CN107705039A - 基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制方法及系统，涉及城市轨道交通运营管理技术领域，该方法包括如下步骤：根据乘客出行信息，构建客流需求矩阵；根据客流需求矩阵，确定客流控制决策变量；根据客流控制决策变量，构建客流控制线性约束；根据客流控制线性约束，以客流等待时间最小为目标，构建客流控制优化模型；求解客流控制优化模型得客流精细化控制方案，将客流精细化控制方案作为客流控制参数输入控制系统中，实现客流精细化控制。本发明能够使列车容量得到充分利用，所有到达站台的乘客均能乘坐下一班列车，避免了站台客流聚集，在保证安全运营的同时，减少乘客的等待时间，提高了运行效率。

Description

基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制方法及系统
技术领域
本发明涉及城市轨道交通运营管理技术领域，具体涉及一种基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制方法及系统。
背景技术
城市轨道交通(地铁、轻轨等)具有准点、可靠等特点，已成为大多数人通勤出行的首选，其在日常通勤运输中承担了大量客流，是城市交通最重要的运输走廊。随着我国部分特大城市(如北京、上海)常住人口的急剧增多，城市内部日常通勤出行亦随之剧增，城市轨道交通在通勤运输中(早、晚高峰)面临着巨大压力，列车过载、站台拥堵等现象已成为常态，乘客挤门、落轨、踩踏等事件屡见不鲜，对运输安全造成巨大威胁。
为缓解客运高峰期间站台客流拥堵现象，轨道交通运营部门通过不断缩短高峰列车发车间隔，试图以此提高客流运输及疏散的速度。然而，为保证列车安全运行，相邻列车之间必须满足最小安全间隔，部分线路列车运行间隔已缩短至极限，但高峰客流需求仍然无法得到满足，大量乘客因留乘(由于列车容量限制，乘客无法乘坐第一列到站列车)而滞留于站台，加之后续客流持续到达，站台客流拥挤现象严重。采用客流控制策略，控制进入车站站台乘客的数量，避免站台客流拥挤，是提高运输安全的重要手段。目前，轨道交通通过控制人员在进入站台的楼梯或者通道口设置障碍，通过观测站台客流数量，人工控制进入站台的人数，以此防止站台客流拥堵。尽管目前的传统的客流控制方法对于提高运营安全具有明显作用，但导致客流运输速度下降，同时降低了客运服务水平。具体表现如下：
运营者凭借自身经验进行判断，缺乏科学的控制方法；各车站对于客流均单独控制，缺乏协同协作手段，虽然提高了运营安全性，但列车容量并未得到合理和充分的运用，导致车站乘客聚集极度不均衡，特别是下游车站，极易出现客流拥堵现象；各车站客流控制缺乏对于乘客目的地的考虑，换言之，所有乘客均统一控制，不同目的地的乘客无序乘车，导致车站容量无法合理高效运用，增加了全线乘客的总等待时间，降低了服务水平。
目前，北京、上海等大城市，高峰客流过饱和情况已成常态，高峰限流是提高运营安全的必要手段。即根据客流到达情况，合理限制进入站台的客流量，使聚集客流在站厅排队等候，进而避免站台客流拥堵，防止拥挤、踩踏等事故的出现。然而，需要注意的是，客流承载是一个动态过程，各车站的上车客流直接受其上游各车站的上车客流影响，若车站之间客流控制不相互协作考虑，极易导致部分车站客流聚集严重，同时不同OD(Origin-destination)的乘客无序乘车，会导致列车容量的低效利用，进而导致全线乘客总等待时间的提高。若各车站客流进行协同控制，同时根据乘客目的地精细控制不同OD乘客的乘车顺序，则客流的聚集情况和总等待时间则会大大改善。
目前针对车站限流与客流组织方面的研究大都集中在合理利用车站容量方面，即通过合理设置不同的客流引导设施(如栏杆)，使候车乘客最大程度合理利用车站容量，以缓解拥堵。而在多车站协同限流，以及针对不同OD 乘客的精细化限流方法还没有相关研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够在保证列车安全运营的同时，最大程度缓解车站客流聚集，提高运输速度和列车容量利用效率，减少客流等待时间的城市轨道交通客流精细化控制方法，以解决上述背景技术中存在的现有客流控制方法为提高运输能力而影响安全运营，乘客滞留严重，容易造成拥堵，时间成本较高，运输效率不能满足运输需求的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制方法，该方法包括如下步骤：
步骤S110：根据乘客出行信息，构建客流需求矩阵；
步骤S120：根据所述客流需求矩阵，确定客流控制决策变量；
步骤S130：根据所述客流控制决策变量，构建客流控制线性约束；
步骤S140：根据所述客流控制线性约束，以客流等待时间最小为目标，构建客流控制优化模型；
步骤S150：求解所述客流控制优化模型得客流精细化控制方案，将所述客流精细化控制方案作为客流控制参数，实现客流精细化控制。
