基于行車間隔協調調整的換乘站大客流處置

（同濟大學交通運輸工程學院,201804,上?！蔚谝蛔髡?碩士研究生）

基于行車間隔協調調整的換乘站大客流處置

劉濤徐瑞華

（同濟大學交通運輸工程學院,201804,上?！蔚谝蛔髡?碩士研究生）

大客流是城市軌道交通車站在日常運營過程中的常見突發事件。在介紹城市軌道交通車站大客流的特點與分類的基礎上,提出了換乘站大客流延續周期的概念和換乘站大客流處置策略——行車間隔協調調整策略,并重點分析了其在換乘站大客流處置中的重要作用。該策略依靠線路間行車間隔調整措施來控制換乘站內部的換乘客流。建立了基于行車間隔協調調整的換乘站大客流處置優化模型。最后,通過示例驗證了模型的可行性與合理性。

城市軌道交通換乘站;大客流;行車間隔

First-author’saddress School of Traffic and Transportation Engineering,Tongji University,201804,Shanghai,China

近年來,隨著城市軌道交通形成網絡化運營格局,路網客流增長的“網絡化效應”突顯。在網絡客流量快速增長的背景下,大客流已成為日常運營管理中的常見問題之一。對于城市軌道交通換乘站,運營故障或者其它突發事件常會引發大客流事件。如何有效地進行換乘站大客流處置、降低運營風險,已成為目前城市軌道交通運輸行業亟待解決的問題。

1 大客流概述

1.1 大客流的分類與特點

大客流是城市軌道交通車站在日常運營過程中的常見突發事件,它描述的是車站在某一時段內集中到達的客流量規模超過車站正常所能承擔的客流量。從大客流發生的特性出發,城市軌道交通車站大客流可分為兩類：一類是常發性大客流;另一類是突發性大客流。常發性大客流是指在日常運營高峰時段內由于客流量過大引發的大客流;突發性大客流是指由于其它外界因素或者運營自身問題,導致在某一時段內,某些車站客流量快速集聚,顯著超過歷史同期水平,發生大客流。突發性大客流一般是由下列原因造成的：車站周邊臨時組織大型活動、惡劣天氣以及突發運營故障。

常發性大客流發生的規模、持續的時間通常相對穩定,具有一定的規律性和可預見性,通過制訂合理的大客流處置預案,其影響程度相對可控。相比之下,突發性大客流其大客流發生的規模、時間持續的長短沒有明顯的規律,其發生過程一般伴隨著突發事件,可預見性差,對運營影響大。為此,運營單位要高度關注突發性大客流,提高此類事件的應急處置能力。本文將重點研究運營故障引起的換乘站突發性大客流處置策略。

1.2 換乘站大客流的處置方法

當城市軌道交通車站發生大客流時,運營單位需要進行快速有效地處置來保證乘客安全,降低運營風險。大客流事件處置的根本原則是快速、有效,以保證乘客安全為首要目的,盡量減少突發事件對運營的影響。大客流事件處置的根本方法是從大客流事件中客流來源出發,通過采取相關措施,控制源頭客流,及時疏散站內乘客,實現對車站內的客流聚集態勢進行有效控制,保證車站的客流規模在其承受范圍內。

一般的大客流處置主要以進站限流為主,必要時封閉車站的進站閘機。但是對換乘站來說,其自身就是網絡中的重要客流節點,除了進出站客流外,還存在著大量的換乘客流,站內的客流總量顯著高于一般車站。以上海軌道交通人民廣場站為例,該站為三線換乘站,其一天客流總量約為60萬人次左右,高峰時段換乘客流比例達到六成以上,一旦發生運營故障,在進行大客流處置時,僅靠進站限流難以有效控制客流。同時,由于換乘站規模大、結構復雜,換乘客流集中在車站內部,即使進行換乘限流,也只能轉移客流在車站內的聚集點,無法降低客流規模。

