基于行車間隔協(xié)調(diào)調(diào)整的換乘站大客流處置

（同濟大學(xué)交通運輸工程學(xué)院,201804,上?！蔚谝蛔髡?碩士研究生）

基于行車間隔協(xié)調(diào)調(diào)整的換乘站大客流處置

劉濤徐瑞華

（同濟大學(xué)交通運輸工程學(xué)院,201804,上?！蔚谝蛔髡?碩士研究生）

大客流是城市軌道交通車站在日常運營過程中的常見突發(fā)事件。在介紹城市軌道交通車站大客流的特點與分類的基礎(chǔ)上,提出了換乘站大客流延續(xù)周期的概念和換乘站大客流處置策略——行車間隔協(xié)調(diào)調(diào)整策略,并重點分析了其在換乘站大客流處置中的重要作用。該策略依靠線路間行車間隔調(diào)整措施來控制換乘站內(nèi)部的換乘客流。建立了基于行車間隔協(xié)調(diào)調(diào)整的換乘站大客流處置優(yōu)化模型。最后,通過示例驗證了模型的可行性與合理性。

城市軌道交通換乘站;大客流;行車間隔

First-author’saddress School of Traffic and Transportation Engineering,Tongji University,201804,Shanghai,China

近年來,隨著城市軌道交通形成網(wǎng)絡(luò)化運營格局,路網(wǎng)客流增長的“網(wǎng)絡(luò)化效應(yīng)”突顯。在網(wǎng)絡(luò)客流量快速增長的背景下,大客流已成為日常運營管理中的常見問題之一。對于城市軌道交通換乘站,運營故障或者其它突發(fā)事件常會引發(fā)大客流事件。如何有效地進行換乘站大客流處置、降低運營風(fēng)險,已成為目前城市軌道交通運輸行業(yè)亟待解決的問題。

1 大客流概述

1.1 大客流的分類與特點

大客流是城市軌道交通車站在日常運營過程中的常見突發(fā)事件,它描述的是車站在某一時段內(nèi)集中到達的客流量規(guī)模超過車站正常所能承擔(dān)的客流量。從大客流發(fā)生的特性出發(fā),城市軌道交通車站大客流可分為兩類：一類是常發(fā)性大客流;另一類是突發(fā)性大客流。常發(fā)性大客流是指在日常運營高峰時段內(nèi)由于客流量過大引發(fā)的大客流;突發(fā)性大客流是指由于其它外界因素或者運營自身問題,導(dǎo)致在某一時段內(nèi),某些車站客流量快速集聚,顯著超過歷史同期水平,發(fā)生大客流。突發(fā)性大客流一般是由下列原因造成的：車站周邊臨時組織大型活動、惡劣天氣以及突發(fā)運營故障。

常發(fā)性大客流發(fā)生的規(guī)模、持續(xù)的時間通常相對穩(wěn)定,具有一定的規(guī)律性和可預(yù)見性,通過制訂合理的大客流處置預(yù)案,其影響程度相對可控。相比之下,突發(fā)性大客流其大客流發(fā)生的規(guī)模、時間持續(xù)的長短沒有明顯的規(guī)律,其發(fā)生過程一般伴隨著突發(fā)事件,可預(yù)見性差,對運營影響大。為此,運營單位要高度關(guān)注突發(fā)性大客流,提高此類事件的應(yīng)急處置能力。本文將重點研究運營故障引起的換乘站突發(fā)性大客流處置策略。

1.2 換乘站大客流的處置方法

當(dāng)城市軌道交通車站發(fā)生大客流時,運營單位需要進行快速有效地處置來保證乘客安全,降低運營風(fēng)險。大客流事件處置的根本原則是快速、有效,以保證乘客安全為首要目的,盡量減少突發(fā)事件對運營的影響。大客流事件處置的根本方法是從大客流事件中客流來源出發(fā),通過采取相關(guān)措施,控制源頭客流,及時疏散站內(nèi)乘客,實現(xiàn)對車站內(nèi)的客流聚集態(tài)勢進行有效控制,保證車站的客流規(guī)模在其承受范圍內(nèi)。

