城市轨道交通网络化运营的组织方法及实施技术研究

摘要

城市轨道交通系统在发展过程中,由单一线路逐步形成经纬交错、线路之间联系密切的网络形态,其适用的线路运营组织理论与方法、技术也更加复杂。
　　 目前,国内外相关研究领域的学者已经对多线换乘、共线运营、多交路运营、快慢车结合、可变编组、共用车辆段、票务清算等网络化运营的相关组织方法与实施技术进行了不同程度的探讨,然而总体上缺乏从微观(车站、线路层面)到宏观(线网层面)、从单一实施技术到综合运用的研究,以及综合运用多种方法与技术产生的通过能力、运营效益等方面的不同效果研究。
　　 有鉴于此,本文研究了城市轨道交通线网不同的几何形态对线网换乘能力的贡献差异,将单线路的客流特征分析综合拓展到线网覆盖的整个市域范围;在系统阐述各种网络化运营的相关方法与技术的基础上,提出了网络化运营环境下的票款清分算法及实施方案流程;研究了共线运营结合多交路的两线通过能力损失计算方法,并提出了实现该运营环境下多交路线路通过能力最大化的判定条件和行车组织方法;研究了乘客总体时间效益最大化的快车跨站选择模型并给出了相应的算法。
　　 主要的研究工作及结论包括:
　　 (1)提出并分析了以两两线路之间的换乘结点数定义的线网换乘便捷性矩阵。针对线网形态中的网格平行线、放射线和环线和换乘车站中的两线换乘、三线换乘,分别探讨了其换乘便捷性的差异。计算结果表明,轨道交通线网中,增加不同线形的线路对线网换乘便捷性的边际贡献不同。以线网规模相近的东京营团地铁和北京城市轨道交通为对比案例,计算结果后者的换乘便捷性仅为前者的40％。分析表明造成这一差距的线网形态原因在于前者以网格型形态为基础,缺乏弧线与对角线线路,同时换乘结点以两线换乘为主。
　　 (2)从长大线路的不同方向的客流空间分布特征出发,研究了线网的总体客流空间分布特征。研究了连接郊区的长大线路的客流特征,其全线客流空间分布不均衡;通勤客流对早晚高峰的影响尤为突出;各区段之间(特别是市区客流与郊区客流之间)的客流交换量明显不均衡。在此基础上,连接各线路的最高流量客流断面,形成围绕城市中心区的一个闭合环线或大弧度曲线。
　　 (3)研究了共线运营环境和换乘环境下的票款清分算法,分析了线路与经营核算实体的对应关系,对换乘环境下的票款清分算法进行了改进。在构造算法的过程中,提出了共线运营区间“虚拟路径”的概念,对应相同OD的不同经营核算实体。从而利用多路径选择概率模型或者随机用户平衡模型,确定客流分配,实现共线运营环境下的票款清分。设计算例验证了本文改进的票款清分算法的有效性。
　　 (4)以长短交路嵌套的多交路线路为研究对象,给出了各区间通过能力损失的计算模型;提出了通过延长长交路折返时间达到线路通过能力最大化的方法;推导了采用这一方法的充分条件。算例表明,通过延长折返时间110s,线路单双交路区间单位小时通过能力分别提高了0.4列和1.2列,验证了最大化方法的有效性。
　　 (5)以郊区线采用过轨运输结合多交路的市区线共线运营为研究对象,给出了各区间的通过能力损失计算式;提出了市区线利用郊区线的过轨交路达到全线线路通过能力最大化的方法;推导出了采用这一方法的充分条件。此时,市区线全线通过能力损失降低为零;郊区线的通过能力损失增大,但增值低于市区线的降值。算例表明,在损失郊区线通过能力0.3列/h的条件下,提高了市区线原单交路区间通过能力13.3列/h,验证了最大化方法的有效性。
　　 (6)从整条线路全体乘客的角度,构建了实现旅客总体时间效益最大化的快车跨站选择模型。利用多目标规划问题的特点,采用将其转化为一个单目标问题的方法设计算法。跨站模型同时还可用于判定线路是否适用快慢车结合方法。设计算例,确定快车跨站方案并仿真铺画运行图,验证了本文模型及算法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

致谢

论文说明:图表目录

1 绪论

1.1 选题意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容及技术路线

1.4 研究方法

2 网络化运营环境特征分析

2.1 城市轨道交通线网形态分析

2.1.1 城市轨道交通线网的基本形态和特点

2.1.2 城市轨道交通线网的换乘便捷性

2.1.3 典型线网的换乘便捷性分析

2.1.4 案例对比研究

2.2 网络运行环境下客流特征分析

2.2.1 连接市郊线路的客流空间分布特征

2.2.2 线网中的区域客流的空间分布特征

2.2.3 换乘客流结构特征

2.3 本章小结

3 网络化运营组织方法研究

3.1 共线运营组织技术

3.1.1 共线运营的组织方式

3.1.2 共线运营的适用性条件

3.1.3 案例分析

3.2 多交路运营组织技术

3.2.1 多交路运营的方式

3.2.2 多交路运营的适用条件

3.2.3 案例分析

3.3 快慢车结合的运营组织方法

3.3.1 快慢车结合的方式

3.3.2 快慢车结合的适用条件

3.3.3 案例分析

3.4 本章小结

4 多运营商条件下网络化运营的票务清算方法研究

4.1 票务清算的基础系统分析

4.2 票款清分流程研究

4.2.1 清分原则

4.2.2 票款清分实施流程

4.3 票款清分算法研究

4.3.1 一般网络化运营环境下的票款清分

4.3.2 共线运营环境下的票款清分

4.3.3 快慢车结合共线运营环境下的票款清分

4.4 本章小结

5 网络化运营环境下线路通过能力计算方法研究

5.1 多交路的线路通过能力计算

5.1.1 城市轨道交通线路最大通过能力的计算

5.1.2 一般多交路形式的线路通过能力的损失

5.1.3 多交路线路通过能力最大化

5.2 共线运营结合多交路的线路通过能力计算

5.2.1 共线运营结合多交路的一般形式

5.2.2 共线运营结合多交路的两线通过能力的损失

5.2.3 结合共线运营的多交路线路通过能力最大化

5.3 算例研究

5.3.1 算例设定

5.3.2 算例计算

5.4 本章小结

6 基于时间效益最大化的快慢车开行方案研究

6.1 开行快车的运营经济效益分析

6.1.1 运营成本降低

6.1.2 旅行时间缩短

6.2 快慢车开行方案确定方法研究

6.2.1 快车跨站选择模型

6.2.2 算法分析

6.2.3 快慢车开行方案验证

6.3 算例研究

6.3.1 算例设定

6.3.2 算例计算及快车跨站方案

6.3.3 仿真铺画运行图验证快车跨站方案

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 本文研究结论

7.2 本文创新点

7.3 研究展望

参考文献

附录A:[算例结果]

作者简历

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