轨道交通网络多线路换乘的行车调度

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 1.82MB 61 页 15积分

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摘要

近年来随着我国城市轨道交通线路的不断建设和投入使用，轨道交通运营线

路由单线变成多线并逐渐形成轨道交通网。简单的单线路轨道交通行车调度优化

模型将不适应轨道交通线网行车间隔的优化确定。而且城市轨道交通线网行车间

隔的优化确定是制定网络运营计划、编制列车运行图和制定最优的调度时刻表的

基础，直接影响轨道交通服务水平和运营效益。因此，城市轨道交通线网行车间

隔优化备受关注。

路网结构和客流的特性是轨道交通线网行车间隔调度优化模型建立的基础。

本文先从轨道交通路网最基本的线路关系入手，抽象出五种典型的城市轨道交通

路网结构，并对各种路网结构的特征进行了分析，继而探讨了轨道交通网中换乘

站的功能和换乘方式，分析了客流在轨道交通网络上的时间空间动态变化特性。

其次，在介绍客流信息获取与处理、列车开行间隔影响因素的基础上，从轨

道交通乘客和轨道交通运营企业双方利益最大化出发，提出了以乘客的等车时间

费用、车上时间费用和企业运营变动费用总和最小为目标的单线路行车间隔非线

性优化模型，利用 matlab 进行算例分析，验证了模型的可行性。

最后，借助公交线网行车间隔的优化理论，从轨道交通乘客和轨道交通运营

企业双方利益最大化出发，提出了以乘客的等车时间费用、车上时间费用、换乘

时间费用和企业运营变动费用总和最小为目标的轨道交通线网行车间隔协调优化

的数学模型，并根据模型的特点对所建立的行车间隔协调优化模型进行了遗传算

法设计。通过借助 matlab 遗传算法工具箱对所给出的算例进行求解，验证了此算

法的可行性和收敛很快。与单线路行车间隔优化模型相比，基于多线换乘条件下

的轨道交通线网行车间隔调度优化模型虽然增加了乘客的等车时间费用和车上时

间费用，但是降低了乘客总出行成本，提高了乘客总体的服务水平；降低了换乘

乘客的换乘费用和企业的运营变动成本，提高了乘客的换乘效率和运营企业效益。

关键词：城市轨道交通网络结构换乘站客流特性行车间隔遗传算

法

ABSTRACT

In recent years, with the continuous construction and using of China's urban rail

transit line, urban rail transit network is gradually being formed. The optimal research

of a simple single-line train scheduling will not adjust to determine the headway in

urban rail transit network. The optimized determination of lines’ headways in urban rail

transit network is not only the basis of laying down network operations plan, rain

working diagram and optimal scheduling timetables, but it also will directly affect

service levels and operational efficiency of enterprises. So, the researches on headways

of urban rail transit network have got much attention.

Structure of urban rail transit and the characteristics of passenger traffic are basis

of establishing coordinate optimized model about headways of rail transit network.

Firstly, this paper starts from the most basic relationship between the lines and abstract

five typical structure of urban rail transit network whose characteristics get analyzed.

And then, functions of transfer hubs and transfer mode in urban rail transit network are

discussed and dynamic characteristics of space and time about passenger travel in

network are studied.

Secondly, on the basis of introducing passenger information acquisition, processing

and the influential factors of headways, a single-line nonlinear optimization model of

headways which minimizes the total of the passengers’ waiting costs, the passengers’

costs on board and operational enterprise’s variable costs is put forward from

maximizing the interests of both passengers and operators. A given example is analyzed

by employing matlab, which proves the feasibility of the model.

Finally, with the help of partial headways optimization theory of transit network, a

coordinated optimization model of headways in urban rail transit network which

minimizes the total of the passengers’ waiting costs, the passengers’ costs on board, the

passengers’ transfer costs and operational enterprise’s variable costs is put forward from

maximizing the interests of both passengers and operators. According to the

characteristics of the model established, genetic algorithm is applied to solve this model.

Matlab genetic algorithm toolbox is made use of solving a given examples, which verify

the feasibility and Fast convergence of algorithm. Compared with a single-line

optimization model of headways, a coordinated optimization model of headways in

urban rail transit network based on transfer conditions reduce the travel costs of

passengers, transfer costs and operational enterprise’s variable costs (that is, improve

III

service levels of the overall passengers, the transfer efficiency of passengers and

operational benefits of enterprises) despite an increase in passengers’ waiting costs and

the passengers’ costs on board.

key word：Urban rail transit, network structure of urban rail transit,

Transfer station, characteristics of passenger traffic, headway time,

genetic algorithm

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论...................................................................................................................1

§1.1 研究背景及意义............................................................................................1

§1.1.1 研究背景............................................................................................1

§1.1.2 研究意义............................................................................................2

