城市轨道交通系统输送能力利用率测算及优化研究

摘要

城市轨道交通以其运量大、准时性好、单耗低等特点成为各大城市解决交通拥堵问题的首选。近年来，我国城市轨道交通建设进入快速发展期，城市轨道交通线路客流需求的时空差异也随着线网规模的扩大而不断增加。由于城市轨道交通系统建设投资巨大，如何在满足城市居民出行需求的前提下，更好地利用有限的资源来优化能力配置，是城市轨道交通系统运营管理面临的重要课题。
　　提高城市轨道交通服务水平、降低企业运营成本是运营管理的两个重要目标，实现这两个目标需要深刻认识城市轨道交通系统能力供给与出行需求的关系。本文在深入分析既有研究成果的基础上，研究城市轨道交通系统输送能力利用率的主要影响因素，提出考虑输送能力利用时空不均衡性的输送能力利用率计算及评价方法，并基于列车开行方案分别提出城市轨道交通系统输送能力利用率空间不均衡和时间不均衡优化方法。本文主要工作及结论如下:
　　(1)结合既有研究成果，从固定设施设备、移动设施设备、列车运行组织方案和客流需求特征四个方面分析城市轨道交通系统输送能力利用率的影响因素，并研究各影响因素相关关系及对列车载客能力利用率的影响。研究表明，四类因素主要影响线路可提供的最大输送能力、车辆额定载客量、实际提供的输送能力范围和列车载客能力的利用。调查与研究表明:列车车厢满载率与乘客满意度直接相关，车厢满载率超过0.65后，乘客满意度显著下降。
　　(2)以各断面列车载客能力利用率为基础，提出城市轨道交通系统断面、线路和网络各层面的输送能力利用率计算方法，从输送能力利用的平均水平、均衡程度和波动特性三个方面分析北京市轨道交通线网输送能力利用率的时空特征。结合列车载客能力利用率划分乘客舒适度评价标准;根据输送能力利用率的加权平均值和标准差率对应的舒适度级别，划分输送能力利用率合理范围。
　　研究表明，受运营组织模式单一影响，北京市轨道交通系统断面和线路输送能力利用率的时空变化规律与客流需求特征高度吻合，城市轨道交通系统输送能力利用率的时空差异特征显著。城市中心地区线路各断面全日输送能力利用率较高，约为40-50％，外围地区偏低，多在30％以下，且外围地区全日输送能力利用波动性较大。线路输送能力利用率在中午平峰和下午平峰的均衡程度较高，而早晚高峰时段的不均衡性较大。市内环线输送能力利用适中且均衡，服务水平较高，郊区线早高峰进城方向服务水平偏低。
　　(3)考虑线路输送能力利用的空间不均衡性，以交路形式、发车频率、列车编组为决策变量，建立以线路输送能力利用率最大化、上线车组数最小化、乘客出行费用最小化为目标的多交路列车开行方案优化模型;结合开行多交路列车时的组团客流需求，提出不限交路形式的乘客候车等待时间、换车次数和在车拥挤费用计算方法。根据模型特点，设计线性加权法与遗传算法相结合的求解算法。结合算例，对比分析单一交路、嵌套交路和衔接交路最优开行方案下的列车运行效果及在不同客流特征下的适用性。
　　研究表明，采取多交路运营模式，能够有效提升线路输送能力利用率及其空间均衡性，符合乘客和企业双方的共同利益。算例中，相较于单一交路，嵌套交路和衔接交路线路输送能力利用率分别提升了19.55％和23.70％，空间均衡性提升了63.74％和51.92％;上线车组数、车辆运用数等企业效益指标提升了11.29-19.17％;乘客出行费用减少了14.58％和14.63％。以线路输送能力利用率最大化为目标，能够更好匹配乘客出行需求，降低企业成本，且提高输送能力利用率目标权重有利于提高总的运营效益。算例结果表明，对于单峰型客流集中线路，保持最大客流断面位置及取值不变，当单峰内客流需求比例超过30％时，适宜开行多交路列车。
　　(4)在城市轨道交通线路列车交路已知的前提下，充分考虑客流到达时变特性以及线路中各断面输送能力利用率的时间不均衡性，建立以线路区间断面输送能力利用率标准差率之和、上线车组数和乘客出行费用最小化为目标的嵌套交路列车开行方案优化模型，提出考虑客流时变特性的列车载客能力利用率计算方法。设计线性加权法和遗传算法相结合的求解算法。结合算例，对比五种发车方案开行效果;分析客流到达时变特性对线路区间断面输送能力利用率均衡性的影响。
　　研究表明，以断面输送能力利用的均衡性为目标，能够更好适应客流的时变特性。在本文算例中，相较于均匀发车方案，本文最优开行方案中断面输送能力利用率的时间均衡性优化了53.95-64.11％，线路最大满载率降低了13.31-18.5％;相较于其他非均匀发车方案，本文结果中线路输送能力利用率提高了17.09％，断面输送能力利用的均衡性提高了44.09％，线路最大满载率降低了6.85％。模型能够对线路中各断面列车载客能力利用率起到“削峰填谷”的作用，且乘客到达分布越不均匀，优化效果越明显。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 本文涉及的核心概念

