城市軌道交通運力運量匹配評價研究

楊宇航, 方志偉, 宮振沖, 劉雪鵬

(北京軌道交通路網(wǎng)管理有限公司, 北京 100101)

0 引言

城市軌道交通運營企業(yè)在編制列車運行圖時,需準(zhǔn)確地衡量和評估運輸能力與客運需求之間的匹配程度[1],進(jìn)而為優(yōu)化調(diào)整列車運行圖提供決策支撐. 既有研究中,一些學(xué)者用上線車組數(shù)、開行對數(shù)、列車旅行速度[2]等指標(biāo)評價列車運行圖的性能,或聚焦至列車運行過程,通過正點率、晚點時間等指標(biāo)對運行圖的魯棒性、穩(wěn)定性[3-5]進(jìn)行分析,但是上述研究主要關(guān)注列車運行圖自身編制質(zhì)量的高低,較少關(guān)注運行圖運輸能力與客流需求間的匹配關(guān)系. 目前軌道交通運營企業(yè)主要通過高峰小時最大斷面滿載率來刻畫運力運量的匹配協(xié)調(diào)程度,從而指導(dǎo)編制列車運行圖,然而在軌道交通提質(zhì)增效的高質(zhì)量發(fā)展背景下,運力運量匹配不應(yīng)僅僅局限在最擁擠斷面,當(dāng)我們需要關(guān)注某個車站的運力能否滿足乘客出行需要,或平峰時段運力配置是否經(jīng)濟合理時,高峰斷面滿載率指標(biāo)并不能很好地適用. 此外,除了運輸效率,行車組織也應(yīng)關(guān)注服務(wù)水平[6],乘客服務(wù)水平應(yīng)是衡量運力運量匹配程度的另一重要標(biāo)準(zhǔn). 田婉琪[7]考慮乘車舒適度、平均候車時間等指標(biāo),Jiang[8]考慮列車滿載率、留乘人數(shù)等指標(biāo)分析運力運量的匹配情況. 綜上所述,在對城市軌道交通運力與運量的匹配情況進(jìn)行分析評估時,有必要從企業(yè)及乘客視角分別對運力與運量是否匹配進(jìn)行評價,以便更好的支撐運力調(diào)整和運營組織,為運力資源合理配置提供決策.

本文以城市軌道交通線路為研究對象,基于空間、時間2個維度,分析區(qū)間、列車、車站多個空間層次,并結(jié)合運營時段,綜合考慮運輸能力利用情況和乘客服務(wù)水平2個運力運量匹配基本要素給出運力運量匹配評價方法,并以北京軌道交通線路為例驗證方法的實用性.

1 評價指標(biāo)選擇

1.1 運力運量匹配多層次分析

城市軌道交通運力運量匹配包括各區(qū)間、列車、車站等空間層次的匹配,同時,每1個空間層次又可從不同時段進(jìn)行評價,從而得到不同時空維度的匹配情況.

1.1.1 空間層次

1)區(qū)間層

區(qū)間層運力運量匹配指區(qū)間運輸能力與客流的匹配程度,需要區(qū)分線路的上下行,既有研究及實際運營過程中普遍用斷面滿載率指標(biāo)來體現(xiàn).

2)列車層

列車層運力運量匹配與區(qū)間層類似,指列車額定載客能力與實際承載客流之間的匹配程度,反映了乘客對列車車廂的利用程度或車廂的擁擠程度.

3)車站層

車站層運力運量匹配指車站的運輸能力與車站客流需求的匹配程度,此處車站的運輸能力指一段時間內(nèi)列車到達(dá)該站后在額定定員的限制下還能承載的運力. 車站層運力運量匹配可很好的反映各個車站的運力供給與客流的協(xié)調(diào)匹配情況.

1.1.2 時間層次

時間層次劃分較為靈活,可根據(jù)早高峰、平峰、晚高峰等運營時段對運力運量匹配性進(jìn)行分析,也可按小時對全日進(jìn)行分時分析,或結(jié)合需要直接分析高峰小時以及其他時段的運力運量匹配情況.

1.2 評價指標(biāo)

運力與運量的協(xié)調(diào)匹配從運營企業(yè)角度考慮需要保證一定的能力利用效率,從乘客角度考慮應(yīng)保證一定的出行體驗及服務(wù)水平. 本文選取如下反映運輸能力利用及服務(wù)水平的指標(biāo)進(jìn)行評價.