进一步的，所述客流控制线性约束包括车站客流控制线性约束和列车客流动态加载线性约束。
进一步的，所述客流需求矩阵为
其中，TODf(t)表示列车运行方向f上的客流需求矩阵，λk,s,f(t)表示从车站 k到车站s在时刻t及列车运行方向f上的到达客流量，t表示离散的有限的时间点，m表示在列车运行方向f上的车站个数。
进一步的，所述客流控制决策变量为在时刻t允许进入车站k的去往车站s 的客流量ηk,s,f(t)，所述客流控制决策变量满足以下约束：
其中，T表示时间点集合，T＝{1,2,…,t,…q}，为单个时间点允许进入车站k的去往车站s的最大客流量，和分别表示两个连续时间点之间限流波动的最小值和最大值，Sf为在列车运行方向f上的车站集合， Sf＝{1,2,…,s,…m}，F表示列车运行方向，F＝{1,2}，F＝1表示列车为上行，F＝2 表示列车为下行。
进一步的，所述车站客流控制线性约束为：
其中，为在时间点t及其之前到达车站k的去往车站s的客流量，λk，s，f(t)表示在时间点t到达车站k的去往车站s的客流量，为在时间点 t及其之前进入车站k的去往车站s的客流量，为在时间点t在车站k 等待的去往车站s的客流量，表示在客流精细化控制下在时间点t在车站k搭乘列车i去往车站s的客流量，bi,k,f(t)为在时间点t进入车站k的乘客能否搭乘列车i的二元参数，If为在方向f上的列车集合，If＝{1,2,…,s,…n}，τ指的是离散的时间点序号，表示从初始时刻到时刻t之间的任意一时间点。
进一步的，当乘客到达站台的时刻处于列车i-1发车后，列车i发车前，即列车i-1已经驶离车站，而列车i尚未到达或者已到达但尚未发车，则bi,k,f(t) 等于1，表示在时间点t进入车站k的客流能够搭乘列车i，否则bi,k,f(t)等于0，表示在时间点t进入车站k的客流不能搭乘列车i。
进一步的，所述列车客流动态加载线性约束为：
其中，为列车i离开车站k时的承载客流量，为列车i在离开车站 K-1时的承载客流量，为列车i在车站k的上车客流量，为列车i在车站k的下车客流量，C为列车容量，v表示初始车站与车站K之间的任意一车站，表示在初始车站至车站K-1中的任意一车站上车的去往车站K的客流量的总和。
进一步的，所述客流等待时间的计算公式为，
其中，为在车站k的去往车站s的乘客等待时间，tunit表示单个离散的时间点的时间长度。
进一步的，所述客流控制优化模型为：
其中，表示的是所有车站所有去向的乘客总等待时间。
一种基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制系统，该系统包括：客流需求矩阵构建模块、客流控制决策变量构建模块、客流控制线性约束构建模块、客流控制优化模型构建模块和客流精细化控制方案计算模块；
所述客流需求矩阵构建模块的输出端连接所述客流控制决策变量构建模块的输入端，用于根据乘客出行信息，构建客流需求矩阵，接收所述客流控制参数，控制各车站不同去向客流在不同时间点的进站客流量；
所述客流控制决策变量构建模块的输出端连接所述客流控制线性约束构建模块的输入端，用于根据所述客流需求矩阵，确定客流控制决策变量；
所述客流控制线性约束构建模块的输出端连接所述客流控制优化模型构建模块的输入端，用于根据所述客流控制决策变量，构建客流控制线性约束，并将所述客流控制线性约束发送至所述客流控制优化模型构建模块；
所述客流控制优化模型构建模块的输出端连接所述客流精细化控制方案计算模块的输入端，用于根据所述客流控制线性约束，以客流等待时间最小为目标，构建客流控制优化模型；
所述客流精细化控制方案计算模块的输出端连接所述客流需求矩阵构建模块的输入端，用于求解所述客流控制优化模型得客流精细化控制方案，将所述客流精细化控制方案作为所述客流需求矩阵构建模块的客流控制参数，实现客流精细化控制。
本发明有益效果：在提高运营安全性的同时，最大程度缓解客流聚集情况，减少了拥堵现象，提高了运输速率，降低了运输时间成本。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制方法流程图。
图2为本发明实施例所述的在传统客流控制方法下乘客乘车与等待情况示意图。
图3为本发明实施例所述的在客流精细化控制方法下乘客乘车与等待情况示意图。
图4为本发明实施例所述的在精细化控制方法下车站进站设备布置状态示意图。
图5为本发明实施例所述的列车客流动态加载过程示意图。
图6为本发明实施例所述的列车运行示意图。
图7为本发明实施例所述的客流需求示意图。
图8为本发明实施例所述的客流控制优化模型示意图。
图9为本发明实施例所述的基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制系统原理框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或模块，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、模块和/或它们的组。