一般的大客流處置主要以進站限流為主,必要時封閉車站的進站閘機。但是對換乘站來說,其自身就是網(wǎng)絡(luò)中的重要客流節(jié)點,除了進出站客流外,還存在著大量的換乘客流,站內(nèi)的客流總量顯著高于一般車站。以上海軌道交通人民廣場站為例,該站為三線換乘站,其一天客流總量約為60萬人次左右,高峰時段換乘客流比例達到六成以上,一旦發(fā)生運營故障,在進行大客流處置時,僅靠進站限流難以有效控制客流。同時,由于換乘站規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,換乘客流集中在車站內(nèi)部,即使進行換乘限流,也只能轉(zhuǎn)移客流在車站內(nèi)的聚集點,無法降低客流規(guī)模。

結(jié)合國內(nèi)外城市軌道交通運營實踐以及有關(guān)學(xué)者的研究,本文提出了一種換乘站大客流處置策略——基于線路間行車間隔協(xié)調(diào)調(diào)整的大客流處置策略。該策略依靠線路間行車間隔調(diào)整措施來控制換乘站內(nèi)部的換乘客流,從而實現(xiàn)換乘站大客流處置。

2 換乘站大客流處置中的行車間隔協(xié)調(diào)調(diào)整策略

2.1 換乘站大客流延續(xù)周期的劃分

本文根據(jù)換乘站大客流事件持續(xù)的時間以及客流變化的特征,將大客流產(chǎn)生、消失的延續(xù)周期劃分為潛伏期、爆發(fā)期、衰退期三個階段（見圖1）。

圖1 大客流延續(xù)周期劃分示意圖

（1）潛伏期。城市軌道交通系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生運營故障,逐步對換乘站產(chǎn)生影響,換乘站客流規(guī)模尚在安全可控范圍內(nèi),但已超過歷史同期水平,不久將爆發(fā)大客流事件。

（2）爆發(fā)期。運營故障對換乘站持續(xù)產(chǎn)生影響,換乘站客流規(guī)模已超出安全閾值,并有不斷增加的趨勢,需要立即采取客流管控措施,控制客流規(guī)模,保障運營安全。

（3）衰退期。運營故障得到排除,但此時換乘站內(nèi)客流規(guī)模仍處在較高水平。隨著后續(xù)列車的正常到達,客流規(guī)模會穩(wěn)步下降,車站運營將恢復(fù)正常。

換乘站大客流處置的開始時間越早,其效果越好,同時影響也越小。當(dāng)大客流處在潛伏期時,由于客流量尚未達到車站限制容量,可以通過控制進站及換乘客流來避免大客流爆發(fā);一旦大客流處在爆發(fā)期,其處置措施要在控制客流來源的基礎(chǔ)上,著重從提高線路運能、降低客流規(guī)模的角度出發(fā),此時期大客流處置難度大、成本高,不作為本文研究的重點。本文研究的內(nèi)容均是針對潛伏期的換乘站大客流處置。

2.2 換乘站行車間隔協(xié)調(diào)調(diào)整策略的內(nèi)涵

運營故障引起的換乘站大客流,其直觀表現(xiàn)形式為事發(fā)線路的列車延誤,從而導(dǎo)致乘客在延誤線路所在的站臺等相關(guān)地點的積壓,給乘客的人身安全帶來威脅。從國內(nèi)多年的城市軌道交通運營管理實踐來看,運營故障對換乘站運營的影響大致可分為兩類：一類是站內(nèi)受影響的線路在故障持續(xù)時間內(nèi)無列車通過,即造成該方向的列車運營中斷;另一類是雖然該線路發(fā)生了運營故障,尚未造成運營中斷,但列車運行有延誤,行車間隔增加。

因此,這里將運營故障可以統(tǒng)一表述為列車在該換乘站的行車間隔增大。在此情形下,可以采用以下的行車調(diào)整措施：延誤方向備用車上線、鄰線列車跳站停車、鄰線列車扣車等。

日常的行車調(diào)整主要是以跳站停車和扣車兩類措施為主。鄰線列車跳站停車是指相鄰線路的列車在該站不停站通過。跳站停車可以將潛在的換乘客流轉(zhuǎn)移到前方車站來緩解延誤線路的站臺壓力。扣車是指將線路上列車扣停在本站附近的車站,以緩解隨車到達的客流對本站的沖擊。無論是跳站停車還是扣車,從換乘站的角度來看,其實質(zhì)上是通過調(diào)整相鄰線路的行車間隔,減少延誤時段內(nèi)到達換乘站的列車數(shù),進而達到減小延誤站臺客流規(guī)模的目的。

