城市轨道交通大小交路列车开行方案优化研究

摘要

随着我国城市轨道交通网络化进程的推进，北京、上海和广州等大城市的城市轨道交通已率先进入网络化运营时代，其他各城市的轨道交通网络化格局正在逐步形成。与此同时，客流的持续增长，各方对服务水平、运营安全和经济效益的关注，促使我国城市轨道交通运营管理方式正在由单线运营向网络化运营的方向转变。
　　多交路运营组织是网络化运营组织的重要组成部分，而其中的大小交路运营方式也是目前我国城市轨道交通使用最为广泛的一种运营组织方式。因此，研究城市轨道交通大小交路列车开行方案的优化编制，实现网络化运营背景下城市轨道交通列车的优化组织，对提高城市轨道交通运营效率和服务水平具有十分重要的意义。
　　本文在剖析现有文献的基础上，总结了影响城市轨道交通大小交路列车开行方案编制的关键因素，分析了我国城市轨道交通开行大小交路的线路情况及其客流特征;并分别以城市轨道交通直径线和放射线为研究对象，提出了城市轨道交通大小交路列车开行方案优化方法和列车时刻表优化方法。主要研究内容及结论如下:
　　(1)结合既有文献，从客流需求、行车条件和运力资源三个方面出发，系统分析了影响城市轨道交通大小交路列车开行方案编制的因素;统计并分析了我国城市轨道交通实施大小交路运营组织模式的线路情况及其客流特征。结果表明，大小交路运营线路中长度超过35km的线路数占线路总数的91.3％，断面客流不均衡系数介于1.80～2.99。
　　(2)以城市轨道交通直径线为研究对象，在分析大小交路运营特点的基础上，考虑线路通过能力、最小发车频率、列车满载率和站台长度等约束条件，以乘客等待时间、车辆走行公里和列车运行时间最小为目标，以小交路列车折返站位置、大小交路列车的发车频率及编组辆数为决策变量，构建了城市轨道交通大小交路列车开行方案优化模型。根据模型特点，采用线性加权和法、惩罚函数法，将原多目标约束问题转化为单目标无约束优化问题，并设计了求解模型的受控随机搜索算法。通过算例验证了模型和算法的有效性，对小交路发车频率、折返站位置等进行了灵敏度分析。结果表明，开行大小交路不仅可以降低企业运营成本，减少车辆运用数;小交路长度越短对乘客越不利，且不能使企业成本节省越多。
　　(3)以城市轨道交通大小交路列车运行图为基础，给出了均匀发车和非均匀发车两种情形下小交路区段乘客的平均等待时间计算方法。通过客流分析，给出了大、小交路列车客流分担比例的计算方法。在分析列车编组、发车间隔对列车满载率影响的基础上，构建了考虑列车满载率均衡性的大小交路列车开行方案双层规划模型。上层模型为开行方案优化模型，采用遗传受控随机搜索算法求解，旨在确定最优的小交路折返站和列车发车频率。下层模型为满载率均衡性优化模型，采用枚举法求解，旨在确定最优的列车编组方案和发车间隔，使得列车满载率均衡程度最大。以某城市轨道交通线路为例，验证了模型和算法的有效性。研究结果表明，采用“大交路大编组、小交路小编组”的编组方案可以提高大、小交路列车满载率的均衡性，降低企业运营成本。选择合理的小交路长度，不仅可以保证大、小交路列车满载率的均衡性，而且可以实现乘客和企业双方利益最大化。
　　(4)以城市轨道交通放射线为研究对象，考虑客流的时变特性，以乘客等待时间、列车运行时间和车辆走行公里最小为目标，以发车间隔、列车满载率及其均衡性、最大可用车底数为约束，构建了城市轨道交通大小交路列车时刻表优化模型。根据模型特点，建立了计算机仿真模型，并将其与遗传算法相结合，提出了基于计算机仿真和遗传算法的求解方法。研究结果表明，优化后的时刻表可以使运力与客流需求更加匹配，有效缓解了高峰期乘客拥挤状况。在企业运营成本相等的情况下，优化后的乘客等待时间较优化前减少了1266.2小时，降幅达16.5％。

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 研究目标与主要内容

1．2．1 本文核心概念

1．2．2 研究目标

1．2．3 主要研究内容

1．3 论文结构安排

2 国内外研究综述

2．1 概述

2．2 列车开行方案优化研究

2．2．1 大小交路(多交路)列车开行方案研究

2．2．2 发车频率及发车间隔研究

2．2．3 列车时刻表优化研究

2．3 存在问题分析

2．4 本章小结

3 城市轨道交通大小交路列车开行方案影响因素分析

3．1 概述

3．2 大小交路列车开行方案影响因素分析

3．2．1 客流需求

3．2．2 运力资源

3．2．3 行车条件

3．3 大小交路列车开行方案实践研究

3．3．1 大小交路运营线路概况

3．3．2 线路特征分析

3．3．3 客流特征分析

3．4 本章小结

4 城市轨道交通大小交路列车开行方案优化研究

4．1 概述

4．2 问题描述及基本假设

4．2．1 大小交路抽象描述

4．2．2 基本假设及定义

4．3 大小交路列车开行方案模型构建

4．3．1 目标函数

4．3．2 约束条件

4．4 模型求解算法

4．4．1 模型求解思路及步骤

4．4．2 求解算法设计

4．5 算例研究

4．5．1 算例及模型参数

4．5．2 优化结果分析

4．5．3 灵敏度分析

4．6 本章小结

5 考虑满载率均衡性的大小交路列车开行方案优化研究

5．1 概述

5．2 问题描述及基本假设

5．2．1 问题描述

5．2．2 基本假设及符号定义

5．3 双层规划模型

5．3．1 列车开行方案优化模型

5．3．2 满载率均衡性优化模型

5．4 模型求解算法

5．4．1 模型求解思路

5．4．2 求解算法设计

5．5 算例研究

5．5．1 算例及参数取值

5．5．2 优化结果分析

5．5．3 灵敏度分析

5．6 本章小结

6 考虑客流时变特性的大小交路列车时刻表优化研究

6．1 概述

6．2 客流时变特性分析

6．3 问题描述及基本假设

6．3．1 问题描述

6．3．2 基本假设及符号定义

6．4 列车时刻表优化模型

6．4．1 目标函数

6．4．2 约束条件

6．4．3 乘客数量计算

6．5 求解方法及算法设计

6．5．1 模型求解思路

6．5．2 仿真流程设计

6．5．3 遗传算法设计

6．6 算例研究

6．6．1 算例设计及参数取值

6．6．2 优化结果

6．7 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

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集