1．3 研究目标与主要内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 主要研究内容

1．4 研究思路与论文结构

2 国内外研究综述

2．1 输送能力及其利用率基础理论

2．1．1 输送能力定义

2．1．2 输送能力利用率计算方法

2．2 输送能力利用率优化方法

2．2．1 列车开行方案优化

2．2．2 车站客流管理

2．3 既有研究存在的问题

2．4 本章小结

3 城市轨道交通系统输送能力利用率影响因素分析

3．1 城市轨道交通系统输送能力利用率影响因素

3．1．1 固定设施设备

3．1．2 移动设施设备

3．1．3 列车运行组织方案

3．1．4 客流需求特征

3．2 主要影响因素的相关关系

3．3 本章小结

4 城市轨道交通系统输送能力利用率计算及评价方法

4．1 问题描述及变量定义

4．1．1 问题描述

4．1．2 变量定义

4．2 各层级能力利用率的相互关系

4．3 城市轨道交通系统输送能力利用率计算方法

4．4 案例分析

4．4．1 北京市城市轨道交通系统基础数据

4．4．2 断面输送能力利用率分析

4．4．3 线路输送能力利用率分析

4．4．4 网络输送能力利用率分析

4．5 城市轨道交通系统输送能力利用率评价方法

4．5．1 输送能力利用率与舒适度级别划分

4．5．2 输送能力利用率合理性评价

4．6 本章小结

5 基于开行方案的输送能力利用率空间不均衡性优化方法

5．1 问题描述与变量定义

5．1．1 问题描述及假设

5．1．2 变量定义

5．2 开行方案优化模型

5．2．1 运营企业和乘客利益分析

5．2．2 约束条件设置

5．3 求解算法

5．4 算例分析

5．4．1 算例设计

5．4．2 算例结果分析

5．4．3 灵敏度分析

5．4．4 交路形式适应性分析

5．5 本章小结

6 基于开行方案的输送能力利用率时间不均衡性优化方法

6．1 问题描述与变量定义

6．1．1 问题描述及假设

6．1．2 变量定义

6．2 开行方案优化模型

6．2．1 模型目标构建

6．2．2 约束条件设置

6．2．3 列车载客能力利用率推算方法

6．3 求解算法

6．4 算例分析

6．4．1 算例设计

6．4．2 算例结果分析

6．4．3 灵敏度分析

6．4．4 客流不均衡程度适应性分析

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 主要工作及研究结论

7．2 论文创新点

7．3 研究展望

参考文献

附录

作者简历及攻读学位期间取得的研究成果

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