区域轨道交通运输组织决策理论及关键技术

第1章 绪 论 城市群，是指在一定的地域范围内，以一个或多个中心城市为核心，由若干城市所组成的群体。通常，城市群的建设要依托发达的通信、网络、交通等基础设施的协调发展。我国正处于城市群建设的快速时期，要全面实施城市群发展规划，必定要将城市发展规划与交通相融合。总体来讲，区域轨道交通系统在城市群发展中的主要作用有两个方面：一方面，充分发挥区域核心城市全方位的功能辐射作用，带动群内城市的经济社会发展；另一方面，为城市群中各城镇提供轨道交通以便快速联系，促进城市群的发育成长。 1.1 研究背景及意义 目前，我国区域轨道交通通常包含三个层次：城市轨道交通、市域/城际铁路、高速/普速铁路。各种轨道交通方式一般独立运营，通过物理枢纽相互联系，应急情况下进行协同指挥。即便是北京、上海、广州和深圳这些一线城市，轨道交通的建设重点也还只局限于中心城市范围内的地铁网络，区域轨道交通网络的建设明显滞后于城市群的发展需求。 随着城市化的快速推进，轨道交通运营模式由单制式相对独立运营逐步向多方式综合运营的方向转变，现有的单制式运营模式已经越来越无法适应当前的运输形势，区域轨道交通的协同发展也面临着工程建设、综合管理、协同运营等方面的诸多问题。多方式交通一体化协同运营组织已成为城市群发育和发展的客观形势，也是发挥区域轨道交通整体能力和综合效益的关键，是可以满足不同区域范围、不同功能定位、不同服务标准出行需求的必然选择。 本书以多方式轨道交通运输组织业务分析与数据采集处理为基础，运用数理统计及数学建模等研究方法，基于行为学、系统动力学、可靠性、*优决策及协同优化理论，以大数据、云计算、移动互联、可视化仿真等相关信息技术为手段，研究基于出行链和大数据的运输需求精细化预测，构建“点-线-网”多尺度的有效承载能力评估指标与评估模型，实现运输需求引导下的运力资源优化配置，提出多制式区域轨道交通网络功能和效应*大化的精细化运输方案协同编制理论与优化技术，*终形成支持联程联运、枢纽换乘、运力调配、应急协同、出行扰动等关键环节的区域轨道交通智能协同组织成套理论，研制区域轨道交通协同运输系统，有助于提高区域轨道交通协同运营组织水平，能*大限度提升区域总体运能、提高服务质量，使区域轨道交通水平达到新的高度。 1.提升区域路网总体运输能力 本书通过研究区域轨道交通不同方式及枢纽间客流与运能匹配方法，充分运用线网能力，提升客流与运能的匹配度；通过研究基于网络运能协调和效能*大化的不同制式区域轨道交通精细化运输方案与协调编制理论和优化技术，提升各方式运输计划的精准性、鲁棒性和协调性，提升多制式区域轨道交通复杂网络整体运能；通过研究区域轨道交通动态协同运输组织理论，实现多制式运输组织协同联程联运，提高各方式运营组织效率。 2.减少旅客跨制式旅行时间 本书通过研究区域轨道交通运输动态规划及调配协同优化方法，形成保障旅客畅通出行的基于时空一体化的区域轨道交通运能匹配协调技术，提升客流与运能的匹配性，缩短旅客等待时间；通过研究以区域轨道交通高效、快捷及无缝换乘为出发点，从*大限度节省旅客跨制式旅行时间的目标出发，结合各种轨道交通制式特征的区域轨道交通协同联动成套理论与优化技术，有效缩短旅客换乘时间；通过研究互联网环境下的服务需求感知、资源动态优化配置、智能人性出行辅助等信息服务技术，研发综合旅客智能终端，以解决多制式区域轨道交通系统的智慧出行规划及协同运输组织衔接问题，有效缩短旅客出行时间。 3.提升区域轨道交通正点率 本书通过建立安全策略、威胁感知与应急响应、信息服务协同联动的信息安全保障技术体系，以及大数据驱动的多制式系统数据互通、需求互联、协同智能的一体化融合机制，研究基于动态客流、系统状态感知的多制式区域轨道交通精细化运输方案编制理论优化技术，提升多制式区域轨道交通复杂路网运输组织的鲁棒性和协调性，实现区域轨道交通跨制式智能联动，实现轨道交通多制式列车运行计划的动态智能调整，保障区域轨道交通的良好运行秩序，确保区域轨道交通按图行车，提升区域轨道交通正点率。 