1.2.1 運輸能力利用評價指標(biāo)

1)斷面滿載率

區(qū)間運輸能力利用情況可用斷面滿載率進(jìn)行評價,表示單位時間內(nèi)運營線路單向斷面客流量與相應(yīng)斷面運力的比值[9],見式(1):

(1)

2)列車滿載率

列車能力的利用情況可用列車滿載率進(jìn)行評價見式(2):

(2)

3)車站運力運量匹配度

車站運力運量匹配度反映了在額定定員的限制下,列車到達(dá)車站的剩余能力與客流需求是否匹配.車站運力運量匹配度計算方法見式(3):

(3)

(4)

1.2.2 乘客服務(wù)水平評價指標(biāo)

1)列車舒適度

列車舒適度主要取決于列車在每個區(qū)間的載客量,當(dāng)乘客都有座位時,舒適度最高,可量化表示為1;隨著車廂人數(shù)增多,擁擠程度越來越大,舒適度隨之降低;當(dāng)列車載客數(shù)量超過列車定員時可認(rèn)為舒適度為0.列車舒適度計算方法為[1]：

(5)

2)區(qū)間舒適度

區(qū)間舒適度是對研究時段內(nèi)經(jīng)過該區(qū)間所有列車舒適度的總體評價,計算方法與列車舒適度相同[7]：

(6)

式中,fα,i(t)表示t時段內(nèi)區(qū)間α方向i的舒適度;Caα,i(t)表示t時段內(nèi)所有列車的累計額定載客量;Seα,i(t)表示t時段內(nèi)累計座位數(shù).

3)車站滯留人數(shù)

當(dāng)列車容量無法容納乘客繼續(xù)上車時,乘客只能滯留在站臺等候下一趟列車.當(dāng)站臺人數(shù)增多,乘客擁擠極易引發(fā)踩踏等安全事故[10],因此車站滯留人數(shù)是衡量車站運力運量是否匹配的重要指標(biāo).

2 評價方法

2.1 區(qū)間層

區(qū)間層匹配情況通過斷面滿載率及區(qū)間舒適度進(jìn)行評價.

采用斷面滿載率評價時可設(shè)置1個理想的滿載率標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)既要體現(xiàn)運輸能力利用率,又要確保運營安全,評價時可用理想滿載率與實際滿載率的差距反映運輸能力利用的合理程度:

(7)

式中,Pα,i(t)為t時段內(nèi)區(qū)間α方向i的運力運量匹配度;μ(t)為t時段的理想滿載率.Pα,i(t)越接近 1匹配度越高,反之匹配度越低.若設(shè)置平峰時段理想滿載率為50%,高峰時段理想滿載率為80%,當(dāng)匹配度不小于0.8時,平峰、高峰滿載率分布分別為[0.40,0.60]、[0.64,0.96],上述滿載率在實際運營過程中是較為合理的,因此評價時可認(rèn)為匹配度不小于0.8比較合理.

采用區(qū)間舒適度評價時,通過對北京市軌道交通運營線路進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查,當(dāng)列車車廂內(nèi)座位剛好都被占用時列車滿載率約為30%;同時基于表1給出的車廂內(nèi)乘客狀態(tài)與列車滿載率關(guān)系[11],結(jié)合式(6)計算得到表2所示的車廂內(nèi)乘客感受與舒適度、列車滿載率對應(yīng)關(guān)系.

表1 列車車廂內(nèi)乘客狀態(tài)及對應(yīng)滿載率 %

表2 列車車廂乘客感受評價及舒適度取值

由于區(qū)間舒適度是對研究時段內(nèi)經(jīng)過該區(qū)間所有列車舒適度的總體評價,且計算方法相同,因此表2對于區(qū)間舒適度、列車舒適度均適用.

2.2 列車層

列車層匹配情況通過列車滿載率、列車舒適度進(jìn)行分析評價,其評價方法與區(qū)間層運力運量匹配評價方法相同.

2.3 車站層

車站層匹配情況通過車站運力運量匹配度、車站滯留人數(shù)進(jìn)行評價.

在運輸能力利用方面,針對式(3)提出的車站運力運量匹配度,ps,i(t)大于1說明車站運力充足;等于1說明車站可承載運力剛好滿足客流需求,但可能無法適應(yīng)今后客流增長帶來的風(fēng)險;小于1說明運力不足. 評價時可結(jié)合運營管理需要設(shè)置理想的匹配度取值,如設(shè)置理想匹配度區(qū)間為(1.2,+∞).

在服務(wù)水平方面,可通過現(xiàn)場調(diào)查得到車站最大滯留人數(shù)并對其服務(wù)水平及風(fēng)險進(jìn)行評價. 結(jié)合北京市軌道交通運營實踐經(jīng)驗,站臺滯留風(fēng)險級別可按表3所示規(guī)則進(jìn)行判別.