需要说明的是，在本发明所述的实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通，或两个元件的相互作用关系，除非具有明确的限定。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语 (包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明实施例的限定。
图1为本发明实施例所述的基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制方法流程图，图2为本发明实施例所述的在传统客流控制方法下乘客乘车与等待情况示意图，图3为本发明实施例所述的在客流精细化控制方法下乘客乘车与等待情况示意图，图4为本发明实施例所述的在精细化控制方法下车站进站设备布置状态示意图，图5为本发明实施例所述的列车客流动态加载过程示意图，图6为本发明实施例所述的列车运行示意图，图7为本发明实施例所述的客流需求示意图，图8为本发明实施例所述的客流控制优化模型示意图，图9为本发明实施例所述的基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制系统原理框图。
本领域普通技术人员应当理解的是，附图只是一个实施例的示意图，附图中的部件或装置并不一定是实施本发明所必须的。
如图1所示，本发明实施例所述的一种基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S110：根据乘客出行信息，构建客流需求矩阵；
步骤S120：根据所述客流需求矩阵，确定客流控制决策变量；
步骤S130：根据所述客流控制决策变量，构建客流控制线性约束；
步骤S140：根据所述客流控制线性约束，以客流等待时间最小为目标，构建客流控制优化模型；
步骤S150：求解所述客流控制优化模型得客流精细化控制方案，将所述客流精细化控制方案作为客流控制参数，实现客流精细化控制。
在本发明的一个具体实施例中，所述客流控制线性约束包括车站客流控制线性约束和列车客流动态加载线性约束。
在本发明的一个具体实施例中，所述客流需求矩阵为
其中，TODf(t)表示列车运行方向f上的客流需求矩阵，λk,s,f(t)表示从车站 k到车站s在时刻t及列车运行方向f上的到达客流量，t表示离散的有限的时间点，m表示在列车运行方向f上的车站个数。
在本发明的一个具体实施例中，所述客流控制决策变量为在时刻t允许进入车站k的去往车站s的客流量ηk,s,f(t)，所述客流控制决策变量满足以下约束：
其中，T表示时间点集合，T＝{1,2,…,t,…q}，为单个时间点允许进入车站k的去往车站s的最大客流量，和分别表示两个连续时间点之间限流波动的最小值和最大值，Sf为在列车运行方向f上的车站集合， Sf＝{1,2,…,s,…m}，F表示列车运行方向，F＝{1,2}，F＝1表示列车为上行，F＝2 表示列车为下行。
在本发明的一个具体实施例中，所述车站客流控制线性约束为：
其中，为在时间点t及其之前到达车站k的去往车站s的客流量，λk，s，f(t)表示在时间点t到达车站k的去往车站s的客流量，为在时间点 t及其之前进入车站k的去往车站s的客流量，为在时间点t在车站k 等待的去往车站s的客流量，表示在客流精细化控制下在时间点t在车站k搭乘列车i去往车站s的客流量，bi,k,f(t)为在时间点t进入车站k的乘客能否搭乘列车i的二元参数，If为在方向f上的列车集合，If＝{1,2,…,s,…n}，τ指的是离散的时间点序号，表示从初始时刻到时刻t之间的任意一时间点。
在本发明的一个具体实施例中，当乘客到达站台的时刻处于列车i-1发车后，列车i发车前，即列车i-1已经驶离车站，而列车i尚未到达或者已到达但尚未发车，则bi,k,f(t)等于1，表示在时间点t进入车站k的客流能够搭乘列车i，否则bi,k,f(t)等于0，表示在时间点t进入车站k的客流不能搭乘列车i。
在本发明的一个具体实施例中，所述列车客流动态加载线性约束为：
其中，为列车i离开车站k时的承载客流量，为列车i在离开车站 k-1时的承载客流量，为列车i在车站k的上车客流量，为列车i在车站k的下车客流量，C为列车容量，v表示初始车站与车站K之间的任意一车站，表示在初始车站至车站K-1中的任意一车站上车的去往车站K的客流量的总和。
在本发明的一个具体实施例中，所述客流等待时间的计算公式为，
其中，为在车站k的去往车站s的乘客等待时间，tunit表示单个离散的时间点的时间长度。
在本发明的一个具体实施例中，所述客流控制优化模型为：
其中，表示的是所有车站所有去向的乘客总等待时间。
