區(qū)域軌道交通綜合運能匹配評價方法研究

蔣潔瀅

（西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都 610031）

1 概述

區(qū)域軌道交通多種制式并存，主要包括高速鐵路、普速鐵路、城際鐵路、市域鐵路以及城市軌道交通五大類。區(qū)域軌道交通多制式發(fā)展能夠充分發(fā)揮區(qū)域性城市群的整體效益，緩解區(qū)域交通日益增長的客流壓力。在多制式軌道交通一體化背景下，探討區(qū)域內各制式間的運能匹配情況，是區(qū)域軌道交通基礎設施能力合理利用與加強的前提，更是區(qū)域軌道交通網(wǎng)絡運輸能力協(xié)調優(yōu)化的基礎。

目前，軌道交通運能匹配研究主要集中在2個方面：一是從樞紐場站設施設備布局和運營組織方法角度，研究客運樞紐的換乘協(xié)調問題。周華[1]研究了樞紐內換乘設施設備布局及旅客流線的合理性；南天偉[2]將鐵路樞紐作為整體，研究對所吸引外部公路交通的疏散情況。二是研究城市軌道交通運力運量供需匹配。李思杰等[3]提出了城市軌道交通運行圖能力與客流需求匹配度的概念及計算方法，綜合評價了運行圖能力與乘客需求的匹配情況；田婉琪[4]構建了綜合考慮區(qū)間列車運力利用及車站乘客服務水平的多層次協(xié)調匹配評價指標體系。

既有研究多圍繞單一軌道交通制式的運能供需匹配展開，其中又以城市軌道交通居多，單一制式研究方法并不適用于多制式軌道交通一體化背景下的綜合運能匹配研究。優(yōu)化樞紐運輸組織是鐵路運輸能力挖潛增效的有效途徑[5]，因此，現(xiàn)有多種交通制式能力匹配研究均立足于樞紐層面，但樞紐只是多制式區(qū)域軌道交通系統(tǒng)的一部分，其自身換乘設備能力滿足客流需求不足以反映整個系統(tǒng)運能匹配情況。

立足多制式軌道交通一體化背景，從區(qū)域軌道交通系統(tǒng)樞紐及線路層面，分析區(qū)域軌道交通綜合運能匹配內涵，分別構建運能匹配度評價模型，最終形成“點+線”的區(qū)域軌道交通綜合運能匹配評價體系。在此基礎上，重新定義區(qū)域軌道交通綜合運能匹配評價指標，并以成都東客站為例，進行區(qū)域內各制式軌道交通運能匹配整體評估。

2 區(qū)域軌道交通綜合運能匹配評價

整體而言，區(qū)域軌道交通運能匹配包括“點”“線”2個層面，因此，進行區(qū)域軌道交通綜合運能匹配評價時，采取以下思路：首先分別對區(qū)域內樞紐和線路進行運能匹配研究，在此基礎上構建復合指標，形成區(qū)域軌道交通綜合運能匹配評價體系。

2.1 運能匹配概念

區(qū)域軌道交通運能匹配是指區(qū)域內樞紐和樞紐銜接線路能力的高效利用，保證區(qū)域軌道交通系統(tǒng)內樞紐及樞紐銜接線路能夠提供的最大運能在滿足當下旅客運輸需求的同時，能夠有效應對突發(fā)客流的增長。區(qū)域軌道交通樞紐運能匹配是指在一定時間內，區(qū)域軌道交通某制式能夠提供的旅客運輸量與旅客對該制式的換乘需求達到平衡。定義區(qū)域軌道交通樞紐運能匹配度為：單位時間內，樞紐內某一軌道交通制式所承擔的換乘客流與該制式旅客運輸能力的比值。區(qū)域軌道交通線路運能匹配則指在一定時間內，樞紐銜接線路的最大運能供給與旅客運輸需求的平衡。用現(xiàn)有旅客運輸能力表征旅客運輸需求，線路承載能力表征線路最大運能供給，二者比值即為區(qū)域軌道交通線路運能匹配度。

定義區(qū)域軌道交通綜合運能匹配評價指標Kmatch為：

式中：H為區(qū)域軌道交通樞紐運能匹配度；L為區(qū)域軌道交通線路運能匹配度；θ為區(qū)域軌道交通運能匹配經(jīng)驗最優(yōu)值。

Kmatch反映了區(qū)域軌道交通樞紐及線路運能匹配度偏離經(jīng)驗最優(yōu)值的程度，Kmatch越小，說明區(qū)域軌道交通綜合運能匹配度越接近于最優(yōu)指標，即區(qū)域軌道交通綜合運能匹配情況越好。H和L為適度指標，即指標值并非越大或越小越好，而是在適度范圍內，越接近區(qū)域軌道交通系統(tǒng)運能匹配經(jīng)驗最優(yōu)值越好。

2.2 運能匹配影響因素

對于區(qū)域軌道交通樞紐而言，其匹配度由換乘客流量和樞紐旅客運輸能力決定。換乘到某一制式的客流總量則與樞紐內其他制式銜接方向、高峰時段通過和終到列車性質以及樞紐內各制式間的換乘比例有關；某一制式旅客運輸能力則與樞紐內該制式銜接方向以及高峰時段通過及始發(fā)列車性質有關。

