CN112434969B - 一种区域多式轨道交通运力资源调配方法 - Google Patents

一种区域多式轨道交通运力资源调配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种区域多式轨道交通运力资源调配方法，通过建立考虑不同轨道交通方式间交互客流影响的区域多式轨道交通运力资源协同调配模型，依据干线轨道交通及城市轨道交通运力资源配置现状获取运力资源分布不匹配的时段，以城市轨道交通运力资源的时间分布情况为依据，确定干线轨道交通需要调出列车的时段及可调入列车的时段，根据时段的调整需要以干线轨道交通的到达均衡性为依据确定调整列车的调入调出时间，以此实现干线轨道交通运力资源的调配；干线轨道交通运力资源调整完毕后，以交互客流的换乘时间最小为目标，优化城市轨道交通列车的时刻表，从而实现城市轨道交通运力资源的调整，至此完成对区域多式轨道交通运力资源的协同调配。

Description

一种区域多式轨道交通运力资源调配方法
技术领域
本发明涉及一种区域多式轨道交通运力资源调配方法。
背景技术
随着城市群的形成，乘客对交通出行也产生了新的需求，为此新型城镇化规划将对各城市群轨道交通规划进行重新梳理，充分考虑多重运输方式的衔接因素，促进城市群的发展及城市间的交流。为满足乘客的出行需求，区域多式轨道交通物理网络不断完善，网络化的运营服务也随之展开，但区域轨道交通涉及到多种不同制式的轨道交通方式，各轨道交通独立运营难以兼顾其他制式的运输需求，因此网络中运力资源供需不平衡的问题也逐步显现。此时区域轨道交通运力资源调配就显得尤为重要，通过运力资源的调配可使不同轨道交通之间形成更好的衔接、减少运能虚糜和运能不足情况的出现、在不增加基础设施投资的前提下提高运力资源的使用效率，对于提升区域乘客出行效率，完善区域轨道交通服务质量起到关键性作用。
区域轨道交通包含多种轨道交通方式，与轨道交通运输能力相关的所有资源均可称之为运力资源，通常而言区域轨道交通运力资源包括人员、场站、资金、技术、设施设备等。依据运力资源的属性可进一步分为静态运力资源及动态运力资源，而运力资源通常在数量及时空分布上影响运输能力。静态运力资源在一定时期内通常是固定不变的，包括轨道、道岔、站台等一系列运力资源；动态运力资源包括机车、车辆等用来实现乘客位移的运力资源。对区域轨道交通而言，静态资源的调整通常需要经过较长时间的建设周期，难以应对短期运力资源需求缺口；而对动态运力资源来说，仅通过增加资源数量来弥补运力资源的不足，不仅在资金上面临较大的难题，也难以改善运力资源的利用效率。因此考虑对动态运力资源进行时空分布上的调整，对区域轨道交通而言更具有实际意义，但由于各交通方式管理部门间缺乏交流，未考虑到交互客流的双向特点，传统的运力资源调整方法难以在区域范围内取得较好的结果。因此，只有在考虑交互客流双向特性基础上，构建多种轨道交通运力资源协同调配模型，才能够有效改善运力资源不协调、不平衡的现状，提升区域轨道交通运输效率。
虽然有关运力资源配置的研究在近几年受到了广泛的关注，但大部分都未能考虑交互客流双向特性且对运力资源的调配仅从单一轨道交通方式进行。
目前关于运力资源的调配主要集中在单一制式内部的运力资源调配，依据运力资源调整方法的不同，可将国内外相关研究文献分为运力资源的数量调整、运力资源时空分布调整，其中运力资源时空分布调整可分为开行方案调整和时刻表调整。
运力资源的数量调整包含多种不同的运力对象，如Zhen通过对不同坐席票价进行调整从而影响高铁列车中不同等级坐席资源数量配置。利用洛伦兹曲线、基尼系数、DEA等方法评价现有运力资源如机车司机、生产设备、车辆数量等的匹配度，依据评价结果调整不同时段的运力资源数量配置。依据运力资源的供需特点，将运力资源分为不同的模式，针对不同的模式给出运力资源数量配置方案。申炎炎基于现有客流对目标年客运需求进行预测，依据预测结果计算得出相应年份的需要配置的运力资源数量。John及孔娟娟考虑运输设备承载能力对运力资源类型进行调整，通过调整不同承载力的车型数量适应不同情况下的运输需求，提高车辆利用效率。在考虑网络中运力资源数量受限及需求不确定条件下的运力资源分配方法。刘佩考虑不同车站间隔时间，通过增加高峰小时列车的开行数量满足乘客的出行需求。Vladislav和Martin通过改变线路基础设施的配置规格及通信流程完善运输条件以适应运输需求。
