城市轨道交通网络列车运行计划协同优化关键问题研究

摘要

目前，各大城市轨道交通系统已由单一线路逐步向网络化发展，呈现出资源集约化、运营网络化、组织多模式化等新的态势，随着路网规模扩大、结构复杂、客流强度增大、时空波动性增强，客流需求与运输能力间耦合关系更为紧密，对运输组织提出了更高要求。然而，我国城市轨道交通在网络化运营进程中，常出现高峰客流拥挤、低平峰运能浪费以及网络换乘不便等问题。因此，结合我国城市轨道交通发展背景、线路结构、客流需求等特点，研究城市轨道交通网络列车运行计划协同优化问题显得十分迫切。
　　本文针对城市轨道交通网络列车运行计划协同优化问题，以优化协调网络条件下乘客出行效益和运营成本为目标，从分析网络结构和客流特征角度出发，重点针对基于灵活编组的列车开行方案优化、运营时段内换乘列车协同接续优化、临界时段内首末班车协同接续优化三方面开展研究，具体研究内容包括:
　　(1)列车运行计划协同优化框架搭建。梳理网络列车运行计划各部分关联关系，分析网络化列车运输组织模式及其特点，从物理网络、客流网络和服务网络角度明确了列车运行计划协同优化总目标，确定以基于灵活编组的列车开行方案优化、运营时段内换乘列车协同接续优化、临界时段内首末班车协同接续优化为关键问题的研究框架。
　　(2)基于灵活编组的列车开行方案优化。从线路子系统运力与需求协调角度，研究灵活编组运输组织模式特点及列车牵引能耗与满载率关系，以乘客广义出行费用和企业运营成本最优为目标，构建基于灵活编组的列车开行方案优化模型，并构建启发式四阶段求解算法。以某线路运营初期为对象进行实证分析，结果表明:相比固定编组方案，灵活编组方案的乘客广义出行费用降低14.6％，企业运营成本减少了11％，其中运营成本的车辆购置成本节约费用最大，达1.541亿元，全日载客运营成本降低27.9％，列车空走成本降低11.1％。
　　(3)运营时段内换乘站列车协同接续优化。充分利用城市轨道交通均匀行车条件下接续列车间会产生稳定的衔接周期这一特性，提出用平均换乘等待时间简化模型变量的规模，从而提高模型求解效率。构建以各线路首列车发车时刻为决策变量，以路网内所有换乘乘客总的换乘等待时间最小为目标的列车协同接续优化模型。以北京市轨道交通网为例进行实证分析，结果表明:优化后乘客的平均换乘等待时间减少约12％，全网67％换乘方向上乘客的换乘等待时间均有减少。所构建方法适用于解决大规模城市轨道交通网络列车协同接续优化问题。
　　(4)临界时段内首末班车协同接续优化。明确了首末班车优化要点，提出基于等待时间最小化的首班列车优化模型，充分利用末班时段末班车无后续列车特性，采用灵活停站时间来增强网络列车接续效果，构建基于灵活停站时间的末班列车优化模型，以北京市轨道交通网末班列车为对象进行实证分析，结果显示，相比实际运行方案基于灵活停站时间的末班车运行方案能有效增加换乘客流量，增幅达12.4％，末班车协同接续数量增加21个。

目录

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致谢

摘要

图目录

表目录

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 城市轨道交通网络结构与客流特征

1．3．2 城市轨道交通列车开行方案优化方法

1．3．3 城市轨道交通线路间列车协同接续

1．4 研究思路和主要内容

1．4．1 研究思路

1．4．2 研究主要内容

1．5 本文框架

1．6 本章小结

2 城市轨道交通网络列车运行计划协同优化框架

2．1 相关概念

2．1．1 城市轨道交通

2．1．2 列车运行计划

2．1．3 运输组织模式

2．2 网络列车运行计划协同优化框架构建

2．2．1 网络列车运行计划协同优化总目标

2．2．2 网络列车运行计划协同优化关键问题

2．3 本章小结

3 城市轨道交通网络结构与客流分布特征

3．1 城市轨道交通网络结构与换乘效率

3．1．1 典型网络结构形态及其换乘特点

3．1．2 基于换乘便利程度的网络换乘效率指数分析

3．1．3 换乘站换乘效率影响因素分析

3．2 城市轨道交通网络客流分布特征

3．2．1 客流分配模型

3．2．2 客流时间分布特征

3．2．3 客流空间分布特征

3．2．4 换乘站客流特征

3．3 可变编组运输组织模式客流特点

3．4 本章小结

4 基于灵活编组的城市轨道交通列车开行方案优化

4．1 灵活编组运输组织模式

4．1．1 灵活编组列车在线解编过程分析

4．1．2 灵活编组运输组织模式保障条件

4．1．3 灵活编组列车解编模式

4．2 列车牵引能耗与列车满载率关系构建

4．2．1 列车牵引能耗计算

4．2．2 列车牵引能耗与列车满载率关系分析

4．3 基于灵活编组的轨道交通列车开行方案优化模型

4．3．1 变量及参数定义

4．3．2 乘客广义出行成本

4．3．3 企业运营成本

4．3．4 优化目标

4．3．5 约束条件

4．4 求解算法

4．4．1 单元列车确定

4．4．2 初始列车开行方案确定

4．4．3 考虑开行时段衔接的编组方案调整

4．4．4 列车开行时段调整

4．5 案例分析

4．5．1 基础数据

4．5．2 结果分析

4．6 本章小结

5 基于换乘协同的网络列车接续优化

5．1 换乘站列车接续过程

5．1．1 列车接续过程分析

5．1．2 列车接续影响因素

5．1．3 乘客换乘平均等待时间

5．2 列车协同接续优化模型

5．2．1 模型假设

5．2．2 模型构建

5．3 案例分析

5．3．1 基础信息

5．3．2 结果分析

5．4 本章小结

6 城市轨道交通首末班车协同接续优化

6．1 首末班车接续过程

6．2 基于等待时间最小化的首班列车优化模型

6．2．1 变量及参数定义

6．2．2 模型构建

6．3 基于灵活停站时间的末班列车优化模型

6．3．1 变量及参数定义

6．3．2 模型构建

6．3．3 案例分析

6．4 本章小结

7．1 主要研究成果

7．2 论文创新点

7．3 研究展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集