如图9所示，本发明的所述的一种基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制系统，包括客流需求矩阵构建模块、客流控制决策变量构建模块、客流控制线性约束构建模块、客流控制优化模型构建模块和客流精细化控制方案计算模块；
所述客流需求矩阵构建模块的输出端连接所述客流控制决策变量构建模块的输入端，用于根据乘客出行信息，构建客流需求矩阵，接收所述客流控制参数，控制各车站不同去向客流在不同时间点的进站客流量；
所述客流控制决策变量构建模块的输出端连接所述客流控制线性约束构建模块的输入端，用于根据所述客流需求矩阵，确定客流控制决策变量；
所述客流控制线性约束构建模块的输出端连接所述客流控制优化模型构建模块的输入端，用于根据所述客流控制决策变量，构建客流控制线性约束，并将所述客流控制线性约束发送至所述客流控制优化模型构建模块；
所述客流控制优化模型构建模块的输出端连接所述客流精细化控制方案计算模块的输入端，用于根据所述客流控制线性约束，以客流等待时间最小为目标，构建客流控制优化模型；
所述客流精细化控制方案计算模块的输出端连接所述客流需求矩阵构建模块的输入端，用于求解所述客流控制优化模型得客流精细化控制方案，将所述客流精细化控制方案作为所述客流需求矩阵构建模块的客流控制参数，实现客流精细化控制。
传统客流控制方法下的乘客乘车与等待情况如图2所示，各OD乘客按照 FIFO(First-in-first-out)策略候车与乘车，图中所有乘客在列车1之前均到达车站，且B→D比B→C乘客更早到达车站。
目前针对车站限流与客流组织方面的研究大都集中在合理利用车站容量方面，即通过合理设置不同的客流引导设施(如栏杆)，使候车乘客最大程度合理利用车站容量，以缓解拥堵。而在多车站协同限流，以及针对不同OD 乘客的精细化限流方法还没有相关研究。
本发明提供一种基于动态客流需求的客流精细化控制方法，以期提高运营安全性的同时，最大程度缓解客流聚集情况，并减少全线客流的总等待时间。若采用本发明所述的客流精细化控制策略，在车站A控制A→D客流，使其不乘列车1，同时在车站B控制B→D客流，使其晚于B→C客流乘车，此时全线客流的聚集情况如图3所示，对比发现，客流精细化控制情况下，全线客流的聚集和等待情况得到很好的改善。
首先，如图9所示，本发明实施例提供一种基于客流需求的城市轨道交通客流精细化客流控制系统，该系统控制各车站不同目的地的乘客其进站的速率。系统包括以下部分：
C1、多个乘客进出站控制设备，按照乘客的目的地依次设置于各控制车站进出站检票口处，可收集乘客信息，构建客流需求矩阵，接收所述客流控制参数，控制进出车站客流量；
C2、控制策略输入系统，将客流精细化控制策略输入到控制系统中，系统根据控制策略，精细控制各车站不同出行目的地乘客的进站速率；根据所述客流需求矩阵，确定客流控制决策变量；根据所述客流控制决策变量，构建客流控制线性约束，并将所述客流控制线性约束发送至所述客流控制优化模型构建模块；根据所述客流控制线性约束，以客流等待时间最小为目标，构建客流控制优化模型；
C3、中心控制系统，能够根据乘客车票信息，严格控制乘客在特定进出站设备进出站，同时根据输入的客流控制策略，严格控制各进站设备放入各 OD客流的速率；求解所述客流控制优化模型得客流精细化控制方案，将所述客流精细化控制方案作为所述客流需求矩阵构建模块的客流控制参数，实现客流精细化控制。
城市轨道交通客流需求一般可采用OD(Origin-destination)矩阵表示，矩阵中行代表客流出行的始发站，列代表客流出行的终点站。城市轨道交通客流具有动态特性，随着全天时段不同，其需求存在差异，如工作日早晚高峰客流需求明显大于平峰时段，因此全天客流需求是随时间变化的动态需求。采用矩阵TODf(t)表示列车运行方向f的客流需求，则可以表示为如下形式：
其中，λk,s,f(t)表示从车站k到车站s在时刻t及列车运行方向f的到达客流量，其中本研究将时间t离散为多个有限的时间点，T＝{1,2,…,t,…q}为时间点集合。由于高峰客流需求量较大，高峰客流需求往往超过线路运输能力，此时极易出现运载的过饱和现象，即部分乘客无法乘上下一班到达列车，需在站台继续等候后续若干列车，容易造成站台客流聚集而出现拥挤现象。为避免站台客流拥挤，本研究考虑客流的动态特性，针对不同OD客流进行精细化客流控制，以期提高运营安全性，同时最大程度降低乘客等待时间。
为实现客流精细化控制，首先需设置一套城市轨道交通客流精细化控制系统，该系统由多个进出站设备，一个客流控制策略输入系统，以及一个中心控制系统构成。如图4所示在本发明所述的客流精细化控制方法下，各车站进站设备布置状态示意图，各车站需布设多个不同目的地车站的进站设备，所有乘客到达车站后，首先需在站厅区域候车，然后根据各自需要前往的目的站按照控制要求，经由相应的进站设备进站。各车站同样需要设置相应的出站设备，乘客到达目的站后必须经由对应的出站设备出站。各进站设备在各时间点放入站台区域的客流量采用ηk,s,f(t)表示，该参数由客流控制策略输入系统进行输入，中心控制系统严格按照输入的控制参数对各进站设备进行控制。