因运输组织方式差异性，干线轨道交通与城市轨道交通在调整运力资源开行方案上采用不同的方法。对于干线轨道交通而言通常以不同区间的客流量差异情况为依据对配置不同的干线轨道交通列车开行方案，此外王龙通过测算车流运输时间瓶颈区段的紧张情况，确定被服务列车的开行优先度。林立在考虑相应城市轨道交通配置情况下，确定城际列车的开行方案。而对城市轨道交通来说，主要考虑客流波动性及断面客流量变化通过开行大小交路列车及不同停站方案的快慢车实现开行方案的调整。徐瑞华研究了在两种不同的运营故障情况下通过开行方案调整运力资源的配置情况实现乘客的疏解。
干线轨道交通时刻表调整主要是通过调节全天不同等级列车的到发时间、停站时间及运行时间使其与客流需求相匹配，在此基础上演变为基于时刻表周期性、鲁棒性等方面进行运力资源时空分布的调整。在城市轨道交通时刻表的调整中，首末班车时刻表及高峰期时刻表因其客流与其他时段的差异性，成为学者的研究重点。城市轨道交通大规模成网后带来不同线路间的换乘需求，通过对网络中不同线路的列车运行时间、停站时间等进行调整，实现运力资源时间分布优化配置。
综上所述，国内外已有大量对单一制式轨道交通运力资源调配方法的研究，但是研究仅局限于单一轨道交通方式内部的运力资源调整，较少考虑不同轨道交通方式之间相互作用带来影响，也未能同时协调不同轨道交通运力资源配置情况。根据实际区域多式轨道交通网络运行的现状，考虑不同轨道交通方式间的相互作用进行多方式运力资源的协同调配，对提高区域轨道交通网络的运输效率及服务质量具有十分重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种区域多式轨道交通运力资源调配方法，旨在克服现有运力资源调配方法的不足。本发明通过建立考虑不同轨道交通方式间交互客流影响的区域多式轨道交通运力资源协同调配模型，依据干线轨道交通及城市轨道交通运力资源配置现状获取运力资源分布不匹配的时段，以城市轨道交通运力资源的时间分布情况为依据，确定干线轨道交通需要调出列车的时段及可调入列车的时段，根据时段的调整需要以干线轨道交通的到达均衡性为依据确定调整列车的调入调出时间，以此实现干线轨道交通运力资源的调配；干线轨道交通运力资源调整完毕后，以交互客流的换乘时间最小为目标，优化城市轨道交通列车的时刻表，从而实现城市轨道交通运力资源的调整，至此完成对区域多式轨道交通运力资源的协同调配。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种区域多式轨道交通运力资源调配方法，包括如下步骤：
步骤一、构建干线轨道交通运力资源调配模型；
步骤二、利用既有区域枢纽站干线列车到发时刻信息、干线列车载客量、城市轨道交通列车开行时间分布数据信息，对干线轨道交通运力资源调配模型进行求解，得到最优目标函数及相对应的干线列车到站时刻，即完成对区域干线轨道交通运力资源的调配；
步骤三、构建城市轨道交通运力资源调配模型；
步骤四、利用通过干线轨道交通运力资源调配模型得到的枢纽站干线列车到发时刻信息、干线列车载客量、城市轨道交通列车小时开行数量数据信息，对城市轨道交通运力资源调配模型进行求解，得到最优目标函数及相对应的城市轨道交通列车停站时间及出发时间，即完成对区域城市轨道交通运力资源的调配。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
1)全面性：本发明在进行运力资源调配时考虑区域内不同制式的轨道交通方式，克服传统单制式运力调配的局限性，能够更好的适应区域范围内乘客的出行需求，全面覆盖轨道交通乘客的出行过程。
2)协同性：本发明从交互客流的双向特性入手，紧抓干线轨道交通交互客流的换出及城市轨道交通的换入两个重要环节，依据不同轨道交通方式的运营服务特点，将干线轨道交通及城市轨道交通分别按照到达均衡性及交互客流换乘时间最短进行运力资源调配，实现协同优化。
3)经济性：本发明利用运输组织的手段，通过列车运行计划及时刻表对干线轨道交通和城市轨道交通运力资源进行调配，相比于调整运力资源的数量，本发明的调整方法在不改变原有开行数量的基础上实现运力资源的协调匹配，无需额外增加设备的采购等费用，具有更佳的经济性。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为区域多式轨道交通运力资源调配框架图。