采用相鄰線路行車間隔的協(xié)調(diào)調(diào)整,能夠合理控制換乘站的客流結(jié)構(gòu)與規(guī)模,來消除事發(fā)線路列車的延誤給車站帶來的影響,以實現(xiàn)對換乘站大客流的處置。跳站停車和扣車兩種調(diào)整方式雖然能夠有效減少延誤時段內(nèi)的到達客流,但不可避免地會對運營產(chǎn)生影響。采取跳站停車后,該方向的上車客流的等待時間會加長,同時列車上的出站和換出乘客需要在下一站點下車或者在其它換乘站點換乘,從而增加其它車站的壓力;扣車的方式增加了該方向上車乘客的候車時間,對乘客的影響比較小,但是扣車次數(shù)過多對運營圖的影響比較大。無論是跳站停車還是扣車措施,都需要考慮是否會引起換乘站二次大客流事件。因此,在進行鄰線行車間隔的調(diào)整時,如何選擇線路制定調(diào)整方案、減少方案對運營的影響程度將是本文的研究關(guān)鍵。

3 基于行車間隔協(xié)調(diào)調(diào)整的換乘站大客流處置優(yōu)化模型

3.1 模型的概述

基于行車間隔協(xié)調(diào)調(diào)整的換乘站大客流處置優(yōu)化模型,其優(yōu)化目標(biāo)就是通過合理調(diào)整鄰線發(fā)車間隔,在保證各站臺客流量不超過閾值的前提下,盡量降低方案對運營的影響。從上文的分析可知,處置方案對運營的影響表現(xiàn)為行車間隔變化對乘客及后續(xù)列車的影響。行車間隔變化越小,乘客出行附加時間也就越小,受影響的后續(xù)列車與圖定運行線的偏差也越小。因此,本文選取發(fā)車間隔變化量與受影響的列次數(shù)之積作為處置方案對該方向列車運營影響的指標(biāo),模型的目標(biāo)函數(shù)即為換乘站所有線路的該項指標(biāo)之和最小。

3.2 模型中相關(guān)變量的說明

E——換乘站所包含的線路集合（其中E={0, 1,2…}）;

e——換乘站所包含的線路方向集合（其中e= {0,1,2…}）;

ε——換乘站所包含的站臺集合（其中ε={0, 1,2…}）;

T——運營故障影響換乘站的總時間;

nk——編號為k 的線路方向在運營故障持續(xù)時段內(nèi)到達的列車數(shù)（其中k∈e）;

tk——編號為k 的線路方向在運營故障持續(xù)時段內(nèi)的行車間隔（其中k∈e）;

tk,0——編號為k 的線路方向的既有行車間隔（其中k∈e）;

Pk——編號為k 的線路方向的列車設(shè)計容量（其中k∈e）;

Hk——編號為k的線路方向的列車剩余能力（其中k∈e）;

D=［di,j］——其 中 di,j表 示 編 號 為i 的 線 路方向換乘j的線路方向客流比例（其中i,j∈e）;

Sk——編號為k 的線路方向的列車的出站客流比例（其中k∈e）;

μk——編號為k的線路方向的列車滿載率（其中k∈e）;

Wk——編號為k 的站臺設(shè)計容量（其中k∈e）;

αk——編號為k 的站臺在運營故障對換乘產(chǎn)生影響時的初始飽和度（其中k∈e）,飽和度是指目標(biāo)站臺的乘客數(shù)量與站臺設(shè)計容量的比值;

βk——站臺飽和度的設(shè)計閾值;

H——換乘站鄰線總的附加行車間隔。

3.3 模型的建立

設(shè)編號為m 的線路方向發(fā)生延誤,預(yù)計對車站影響時間為T。在上述分析的基礎(chǔ)上,模型建立如下：

目標(biāo)函數(shù)

