城市軌道交通網絡系統(tǒng)設計承載能力計算方法

針對目前軌道交通運營管理無法實時掌握客流情況的現狀,在全網各站點閘機實時數據以及歷史數據的基礎上,結合agent仿真技術對進站客流建模,建立全網絡條件下軌道交通客流分布模型.快速、全面地對軌道交通各個站點、線路之間的客流分布、運行情況進行直觀仿真.通過向運營企業(yè)提供列車實時客流參數,使其可以全面把握全網各站點、各列車的實時客流情況,以此及時調整列車運行方案.另外,出行者也可以通過手機客戶端了解網絡客流狀況,根據自身情況選擇合適的出行方案.

軌道交通網絡初步形成后,客流會呈現出幾何倍數的增長,線網客流之間的關聯性越來越強,時空分布上會出現極度的不均衡性,如何從根源上解決網絡客流均衡的問題成為了軌道交通企業(yè)、政府、設計院等重點研究的問題,文章從運營組織、乘客需求、城市綜合管理3個角度對網絡客流均衡方法進行了初步探討和闡述。

隨著軌道交通不斷地發(fā)展,我國很多城市的軌道交通已經完成了從單一路線到交通網的轉變,其運輸能力不僅大幅提升,而且運營管理也更加復雜.鑒于這一現狀,本文對城市軌道交通的網絡化運營問題展開了討論,在開篇介紹了網絡化運營的具體內涵,其中包括運輸網的形態(tài)和客流特征.淺述了共線運營、多交路運營、快慢車運營這三種主要的網絡化運營方法,并且概述了軌道交通網絡化的國內外研究趨勢.

軌道交通網絡的不斷擴大和延伸，在大大提升城市交通的可達性、便捷性、可靠性，提高居民出行效率的同時，也帶動了軌道交通沿線商業(yè)、物業(yè)的發(fā)展，逐漸形成以交通線路為中心、規(guī)?；拇笮蜕倘?。軌道交通網絡的發(fā)展正在打破城市傳統(tǒng)圈層結構，對重塑城市形態(tài)起到巨大的推動作用；構建以軌道交通引領的開放型運輸網絡和多樞紐交通體系，通過軌道交通系統(tǒng)的建設促進城市交通運輸供給服務能力和水平的提升，更好滿足居民出行需求，更好支撐引領經濟社會發(fā)展，是推進城市交通供給側結構性改革的有效途徑之一。

城市軌道交通網絡是城市公交系統(tǒng)的重要組成部分。以北京地鐵和深圳地鐵為研究對象，建立兩個城市的軌道交通網絡模型，利用兩個城市的地鐵乘客刷卡數據，估計城市軌道交通需求od；基于復雜網絡理論分析兩個城市軌道交通網絡的拓撲結構，提出城市軌道交通網絡脆弱性的評價指標；建立城市公共交通雙層網絡，對城市軌道交通網絡的脆弱性進行更深層次的分析。研究結果表明：北京市與深圳市軌道交通網絡脆弱邊地理分布很相似，深圳市軌道交通網絡平均而言更加脆弱；軌道交通網絡的脆弱性與其網絡復雜度密切相關；城市常規(guī)公交網絡可以降低城市軌道交通系統(tǒng)的脆弱性。

對我國主要城市軌道交通網絡魯棒性進行仿真研究,有助于保證我國軌道交通網絡的穩(wěn)定安全運營。魯棒性需要著重研究樞紐站點相對于全局的作用,傳統(tǒng)方法直接將地理網絡拓撲化未突出重要站點,或者直接忽略一般站點對網絡的作用來突出樞紐站點,兩者均存在一定偏差?；趫D論和復雜網絡理論,提出一種改進的賦權網絡魯棒性評價方法,全面考慮一般站點與重要站點,從多個靜態(tài)指標衡量網絡拓撲結構魯棒性,并動態(tài)仿真站點受到破壞后網絡性能的變化。結果顯示,深圳軌道交通網絡綜合魯棒性能較強,杭州和西安軌道交通建設發(fā)展較均衡,鄭州軌道交通網絡魯棒性最差。通過增強軌道交通網絡的集聚效應,增加可換路徑,縮短換乘距離能夠提高網絡魯棒性。

針對網絡換乘性能,提出了計算城市軌道交通網絡換乘次數的矩陣算法。利用圖論建立網絡數學模型,利用可達矩陣計算了網絡拓撲結構的平均換乘次數。在此基礎上考慮客流量的影響,通過挖掘地鐵afc（自動售檢票）數據,計算按客流量加權的平均按乘次數。定義網絡換乘效率為實際按乘次數與理論換乘次數的比值,并以北京地鐵為例進行計算。計算結果驗證了算法的有效性。