結合國內外城市軌道交通運營實踐以及有關學者的研究,本文提出了一種換乘站大客流處置策略——基于線路間行車間隔協調調整的大客流處置策略。該策略依靠線路間行車間隔調整措施來控制換乘站內部的換乘客流,從而實現換乘站大客流處置。

2 換乘站大客流處置中的行車間隔協調調整策略

2.1 換乘站大客流延續周期的劃分

本文根據換乘站大客流事件持續的時間以及客流變化的特征,將大客流產生、消失的延續周期劃分為潛伏期、爆發期、衰退期三個階段（見圖1）。

圖1 大客流延續周期劃分示意圖

（1）潛伏期。城市軌道交通系統內發生運營故障,逐步對換乘站產生影響,換乘站客流規模尚在安全可控范圍內,但已超過歷史同期水平,不久將爆發大客流事件。

（2）爆發期。運營故障對換乘站持續產生影響,換乘站客流規模已超出安全閾值,并有不斷增加的趨勢,需要立即采取客流管控措施,控制客流規模,保障運營安全。

（3）衰退期。運營故障得到排除,但此時換乘站內客流規模仍處在較高水平。隨著后續列車的正常到達,客流規模會穩步下降,車站運營將恢復正常。

換乘站大客流處置的開始時間越早,其效果越好,同時影響也越小。當大客流處在潛伏期時,由于客流量尚未達到車站限制容量,可以通過控制進站及換乘客流來避免大客流爆發;一旦大客流處在爆發期,其處置措施要在控制客流來源的基礎上,著重從提高線路運能、降低客流規模的角度出發,此時期大客流處置難度大、成本高,不作為本文研究的重點。本文研究的內容均是針對潛伏期的換乘站大客流處置。

2.2 換乘站行車間隔協調調整策略的內涵

運營故障引起的換乘站大客流,其直觀表現形式為事發線路的列車延誤,從而導致乘客在延誤線路所在的站臺等相關地點的積壓,給乘客的人身安全帶來威脅。從國內多年的城市軌道交通運營管理實踐來看,運營故障對換乘站運營的影響大致可分為兩類：一類是站內受影響的線路在故障持續時間內無列車通過,即造成該方向的列車運營中斷;另一類是雖然該線路發生了運營故障,尚未造成運營中斷,但列車運行有延誤,行車間隔增加。

因此,這里將運營故障可以統一表述為列車在該換乘站的行車間隔增大。在此情形下,可以采用以下的行車調整措施：延誤方向備用車上線、鄰線列車跳站停車、鄰線列車扣車等。

日常的行車調整主要是以跳站停車和扣車兩類措施為主。鄰線列車跳站停車是指相鄰線路的列車在該站不停站通過。跳站停車可以將潛在的換乘客流轉移到前方車站來緩解延誤線路的站臺壓力?？圮囀侵笇⒕€路上列車扣停在本站附近的車站,以緩解隨車到達的客流對本站的沖擊。無論是跳站停車還是扣車,從換乘站的角度來看,其實質上是通過調整相鄰線路的行車間隔,減少延誤時段內到達換乘站的列車數,進而達到減小延誤站臺客流規模的目的。

采用相鄰線路行車間隔的協調調整,能夠合理控制換乘站的客流結構與規模,來消除事發線路列車的延誤給車站帶來的影響,以實現對換乘站大客流的處置。跳站停車和扣車兩種調整方式雖然能夠有效減少延誤時段內的到達客流,但不可避免地會對運營產生影響。采取跳站停車后,該方向的上車客流的等待時間會加長,同時列車上的出站和換出乘客需要在下一站點下車或者在其它換乘站點換乘,從而增加其它車站的壓力;扣車的方式增加了該方向上車乘客的候車時間,對乘客的影響比較小,但是扣車次數過多對運營圖的影響比較大。無論是跳站停車還是扣車措施,都需要考慮是否會引起換乘站二次大客流事件。因此,在進行鄰線行車間隔的調整時,如何選擇線路制定調整方案、減少方案對運營的影響程度將是本文的研究關鍵。