表3 站臺滯留風(fēng)險級別判別

3 實例分析

本文以工作日北京軌道交通15號線為例進(jìn)行實例分析. 早高峰15號線實行大小交路套跑,大交路為俸伯—清華東路西口,小交路為后沙峪—清華東路西口,最小間隔3′40″;晚高峰及平峰均為單一交路運行,晚高峰間隔4′15″,平峰間隔6′. 分析數(shù)據(jù)由北京軌道交通AFC系統(tǒng)刷卡進(jìn)站數(shù)據(jù)、清分?jǐn)?shù)據(jù)及現(xiàn)場調(diào)研獲取.

3.1 區(qū)間層評價

以15號線下行為例,以1 h為粒度計算各區(qū)間斷面滿載率情況得到圖1. 可看出早高峰15號線下行滿載率較高,08:00—09:00孫河—望京的連續(xù) 4個區(qū)間滿載率均大于100%,其中崔各莊—望京東滿載率達(dá)到最高115%;早高峰向平峰過渡段 09:00—10:00最大滿載率接近90%;晚高峰滿載率整體較低,僅18:00—19:00望京—望京西超過60%. 其余時段大部分區(qū)間的滿載率較低,均在55%以下.

圖1 15號線下行工作日滿載率時空分布

計算各區(qū)間運力運量匹配度情況如圖2所示.

圖2 各區(qū)間運力運量匹配度時空分布

由圖2可看出,早高峰07:00—08:00石門—望京的滿載率接近理想滿載率,匹配度較高;08:00—09:00孫河—望京由于滿載率較高因此匹配度較低,石門—國展、望京—大屯路東分別處于擁擠區(qū)段前后,滿載率接近80%,匹配度較高. 09:00—11:00擁擠區(qū)段仍未完全退峰,線路兩端部分區(qū)間因客流較小而滿載率較低、匹配度較小,其他區(qū)間的匹配度均處于較高水平. 晚高峰至晚平峰望京東—大屯路東的匹配度相對較高,其他區(qū)間匹配度均小于0.5,結(jié)合滿載率來看,運力存在一定程度的浪費. 午平峰時段10:00—11:00孫河—望京的匹配度較為合理,其他區(qū)間匹配度均小0.8;11:00—17:00線路各區(qū)間匹配度均不超過0.6,滿載率最大僅31%,運力同樣存在一定程度的浪費.

在乘客服務(wù)水平方面,計算得到圖3所示的舒適度時空分布. 可看出,早晚高峰因客流量大、車廂擁擠乘客的舒適度較低. 結(jié)合表2給出的乘客感受與舒適度對應(yīng)關(guān)系,07:00—08:00石門—望京、08:00—09:00石門—望京西、09:00—10:00國展—望京東乘客出行感到擁擠,特別是08:00—09:00孫河—望京的舒適度為0,服務(wù)水平最低. 除了 09:00—10:00,其他平峰時段的舒適度均較高.

圖3 各區(qū)間舒適度時空分布

3.2 列車層評價

對15號線下行早高峰部分列車滿載率及運力運量匹配度進(jìn)行計算,得到圖4、圖5. 可看出,早高峰小交路列車滿載率普遍低于大交路列車,車廂擁擠程度也較低,運力運量匹配度更為合理. 大交路列車在南法信的離站滿載率即已超過100%,部分列車直至換乘站望京西后滿載率才降至100%以下,各次列車的運力運量匹配度自后沙峪起逐漸下降,部分列車的匹配度甚至降至0.2,望京西之后匹配度才有所回升.

圖4 列車滿載率時空分布

圖5 列車運力運量匹配度時空分布

進(jìn)一步計算各次列車舒適度得到圖6. 可看出,小交路列車僅在客流較大斷面馬泉營—望京東的舒適度較低,在其他區(qū)間舒適度處于合理范圍內(nèi). 大交路列車普遍自石門起就處于較為擁擠狀態(tài),直至大屯路東之后舒適度才回到合理區(qū)間,其中后沙峪—望京的列車舒適度為0,服務(wù)水平顯著下降.

圖6 列車舒適度時空分布

將列車層評價結(jié)果與區(qū)間層評價結(jié)果進(jìn)行對比,可看出區(qū)間層評價能快速、全面的掌握線路運力運量匹配情況,但是在一定程度上忽略了客流尖峰時段,特別是對單列車能力利用及服務(wù)水平的分析. 然而對于乘客來說,他們無法站在運營管理人員的視角對一段時間內(nèi)的運力運量匹配情況進(jìn)行整體性評價,列車層評價則可進(jìn)一步聚焦至微觀層面,站在乘客的視角去發(fā)現(xiàn)運力運量匹配存在的問題和瓶頸,以便對癥下藥.