其次，本发明构建一种基于动态客流需求的城市轨道交通客流精细化控制策略优化方法，以动态客流需求λk,s,f(t)、列车时刻表等为输入参数，考虑实际客流控制约束、列车容量约束，以避免站台客流聚集，乘客等待时间最小为目标，求解较优的客流精细化控制方案ηk,s,f(t)。该优化方法包括如下步骤：
S1、根据动态OD客流结构，引入精细化客流控制的决策变量ηk,s,f(t)，该变量表示在时刻t及列车运行方向f放入的k→s客流量。
实际客流控制过程中，单个进站设备其通过能力有限，单个时间点内最多只能放入客流量，因此得到如下约束：
实际客流控制时，对于特定的进站设备，其放入的进站客流速率应该保证一定的平滑性，即相邻两个时间点之间放入的客流量不得差异过大，因此得到如下约束：
S2、构建客流精细化控制的相关约束，具体构建过程为：
某一时间点t，在车站k站厅等待的k→s客流量应为该车站在时间点t 及之前到达的k→s客流总量与放入的k→s客流总量之间的差值，即
其中，与分别为：
在客流控制过程中，任意时间点t及之前放入的客流总量不可能大于到达的客流总量，换言之，任意时间点t在车站k站厅等待的客流量必定大于或等于 0，因此得到如下约束：
在客流控制的整个过程中，客流是不会丢失的，即放入的客流总量应等于到达的客流总量，所有的乘客最终都会完成出行，因此得到如下约束：
客流控制的目标之一为避免站台客流聚集，防止出现站台拥挤现象，为实现此目标，本研究要求在精细化客流控制下，所有放入站台的客流均能否乘坐下一班列车离开，换言之，假设列车i为下一班到达列车，那么在前一班列车i-1出发后，列车i出发前，所有放入车站k站台的k→s客流均能搭乘列车 i。采用bi,k,f(t)表示在时间点t进入车站k站台的乘客能否搭乘列车i的二元参数，即时间点t处于列车i-1出发后，列车i出发前，则为1，反之为0。则可以得到如下约束：
S3、构建客流在列车中动态加载过程的线性关联约束，具体构建过程如下：
列车运行过程中，客流的动态加载过程主要有三个事件：车站上客、车站下客、区间运输。如图3所示，列车在车站完成上下客后，载客驶离下一车站。列车驶离车站时所在客流量应等于上一站载客数减去本站下客数，然后加上本站上客数，即满足如下约束：
其中，为上车客流，即等于在车站k上车的所有OD客流量，为下车客流，即等于在车站k之间上车的以车站k为目的地车站的所有OD客流量，计算方法如下：
由于列车的容量有限，其承载的客流量不能大于列车最大容量C，因此得到如下约束：
S3、精细化客流控制下，乘客的总等待时间的计算方法构建如下：
精细化客流控制下，乘客的总等待时间应由两部分构成，站厅等待时间和站台等待时间。由于本发明的客流控制下，所有乘客在站台都能乘坐第一班列车离开，而高峰时段列车的发车间隔较小，因此站台等待时间对于乘客而言比较小，而更多的等待则会在站厅。因此，本发明所述的乘客等待时间指的是站厅等待时间。
乘客站厅等待时间等于各时间点乘客的等待时间之和，因此，其计算公式如下：
S4、考虑以上所有约束，以乘客等待时间最小为目标，构建客流精细化控制策略优化模型，模型的具体形式如下：
S5、求解所构建的优化模型，获取最优客流控制方案。具体求解方法如下：本发明构建的客流精细化控制策略优化模型，从决策变量来看，ηk,s,f(t)为整数变量，模型的复杂度主要取决于车站的数量，以及离散的时间点数量。另外，所构建的约束条件均为线性约束，故可利用常用的商业优化软件(如 CPLEX,GUROBI等)来对一般规模的问题进行求解，从而获得系统较优的客流控制策略。
下面以具体实例对本发明公开的基于动态客流需求的城市轨道交通客流精细化控制方法做进一步说明。
以某一具有四个车站的城市轨道交通线路为例，车站集合S＝{1,2,3,4}，对应的车站名称分别为A、B、C、D。以下行方向为例(列车运行方向为A→ D，f＝2)，对线路进行客流精细化控制。相关参数具体如下：
(1)时间点集合为T＝{1,2,…,80}，共80个时间点，每个时间点的时间长度为30秒。
(2)共有10列列车，If＝{1,2,…,10}，所有列车的容量C＝500人，列车运行图如图6所示，根据图中列车在各车站的到达和出发时刻，可以获取参数 bi,k,f(t)。如b3,2,2(17)＝1，时间点17在车站B(编号为2)处于列车3发车前，且列车2发车之后；而b3,2,2(12)＝0，时间点12则不满足。
(3)各OD动态客流需求如图7，各OD客流需求均呈现明显的高峰集中到达现象。此外，所有OD客流需求均在各站末班车之前到达，末班车之后没有客流需求。根据图6中数据，可设置动态客流参数λk,s,f(t)。
(4)每个进站设备最大放入客流量均为80人，相邻时间点之间放入客流波动值和均分别为-20人和20人。