§1.2 国内外研究现状............................................................................................2

§1.2.1 国外研究现状....................................................................................2

§1.2.2 国内研究现状....................................................................................3

§1.3 研究内容及技术路线....................................................................................6

§1.3.1 研究内容............................................................................................6

§1.3.2 研究技术路线....................................................................................7

第二章城市轨道交通路网及其客流特征分析.............................................................8

§2.1 城市轨道交通线路类型................................................................................8

§2.2 城市轨道交通线路的基本关系[24] ............................................................... 8

§2.3 城市典型轨道交通线网特征分析..............................................................10

§2.4 换乘站..........................................................................................................13

§2.5 线网客流特性分析......................................................................................14

§2.5.1 线网客流与单线客流的差异分析..................................................14

§2.5.2 路网客流在时间上的动态性..........................................................15

§2.5.3 路网客流在空间上的动态性..........................................................16

§2.6 本章小结......................................................................................................17

第三章单轨道交通线行车间隔优化模型研究...........................................................18

§3.1 客流信息的获取与处理..............................................................................18

§3.2 列车开行间隔影响因素分析......................................................................19

§3.3 模型的建立..................................................................................................20

§3.3.1 模型的假设......................................................................................20

§3.3.2 变量及符号说明..............................................................................21

§3.3.3 模型的建立和分析..........................................................................21

§3.4 模型的简化..................................................................................................23

§3.5 算例分析......................................................................................................24

§3.6 本章小结......................................................................................................26

第四章轨道交通线网行车间隔调度优化模型研究...................................................27

§4.1 模型的建立..................................................................................................27

§4.1.1 模型的假设......................................................................................27

§4.1.2 变量、常量及符号说明..................................................................28

§4.1.3 模型的建立和分析..........................................................................29

§4.2 模型的简化..................................................................................................32

§4.3 本章小结......................................................................................................33

第五章遗传算法在轨道交通线网行车间隔协调优化模型中的应用.......................34

§5.1 遗传算法应用在轨道交通线网行车间隔优化模型中的适用性..............34

§5.2 轨道交通线网行车间隔协调优化模型的遗传算法设计..........................35

§5.3 算例分析......................................................................................................38

§5.3.1 模型中的已知条件..........................................................................38

§5.3.2 协调模型优化结果..........................................................................40

§5.3.3 单独优化与协调优化的对比分析..................................................42

§5.3.4 两线路间换乘最优班次确定及成本费用函数三维图形分析......42

§5.4 本章小结......................................................................................................45

第六章结论与展望.......................................................................................................46

§6.1 论文的主要研究成果..................................................................................46

§6.2 论文的创新点..............................................................................................46

§6.3 存在的不足与展望......................................................................................47

附录...............................................................................................................................48

参考文献.........................................................................................................................54

在读期间公开发表的论文.............................................................................................57

致谢...............................................................................................................................58