其中,式（1）為目標(biāo)函數(shù),表示除延誤方向外,換乘站所有方向列車的行車間隔變化量與受影響的列次數(shù)之積最小;式（2）是以站臺為單位,要求換乘站內(nèi)所有站臺在發(fā)生運營故障時,各站臺其累積客流量必須在站臺承受的范圍內(nèi);式（3）表示站臺與線路方向的對應(yīng)關(guān)系,例如編號為1的站臺是島式站臺,則其對應(yīng)使用該站臺的兩個線路方向;式（4）表示某方向1列車的剩余載客能力,包括該列車的剩余空閑能力和因出站和換出獲得的能力之和;式（5）表示某個線路方向列車飽和度在延誤持續(xù)時段內(nèi)隨時間變化的函數(shù)關(guān)系,在短時間內(nèi),可近似認(rèn)為該值為常數(shù);式（6）表示延誤持續(xù)時間等于延誤線路方向發(fā)車間隔與到達列次數(shù)之積;式（7）是鄰線行車間隔調(diào)整的時間約束,要求調(diào)整措施在延誤持續(xù)的時間段內(nèi)完成;式（8）表示所有線路方向的調(diào)整后行車間隔不應(yīng)小于圖定最小行車間隔;式（9）是對鄰線調(diào)整列次的整數(shù)約束。

3.4 模型求解算法

該模型為非線性規(guī)劃模型,模型中自變量可分為兩類,第一類為各線路方向的行車間隔,第二類為各線路方向在T 時間內(nèi)的到達列次,兩者滿足式（7）。從而模型中自變量均可用各方向到達列次數(shù)表示,由于這類變量是整數(shù)且取值范圍有限,因此該模型可用窮舉法求解。在遍歷的過程中,對每個可能的解依次進行可行解判斷與最優(yōu)解判斷,記錄當(dāng)前解空間中的最優(yōu)解。這樣在遍歷結(jié)束后,即可得到全局最優(yōu)解。

3.5 模型求解結(jié)果及適應(yīng)性分析

模型求解結(jié)果為兩個集合,分別是延誤預(yù)計持續(xù)時段內(nèi)的各線路方向行車間隔集合與該方向預(yù)計到達列次的集合。

若選擇鄰線跳站停車的調(diào)整方式作為大客流處置措施時,需要跳停的列次數(shù)即為圖定到達的列次數(shù)與模型求解的列次數(shù)之差;若運營單位想通過扣車的方式來進行大客流處置時,則需要參考集合中各線路方向的行車間隔值進行扣車?？紤]到運營單位可能靈活地采用扣車與跳站停車兩種方式來進行大客流處置,則需要在滿足該方向到達列數(shù)上限的基礎(chǔ)上,靈活地控制行車間隔。

3.6 計算示例

設(shè)有1換乘站,為3線換乘站,線路編號依次為0,1,2;線路 方向編 號依次 為0,1,2,3,4,5;站 臺編號依次為0,1,2。站臺均為島式站臺。當(dāng)運營故障傳播到該換乘站時,編號為0的線路方向2列列車發(fā)車間隔將增大至15 min。相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：

模型求解結(jié)果如下：

在上述的結(jié)果中,集合說明編號為0的方向因運營故障發(fā)車間隔變?yōu)?5 min時,則需要在該故障時段內(nèi)將編號為1和5的方向行車間隔依次調(diào)整為3.75 min和10 min。集合表示若不調(diào)整行車間隔,編號1和5的線路方向需要在故障持續(xù)的時間內(nèi)分別跳停2次和7次。按照上述的調(diào)整方式,該換乘站在延誤持續(xù)的30 min內(nèi),各站臺的客流量將不會超過閾值,即站臺設(shè)計容量的90%,從而在潛伏期抑制了大客流事件的爆發(fā)。

4 結(jié)語

分析表明,城市軌道交通換乘站的大客流處置與一般車站大客流處置方法有所不同。根據(jù)大客流事件中客流量隨時間的變化規(guī)律,對大客流事件延續(xù)周期進行了劃分,并建立了基于行車間隔協(xié)調(diào)調(diào)整的大客流處置模型對換乘站大客流處置方案進行優(yōu)化。這種方法適合尚處在潛伏期的大客流處置。在此基礎(chǔ)上,可以繼續(xù)研究爆發(fā)期與衰退期大客流的處置方法,進一步完善換乘站大客流處置的研究。

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Disposal of Large Passenger Flow at Transfer Station Based on Coordinated Headways Adjustment

Liu Tao,Xu Ruihua

The characteristics and classification of large passenger flow at urban rail transit transfer station are introduced,a concept of continuous cycle of large passenger flow is proposed by analyzing the effectiveness of coordinated headways adjustment method,which is adopted in the disposal process of large passenger flow at transfer station, and an optimized model to dispose the large passenger flow based on train operation adjustment is established.In the end,the feasibility and rationality of the model is verified through practical examples.

urban rail transit transfer station;large passenger flow;train headway

U 292.4+5

2013-04-25）