具体实施方式
一种区域多式轨道交通运力资源调配方法，以下结合附图对本发明进行具体说明，如图1所示，本方法主要包括干线轨道交通运力资源调配模型、城市轨道交通运力资源调配模型两部分，具体内容如下：
一、干线轨道交通运力资源调配模型
区域干线轨道交通运力资源调配模型构建包括两大部分：建立目标函数以及给出模型约束条件。其中目标函数是考虑以干线轨道交通到达分布均衡性最优为目标的目标函数，决策变量为干线轨道交通列车的到达时间。
(1)以干线轨道交通到达分布均衡性最优为目标的目标函数
考虑干线轨道交通到达分布均衡性最优，本发明中目标函数定义为干线轨道交通到站换乘乘客的到站时间分布标准差最小，目标函数为：
Figure BDA0002826978140000061
其中i表示列车编号；
Figure BDA0002826978140000062
表示调整后Tk时段内干线列车到达数量；
Figure BDA0002826978140000063
表示tj时段内i列车乘客中到达站台的数量；Tk表示第k个研究范围时段；ts表示划分Tk时段的单位时间；j表示根据ts划分Tk得到的单位时段数量；
Figure BDA0002826978140000064
表示T时段内到达站台乘客的平均数量；
Figure BDA0002826978140000065
表示T时段内乘客到达站台时间分布标准差。
(2)逻辑约束
这一约束通过二进制方法表示某一列车在车站内的某个时段是否占用到发线。
Figure BDA0002826978140000066
其中
Figure BDA0002826978140000067
表示第i列车在tj时刻占用到发线情况；
Figure BDA0002826978140000068
表示第i列列车的到达时间；
Figure BDA0002826978140000069
表示第i列列车的出发时间。
(3)车站到发线的容量约束
考虑到车站除办理到达列车作业外，还需要办理出发、通过等车站列车作业，这些作业均会占用到发线能力，构建车站到发线容量约束以限制到达列车的调整时间。
Figure BDA00028269781400000610
其中
Figure BDA00028269781400000611
表示调整后Tk时段内到达列车数；
Figure BDA00028269781400000612
表示tj时刻车站空闲到发线数量。
(4)到达列车调整数量约束
考虑不同时段内城市轨道交通提供给干线轨道交通的换乘能力是有限制的，构建到达列车调整数量约束限制调整后各时段的到达列车数量。
Figure BDA0002826978140000071
其中
Figure BDA0002826978140000072
表示依据换乘能力计算得到的Tk时段干线列车到达数量；
Figure BDA0002826978140000073
表示现阶段Tk时段内干线列车到达数量；
Figure BDA0002826978140000074
表示Tk时段内干线列车调整数量。
(5)线路通过能力约束
考虑到调整列车到达时间会对线路上其他列车的运行造成影响，为将该影响最小化构建线路通过能力约束，使列车到达时刻的调整不影响其他线路的正常运行。
Figure BDA0002826978140000075
其中
Figure BDA0002826978140000076
表示Tk时段i列车所在运行线路的通过能力现状；
Figure BDA0002826978140000077
表示Tk时段i列车运行占用的通过能力；
Figure BDA0002826978140000078
表示Tk时段i列车所在运行线路的最大通过能力。
构建出上述模型后，通过输入既有区域枢纽站干线列车到发时刻信息，干线列车载客量、城市轨道交通列车开行时间分布等相关数据信息，根据模型选用合适的启发式算法或适用的求解器进行求解，得到最优目标函数及相对应的干线列车到站时刻，即完成对区域干线轨道交通运力资源的调配。
二、城市轨道交通运力资源调配模型
区域城市轨道交通运力资源调配模型构建包括两大部分：建立目标函数以及给出模型约束条件。其中目标函数是考虑以交互客流换乘候车时间最小为目标的目标函数，决策变量为城市轨道交通列车的出发时间及停站时间。
