一种轨道客流运能匹配方法及其电子设备及其存储介质

摘要

一种轨道客流运能匹配方法及其电子设备及其存储介质，属于城市轨道交通客流管理技术领域。为解决轨道运能分布的问题。本发明基于原始OD客流出行全环节数据，获取目标线路上的OD客流集合；基于已知线路上的客流后获取实际已经开通运行的大小交路集合和基于算法生成的新增大小交路集合，确定目标线路的运行网络图，根据所述目标线路上的OD客流集合遍历OD出行方案，建立时空网络下的乘客备选出行数据集；建立OD客流量的出行服务质量上限拟合函数；建立最小化断面运能缺口模型及约束条件；根据所述优化模型和预设约束条件确定预测OD，进行所述轨道客流运能匹配。本发明优化轨道运能分布，提升运能与客流正相关性。

说明书

技术领域

本发明属于城市轨道交通客流管理技术领域，具体涉及一种轨道客流运能匹配方法及其电子设备及其存储介质。

背景技术

实际场景下，轨道列车以固定间隔发车，优势在于准时稳定、易于操控。但是面对时空分布不均衡的客流需求，轨道运能易出现缺口或溢出，导致资源利用不足。因此对于客流量大的站点和时段，如何排布运力在合适的时间到达，缓解该站点的乘客出行需求，对于客流量小的站点和时段，如何节约运能资源，且保障乘客出行服务质量和运营企业的利益，具有实际研究应用价值。

目前地铁运能优化主要解决方法有三种方式：1）分时段发车间隔设计：工作人员将全天运营时间划分为多个时段，如早平峰、早高峰、午平峰、午高峰、晚高峰及晚平峰，对高峰低谷的客流进行数据分析，设置各个时段下的发车间隔；2）多编组列车设计：列车编组辆数体现其载客能力，根据不同时段下的客流特征，通过大编组、小编组或混合编组的形式来动态配置运能，缓解大客流需求；3）多交路运营设计：在同一方向线路上，开行多种交路方案，如嵌套交路、衔接交路，满足客流的分布特征，加快车底周转效率，节约营运成本。

方式1）的发车间隔调整主要步骤如下：

依据全天的客流量分布，将一天时间切割划分为多个运营时段。划分的方法可以直观数据统计，也有使用聚类方法，如最优分割聚类，将OD概率分布矩阵就行归类，保证相同时段下OD客流满足近似的分布规律；

确定时段下开行对数

交路发车间隔：

方式1）在实际运营过程中灵活简单，便于实际操作，但当平峰时段的客流量过少时，得到的发车间隔会过大，乘客的等车时长增加，导致服务质量下降，客诉率升高，并且平峰和高峰时段切换的时期，简单的发车间隔转换会导致局部站点运能冗余或者溢出，浪费运力资源，缺乏全局的优化角度。

方式2）常规情况下，使用固定交路组合的形式，可由实际业务经验制定出大小交路，或建立模型计算交路组合及其开行频率，目标满足最大断面客流需求。通过编组策略直接提升列车运能能力，可以不改动运行图的情况下，按实际需求进行运能的增减。

固定交路的形式仅考虑断面客流，忽略乘客乘车的全环节流程，而实际乘客出行决策过程中，选择不同的乘车班次，往往引起后序断面客流量发生连锁变化，那么基于静态的断面客流数据估计出来的运能需求准确性会降低；另外增减交路仅考虑满足断面客流需求，未体现乘客服务质量的优化，同线路路换乘等牺牲服务质量的情况便不可控。

方式3）是从规划层面，考虑站点折返能力和换乘条件，增加合适交路组合，匹配客流。但方式2）和方式3）中固定交路的形式仅考虑断面客流，忽略了乘客乘车的全环节流程环节流程，而实际乘客出行决策过程中，选择不同的乘车班次，往往引起后序断面客流量发生连锁变化，那么基于静态的断面客流数据估计出来的运能需求准确性会降低；另外增减交路仅考虑满足断面客流需求，未体现乘客服务质量的优化，导致服务质量下降。

发明内容

本发明针对以时段为周期班次切换导致运能不均衡问题及针对乘客的等车时长增加导致服务质量下降的问题进行优化，提出一种轨道客流运能匹配方法及其电子设备及其存储介质。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种轨道客流运能匹配方法，包括如下步骤：

