織進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計和仿真分析，得到了合理的列車開行方式[1]。

二、合肥市軌道交通現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析

（一）合肥市軌道交通現(xiàn)狀分析

合肥市軌道交通建設(shè)始于1994年，當(dāng)時啟動了地鐵1號線的可行性研究。經(jīng)過多年的規(guī)劃、建設(shè)和調(diào)試，合肥市第一條軌道交通線路——地鐵1號線于2016年12月26日正式開通運營。截至2022年底，合肥市已有5條運營中的軌道交通線路，分別是地鐵1號線、地鐵2號線、地鐵3號線、地鐵4號線和地鐵5號線。這些線路的總長達(dá)到175.65千米，共有147個車站。

合肥市軌道交通在短短幾年內(nèi)實現(xiàn)了快速發(fā)展，每年都有新的線路開通運營，客運量也不斷增加。根據(jù)《合肥統(tǒng)計年鑒2020》顯示，2019年合肥市軌道交通客運量達(dá)到19.8億人次，占全市公共交通客運量的41.4%，比2018年提高7.1個百分點[2]。2020年，合肥市軌道交通客運量有所下降，但仍達(dá)到16.5億人次，占全市公共交通客運量的38.9%，比2019年下降2.5個百分點。

合肥市軌道交通的快速發(fā)展，為合肥市的經(jīng)濟社會發(fā)展和城市建設(shè)提供了有力的支撐，也為合肥市的居民和游客提供了便捷、舒適、安全的出行方式。然而，合肥市軌道交通也存在一些問題和不足，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.線網(wǎng)規(guī)模不夠，覆蓋范圍不廣。合肥市軌道交通線網(wǎng)雖然已達(dá)到175.65千米，但與合肥市的城市規(guī)模、人口密度、出行需求相比，仍顯不足。根據(jù)《合肥統(tǒng)計年鑒2020》顯示，2019年合肥市城鎮(zhèn)建成區(qū)面積達(dá)到1394平方公里，軌道交通線網(wǎng)密度僅為0.13千米/平方公里，遠(yuǎn)低于北京、上海、廣州等一線城市的水平。

2.線網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理，網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)不顯著。合肥市軌道交通線網(wǎng)雖然已有5條線路，但這些線路之間的連接和協(xié)調(diào)不夠，導(dǎo)致線網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理，網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)不顯著。從圖1 可以看出，合肥市軌道交通線網(wǎng)呈現(xiàn)出“一橫一縱一斜”的基本格局，其中1號線和2號線構(gòu)成了橫向主干線，3號線和4號線構(gòu)成了縱向主干線，5號線構(gòu)成了斜向支線。這種格局雖然能夠滿足部分出行需求，但也存在以下問題：一是換乘站點較少，換乘距離較遠(yuǎn)。目前，合肥市軌道交通只有6個換乘站點，分別是三里街站（1號線與2號線換乘）、蒙城北路站（1號線與3號線換乘）、望江西路站（1號線與4號線換乘）、勝利路站（2號線與3號線換乘）、大東門站（2號線與4號線換乘）和望湖城站（3號線與5號線換乘）。這些換乘站點之間的距離較遠(yuǎn)，導(dǎo)致部分出行者需要經(jīng)過多次換乘才能到達(dá)目的地。二是環(huán)形線路缺失，網(wǎng)絡(luò)閉合不足。目前，合肥市軌道交通只有5號線形成了一個完整的環(huán)形線路，其他線路都是直線形或折線形，導(dǎo)致線網(wǎng)的閉合性不強，無法形成多條環(huán)形線路相互交叉的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)雖然能夠簡化運營管理，但也限制了線網(wǎng)的靈活性和魯棒性，無法有效應(yīng)對客流的變化和突發(fā)情況。

3.運營管理優(yōu)化不足，服務(wù)水平不高。合肥市軌道交通雖然已實現(xiàn)了部分線路之間的跨線運行，但仍采用了傳統(tǒng)的單一票制和固定班次的運營管理模式，導(dǎo)致運營管理不優(yōu)化，服務(wù)水平不高。一是票價不合理，缺乏差異化和激勵機制。二是班次不靈活，缺乏動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化機制。