對于區(qū)域軌道交通線路而言，其匹配度則由樞紐銜接線路現(xiàn)有旅客運輸能力與該線路最大承載能力決定。定義線路最大承載能力為高峰時段該線路所能運輸?shù)淖疃嗦每腿藬?shù)，其與線路通過能力以及列車性質有關。

2.3 運能匹配度計算

2.3.1 樞紐運能匹配度

在區(qū)域軌道交通樞紐內部，某一軌道交通制式所承擔的換乘客流是其他軌道交通制式換乘到該制式的客流量總和，而各制式能夠提供的最大旅客換乘能力則等于樞紐內各制式始發(fā)與途經(jīng)列車的旅客運輸能力之和。

區(qū)域軌道交通樞紐內第j種軌道交通制式所承擔的旅客換乘量Qj為：

式中：φ為高峰時段到達樞紐的旅客換乘軌道交通的比例；aji為高峰時段第i種制式換乘至第j種制式的客流占第i種制式總換乘量的比例；Qi為高峰時段到達樞紐內的第i種制式需要換乘的客流總量；Ni為樞紐內第i種制式銜接的方向數(shù)；n為第i種制式在樞紐內銜接的第n個方向（n=1，2，…，Ni）；qizn為高峰時段樞紐內第i種制式銜接第n個方向的終到列車數(shù)，qitn為高峰時段樞紐內第i種制式銜接第n個方向的通過列車數(shù)，城市軌道交通的這2個變量可由高峰時段時長與列車平均到達間隔時間的比值確定，而其他軌道交通制式則由樞紐具體情況而定；Pi為第i種制式車輛的定員；Pin為高峰時段樞紐內第i種制式銜接第n個方向的列車途經(jīng)該樞紐時的平均下車人數(shù)；Jizn為高峰時段樞紐內第i種制式銜接第n個方向的終到列車平均編組數(shù)；δizn為高峰時段樞紐內第i種制式銜接第n個方向的終到列車平均載客率。

此外，樞紐內第j種制式的旅客運輸能力Uj為：

其中，

式中：Usnj為樞紐內高峰時段第j種制式銜接第n個方向的始發(fā)列車旅客運輸能力；Utnj為樞紐內高峰時段第j種制式銜接第n個方向的通過列車旅客運輸能力；qsnj為高峰時段第j種制式銜接第n個方向的始發(fā)列車數(shù)，城市軌道交通該變量可由高峰時段時長與始發(fā)列車平均到達間隔時間的比值確定，其他軌道交通制式由樞紐具體情況而定；Jjsn為高峰時段樞紐內第j種制式銜接第n個方向的始發(fā)列車平均編組數(shù)；δjsn為高峰時段樞紐內第j種制式銜接第n個方向的始發(fā)列車平均載客率；qtnj為高峰時段第j種制式銜接第n個方向的通過列車數(shù)，城市軌道交通該變量可由高峰時段時長與通過列車平均到達間隔時間的比值確定，其他軌道交通制式則由樞紐具體情況而定；Jtnj為高峰時段樞紐內第j種制式銜接第n個方向的通過列車平均編組數(shù)；δtj為途經(jīng)樞紐的第j種制式列車車輛的極限滿載率；δtnj為高峰時段樞紐內第j種制式銜接第n個方向的通過列車下客后平均載客率。

則區(qū)域軌道交通樞紐第j種制式的運能匹配度為：

2.3.2 線路運能匹配度

區(qū)域軌道交通線路運能匹配度由高峰小時樞紐銜接線路現(xiàn)有旅客運輸能力與該線路最大承載能力決定。其中，線路最大承載能力，即線路最大能夠運輸?shù)穆每腿藬?shù)與線路通過能力[6]以及列車性質有關。假設研究區(qū)域內所有列車均追蹤運行，則第j種制式銜接線路最大承載能力Cj為：

式中：T為軌道交通高峰時段時長，min；Ijn為第j種制式銜接第n個方向列車追蹤間隔時間；Sjn為第j種制式銜接第n個方向客流區(qū)段長度，km；Vjn為第j種制式銜接第n個方向列車平均運行速度，km/h；Jjn為第j種制式銜接第n個方向列車平均編組數(shù)；δjn為第j種制式銜接第n個方向車輛定員，對城市軌道交通而言為最大滿載率；kjn為第j種制式銜接第n個方向列車在該樞紐車站停站上下旅客的概率。