S1、基于原始OD客流出行全环节数据，获取目标线路上的OD客流集合；

S2、基于步骤S1已知线路上的客流，通过该线路上的大小交路交通流数据，获取实际已经开通运行的大小交路集合和基于算法生成的新增大小交路集合；

S3、根据所述实际已经开通运行的大小交路集合和基于算法生成的新增大小交路集合确定目标线路的运行网络图，根据所述目标线路上的OD客流集合遍历OD出行方案，建立时空网络下的乘客备选出行数据集；

S4、建立OD客流量的出行服务质量上限拟合函数；

S5、建立最小化断面运能缺口模型及约束条件；

S6、根据最小化断面运能缺口模型及预设约束条件获得预测OD，进行轨道客流运能匹配。

进一步的，步骤S1的具体实现方法包括如下步骤：

S1.1、输入原始OD客流出行全环节数据；

S1.2、判断OD客流是否为换乘客流，若否，不进行处理，若是，按照乘客乘车班次将原始OD拆分为多个环节的OD；

S1.3、通过各个环节OD中的班次ID判断客流所属的线路，保留目标线路上OD客流，使用

进一步的，步骤S2的具体实现方法包括如下步骤：

S2.1、已知线路上所有折返站集合

S2.2、统计现状运行图中的班次始发时间，得到各个折返站点的发车时刻，并进行升序排列；

S2.3、通过站点最小发车间隔，计算出折返站仍可以发车的时间点，即新增交路的始发时刻；

S2.4、基于交路流向和新增交路的始发时刻，进行交路时刻表推演，得到基于算法生成的新增大小交路集合，使用

S2.5、遍历交路集合R，两两判断交路的方向及其所属折返站，将同折返站同方向交路对集合用

进一步的，步骤S3的具体实现方法包括如下步骤：

S3.1、将实际已经开通运行的大小交路集合和基于算法生成的新增大小交路集合中的每一个交路拆分为节点和边，节点是一个交路途经的站点，边是由两个节点组成，该两个节点代表的站点是前后相邻的站点；

S3.2、使用S3.1中的边构建目标线路的运行网络图，所述目标线路的运行网络图包含全部交路的节点；

S3.3、依据目标线路的运行网络图，遍历全部目标线路上的OD，得到出行需求

S3.4、遍历OD出行路径集合

进一步的，步骤S4利用幂函数拟合得到服务质量上限函数：

其中，

进一步的，步骤S5中最小化断面运能缺口模型的目标函数为：

其中，

进一步的，步骤S5最小化断面运能缺口模型包括以下约束条件：乘客出行约束、列车发车间隔约束、列车折返约束、路径班次约束、断面运能约束；

乘客出行约束为时间切片下的所有乘客出行率，约束条件为：

其中，

列车发车间隔约束为同一折返站发车满足安全发车时间间隔，约束条件为：

其中，

列车折返约束为同一折返站发车进站列车和出站列车满足安全折返时间间隔，约束条件为：

其中，

路径班次约束为只有班次被选中的情况下，OD可搭乘该班次所在的路径，约束条件为：

断面运能约束为限制断面下客流和运能关系，约束条件为：

其中，

进一步的，步骤S6利用分支定界算法求解得到全部变量v、

电子设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现所述的一种轨道客流运能匹配方法的步骤。

计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种轨道客流运能匹配方法。

本发明的有益效果：

本发明所述的一种轨道客流运能匹配方法，针对现状以时段为周期下班次切换导致运能不均衡问题，本发明所述的一种轨道客流运能匹配方法以天为周期进行优化计算；

本发明所述的一种轨道客流运能匹配方法，针对现状乘客服务质量权衡标准过于简单，所述的一种轨道客流运能匹配方法通过幂函数的形式模拟乘客候车时长上限，然后由最小化断面运能缺口模型决策实际候车时长，即减少模型变量和复杂度，又可控制服务质量变化；

本发明所述的一种轨道客流运能匹配方法，针对现状运能规划考虑断面客流，导致结果精细程度低，本发明使用OD维度客流，建立混合整数规划模型，计算具体的OD出行方案，以及班次的排布方案，从全局角度优化乘客出行和班次运能。

本发明所述的一种轨道客流运能匹配方法，通过分时客流候车时长拟合+最小化断面运能缺口模型的形式实现乘客服务质量和运能规划的多目标优化，解耦策略即提升模型的计算效率，又实现方案的可控性。