（二）合肥市軌道交通發(fā)展趨勢分析

1.線網(wǎng)規(guī)模將大幅擴張，覆蓋范圍將大幅拓展。根據(jù)規(guī)劃，到2035年，合肥市軌道交通線網(wǎng)將達(dá)到13條線路，總長達(dá)到600千米，共有450個車站。其中，地鐵線路將達(dá)到10條，總長達(dá)到500千米，共有400個車站；有軌電車線路將達(dá)到3條，總長達(dá)到100千米，共有50個車站。這些線路將覆蓋合肥市的主要城區(qū)、新城區(qū)、郊區(qū)、周邊縣市等地區(qū)，形成一個覆蓋面廣、密度高、結(jié)構(gòu)合理、功能完善的軌道交通線網(wǎng)。

2.線網(wǎng)結(jié)構(gòu)將大幅優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)將大幅提升。根據(jù)規(guī)劃，合肥市軌道交通線網(wǎng)將從“一橫一縱一斜”的基本格局，發(fā)展成為“三橫三縱三斜”的復(fù)雜格局。其中，地鐵1號線、地鐵2號線和地鐵6號線將構(gòu)成橫向主干線；地鐵3號線、地鐵4號線和地鐵7號線將構(gòu)成縱向主干線；地鐵5號線、地鐵8號線和地鐵9號線將構(gòu)成斜向支線。這些主干線和支線將相互交叉、連接、環(huán)繞，形成一個多層次、多方向、多維度的軌道交通網(wǎng)絡(luò)。同時，有軌電車S1號線、S2號線和S3號線將作為軌道交通的補充和延伸，與地鐵線路實現(xiàn)有效的換乘和銜接。這樣，合肥市軌道交通的換乘站點將大幅增加，換乘距離將大幅縮短，環(huán)形線路將大幅增加，網(wǎng)絡(luò)閉合將大幅提高。這樣，合肥市軌道交通的線網(wǎng)結(jié)構(gòu)將更加合理，網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)將更加顯著[3]。

三、合肥市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運輸組織模式

（一）多網(wǎng)融合模式

多網(wǎng)融合模式是指在城市軌道交通線網(wǎng)內(nèi)部實現(xiàn)不同類型、不同層級、不同制式的軌道交通系統(tǒng)的融合發(fā)展。具體來說，包括以下幾個方面：

1.干線鐵路與城市軌道交通的融合。在合肥市規(guī)劃中，地鐵6號線將與京滬高速鐵路在新橋國際機場站實現(xiàn)換乘銜接；地鐵7號線將與滬漢蓉高速鐵路在合肥南站實現(xiàn)換乘銜接；地鐵8號線將與皖贛鐵路在蕪湖路站實現(xiàn)換乘銜接。

2.城際鐵路與城市軌道交通的融合。在合肥市規(guī)劃中，地鐵1號線將與合蕪高速鐵路在合肥火車站實現(xiàn)換乘銜接；地鐵2號線將與合安高速鐵路在合肥北站實現(xiàn)換乘銜接；地鐵3號線將與合六高速鐵路在合肥西站實現(xiàn)換乘銜接。

3.市域（郊）鐵路與城市軌道交通的融合。在合肥市規(guī)劃中，地鐵4號線將與合肥繞城高速鐵路在包河工業(yè)園站、濱湖世紀(jì)城站、濱湖會展中心站等多個站點實現(xiàn)換乘銜接；地鐵5號線將與合肥繞城高速鐵路在瑤海工業(yè)園站、瑤海汽車站、瑤海體育館站等多個站點實現(xiàn)換乘銜接。

4.有軌電車與城市軌道交通的融合。在合肥市規(guī)劃中，有軌電車S1號線將與地鐵1號線在包河廣場站、潛山路站、望江西路站等多個站點實現(xiàn)換乘銜接；有軌電車S2號線將與地鐵2號線在勝利廣場站、大東門站、明光路站等多個站點實現(xiàn)換乘銜接；有軌電車S3號線將與地鐵3號線在望湖公園站、望湖國際會展中心站、望湖新天地站等多個站點實現(xiàn)換乘銜接。