1.2 区域轨道交通协同运输研究及发展现状 1.2.1 国内外研究现状 我国轨道交通受管理模式及技术发展限制，区域内各制式间没有形成联动，各自为政、信息割裂的现状制约着运输效率和服务质量的提升。以提升多制式轨道交通协同运输水平为立足点，打通制式和专业间信息壁垒，实现区域轨道交通多制式跨专业实时智能联动，从真正意义上提高区域轨道交通整体运能和效率具有十分重要的现实意义。 客流量的预测问题一直是轨道交通领域研究的重要课题，它不仅对交通流的实时监测预警具有积极作用，也为相关部门制定错峰出行、交通管制等一系列政策提供有力的技术支持。陈艳艳等(2009)以公交出行链各环节为边，通过构建包含不同公交模式的多层次网络邻接关系，并对各边进行平均出行时间及时间可靠度的双重赋权，建立考虑出行各环节时间随机波动的多模式公交线网；陈俊励等(2011)结合居民个体出行的选择过程，将出行时间选择作为模型的上层，交通制式选择作为模型的下层，构造居民出行时间和交通方式选择相互影响的巢式Logit模型；童晓进(2014)对铁路客流时空分布特征进行了详细研究，他以客票数据为客流载体，深入挖掘武广铁路运输通道客票数据中所蕴含的客流时空分布特征；张蛰(2017)从集散设施和设备、客运组织和导向服务等三部分描述了城市轨道交通车站客流集散网络；Ho等(2006)采用Logit函数建立多类用户概率选择行为模型，并建立了用户的出行方式划分和交通流分配的组合模型，*后采用算法进行求解；佟璐等(2014)在分析多层次旅客具有不同的服务时间窗期望、换乘次数、换乘时间等出行选择行为基础上，建立体现旅客时空差异服务需求约束的客流分配模型，提出由时间窗搜索和改进的Dijkstra算法构成的组合算法。实现了在网络条件下根据分配权重函数不同，完成客流时空分配；Sun等(2015)将旅行时间分为列车区间运行时间、换乘时间和额外时间，在假设旅行时间各时间成分均服从正态分布的前提下，运用贝叶斯统计方法，以大量的城市轨道交通自动售检票(automatic fare collection，AFC)系统数据样本修正各时间成分分布的特征参数和Logit模型参数的先验分布，得到特征参数的后验分布和贝叶斯置信区间，并应用于新加坡地铁的客流分配；李存军等(2003)基于交通流的统计特点构建了基于小波分析的离散卡尔曼(Kalman)滤波模型，对实时变化的交通流量进行预测。试验结果表明该方法有效减小了预测误差。 经过多年的发展，有效承载力已经成为当前研究的重要任务，它在探究自然资源承载能力的同时，还进一步关注了人类社会生存发展的方方面面，将其从自然属性延伸到社会属性。Helbing等(2000)深入研究了人群的群集效应等宏观现象，客流的宏观现象反映了其在交通区域的集聚状态，是客流关系与区域承载能力的宏观表现；Setti等(1994)和Takakuwa等(2003)通过模拟客流在交通车站内的流动，找到车站内客流瓶颈，通过优化瓶颈拥堵来提高客流流动的效率。李得伟(2007)建立了车站乘客集散理论体系框架，对轨道交通车站内部设施的使用效率进行计算，并对客流分布理论的基本内容和方法进行详细论述；胡明伟等(2009)基于社会力模型建立城市轨道交通车站的客流微观仿真模型，并对客流组织方案进行评价；胡清梅等(2008)对轨道交通枢纽客流承载能力进行计算与评估，实现了对地铁客流的动态分析；Morlok等(2004)讨论了综合运输系统的能力，并把需求作为矢量集，进而提出和的概念，并提议开发一个综合运输系统的数学模型，模型的目标函数是综合交通运输系统的*大能力，约束条件是各种交通模式、子系统设备能力、可耗资源限制、机车车辆有效性和运输成本等；何世伟等(2003)在提出铁路运输路网系统系列定义总体运输能力、有效运输能力和潜在运输能力这三个新概念的基础上，以基于短路的铁路运输路网系统总体有效运输能力模型构建和遗传算法设计为核心，给出了路网运输能力的计算方法和编程实现方法。 