根据以上给定和设置的参数，即可构建相应的客流精细化控制策略优化模型，在GAMS或者MATLAB中，编写代码构建本方法所提出的模型框架，并调用CPLEX或者GUROBI优化软件进行求解，即可获得较优的客流控制策略。经过约2秒的计算，得出客流控制优化模型如图8所示，计算方案中客流的总等待时间为1709850秒，约474.96小时，若不进行客流控制或采用传统客流控制方法，乘客的总等待时间约为540小时，可见采用客流精细化控制策略，乘客的等待时间被大大降低。此外，图8可以看出，本发明提出的优化模型所求得的精细化客流控制方案，能够针对不同OD随时间变化的客流需求，在全线范围内实现多车站、多OD客流的精细化控制。如客流A→D、B→D在时间点20之间受到了严厉的控制，而客流A→B、A→C、B→C则控制较为宽松，特别是客流A→B，没有任何限制，显然在时间点20之前，客流A→B、A →C、B→C具有优先乘车权，通过精细化控制，列车容量得到充分利用。
综上所述，本发明利用套精细化客流控制系统，并构建了一种基于动态客流需求的城市轨道交通客流精细化控制策略优化模型，能够快速求解较优的精细化客流控制方案，并以此作为客流控制系统的输入，以实现客流的精细化控制。通过精细化客流控制，列车容量得到充分利用，乘客的等待时间得到最大程度的优化，此外，精细化客流控制下，所有到达站台的乘客均能乘坐下一班列车，避免了站台客流聚集，大大提高了运营安全性。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S110：根据乘客出行信息，构建客流需求矩阵；
步骤S120：根据所述客流需求矩阵，确定客流控制决策变量；
步骤S130：根据所述客流控制决策变量，构建客流控制线性约束；
步骤S140：根据所述客流控制线性约束，以客流等待时间最小为目标，构建客流控制优化模型；
步骤S150：求解所述客流控制优化模型得客流精细化控制方案，将所述客流精细化控制方案作为客流控制参数，实现客流精细化控制。
2.根据权利要求1所述的基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制方法，其特征在于：所述客流控制线性约束包括车站客流控制线性约束和列车客流动态加载线性约束。
3.根据权利要求2所述的基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制方法，其特征在于，所述客流需求矩阵为
其中，TODf(t)表示列车运行方向f上的客流需求矩阵，λk,s,f(t)表示从车站k到车站s在时刻t及列车运行方向f上的到达客流量，t表示离散的有限的时间点，m表示在列车运行方向f上的车站个数。
4.根据权利要求3所述的基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制方法，其特征在于，所述客流控制决策变量为在时刻t允许进入车站k的去往车站s的客流量ηk,s,f(t)，所述客流控制决策变量满足以下约束：
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其中，T表示时间点集合，T＝{1,2,…,t,…q}，为单个时间点允许进入车站k的去往车站s的最大客流量，和分别表示两个连续时间点之间限流波动的最小值和最大值，Sf为在列车运行方向f上的车站集合，Sf＝{1,2,…,s,…m}，F表示列车运行方向，F＝{1,2}，F＝1表示列车为上行，F＝2表示列车为下行。
5.根据权利要求4所述的基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制方法，其特征在于，所述车站客流控制线性约束为：
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其中，为在时间点t及其之前到达车站k的去往车站s的客流量，λk，s，f(t)表示在时间点t到达车站k的去往车站s的客流量，为在时间点t及其之前进入车站k的去往车站s的客流量，为在时间点t在车站k等待的去往车站s的客流量，表示在客流精细化控制下在时间点t在车站k搭乘列车i去往车站s的客流量，bi,k,f(t)为在时间点t进入车站k的乘客能否搭乘列车i的二元参数，If为在方向f上的列车集合，If＝{1,2,…,s,…n}，τ指的是离散的时间点序号，表示从初始时刻到时刻t之间的任意一时间点。
6.根据权利要求5所述的基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制方法，其特征在于，当乘客到达站台的时刻处于列车i-1发车后，列车i发车前，即列车i-1已经驶离车站，而列车i尚未到达或者已到达但尚未发车，则bi,k,f(t)等于1，表示在时间点t进入车站k的客流能够搭乘列车i，否则bi,k,f(t)等于0，表示在时间点t进入车站k的客流不能搭乘列车i。