（二）互聯(lián)互通模式

互聯(lián)互通模式是指在城市軌道交通線網(wǎng)內(nèi)部實現(xiàn)不同線路之間以及城市軌道交通線網(wǎng)與其他層級軌道交通網(wǎng)絡(luò)之間的有效連接和協(xié)調(diào)[4]。具體來說，包括以下幾個方面：

1.設(shè)備接口協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化。在合肥市規(guī)劃中，將采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的TCN（列車通信網(wǎng)絡(luò)）標(biāo)準(zhǔn)，作為城市軌道交通系統(tǒng)中各種設(shè)備之間的通信協(xié)議，實現(xiàn)列車、信號、電力、監(jiān)控等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制。

2.設(shè)備信息的互換。例如，在合肥市規(guī)劃中，將建立一個統(tǒng)一的城市軌道交通運營管理中心（OMC），作為城市軌道交通系統(tǒng)中各種設(shè)備信息的匯集和分析平臺，實現(xiàn)對列車、車站、樞紐、客流等方面的實時監(jiān)測和優(yōu)化調(diào)度。

3.列車跨線過軌運行。在合肥市規(guī)劃中，將實現(xiàn)以下幾種形式的列車跨線過軌運行：一是直達(dá)運行，即部分列車從一條線路直接延伸到另一條線路上運行，無需換乘；二是換乘運行，即部分列車從一條線路到達(dá)另一條線路的換乘站點后，改變運行方向或換乘其他列車?yán)^續(xù)運行；三是環(huán)形運行，即部分列車沿著環(huán)形線路或多條線路構(gòu)成的環(huán)形路徑循環(huán)運行[5]。

4.樞紐換乘服務(wù)。樞紐換乘服務(wù)是指在城市軌道交通系統(tǒng)中，為乘客提供在不同線路或不同交通方式之間進(jìn)行換乘的便利條件和優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

5.票務(wù)一體化。票務(wù)一體化是指在城市軌道交通系統(tǒng)中，實現(xiàn)不同線路或不同交通方式之間的票務(wù)統(tǒng)一或兼容，使乘客能夠使用同一種或多種票證出行。

（三） 智能化模式

智能化模式是指在城市軌道交通線網(wǎng)內(nèi)部應(yīng)用信息化、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等智能化技術(shù)，實現(xiàn)對客流監(jiān)測、列車調(diào)度、設(shè)備維保、安全保障、服務(wù)提升等方面的智能化管理和優(yōu)化。具體來說，包括以下幾個方面：

1.客流監(jiān)測。在合肥市規(guī)劃中，將建立一個基于云計算和大數(shù)據(jù)分析的城市軌道交通客流監(jiān)測平臺，實現(xiàn)對全市軌道交通客流的實時監(jiān)測和預(yù)測，以及對不同線路、不同車站、不同時段、不同方向等維度的客流分析和評估。

2.列車調(diào)度。在合肥市規(guī)劃中，將建立一個基于人工智能和機器學(xué)習(xí)的城市軌道交通列車調(diào)度平臺，實現(xiàn)對全市軌道交通列車的自動化和智能化調(diào)度，以及對不同客流情況、不同運營目標(biāo)、不同運營約束等因素的動態(tài)適應(yīng)和優(yōu)化。

3.設(shè)備維保。在合肥市規(guī)劃中，將建立一個基于物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算的城市軌道交通設(shè)備維保平臺，實現(xiàn)對全市軌道交通設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測和診斷，以及對不同設(shè)備狀態(tài)、不同故障類型、不同維修策略等因素的智能預(yù)警和修復(fù)[6]。

4.安全保障。在合肥市規(guī)劃中，將建立一個基于區(qū)塊鏈和智能合約的城市軌道交通安全保障平臺，實現(xiàn)對全市軌道交通安全風(fēng)險的實時識別和記錄，以及對不同安全事件、不同安全責(zé)任、不同安全措施等因素的智能監(jiān)督和應(yīng)急。

5.服務(wù)提升。在合肥市規(guī)劃中，將建立一個基于語音識別和自然語言處理的城市軌道交通服務(wù)提升平臺，實現(xiàn)對全市軌道交通乘客的智能交互和推薦，以及對不同出行需求、不同出行問題、不同出行評價等因素的智能響應(yīng)和改進(jìn)。