將仿真方法應用到站前折返能力的計算中,在分析站前折返作業(yè)流程的基礎上,運用有限狀態(tài)機理論將作業(yè)流程抽象為若干個狀態(tài),并使用stateflow工具箱進行建模和仿真,統(tǒng)計單位小時內完成折返作業(yè)的列車數量,進而得到折返能力。以北京地鐵6號線五路居車站為實例,使用列車在該站內各段走行時間和停站時間作為輸入數據進行仿真。試驗結果表明:五路居車站的折返能力為28列/h,與實際折返能力26列/h相比誤差為7%;該仿真系統(tǒng)能較好地模擬站前折返作業(yè)流程,計算出比較準確的折返能力。

提出城市軌道交通網絡的交通需求調節(jié)能力的概念.從誘增交通需求和城市交通系統(tǒng)自我平衡狀態(tài)2個方面探討了軌道交通網絡對城市交通系統(tǒng)供需調節(jié)的機理.其估算模型的思路為通過軌道交通網絡供給的誘增需求彈性系數估算其供需比彈性系數,結合調查計算得出軌道交通網絡飽和度,得出量化后的交通供需調節(jié)能力.選取15個城市進行實例驗證.結果表明,城市軌道交通網絡所帶來的誘增交通需求,是制約其交通供需調節(jié)能力的最重要因素,也是城市交通問題的根源.

提出城市軌道交通網絡的交通需求調節(jié)能力的概念.從誘增交通需求和城市交通系統(tǒng)自我平衡狀態(tài)2個方面探討了軌道交通網絡對城市交通系統(tǒng)供需調節(jié)的機理.其估算模型的思路為通過軌道交通網絡供給的誘增需求彈性系數估算其供需比彈性系數,結合調查計算得出軌道交通網絡飽和度,得出量化后的交通供需調節(jié)能力.選取15個城市進行實例驗證.結果表明,城市軌道交通網絡所帶來的誘增交通需求,是制約其交通供需調節(jié)能力的最重要因素,也是城市交通問題的根源.

科學制定城市軌道交通網絡運力配置計劃,應在深入分析網絡中各線客流的隨機變化規(guī)律、各線運力之間的關聯性、乘客服務需求的基礎上,不斷提高運輸設備能力的利用率、運力配置計劃的魯棒性以及運力計劃編制過程的高效性。結合以上問題,分析列車運行模式、客流分布特點、乘客服務水平、企業(yè)運營成本、列車定員和線路通過能力等制約軌道交通運力優(yōu)化配置的影響因素,研究網絡運力配置優(yōu)化的方法。在計劃優(yōu)化過程中,同時考慮運營企業(yè)的列車運行成本、乘客換乘等待時間費用等具體需求,結合客流變化的不確定性,建立運力配置優(yōu)化機會約束模型。本文最后以北京軌道交通網絡及其客流為背景,利用模型計算得出基于\"獨立運行\(zhòng)"、\"同網同間隔\"和\"周期化運行\(zhòng)"等3種運營模式下的網絡工作日運力優(yōu)化配置方案,并對各方案進行比較分析。結果表明:模型運算效率高,能反映實際情況,可為軌道交通運營管理人員提供實用優(yōu)選方案。

論述了上海城市軌道交通的網絡化發(fā)展,討論了上海城市客運交通的系統(tǒng)特性。對上海城市軌道交通網絡的系統(tǒng)化建設提出了具體建議:完善和統(tǒng)一技術標準,實現車輛段、停車場、供電系統(tǒng)、運營控制中心、換乘站設備等方面的資源共享和集約利用。

根據城市軌道交通網絡信息系統(tǒng)的等級保護難以落實等問題,分析城市軌道交通網絡信息系統(tǒng)結構和關鍵業(yè)務路徑特性,建立了spl的信息安全等級保護定級方法。該方法首先基于關鍵業(yè)務路徑影響強度將城市軌道交通網絡信息系統(tǒng)進行分解,進一步參照gb/t22240《信息系統(tǒng)安全等級保護定級指南》安全級別,通過spl計算方法實現對城市軌道交通網絡信息系統(tǒng)等級保護差異化定級。從而為城市軌道交通網絡信息系統(tǒng)適度安全保護提供基礎。

城市軌道交通是解決我國大城市交通擁擠現狀的有效途徑,但我國城市軌道建設卻面臨巨大的資金缺口。軌道交通作為“準公共產品”,有著明顯的外部效應,通過重點考查城市軌道交通對其沿線房地產的增值影響,就影響程度提出可行性計算方法,并就外部效應內部化提出建議。