(1)以城市轨道交通交互客流换乘候车时间最小为目标的目标函数
本发明中目标函数定义为城市轨道交通交互客流换乘候车时间最小，目标函数为：
Figure BDA0002826978140000081
其中
Figure BDA0002826978140000082
表示未能乘坐上第n列车的乘客数量；
Figure BDA0002826978140000083
表示tj时段内到达站台的乘客数量；
Figure BDA0002826978140000084
表示第n列城市轨道交通列车的出发时间；
Figure BDA0002826978140000085
表示研究时段内开行城市轨道交通列车总数。
(2)追踪间隔约束
为保证城市轨道交通列车的安全运行，避免出现后车在运行区间内追上前车发生事故，构建追踪间隔约束。
Figure BDA0002826978140000086
其中Imin表示城轨列车最小发车间隔；Imax表示城轨列车最大发车间隔。
(3)到发间隔约束
为保证列车在车站接发列车的安全，满足列车车站作业的要求，构建列车到发间隔约束。
Figure BDA0002826978140000087
其中hdf表示城轨列车的到发时间最小时间；
Figure BDA0002826978140000088
表示第n列城市轨道交通列车的到站时间。
(4)停站时间约束
考虑列车在车站的停站时间有限制的，既要满足乘客的乘车过程，又不能影响到后续的运行，构建列车停站时间约束限制列车在车站的停站调整时间。
Figure BDA0002826978140000089
其中
Figure BDA00028269781400000810
表示第n列城市轨道交通列车的停站时间；Δtmst表示城市轨道交通列车的停站时间最大可调整幅度。
构建出上述模型后，通过输入由区域干线轨道交通运力资源调配模型得到的枢纽站干线列车到发时刻信息，干线列车载客量、城市轨道交通列车小时开行数量等相关数据信息，根据模型选用合适的启发式算法或适用的求解器进行求解，得到最优目标函数及相对应的城市轨道交通列车停站时间及出发时间，即完成对区域城市轨道交通运力资源的调配，也实现了对区域多式轨道交通运力资源的协同调配。
综上，本发明可以到达以下有益效果：
1)在区域范围内，通过对乘客出行涉及到的多式轨道交通方式运力资源同时进行调配，改善不同轨道交通方式间运力的匹配情况，减少乘客的换乘等待时间；
2)以交互客流需求为出发点，实现区域轨道交通运力资源的协同优化，让运力资源的时间分布更加合理；
3)通过运输组织手段进行运力资源调配，使运力资源调配的经济成本降低，在满足乘客运输需求的基础上，对现实问题的适应性更强。

Claims (7)

1.一种区域多式轨道交通运力资源调配方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、构建干线轨道交通运力资源调配模型；
步骤二、利用既有区域枢纽站干线列车到发时刻信息、干线列车载客量、城市轨道交通列车开行时间分布数据信息，对干线轨道交通运力资源调配模型进行求解，得到最优目标函数及相对应的干线列车到站时刻，即完成对区域干线轨道交通运力资源的调配；
步骤三、构建城市轨道交通运力资源调配模型；
步骤四、利用通过干线轨道交通运力资源调配模型得到的枢纽站干线列车到发时刻信息、干线列车载客量、城市轨道交通列车小时开行数量数据信息，对城市轨道交通运力资源调配模型进行求解，得到最优目标函数及相对应的城市轨道交通列车停站时间及出发时间，即完成对区域城市轨道交通运力资源的调配。
2.根据权利要求1所述的一种区域多式轨道交通运力资源调配方法，其特征在于：所述干线轨道交通运力资源调配模型包括：
(1)建立以干线轨道交通到达分布均衡性最优为目标的目标函数；
(2)确定如下约束条件：逻辑约束、车站到发线的容量约束、到达列车调整数量约束、线路通过能力约束。
3.根据权利要求2所述的一种区域多式轨道交通运力资源调配方法，其特征在于：所述以干线轨道交通到达分布均衡性最优为目标的目标函数为：
Figure FDA0003532290170000011
其中i表示列车编号；
Figure FDA0003532290170000012
表示调整后Tk时段内干线列车到达数量；
