線網(wǎng)結(jié)構(gòu)下的城市軌道交通運(yùn)輸組織行車方法

摘 要：針對(duì)城市軌道交通運(yùn)行因復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性使得站內(nèi)擁堵、列車延誤以及乘客換乘困難等問(wèn)題。本文提出了基于線網(wǎng)結(jié)構(gòu)的城市軌道交通運(yùn)輸組織行車方法，旨在提升城市軌道交通運(yùn)行效率需要，推動(dòng)城市可持續(xù)發(fā)展。首先，詳細(xì)分析了城市軌道交通運(yùn)輸組織協(xié)調(diào)。闡述了軌道交通吸引范圍線網(wǎng)優(yōu)化，明確了軌道交通周邊吸引職能、軌道交通站點(diǎn)分類和軌道交通協(xié)調(diào)線路規(guī)劃。提出了基于改進(jìn)遺傳灰狼優(yōu)化算法的城市軌道交通行車求解方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性和可行性。結(jié)果表明，該方法輸出最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值為178，總運(yùn)營(yíng)成本為4986元，生成銜接公交線路4條，有效提升城市軌道交通運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：線網(wǎng)結(jié)構(gòu) 城市軌道交通 運(yùn)輸組織行車 吸引范圍線網(wǎng) 改進(jìn)遺傳灰狼優(yōu)化算法

1 緒論

城市軌道交通作為城市公共交通體系的核心組成部分，近年來(lái)在緩解城市交通擁堵問(wèn)題、提高出行效率以及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用。城市軌道交通的運(yùn)行特點(diǎn)具有復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性，這使得其行車組織策略的科學(xué)制定與有效實(shí)施成為一項(xiàng)復(fù)雜而系統(tǒng)的工程。尤其是在高峰時(shí)段，乘客流量劇增，線路運(yùn)力承載壓力陡然上升，往往導(dǎo)致站內(nèi)擁堵、列車延誤以及乘客換乘困難等問(wèn)題。這些問(wèn)題不僅影響了城市公共交通系統(tǒng)的整體運(yùn)作效率，也在一定程度上降低了乘客的滿意度[1]。因此，對(duì)城市軌道交通行車組織中存在的問(wèn)題及其協(xié)同的深入分析，不僅可以提升城市軌道交通運(yùn)行效率的需要，更可以推動(dòng)城市可持續(xù)發(fā)展，為未來(lái)研究提供寶貴的參考依據(jù)。

2 城市軌道交通運(yùn)輸組織協(xié)調(diào)分析

軌道交通與其他公交方式的協(xié)調(diào)是讓公交為軌道交通服務(wù)，使其連接為一個(gè)整體，吸引更多乘客選擇軌道交通出行。對(duì)交通協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)需要考慮很多因素，包括乘客的出行需求與目的等。由于軌道交通系統(tǒng)建立比公交晚，建設(shè)成本高，故對(duì)公交從站點(diǎn)、線網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)方面進(jìn)行協(xié)調(diào)，來(lái)滿足城市公共交通需求[2]。城市軌道交通協(xié)調(diào)，如表1所示。

2.1 線網(wǎng)優(yōu)化協(xié)調(diào)

由于軌道交通線路的固定性，交通協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)的協(xié)調(diào)主要以其他公交線路配合軌道交通。在我國(guó)，其他公交在軌道交通建成前通常是主要的城市公共交通方式。當(dāng)軌道交通建成后，由于其明顯的優(yōu)勢(shì)，其他公交的乘客流量會(huì)被吸引到軌道交通上，需要布設(shè)銜接軌道站點(diǎn)的公交線路，以協(xié)調(diào)軌道交通的客流集散。在優(yōu)化公交網(wǎng)絡(luò)時(shí)，目標(biāo)不僅是提高公交運(yùn)輸效率和運(yùn)營(yíng)效益，更要考慮包括軌道交通在內(nèi)的整個(gè)城市交通系統(tǒng)的效率與效益[3]。其他公交線路的優(yōu)化目標(biāo)主要包括以下幾點(diǎn)。

根據(jù)軌道交通線路調(diào)整公交線路，來(lái)避免爭(zhēng)搶客流；讓其他公交為軌道交通進(jìn)行補(bǔ)充，發(fā)揮軌道交通的優(yōu)勢(shì)減少接駁時(shí)間，提高軌道交通吸引力，引導(dǎo)更多乘客使用軌道交通，從而減緩城市交通擁堵問(wèn)題；在優(yōu)化其他公交線路時(shí)，需要綜合考慮上述目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)公共交通系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展和城市交通的可持續(xù)發(fā)展[4]。

2.2 運(yùn)營(yíng)協(xié)調(diào)