7.根据权利要求6所述的基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制方法，其特征在于，所述列车客流动态加载线性约束为：
<mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>n</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>,</mo> <mi>f</mi> </mrow> <mrow> <mi>T</mi> <mi>r</mi> <mi>a</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>n</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mi>f</mi> </mrow> <mrow> <mi>T</mi> <mi>r</mi> <mi>a</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>n</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>,</mo> <mi>f</mi> </mrow> <mrow> <mi>A</mi> <mi>l</mi> <mi>i</mi> <mi>g</mi> <mi>h</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>n</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>,</mo> <mi>f</mi> </mrow> <mrow> <mi>B</mi> <mi>o</mi> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msubsup> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>&amp;ForAll;</mo> <mi>i</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <msub> <mi>I</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <msub> <mi>S</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>,</mo> <mi>f</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>F</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
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其中，为列车i离开车站k时的承载客流量，为列车i在离开车站K-1时的承载客流量，为列车i在车站k的上车客流量，为列车i在车站k的下车客流量，C为列车容量，v表示初始车站与车站K之间的任意一车站，表示在初始车站至车站K-1中的任意一车站上车的去往车站K的客流量的总和。
8.根据权利要求7所述的基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制方法，其特征在于，所述客流等待时间的计算公式为，
<mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>t</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>,</mo> <mi>s</mi> <mo>,</mo> <mi>f</mi> </mrow> <mrow> <mi>W</mi> <mi>a</mi> <mi>i</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>T</mi> </mrow> </munder> <msubsup> <mi>n</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>,</mo> <mi>s</mi> <mo>,</mo> <mi>f</mi> </mrow> <mrow> <mi>W</mi> <mi>a</mi> <mi>i</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>u</mi> <mi>n</mi> <mi>i</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>&amp;ForAll;</mo> <mi>k</mi> <mo>&lt;</mo> <mi>s</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>S</mi> <mo>,</mo> <mi>f</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>F</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中，为在车站k的去往车站s的乘客等待时间，tunit表示单个离散的时间点的时间长度。