3.3 車站層評價

對15號線下行早高峰08:00—09:00各車站運力運量匹配度進(jìn)行計算,得到圖7. 可看出,崔各莊、馬泉營、望京東3座車站的匹配度最低,崔各莊、馬泉營的匹配度為0,望京東的匹配度僅為0.1. 此外國展的匹配度為1.2,運力可滿足客流需求,但是若未來客流增長或舉辦大型活動發(fā)生聚集性客流時,存在不能適應(yīng)大客流的風(fēng)險. 其余車站的運力運量匹配度均大于1.8,運力可充分滿足客流需求.

圖7 各車站運力運量匹配度

在乘客服務(wù)水平方面,對早高峰15號線下行各車站滯留情況進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查,表4展示了風(fēng)險等級為C及以上的車站調(diào)查結(jié)果.

可看出,后沙峪、南法信、馬泉營存在較多的乘客滯留現(xiàn)象. 進(jìn)一步對比分析發(fā)現(xiàn)站臺滯留情況與匹配度分析結(jié)果并不完全一致,原因主要和行車方案、客流大小及乘客選擇有關(guān):3座車站均為早高峰進(jìn)站量相對較大的車站,其中后沙峪早高峰為小交路列車始發(fā)站,一些乘客會主動留乘選擇等候空車出行,因此滯留乘客最多;早高峰部分列車達(dá)到南法信時滿載率達(dá)到80%以上,由于車站進(jìn)站量較大,列車能力有時無法滿足所有乘客上車,部分乘客同樣會選擇等候下一趟列車;馬泉營乘客滯留則主要與進(jìn)站量較大、可承載運力較小、運力運量匹配度較低有關(guān). 針對崔各莊、望京東等運力運量匹配度較低但滯留風(fēng)險也較低的情況,主要是由于兩座車站的進(jìn)站量較小,且車站位于擁擠區(qū)段,所有列車的到站滿載率均已達(dá)到100%,各次列車對乘客來說是無差別的,高峰時期不存在等候下一列車即可輕松上車的情況,因此乘客一般會來車即走,這兩座車站的列車滿載率往往在100%以上. 上述分析也說明了運力運量匹配評價將數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場驗證相結(jié)合,多角度、多手段評價的必要性.

3.4 運力配置優(yōu)化建議

針對早高峰線路滿載率較高,尤其是南法信—望京西運力運量匹配矛盾較為突出的問題,建議增加上線車縮小行車間隔. 考慮到15號線存在配車數(shù)不足的問題,基于既有交路提升運力受到限制,建議結(jié)合15號線配線條件將小交路調(diào)整至后沙峪—大屯路東,高峰時段將運力精準(zhǔn)投放至運力緊張區(qū)段. 此外,可結(jié)合各車站客流特點,早高峰開行上行大站快車,快車在乘客集散量較小的車站通過不停車,加快列車周轉(zhuǎn). 然而,為充分應(yīng)對客流進(jìn)一步增長的風(fēng)險,應(yīng)盡早推進(jìn)新車增購并上線運營,從根本上提升線路運力. 針對平峰滿載率及運力利用率較低的現(xiàn)象,可適當(dāng)擴大行車間隔,間隔由6 min調(diào)整為 7 min、8 min時,運力利用率分別提高14.3%、25.0%.

4 結(jié)論

本文以城市軌道交通線路為評價對象,從區(qū)間、列車、車站多個空間層次,基于高峰、平峰時間分布,運用數(shù)據(jù)分析、模型量化、現(xiàn)場驗證多種手段,綜合考慮運輸能力利用情況和乘客服務(wù)水平兩個運力運量匹配基本要素,選擇合適的指標(biāo),建立了運力運量時空匹配評價體系,給出了運力運量匹配評價方法. 選擇北京軌道交通15號線開展了評價實例分析,結(jié)果表明了15號線在運力運量匹配方面存在一定的不足,有必要結(jié)合運力運量匹配分析評價結(jié)果對運力配置進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化. 同時,分析過程也表明:建立 1套多層次、多角度、多手段評價體系,才能保證分析評價工作的全面性和精準(zhǔn)性,且更符合城市軌道交通客運組織精細(xì)化管理及高質(zhì)量發(fā)展需要.