運(yùn)營(yíng)協(xié)調(diào)是確保乘客在軌道交通與其他公交換乘過(guò)程中無(wú)縫銜接的關(guān)鍵措施。它涉及運(yùn)能匹配、合理調(diào)度和管理政策等方面，以保證乘客的連續(xù)出行體驗(yàn)。換乘站與銜接公交線路是軌道交通與其他公共交通建立聯(lián)系的基礎(chǔ)，要實(shí)現(xiàn)有效的連接，還需要從運(yùn)營(yíng)角度進(jìn)行各環(huán)節(jié)整體協(xié)調(diào)，如：公交換乘地鐵后票價(jià)減半等[5]。

客流協(xié)調(diào)分配：將軌道交通和其他公交的運(yùn)營(yíng)整合到一個(gè)統(tǒng)一的管理體系下，確保運(yùn)營(yíng)計(jì)劃、調(diào)度和監(jiān)管能夠有機(jī)結(jié)合，協(xié)同作戰(zhàn)，確保其他公交配合軌道交通進(jìn)行客流運(yùn)輸。優(yōu)化換乘：在換乘站點(diǎn)提供便捷的換乘服務(wù)，包括信息發(fā)布、導(dǎo)向標(biāo)識(shí)、舒適的候車環(huán)境等，提高乘客換乘的便利性和舒適度。調(diào)度協(xié)調(diào)：根據(jù)客流需求和交通運(yùn)行情況，調(diào)整軌道交通和其他公交的運(yùn)營(yíng)時(shí)刻表，使其相互匹配，減少等待時(shí)間，提高換乘效率。

3 軌道交通吸引范圍線網(wǎng)優(yōu)化

3.1 軌道交通周邊吸引職能

城市軌道交通站點(diǎn)的客流吸引范圍的定義各不相同，通常根據(jù)不同的研究目的而有所變化。本文所研究的吸引范圍可以界定為：出行者使用各種非軌道交通方式到達(dá)或離開(kāi)城市軌道交通站點(diǎn)的合理范圍。根據(jù)到達(dá)軌道交通站點(diǎn)的接駁方式不同，軌道交通站點(diǎn)的吸引范圍可分為步行吸引范圍和銜接吸引范圍[6]。

步行吸引范圍是指出行者從目的地出發(fā)，步行到達(dá)軌道交通站點(diǎn)的合理距離，即軌道交通站點(diǎn)的步行可達(dá)范圍。步行吸引范圍影響因素包括出行者自身因素和軌道因素。出行者因素主要涵蓋出行者的個(gè)人屬性和出行特征，而站點(diǎn)因素則主要包括站點(diǎn)自身的特性以及站點(diǎn)周邊的環(huán)境因素。如圖1所示。

軌道交通站點(diǎn)的吸引范圍不是固定不變的，它具有彈性邊界，是一個(gè)合理且可接受的范圍，受出行者的選擇影響。從出行者的角度來(lái)看，他們可以選擇各種非軌道交通方式到達(dá)軌道交通站點(diǎn)并使用軌道交通服務(wù)，也可以選擇不使用軌道交通出行。這一選擇受多種因素影響，因此是否選擇軌道交通出行是一個(gè)綜合效用的結(jié)果。因此，在研究吸引范圍之前，有必要對(duì)這些影響因素進(jìn)行分析。

3.2 軌道交通站點(diǎn)分類

銜接軌道交通站點(diǎn)的銜接公交線路布設(shè)區(qū)域?yàn)殂暯庸慌c軌道交通站點(diǎn)的交匯范圍。根據(jù)區(qū)位特征與公交銜接時(shí)間確定軌道站點(diǎn)類別，對(duì)城市軌道站點(diǎn)進(jìn)行了分析，依靠刷卡數(shù)據(jù)獲取公交-軌道換乘的時(shí)間與空間特征，進(jìn)而確定各城市軌道交通站點(diǎn)的吸引范圍，為銜接公交布設(shè)區(qū)域的確定奠定基礎(chǔ)。

（1）中心樞紐型：這類站點(diǎn)一般位于城市中心，靠近商業(yè)區(qū)或主要軌道交通線路的換乘點(diǎn)，也有位于通向城中心的交通擁堵節(jié)點(diǎn)。這樣的軌道交通站點(diǎn)由于靠近城市核心區(qū)域，距離乘客的目的地較近，因此乘客可能會(huì)花費(fèi)較多時(shí)間步行或者通過(guò)公交車連接到軌道交通。

（2）外圍樞紐型：這類站點(diǎn)位于城市的區(qū)域中心或次中心地帶，軌道交通線路在此地區(qū)與其他交通方式交匯，服務(wù)于區(qū)域性的客流需求，交通吸引范圍較大。

（3）一般居住型：這類站點(diǎn)位于城市的居住區(qū)，服務(wù)于周邊居民的日常出行需求。軌道交通線路在此地區(qū)主要作為通勤工具，連接居住區(qū)與城市其他區(qū)域，周邊用地主要以居住與生活服務(wù)為主。