第一章绪论

§1.1 研究背景及意义

§1.1.1 研究背景

我国人口与经济的增长带动了交通出行量的大幅增长，迫切要求大中型城市

发展以轨道交通为主干的公共交通，以有效解决城市的大量交通出行和交通拥堵

问题。作为城市交通的骨干，城市轨道交通以其容量大、速度高、安全、舒适的

特点成为城市居民首选交通出行方式。

对国外的轨道交通发展历史研究发现，纽约、伦敦、巴黎、莫斯科、东京等

轨道交通发达的城市，都已形成较大的轨道交通规模和网络。轨道交通网呈辐射

状分布，轨道交通系统已成为这些现代化大都市的重要干线交通。它不仅缓解了

城市交通的拥挤状况，而且绿色环保，在城市的社会活动、经济活动中发挥着不

可替代的重要作用，同时在信息技术、管理理念、建设方式、运营组织等方面都

已取得很大成果。

近十年来，全国已有近 20 个百万人口以上的城市开展了轨道交通建设的前期

研究工作，北京、上海、广州等 10 个城市陆续修建了地铁和轻轨交通并投入运营

及试运营的线路共 22 条，达 602.3 公里。随着城市轨道交通新线的不断建设，轨

道交通运营线路已由单线发展为多线，并逐渐形成轨道交通网。根据各城市轨道

交通发展规划，到 2012 年，北京轨道交通路网将全部覆盖中心城，运营里程将达

到440 公里；到 2015 年，北京将建成“三环、四横、五纵、七放射”共 19 条线、

561 公里运营里程的轨道交通路网[1]。截止 2010 年6月30 日，上海轨道交通线网

已开通运营 11 条线、267 座车站，运营里程达 410 公里[2]。此外，上海将在 2012

年左右建成共 13 条线路，300 多座车站，运营总里程超过 500 公里的轨道交通网。

城市轨道交通大规模网络的形成，标志着我国城市轨道交通进入一个崭新时期。

由于我国的轨道交通是由单线建设运营发展而来，所以城市轨道交通线路成

网后，各条单线在网络条件下的综合运营组织成为新的实践需求。多条线路在换

乘枢纽站的交汇对行车组织及车站设备、空间资源利用等提出了更高的要求，需

要在其它线路列车合理开行的前提下，制定运行时间匹配的路网列车运行计划。

多线交汇的大型枢纽既要满足衔接线路间的换乘时间与各自列车到站时间的匹

配，以减少乘客等待时间，又要兼顾多条线路不同时在站停车，避免客流大量积

聚而引起车站资源的负荷过重[3]。同时城市轨道交通的网络化运营在我国实属初次

尝试，必须针对网络结构特点、城市客流分布特征、专业系统应用方面进行综合

设计。因此，迫切需要建立一套适合于我国城市轨道交通系统发展的运营模式、

运输组织及其实施的关键技术的理论方法，以满足轨道交通网络化运营管理的需

轨道交通网络多线路换乘的行车调度优化研究

求。轨道交通线网运营组织中最为关键的技术可以说是根据客流情况确定各线路

的行车间隔，因为它决定了列车的车底运用数，列车编组数、发车时刻表等问题。

§1.1.2 研究意义

我国城市轨道交通运营组织的设计是由单线运营发展而来的，因此随着轨道

交通线路逐渐成网，与单线路相适应的轨道交通运营组织在很大程度上不再适应

轨道交通网络的运营要求，两者最重要的区别在于轨道交通线网需要通过换乘枢

纽寻求线路之间的协调，以提高乘客的服务水平和企业的运营效益。轨道交通线

网各线路行车间隔确定的是否合理，会直接影响到轨道交通乘客的服务水平和企

业的运营效益。

根据客流情况合理调度轨道交通线网中各线路列车，合理的确定行车间隔是

运营组织中最重要的关键技术之一。它决定了车队车辆数、车型、发车时刻表、

车辆维修与保养等问题，是编制列车运行图的基础。因此轨道交通线网行车间隔

的确定对轨道交通网络运营计划的制定和列车运行图的编制具有很重要的意义。

轨道交通线网行车间隔的确定是轨道交通运营企业工作的核心部分，它直接

影响到运营企业的服务质量和经济效益。根据客流需求确定行车间隔可提高轨道

交通服务的有效性，从而改善运营的服务质量，提高车辆的运营效率。同时，合

理的行车间隔确定还必须考虑运营企业的财务成本和运营收入。因此，建立以运

营服务水平和运营成本综合最优为目标的行车间隔时间优化模型，制定合理的发

车时刻是优化运营组织方案、实现高效组织及合理运营的关键工作之一。

轨道交通线网行车间隔是在考虑换乘枢纽线路间协调性的条件下确定的，因

此通过各线路的行车间隔所确定的各线路列车到达换乘枢纽的时间达到最佳的匹

配，减少了乘客的换乘时间，提高了换乘枢纽的换乘效率，避免了客流大量积聚

而引起车站资源的负荷过重，减少了车站的压力，优化了换乘枢纽站的客运组织。

§1.2 国内外研究现状

轨道交通线网行车间隔调度优化模型的研究是轨道交通运营组织设计中最核

心的技术之一。国外二十世纪七十年代大规模轨道交通线网已建成，国外学者

Vukan R. Vuchic[4]、Bernard F. Byrne[5]、Steven Chien 和Paul Schonfeld[6]等对城市

轨道交通线网行车间隔模型进行了研究。国内在轨道交通线网行车间隔优化调度

模型研究方面，主要是针对单线轨道交通行车间隔模型研究较多，而对于近年来

国内大城市已逐渐形成的轨道交通线网行车间隔模型的研究较少。本文就轨道交

通行车间隔模型研究分国外和国内进行综述。

§1.2.1 国外研究现状

1966 年Vukan R. Vuchic[4]最初以轨道交通线路建设费用、轨道交通运营费用

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摘要：

I摘要近年来随着我国城市轨道交通线路的不断建设和投入使用，轨道交通运营线路由单线变成多线并逐渐形成轨道交通网。简单的单线路轨道交通行车调度优化模型将不适应轨道交通线网行车间隔的优化确定。而且城市轨道交通线网行车间隔的优化确定是制定网络运营计划、编制列车运行图和制定最优的调度时刻表的基础，直接影响轨道交通服务水平和运营效益。因此，城市轨道交通线网行车间隔优化备受关注。路网结构和客流的特性是轨道交通线网行车间隔调度优化模型建立的基础。本文先从轨道交通路网最基本的线路关系入手，抽象出五种典型的城市轨道交通路网结构，并对各种路网结构的特征进行了分析，继而探讨了轨道交通网中换乘站的功能和换乘方式，分析了...

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