本发明所述的一种轨道客流运能匹配方法，基于分时乘客出行OD对，通过新增交路班次、调整班次时刻表的方式，优化轨道运能分布，提升运能与客流正相关性。

附图说明

图1为本发明所述的一种轨道客流运能匹配方法对深圳市一号线07:00运能客流匹配对比图；

图2为本发明所述的一种轨道客流运能匹配方法对深圳市一号线08:00运能客流匹配对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的具体实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的具体实施方式。通常在此处附图中描述和展示的本发明具体实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，本发明还可以具有其他实施方式。

因此，以下对在附图中提供的本发明的具体实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定具体实施方式。基于本发明的具体实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下具体实施方式，并配合附图详细说明如下 ：

具体实施方式一：

一种轨道客流运能匹配方法，包括如下步骤：

S1、基于原始OD客流出行全环节数据，获取目标线路上的OD客流集合；

进一步的，原始OD客流数据包含乘客出行全环节中的始发和目的站点，而模型只计算特定的线路，比如计算1号线时，只关注途经1号线的客流量及时间，因此需要将原始OD的出行环节进行切分，截取目标线路上的分时客流，步骤S1的具体实现方法包括如下步骤：

S1.1、输入原始OD客流出行全环节数据；

S1.2、判断OD客流是否为换乘客流，若否，不进行处理，若是，按照乘客乘车班次将原始OD拆分为多个环节的OD；

S1.3、通过各个环节OD中的班次ID判断客流所属的线路，保留目标线路上OD客流，使用

S2、基于步骤S1已知线路上的客流，通过该线路上的大小交路交通流数据，获取实际已经开通运行的大小交路集合和基于算法生成的新增大小交路集合；

进一步的，步骤S2的具体实现方法包括如下步骤：

S2.1、已知线路上所有折返站集合

S2.2、统计现状运行图中的班次始发时间，得到各个折返站点的发车时刻，并进行升序排列；

S2.3、通过站点最小发车间隔，计算出折返站仍可以发车的时间点，即新增交路的始发时刻；

S2.4、基于交路流向和新增交路的始发时刻，进行交路时刻表推演，得到基于算法生成的新增大小交路集合，使用

S2.5、遍历交路集合R，两两判断交路的方向及其所属折返站，将同折返站同方向交路对集合用

S3、根据所述实际已经开通运行的大小交路集合和基于算法生成的新增大小交路集合确定目标线路的运行网络图，根据所述目标线路上的OD客流集合遍历OD出行方案，建立时空网络下的乘客备选出行数据集；

进一步的，步骤S3的具体实现方法包括如下步骤：

S3.1、将实际已经开通运行的大小交路集合和基于算法生成的新增大小交路集合中的每一个交路拆分为节点和边，节点是一个交路途经的站点，边是由两个节点组成，该两个节点代表的站点是前后相邻的站点；

S3.2、使用S3.1中的边构建目标线路的运行网络图，所述目标线路的运行网络图包含全部交路的节点；

S3.3、依据目标线路的运行网络图，遍历全部目标线路上的OD，得到出行需求

S3.4、遍历OD出行路径集合

进一步的，S3.3遍历所有OD，针对单一OD利用深度遍历策略进行匹配出行方案。具体的，已知OD的始发站点和到站时刻，从网络图中搜索出可以匹配的节点（站点相同，时间可衔接），然后搜索下一个可以探访的节点，判断当前节点是否为OD的目的站点，若否继续先下个节点进行搜索，直至无叶子节点，若是则返回至上一个节点继续进行遍历，直至无叶子节点；

S4、建立OD客流量的出行服务质量上限拟合函数；

进一步的，步骤S4利用幂函数拟合得到服务质量上限函数：

其中，

进一步的，出于车站运营安全考虑，站内候车人数不宜过多，因此大客流OD需尽快乘车出站，模型通过指数函数拟合形式，模拟出不同乘客数量下其候车时长的上限，对S3中的出行方案进行筛选，仅保留候车时长限制内的方案。单时间片下站点出现大客流时，如果不及时输送，容易发生阻塞甚至踩踏事故，因此该类客流服务要求优先级高。根据实际客流量进行多次测试实验，利用幂函数拟合技术得出服务质量上限函数。通过步骤S1可得单时间片下的客流量