3.3 軌道交通協(xié)調(diào)線路規(guī)劃

在城市交通系統(tǒng)中，以軌道交通為主體的城市交通協(xié)同優(yōu)化是一種重要的發(fā)展模式。然而，在實(shí)施城市交通協(xié)同優(yōu)化線路規(guī)劃時(shí)，需要遵循一些基本原則，以確保規(guī)劃的科學(xué)性、靈活性和可行性。

（1）城市交通協(xié)同優(yōu)化線路規(guī)劃的基本原則之一是“服務(wù)人民”：城市交通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)以滿足人們的出行需求為目標(biāo)，確保公共交通的便利性和舒適性得到提升。

（2）城市交通協(xié)同優(yōu)化線路規(guī)劃應(yīng)注重“系統(tǒng)化”原則：交通系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化需要各種交通方式的有效組合和銜接。在規(guī)劃線路時(shí)，應(yīng)綜合考慮軌道交通和公交線路的布局，這樣的規(guī)劃可以充分利用各種交通方式的優(yōu)勢(shì)，確立以軌道交通為核心、銜接公交為輔助的交通網(wǎng)絡(luò)。

（3）城市交通協(xié)同優(yōu)化線路規(guī)劃還應(yīng)遵循“公平公正”的原則：這意味著交通系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)該以公平和公正為基礎(chǔ)，確保交通資源的合理分配。

4 城市軌道交通行車求解方法

灰狼優(yōu)化算法（Grey Wolf Optimizer Algorithm，GWO）灰狼優(yōu)化算法是模仿野外灰狼捕食獵物活動(dòng)的群體智能優(yōu)化方法。該算法具有全局搜索能力強(qiáng)、收斂速度快、控制參數(shù)少、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，已在圖線識(shí)別、多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化等都得到了廣泛的應(yīng)用，將灰狼優(yōu)化算法用于行車方法的研究較少。

根據(jù)三狼來(lái)確定獵物位置；如此原有的灰狼優(yōu)化算法在后續(xù)的發(fā)展中很容易出現(xiàn)局部最優(yōu)、穩(wěn)定性差等問(wèn)題。因此提高種群的質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)后續(xù)種群的更新都有很大的影響，選擇合適的初始種群也是影響GWO解精度的關(guān)鍵因素。用GWO求解行車方法時(shí)，原始灰狼算法初始階段收斂速度較快，但全局搜索能力較低，容易出現(xiàn)局部最優(yōu)和迭代停滯問(wèn)題，為了解決這個(gè)問(wèn)題引入了灰狼基因的遺傳策略。

核心在于將灰狼的位置向量視作遺傳算法的個(gè)體基因，運(yùn)用最優(yōu)個(gè)體復(fù)制法，根據(jù)灰狼個(gè)體的適應(yīng)度進(jìn)行排序，從最優(yōu)到最差依次排列。通過(guò)計(jì)算群體總數(shù)與選擇比例因子來(lái)確定復(fù)制的個(gè)體數(shù)量。將這些最優(yōu)灰狼基因個(gè)體逐一復(fù)制到相同數(shù)量的最差灰狼個(gè)體基因中，從而加快算法的收斂速度；再進(jìn)行生成初始種群時(shí)對(duì)種群加入變異因子進(jìn)行操作，來(lái)增加種群多元性，其旨在促使灰狼個(gè)體或群體位置的變動(dòng)，從而強(qiáng)化算法的搜索效能；變異操作旨在促使灰狼個(gè)體或群體位置的變動(dòng)，從而強(qiáng)化算法的搜索效能；而為了避免算法過(guò)早收斂，我們還采用了停滯重置策略。改進(jìn)遺傳灰狼優(yōu)化算法流程，如圖2所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在Matlab2016a運(yùn)行程序380次后輸出最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值為178，其中總運(yùn)營(yíng)成本為4986元，區(qū)域內(nèi)生成銜接線路4條，優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

6 結(jié)論

本文以某城市交通運(yùn)輸為例，介紹了城市內(nèi)公交與軌道現(xiàn)狀。依照乘客出行需求點(diǎn)生成拓?fù)渚€網(wǎng)，分析區(qū)域內(nèi)軌道交通吸引范圍與開(kāi)行銜接公交的可達(dá)性，依靠改進(jìn)遺傳灰狼優(yōu)化算法并結(jié)合實(shí)際情況得到備選站點(diǎn)，根據(jù)24個(gè)備選站點(diǎn)，利用銜接線路優(yōu)化模型并進(jìn)行求解，4條線路銜接線路時(shí)的運(yùn)營(yíng)成本最低，驗(yàn)證了銜接公交線路優(yōu)化方法的實(shí)用性。

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