国内外区域轨道交通枢纽运能协调研究基础资料还较缺乏，不够系统，各交通方式间的协调模型与方法研究得较少，多是关于铁路和各种交通方式之间建立起匹配度评价指标，并对指标进行简单的匹配度运算。Bell(1984)使用一种衔接各种运输方式的方法，在提升旅客换乘便捷性的同时，也促进了各种运输方式之间的优势互补；Lee等(1991)利用优化各交通方式间松弛时间，来对交通方式换乘进行研究，以期达到提高衔接效率的目的；张星臣(1995)在原有运输能力的基础上考虑了运距因素，并将运量、路径和运能在路网系统的意义下以同一计量单位处理，为路网系统运能问题的深入研究提供了条件。秦国斌(2012)基于模型“零换乘”理念对我国综合换乘枢纽各种布局模式进行了分析，比较得出不同类型的综合枢纽*佳布局模式。其次，依据整体性、相关性、动态性和调控性等原则，对区域城际综合枢纽各交通运输方式进行运能协调匹配分析；程明君(2009)研究了带时变多重交通网络的联盟运输调度问题。通过建立时间和运输方式选择之间的分段函数来描述时变条件下的多重交通网络，同时对时变多重交通网络及其特性进行分析和概括，然后对带时变多重交通网络的联盟运输调度问题建立模型，并设计改进的蚁群优化算法对模型进行求解。 列车开行方案设计和列车运行图编制是列车行车组织的关键问题，主要是安排列车在轨道上运行的问题，由于列车行车组织是整个区域轨道交通系统运营的核心问题，该研究吸引了大量学者的研究。陶思宇(2012)等依据自动控制理论中的反馈控制原理，提出基于客流动态反馈控制的开行方案调整方法，将现行客运专线旅客列车开行方案客流情况的统计作为调整旅客列车开行方案的依据；Serafini等(1989)提出周期事件规划问题(periodic event scheduling problem，PESP)模型是相关研究的基础理论，大量的周期性运行图研究基于该方法进行；Lee等(2009)提出基于四阶段的列车时空路径分配和调度求解方法。在开行方案协调方面，杨柳燕(2016)研究了高速铁路运营前期和后期两个阶段兰新高铁和既有线的客流合理分工方案，建立Logit模型，将兰新运输通道内的客流合理地分配到兰新高铁和既有线上，结合旅客列车的开行区段、种类、数量，建立了适合兰新通道的旅客列车开行的多目标0-1规划停站方案模型，确定不同时期兰新高铁和既有线的列车开行方案；姚金娈(2010)针对不同区域客流性质特点，在经济区和交通圈划分方法的基础上，将京沪沿线区域划分为五个区，结合客运站等级、机车设备、线路条件、区域客流性质等因素，确定拟运行列车区段，*终对开行列车种类和开行数量等相关问题进行探讨。在列车运行图的编制方面，郭富娥等(2000)论述了在我国高速铁路运营初期，高、中速列车混行的条件下，合理衔接高速线与既有线列车运行图的高速铁路列车运行图的编制方法和编制步骤；陈慧(2008)分析了我国客运专线跨线运输列车运行图衔接类型和衔接方式，从旅客服务质量、运行图技术指标、天窗衔接合理性及运行图能力适应性四方面对跨线运输列车运行图衔接方案进行评价。在轨道交通开行时刻表方面，Shrivastava等(2006)利用遗传算法优化接运公交线网，根据市郊铁路的运营时刻表优化接运公交线路的发车频率，生成各条线路的时刻表；孙杨等(2001)研究弹性需求下的接运公交网络设计问题，基于城市轨道交通时刻表方案协同优化接运公交线网和时刻表。 对于系统间协同演化的研究，国内外很多学者都做了大量的工作。但研究对象一般集中于交通运输系统与经济系统适应性的演化(王占中等，2011)、交通运输系统间协同发展理论(张生瑞等，2007)、铁路或城市轨道交通拓扑网络演化特征(Wang et al.，2009；李子木