Figure FDA0003532290170000013
表示tj时段内i列车乘客中到达站台的数量；Tk表示第k个研究范围时段；ts表示划分Tk时段的单位时间；j表示根据ts划分Tk得到的单位时段数量；
Figure FDA0003532290170000021
表示T时段内到达站台乘客的平均数量；
Figure FDA0003532290170000022
表示T时段内乘客到达站台时间分布标准差。
4.根据权利要求3所述的一种区域多式轨道交通运力资源调配方法，其特征在于：所述以干线轨道交通到达分布均衡性最优为目标的目标函数的约束条件包括：
(1)逻辑约束
Figure FDA0003532290170000023
其中
Figure FDA0003532290170000024
表示第i列车在tj时刻占用到发线情况；
Figure FDA0003532290170000025
表示第i列列车的到达时间；
Figure FDA0003532290170000026
表示第i列列车的出发时间；
(2)车站到发线的容量约束
Figure FDA0003532290170000027
其中
Figure FDA0003532290170000028
表示调整后Tk时段内到达列车数；
Figure FDA0003532290170000029
表示tj时刻车站空闲到发线数量；
(3)到达列车调整数量约束
Figure FDA00035322901700000210
其中
Figure FDA00035322901700000211
表示依据换乘能力计算得到的Tk时段干线列车到达数量；
Figure FDA00035322901700000212
表示现阶段Tk时段内干线列车到达数量；
Figure FDA00035322901700000213
表示Tk时段内干线列车调整数量；
(4)线路通过能力约束
Figure FDA00035322901700000214
其中
Figure FDA00035322901700000215
表示Tk时段i列车所在运行线路的通过能力现状；
Figure FDA00035322901700000216
表示Tk时段i列车运行占用的通过能力；
Figure FDA0003532290170000031
表示Tk时段i列车所在运行线路的最大通过能力。
5.根据权利要求3所述的一种区域多式轨道交通运力资源调配方法，其特征在于：所述城市轨道交通运力资源调配模型包括：
(1)建立以交互客流换乘候车时间最小为目标的目标函数；
(2)确定如下约束条件：追踪间隔约束、到发间隔约束、停站时间约束。
6.根据权利要求5所述的一种区域多式轨道交通运力资源调配方法，其特征在于：所述以交互客流换乘候车时间最小为目标的目标函数为：
Figure FDA0003532290170000032
其中
Figure FDA0003532290170000033
表示未能乘坐上第n列车的乘客数量；
Figure FDA0003532290170000034
表示tj时段内到达站台的乘客数量；
Figure FDA0003532290170000035
表示第n列城市轨道交通列车的出发时间；
Figure FDA0003532290170000036
表示研究时段内开行城市轨道交通列车总数。
7.根据权利要求6所述的一种区域多式轨道交通运力资源调配方法，其特征在于：所述以交互客流换乘候车时间最小为目标的目标函数的约束条件包括：
(1)追踪间隔约束
Figure FDA0003532290170000037
其中Imin表示城轨列车最小发车间隔；Imax表示城轨列车最大发车间隔；
(2)到发间隔约束
Figure FDA0003532290170000038
其中hdf表示城轨列车的到发时间最小时间；
Figure FDA0003532290170000039
表示第n列城市轨道交通列车的到站时间；
(3)停站时间约束
Figure FDA00035322901700000310
其中
Figure FDA0003532290170000041
表示第n列城市轨道交通列车的停站时间；Δtmst表示城市轨道交通列车的停站时间最大可调整幅度。
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