9.根据权利要求8所述的基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制方法，其特征在于，所述客流控制优化模型为：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>min</mi> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <msub> <mi>S</mi> <mi>f</mi> </msub> </mrow> </munder> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>s</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mo>{</mo> <mi>k</mi> <mo>&lt;</mo> <mi>s</mi> <mo>|</mo> <msub> <mi>S</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>}</mo> </mrow> </munder> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>f</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>F</mi> </mrow> </munder> <msubsup> <mi>t</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>,</mo> <mi>s</mi> <mo>,</mo> <mi>f</mi> </mrow> <mrow> <mi>W</mi> <mi>a</mi> <mi>i</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msubsup> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>t</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>,</mo> <mi>s</mi> <mo>,</mo> <mi>f</mi> </mrow> <mrow> <mi>W</mi> <mi>a</mi> <mi>i</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>T</mi> </mrow> </munder> <msubsup> 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其中，表示的是所有车站所有去向的乘客总等待时间。
10.一种基于客流需求的城市轨道交通客流精细化控制系统，其特征在于，包括：客流需求矩阵构建模块、客流控制决策变量构建模块、客流控制线性约束构建模块、客流控制优化模型构建模块和客流精细化控制方案计算模块；
所述客流需求矩阵构建模块的输出端连接所述客流控制决策变量构建模块的输入端，用于根据乘客出行信息，构建客流需求矩阵，接收所述客流控制参数，控制各车站不同去向客流在不同时间点的进站客流量；
所述客流控制决策变量构建模块的输出端连接所述客流控制线性约束构建模块的输入端，用于根据所述客流需求矩阵，确定客流控制决策变量；
所述客流控制线性约束构建模块的输出端连接所述客流控制优化模型构建模块的输入端，用于根据所述客流控制决策变量，构建客流控制线性约束，并将所述客流控制线性约束发送至所述客流控制优化模型构建模块；
所述客流控制优化模型构建模块的输出端连接所述客流精细化控制方案计算模块的输入端，用于根据所述客流控制线性约束，以客流等待时间最小为目标，构建客流控制优化模型；
所述客流精细化控制方案计算模块的输出端连接所述客流需求矩阵构建模块的输入端，用于求解所述客流控制优化模型得客流精细化控制方案，将所述客流精细化控制方案作为所述客流需求矩阵构建模块的客流控制参数，实现客流精细化控制。
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