需要注意的是，由于普速鐵路線路存在嚴重的客貨混跑現(xiàn)象，因此對于普速鐵路而言，其銜接線路最大承載能力由客流區(qū)段歷史最大值確定。

則區(qū)域軌道交通第j種制式的線路運能匹配度為：

2.3.3 綜合運能匹配評價指標

由式（1）可知，區(qū)域軌道交通綜合運能匹配評價指標Kmatch反映的是區(qū)域軌道交通樞紐及線路運能匹配度偏離經(jīng)驗最優(yōu)值的程度。關于運能匹配度經(jīng)驗最優(yōu)取值，田婉琪[4]將城際鐵路運力運量匹配度≥0.6作為最優(yōu)匹配狀態(tài)；趙德[7]對不同制式的換乘運能匹配度進行了分級，認為最優(yōu)匹配度＞0.9，其次為0.7～0.9；歐陽展[8]則認為鐵路與城市軌道交通最優(yōu)換乘運能匹配度應處于0.78～0.83；彭其淵等[9]認為線路（區(qū)段）通過能力利用率超過0.8則需研究能力加強方案以避免出現(xiàn)運能不匹配的情況。綜合上述分析，將區(qū)域軌道交通運能匹配經(jīng)驗最優(yōu)值定為0.78。則區(qū)域軌道交通第j種制式綜合運能匹配評價指標Kjmatch為：

越大，區(qū)域內該軌道交通制式綜合運能匹配性越差，說明該制式樞紐或線路匹配度嚴重超出或低于經(jīng)驗最優(yōu)值。當指標嚴重超出經(jīng)驗最優(yōu)值，表示綜合運能無法滿足區(qū)域內旅客對軌道交通的需求，具體表現(xiàn)為樞紐內旅客無法及時疏散、旅客換乘或候車時間增加或列車內過度擁擠等，此時應當適度增加基礎設施配備或進行運輸組織優(yōu)化以解決運能不匹配的情況；當指標嚴重低于經(jīng)驗最優(yōu)值，則存在運力浪費，應當尋找非供需因素產(chǎn)生的原因，嘗試從運輸組織角度重新制定區(qū)域內軌道交通樞紐及線路（或通道）的分工方案。

3 案例分析

以成都東客站為例，該站多制式軌道交通并存，包括普速鐵路、高速鐵路、城際鐵路以及地鐵4種，高峰時段軌道交通各制式間換乘比例參考我國典型軌道交通樞紐換乘比例[10]并結合成都東客站實際情況確定（見表1）。

表1 成都東客站軌道交通制式間換乘比例 %

取18：00—20：00為成都東客站高峰時段，該時段接發(fā)列車種類及性質見表2。普速鐵路列車平均編組數(shù)量為16輛，平均每節(jié)車廂（包括軟臥、餐車、宿營車等）定員為89人，高峰時段終到列車平均載客率為71%，始發(fā)列車平均載客率為75%，通過列車平均每列車下車人數(shù)為215人；高速鐵路列車最小追蹤間隔時間為5 min，高速鐵路和城際鐵路8輛編組列車定員為600人，16輛編組列車定員為1200人；高速鐵路列車高峰時段終到列車平均載客率為70%，始發(fā)列車平均載客率為80%，通過列車平均每列車下車人數(shù)為80人，在成都東客站停站概率為0.82；城際鐵路列車高峰時段終到列車平均載客率為75%，始發(fā)列車平均載客率為85%，通過列車平均每列車下車人數(shù)為110人，在成都東客站停站概率為0.95。此外，成都東客站為成都地鐵2號線和7號線車站，成都地鐵2和7號線18：00—20：00時段內行車量分別為34對和26對、下車總人數(shù)約為8190人，平均6輛編組，每列車定員為1440人，列車最大滿載率為119%，運行至成都東客站后的平均載客率分別為73.5%和61.1%。成都東客站換乘地鐵2和7號線客流比例為1.8∶1.0，最小發(fā)車間隔時間分別為2 min 40 s和3 min 50 s。

本案例中，φ取0.71，則成都東客站普速鐵路、高速鐵路、城際鐵路以及地鐵樞紐運能匹配度分別為1.68、0.94、0.64和0.86，線路運能匹配度分別為0.26、0.35、0.61和0.82，綜合運能匹配指標分別為0.73、0.32、0.16、0.06。

表2 高峰時段成都東客站接發(fā)列車種類及性質

由以上分析結果可知，成都東客站地鐵綜合運能最為匹配，其次是城際鐵路，匹配指標較差的為高速鐵路和普速鐵路。結合樞紐和線路運能匹配度指標可知，成都東客站普速鐵路和高速鐵路在高峰時段18：00—20：00樞紐運能匹配度過高，而線路運能匹配度過低，說明高峰時段成都東客站運能難以滿足區(qū)域內旅客的換乘需求，即高峰時段上述2種制式軌道交通會出現(xiàn)客流無法及時疏散、旅客換乘或候車時間過長等問題；而線路層面則存在運力浪費現(xiàn)象。究其原因，主要是該時段終到列車數(shù)量較多，始發(fā)和通過列車數(shù)量及編組輛數(shù)較少造成的。

4 結束語

區(qū)域軌道交通綜合運能匹配評價方法能夠覆蓋樞紐和樞紐銜接線路，全面把握區(qū)域內各種制式軌道交通運能匹配情況。結合樞紐運能匹配度、線路運能匹配度和綜合運能匹配評價指標3個評價結果，能夠清晰反映區(qū)域軌道交通運能匹配的薄弱環(huán)節(jié)，進一步分析產(chǎn)生的原因，有助于促進區(qū)域軌道交通基礎設施能力的合理利用，充分發(fā)揮區(qū)域軌道交通的整體效益。