隨著城市軌道交通線路的運營使用和線路的增加,線網換乘站點也增多,起訖點間的線路選擇也增多。不同換乘線路的選擇,使地鐵平均運距也發(fā)生了變化。為計算軌道交通全網的平均運距,選擇利用最短路徑原理,得出線網中線路任意兩點間的最短距離,并利用該最短距離與軌道交通客運od量得出平均運距。最后,對該平均運距的計算方法提出總結。

通過對上海市軌道交通網絡拓撲結構的分析,獲得了基于l空間和p空間視角的軌道交通網絡所具有的不同性質:在l空間下網絡的度值相對較小,80%以上節(jié)點的度為2,度分布很集中,整個網絡的平均最短路徑反映了從任意站點到任意站點的實際需要通過的平均站點數,最短路徑長度相對較大,網絡的聚類系數很小,接近于0;而在p空間下,網絡整體的度值很高,且分布區(qū)域也很廣,而網絡的平均最短路徑很小,它反映的是從一個站點到任意一個站點平均需要換乘的次數,網絡的聚類系數很大,超過了0.9,上海市軌道交通網絡超過85%的節(jié)點的聚類系數為1。

城市的軌道建設不斷地發(fā)展，傳統(tǒng)的運營管理方法及理念，已經不能夠滿足現在的發(fā)展，需要對管理理念進行創(chuàng)新，用發(fā)展的眼光去明確網絡化運營的管理需求，所以本文對現在城市軌道交通網絡化運營的對策提出了一些建議。

對城市軌道交通網絡的客流動態(tài)估計進行優(yōu)化，可以為城市軌道交通網絡的順暢運行和社會的安全穩(wěn)定奠定基礎。突發(fā)事件會引起市民的恐慌，使城市軌道交通網絡中客流分布時刻發(fā)生變化，導致傳統(tǒng)的估計模型不能準確把握客流動態(tài)分布規(guī)律，無法對不確定因素進行預判，降低了估計的準確率。為提高準確率，提出一種基于拓撲網絡模型的突發(fā)事件下城市軌道交通網絡客流的動態(tài)估計方法。根據拓撲網絡的原理建立城市軌道網絡模型，根據單位時間內各車站起始點客流的歷史數據獲得受到突發(fā)事件影響的評價模型，能夠得到突發(fā)事件下隨著時間變化受到影響的客流量，實現突發(fā)事件下城市軌道交通網絡客流動態(tài)的準確估計。仿真結果表明，改進算法能夠提高突發(fā)事件下城市軌道交通網絡客流動態(tài)估計的準確率和效率。

為預防突發(fā)事件對城市軌道交通網絡的影響,提高應變能力、增強運營穩(wěn)定性,有必要對其網絡可靠性進行分析。以上海市軌道交通網絡為實證對象,基于l空間和p空間方法建立兩種網絡拓撲結構,分析其復雜網絡的靜態(tài)特性。提出針對車站刪除方法的4種攻擊策略,并對各種攻擊策略下網絡可靠性的變化進行比較分析。結果表明,軌道交通車站網絡和換乘網絡對隨機攻擊具有魯棒性,對蓄意攻擊具有脆弱性;動態(tài)攻擊策略對網絡可靠性的影響比靜態(tài)攻擊策略更大。

隨著城市軌道交通路網規(guī)模的不斷擴大,網絡復雜性越來越高,od間乘客出行路徑更加多樣化.但是,由于路網中各條線路在換乘站之間的銜接性不太完善,經常會發(fā)生乘客無法經換乘抵達目的地或者等待時間過長的問題.本文在分析軌道交通網絡可達性影響因素的基礎上,對兩種類型的可達性算法進行了研究,并基于此進行了網絡可達性系統(tǒng)的架構設計和實現,證明了算法的可行性.可達性算法和系統(tǒng)的投入運營將對提高軌道交通出行效率、出行的便捷性和準確性起到非常重要的作用.

隨著城市軌道交通線網規(guī)模的不斷擴大,網絡復雜性越來越高,od間乘客出行路徑更加多樣化.但是,由于線網中各條線路在換乘站的銜接不太完善,經常會發(fā)生乘客須多次換乘抵達目的地或者換乘時間過長的問題.本文在分析城市軌道交通網絡可達性影響因素的基礎上,對網絡可達性計算系統(tǒng)架構及實現進行了探討,希望為后續(xù)的具體規(guī)劃建設工作提供參考.

城市軌道交通網絡化發(fā)展的趨勢和已經顯現出來的特點表明,網絡化管理對于城市軌道交通的穩(wěn)步推進和安全管理都十分有利