城市轨道交通网络瓶颈识别与能力加强研究

摘要

持续快速推进的网络化建设将是我国各大城市轨道交通发展的主流趋势，同步于网络的逐步演变与完善，城市轨道交通从建设初期的单线运营，逐步成为多线运营并演变成网，旅客服务水平得到全面提升。布局合理的换乘站以及便利高效的换乘设施将使由多条线路构成的城市轨道交通网络客流吸引实现质的提升，相关线路客流也将大幅增加。尤其是处于城市建成中心区的线路，大量多线换乘客流的集聚，使得断面高峰客流将超出区段实际可提供的运能，从而形成了拥堵，产生瓶颈现象。此外，由于规划线网的不合理，导致网络能力的提升亦受制于某些区段或者车站设施等区域。在此情况下，对网络瓶颈进行有效识别，对其紧迫度进行准确定位，对在此基础上的瓶颈疏解措施进行深入研究，可有效促进城市轨道交通网络的不断完善与发展，亦为其公共交通骨干功能的有效发挥打下基础。
　　论文以满足居民出行需求为目的，重点对城市轨道交通网络瓶颈识别与排序方法、瓶颈能力加强措施以及多轨区段行车组织等问题进行深入研究，提出网络瓶颈识别与能力加强的理论方法。研究主要从以下五个方面展开:
　　一、从网络出发考虑瓶颈处的服务特性，对网络瓶颈的相关具体内容进行了概述。根据网络构成要素，应用TOC理论建立了网络静态瓶颈四级识别流程及方法;将动态瓶颈划分为能力瓶颈及服务瓶颈两类，综合各类服务水平度量指标，建立了网络动态能力瓶颈及服务瓶颈四级识别流程及方法。并通过算例对网络动态能力瓶颈及服务瓶颈四级识别方法的具体应用进行了说明。
　　二、以线网物理结构及能力供给结构为对象，选取各瓶颈处的能力及需求介数、单位权、权重分布差异性等复杂网络统计指标等作为排序属性，采用多属性消错排序方法对网络静态瓶颈紧迫度进行排序;并考虑城市轨道交通的不同阶段特征，引入时间权重，构建了动态不确定重要型多属性消错排序方法对网络动态能力及服务瓶颈紧迫度进行排序。
　　三、从运输组织方法、设备改扩建两方面出发，对各类瓶颈疏解措施进行研究，在对运输组织方法具体加强措施进行系统分析的基础上，分别构建了均衡能力需求的基于停站时间优化的城市轨道交通列车跨站开行方案及基于车站分级的快慢车组合运行方案优化模型;接着对既有可行的系统升级、信号升级等短期技术改造及车站、线路改扩建措施进行了总结与具体阐述。并通过算例对各类能力加强措施的适用性及有效性进行了分析。
　　四、以站站停和非站站停组合运营两个方面作为出发点，分别对三轨、四轨区段各类列车运行组织方式的合理性及其适用条件进行了系统研究，并综合考虑方案实施的难度，实施后的能力瓶颈疏解效果、服务瓶颈疏解效果、乘客需求表达水平、运营组织复杂性、企业成本及收益等各类综合决策属性，采用多属性消错排序方法对各类运行方式的适用性进行了系统决策。
　　五、基于运行方式决策结果，以四轨区段快慢车运行方式为对象，在对列车交路与停站方案相互影响关系分析的基础上，基于综合优化思想，建立了考虑可用动车组数、最大最小行车间隔、需求满足以及停站要求等限制约束的以最小化的企业运营成本为上层优化目标，以最小化的所有乘客出行广义费用为目标的用户平衡分配问题为下层优化模型的四轨区段列车交路与快车停站方案综合优化双层规划模型，并设计了基于学习机制的退火并行遗传算法的模型求解流程。最后，通过算例分析了四轨区段快慢车运行方式对能力及服务瓶颈的疏解效果。