同站台换乘轨道交通站台客流承载能力仿真优化

摘要

同站台换乘是城市轨道交通网络化运营系统常用的一种换乘方式。同站台换乘系统的停站列车既可以是属于不同运营线路的列车，也可以是属于同一条快慢车结合运营线路不同等级的列车。结合同站台换乘列车的停站时间衔接方案，同站台换乘系统可以实现真正的“零换乘”，即实现换乘步行距离与候车时间的最小化。同站台客流集散系统具有三个主要特征:一是站台进站、换乘、出站客流的流向复杂，二是乘客根据个性化乘车偏好，选择乘坐列车的随机性较强，三是列车停站换乘衔接时段易出现站台客流密度激增，站台客流集散能力发生暂时性饱和，存在一定的客流集散安全隐患。
　　尽管城市轨道网络化运营的理论研究成果已经比较丰富，但是有关同站台换乘系统站台客流承载能力动态变化规律的研究还不够深入，相关理论体系还不够成熟。因此本文旨在提出适用于同站台换乘系统的站台客流承载能力理论定义以及计算公式，研究此类站台系统乘客特有的乘车选择行为，并基于这种乘客行为模式，建立着色随机Petri网仿真模型，实现对站台客流承载能力的仿真计算，最后基于灰色系统理论编制站台客流集散效率加强方案，相关研究成果具备应用于站台客流组织管理系统的现实意义。
　　本文研究站台客流承载能力的主要工作与结论如下:
　　(1)结合结构力学、生态学、环境学等学科领域对“承载能力”的定义，针对同站台换乘模式站台特有的物理设施布局特点，根据同站台换乘列车的停站时间衔接方案决定的动态车流条件，以及乘客有个性化偏好的选择列车的随机客流条件，提出适用于同站台换乘系统的站台客流承载能力的理论定义与计算公式，进而基于系统动力学分析站台结构、车流、客流等三大影响因素对站台客流承载能力的影响机理。
　　(2)预测同站台换乘系统的乘车选择行为，计算站台乘客的乘车选择概率是准确评估站台客流承载能力发生动态性、暂时性饱和情况的基础，也是建立站台客流承载能力仿真模型理论基础。因此以计算同站台换乘系统的乘车选择概率为研究目的，建立基于随机效用理论的乘车选择ML（Multinomial logit）模型，并根据RP与SP联合调查数据估计效用函数的相关参数，研究总结了通勤者、休闲者不同的出行需求偏好，对出行时间效率的需求强度、对换乘候车时间的接受程度、对拥挤乘车环境的耐受程度，以及不同出行目的乘客对同站台系统可选择乘坐的时间快捷优先列车、少换乘优先列车与车厢不拥挤优先列车的需求特性和行为规律。
　　(3)本文的核心研究内容是在提出站台客流承载能力理论定义与同站台换乘系统的乘车选择模型的基础上建立着色随机Petri网仿真模型，实现站台车流与客流系统的工作流仿真，模拟站台乘客的乘车选择决策，输出站台客流密度、进站平均候车时间、换乘平均候车时间、快车选择比例、站台承载能力饱和时间等五项站台客流集散效率指标的统计结果。由此可以动态地监控站台客流承载能力暂时性饱和情况，适于应用到站台运营安全管理。算例仿真结果显示在不同的换乘客流需求条件下，即便使用相同的列车运行组织方案，站台客流承载能力出现暂时性饱和的时间点，最先出现承载能力饱和的站台区域都不尽相同。
　　(4)结合站台系统“信息不完全”且“信息不确定”的系统特性，建立灰色阶段规划模型，编制站台客流集散效率加强方案的研究内容是根据每一组快慢车同站台换乘周期的站台客流承载能力仿真结果，分析仿真模型所预测的站台客流承载能力饱和情况，以及站台客流集敖效率指标动态趋势，基于灰色关联综合最优决策确定站台客流集散效率的组合优化措施，并通过递推计算各次列车到站事件，形成最终的站台客流集散效率加强方案。算例结果表明:灰色阶段规划模型可以有效针对站台客流承载能力出现暂时性饱和的原因，适时地选择合适的客流集散效率加强组畲措施，从而保障站台系统安全高效运营。

目录

声明

致谢

摘要

图目录

表目录

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 问题的提出

1．1．3 研究意义

1．2 文献综述

1．2．1 轨道交通网络化运营理论

1．2．2 运输能力理论与客流承载能力理论

1．2．3 随机效用理论和客流分配理论

1．2．4 交通仿真模型理论与技术

1．2．5 运输效率评价理论与方法

1．3 主要研究内容与结构安排

1．3．1 有待解决的关键问题

1．3．2 主要研究内容

1．3．3 论文结构安排

2 站台客流承载能力理论与计算

2．1 站台客流承载能力理论

2．1．1 承载能力的概念发展

2．1．2 站台客流承载能力的定义

2．1．3 站台客流承载能力的主要特征

2．1．4 站台客流承载能力的计算公式

2．2 站台客流承载能力影响因素分析

2．2．1 基础设施配置

2．2．2 运输组织管理

2．2．3 乘客站台行为与决策

2．2．4 基于系统动力学的因果关系分析

2．3 站台客流承载能力评估标准

2．4 本章小结

3 同站台换乘系统的乘车选择行为分析

3．1 乘车选择行为调查方案设计与需求结构分析

3．1．1 问卷设计与实施情况

3．1．2 被访者出行需求分析

3．2 同站台换乘系统的乘车随机效用模型

3．2．1 基本假设与建模流程

3．2．2 确定乘车选择方案集合

3．2．3 建立效用函数

3．2．4 选择特性变量与整理问卷数据

3．2．5 利用SP排序数据的参数估计

3．3 乘车选择模型在同站台换乘线路的应用

3．4 本章小结

4 站台客流承载能力仿真模型

4．1 Petri网理论与CPN Tools软件简介

4．1．1 Petri网理论

4．1．2 CPN Tools软件

4．2 CSPN模型的功能设计与建模

4．2．1 功能设计

4．2．2 CSPN模型定义

4．3 CSPN仿真模型的子系统工作流程

4．3．1 列车运行子系统

4．3．2 站台客流子系统

4．4 站台客流承载能力仿真算例

4．4．1 基本参数设置

4．4．2 基于典型客流需求的仿真实验与结果分析

4．5 本章小结

5 站台客流集散效率加强方案研究

5．1 站台客流集散效率加强措施

5．1．1 物理站台容量扩展措施

5．1．2 站台客流集散流线优化措施

5．1．3 列车载客量改善措施

5．1．4 列车运行协调优化措施

5．1．5 客流引导与限流措施

5．1．6 措施对比

5．2 灰色阶段规划模型

5．2．1 理论基础

5．2．2 建立模型

5．2．3 求解算法设计

5．3 客流集散效率优化算例

5．3．1 算例介绍

5．3．2 算例结果分析

5．4 本章小结

6 结论

6．1 研究结论

6．2 主要创新点

6．3 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

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