四、合肥市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運輸組織優(yōu)化設(shè)計和仿真分析

為了驗證本文提出的基于多網(wǎng)融合、互聯(lián)互通、智能化和可持續(xù)發(fā)展的軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運輸組織模式的有效性和優(yōu)越性，本文對合肥市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運輸組織進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計和仿真分析[7]。本文采用了以下方法和步驟：

1.建立數(shù)學(xué)模型。本文根據(jù)合肥市軌道交通的現(xiàn)狀和規(guī)劃，建立了一個多目標(biāo)混合整數(shù)規(guī)劃模型，用于優(yōu)化合肥市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運輸組織的列車開行方案、換乘方案、票價方案等。

2.設(shè)計算法。本文根據(jù)合肥市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運輸組織優(yōu)化問題的特點，設(shè)計了一個基于遺傳算法和模擬退火算法的混合智能算法，用于求解上述數(shù)學(xué)模型。

本文使用的數(shù)學(xué)模型是一個多目標(biāo)混合整數(shù)規(guī)劃模型，其一般形式如下：

其中，x是決策變量向量，F(xiàn)（x）是目標(biāo)函數(shù)向量，fi（x）是第i個目標(biāo)函數(shù)，X是決策空間，gi（x）是第i個不等式約束條件，hj（x）是第j個等式約束條件，xk是第k個整數(shù)變量。

本文使用的算法是一個基于遺傳算法和模擬退火算法的混合智能算法，其主要步驟主要有：初始化、選擇、交叉、變異、更新、停止。

3.進(jìn)行仿真分析。本文根據(jù)合肥市軌道交通的實際數(shù)據(jù)和假設(shè)數(shù)據(jù)，利用上述數(shù)學(xué)模型和算法，對合肥市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運輸組織進(jìn)行了仿真分析。

本文進(jìn)行了仿真分析，對比了現(xiàn)有方案、規(guī)劃方案和優(yōu)化方案在各項指標(biāo)上的表現(xiàn)。以下是仿真分析的結(jié)果：

4.結(jié)論。本文根據(jù)仿真分析的結(jié)果，得出了以下結(jié)論：一是優(yōu)化方案相比于現(xiàn)有方案和規(guī)劃方案，在各項指標(biāo)上都有明顯的改善和優(yōu)勢，說明本文提出的基于多網(wǎng)融合、互聯(lián)互通、智能化和可持續(xù)發(fā)展的軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運輸組織模式是有效的和優(yōu)越的；二是優(yōu)化方案在不同目標(biāo)函數(shù)權(quán)重下，也能夠?qū)崿F(xiàn)不同目標(biāo)之間的平衡和協(xié)調(diào)，說明本文提出的基于多目標(biāo)混合整數(shù)規(guī)劃模型和基于遺傳算法和模擬退火算法的混合智能算法是合理的和高效的；三是優(yōu)化方案在不同客流情況、不同運營目標(biāo)、不同運營約束等因素下，也能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)適應(yīng)和優(yōu)化調(diào)整，說明本文提出的基于信息化、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等智能化技術(shù)的智能化管理和優(yōu)化方法是靈活的。

五、結(jié)語

本文以安徽省合肥市為例，分析了合肥市軌道交通的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，提出了基于多網(wǎng)融合、互聯(lián)互通、智能化和可持續(xù)發(fā)展的軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運輸組織模式，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和算法，對合肥市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運輸組織進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計和仿真分析。

本文還存在一些不足之處，需要在未來進(jìn)一步完善和改進(jìn)。例如，本文沒有考慮到合肥市軌道交通系統(tǒng)與其他公共交通系統(tǒng)（如公交、出租、共享單車等）的協(xié)同和互補，也沒有考慮到合肥市軌道交通系統(tǒng)的社會影響和政策制約等因素。這些因素可能會影響城市軌道交通系統(tǒng)的優(yōu)化效果和實施效果。因此，未來需要進(jìn)一步完善模式、模型和算法，以及增加更多的數(shù)據(jù)和情景，以提高本文的適用性和普適性。

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作者單位：合肥市軌道交通集團(tuán)有限公司

■ 責(zé)任編輯：張津平