S5、建立最小化断面运能缺口模型及约束条件；

进一步的，步骤S5中最小化断面运能缺口模型的目标函数为：

其中，

进一步的，步骤S5最小化断面运能缺口模型包括以下约束条件：乘客出行约束、列车发车间隔约束、列车折返约束、路径班次约束、断面运能约束；

所述乘客出行约束为时间切片下的所有乘客出行率，约束条件为：

其中，

所述列车发车间隔约束为同一折返站发车满足安全发车时间间隔，约束条件为：

其中，

所述列车折返约束为同一折返站发车进站列车和出站列车满足安全折返时间间隔，约束条件为：

其中，

所述路径班次约束为只有班次被选中的情况下，OD可搭乘该班次所在的路径，约束条件为：

该约束是的OD在选择出行路径时需满足路径中的交路选择变量大于0；

所述断面运能约束为限制断面下客流和运能关系，约束条件为：

其中，

S6、根据所述优化模型和预设约束条件确定预测OD，进行所述轨道客流运能匹配；

进一步的，步骤S6利用分支定界算法求解得到全部变量v、

进一步的，得到OD的可能出行路径，该混合整数规划模型通过决策OD的最优出行方案和交路班次的选择来控制运能与客流的匹配程度，也可对班次发车时刻进行调整，来实现最大限制的运能节约。

利用本实施方式风洞方法应用于深圳市一号线运能客流匹配，图1为早七时的优化前后运行对比图，图2为早八时的优化前后运行图对比，柱状图代表客流量，背景色为5分钟发车间隔下的运能作为参考，从图中可知满足乘客出行需求前提下，优化后运能减少明显。部分优化后交路方案如表1所示，部分优化后的OD出行方案如表2所示，一号线08:00时间片运能与客流匹配优化如表3所示：

表1：部分优化后交路方案

表2：部分优化后OD出行方案

表3: 一号线08:00时间片运能与客流匹配优化（单位：人）

精细化的数据给地铁运营工作人员提供实际运营依据，通过数据推演分析，得到不同时间下，各个站点的客流需求量和运能排布量。基于优化方案统计出，早高峰08:00时间片下深圳地铁一号线各个站点的客流和运能优化数据如下，可看出西乡至竹子林的可运能减少793人。

本实施方式所述的一种轨道客流运能匹配方法，考虑进行精细化处理，具体刻画出运能和客流的映射关系，进而建立数学模型精确求解，得出具体OD对的出行方案，以及班次运能分钟级的排布方案。另外考虑到方案落地时，便于操作人员的上手，模型即可进行零基规划，输出完全理想最优的方案，又可以基于现状运行图为基础进行优化，输出优化后的局部最优运行方案。模型核心思想是，基于乘客出行OD对，通过新增交路班次、调整交路时刻表的方式，优化轨道运能分布，提升运能与客流正相关性。

本实施方式所述的一种轨道客流运能匹配方法，通过分时客流候车时长拟合+最小化断面运能缺口模型的形式实现乘客服务质量和运能规划的多目标优化，解耦策略即提升模型的计算效率，又实现方案的可控性。

本实施方式所述的一种轨道客流运能匹配方法，基于分时乘客出行OD对，通过新增交路班次、调整班次时刻表的方式，优化轨道运能分布，提升运能与客流正相关性。

具体实施方式二：

本发明的计算机装置可以是包括有处理器以及存储器等装置，例如包含中央处理器的单片机等。并且，处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现上述的基于CREO软件的可修改由关系驱动的推荐数据的推荐方法的步骤。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 (Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array，FPGA) 或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序（比如声音播放功能、图像播放功能等）等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据（比如音频数据、电话本等）等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（Secure Digital, SD）卡，闪存卡（Flash Card）、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

具体实施方式三：

本发明的计算机可读存储介质可以是被计算机装置的处理器所读取的任何形式的存储介质，包括但不限于非易失性存储器、易失性存储器、铁电存储器等，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当计算机装置的处理器读取并执行存储器中所存储的计算机程序时，可以实现上述的基于CREO软件的可修改由关系驱动的建模数据的建模方法的步骤。

所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然在上文中已经参考具体实施方式对本申请进行了描述，然而在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本申请所披露的具体实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本申请并不局限于文中公开的特定具体实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。