3 基于行車間隔協調調整的換乘站大客流處置優化模型

3.1 模型的概述

基于行車間隔協調調整的換乘站大客流處置優化模型,其優化目標就是通過合理調整鄰線發車間隔,在保證各站臺客流量不超過閾值的前提下,盡量降低方案對運營的影響。從上文的分析可知,處置方案對運營的影響表現為行車間隔變化對乘客及后續列車的影響。行車間隔變化越小,乘客出行附加時間也就越小,受影響的后續列車與圖定運行線的偏差也越小。因此,本文選取發車間隔變化量與受影響的列次數之積作為處置方案對該方向列車運營影響的指標,模型的目標函數即為換乘站所有線路的該項指標之和最小。

3.2 模型中相關變量的說明

E——換乘站所包含的線路集合（其中E={0, 1,2…}）;

e——換乘站所包含的線路方向集合（其中e= {0,1,2…}）;

ε——換乘站所包含的站臺集合（其中ε={0, 1,2…}）;

T——運營故障影響換乘站的總時間;

nk——編號為k 的線路方向在運營故障持續時段內到達的列車數（其中k∈e）;

tk——編號為k 的線路方向在運營故障持續時段內的行車間隔（其中k∈e）;

tk,0——編號為k 的線路方向的既有行車間隔（其中k∈e）;

Pk——編號為k 的線路方向的列車設計容量（其中k∈e）;

Hk——編號為k的線路方向的列車剩余能力（其中k∈e）;

D=［di,j］——其 中 di,j表 示 編 號 為i 的 線 路方向換乘j的線路方向客流比例（其中i,j∈e）;

Sk——編號為k 的線路方向的列車的出站客流比例（其中k∈e）;

μk——編號為k的線路方向的列車滿載率（其中k∈e）;

Wk——編號為k 的站臺設計容量（其中k∈e）;

αk——編號為k 的站臺在運營故障對換乘產生影響時的初始飽和度（其中k∈e）,飽和度是指目標站臺的乘客數量與站臺設計容量的比值;

βk——站臺飽和度的設計閾值;

H——換乘站鄰線總的附加行車間隔。

3.3 模型的建立

設編號為m 的線路方向發生延誤,預計對車站影響時間為T。在上述分析的基礎上,模型建立如下：

目標函數

其中,式（1）為目標函數,表示除延誤方向外,換乘站所有方向列車的行車間隔變化量與受影響的列次數之積最小;式（2）是以站臺為單位,要求換乘站內所有站臺在發生運營故障時,各站臺其累積客流量必須在站臺承受的范圍內;式（3）表示站臺與線路方向的對應關系,例如編號為1的站臺是島式站臺,則其對應使用該站臺的兩個線路方向;式（4）表示某方向1列車的剩余載客能力,包括該列車的剩余空閑能力和因出站和換出獲得的能力之和;式（5）表示某個線路方向列車飽和度在延誤持續時段內隨時間變化的函數關系,在短時間內,可近似認為該值為常數;式（6）表示延誤持續時間等于延誤線路方向發車間隔與到達列次數之積;式（7）是鄰線行車間隔調整的時間約束,要求調整措施在延誤持續的時間段內完成;式（8）表示所有線路方向的調整后行車間隔不應小于圖定最小行車間隔;式（9）是對鄰線調整列次的整數約束。

3.4 模型求解算法

該模型為非線性規劃模型,模型中自變量可分為兩類,第一類為各線路方向的行車間隔,第二類為各線路方向在T 時間內的到達列次,兩者滿足式（7）。從而模型中自變量均可用各方向到達列次數表示,由于這類變量是整數且取值范圍有限,因此該模型可用窮舉法求解。在遍歷的過程中,對每個可能的解依次進行可行解判斷與最優解判斷,記錄當前解空間中的最優解。這樣在遍歷結束后,即可得到全局最優解。

3.5 模型求解結果及適應性分析

模型求解結果為兩個集合,分別是延誤預計持續時段內的各線路方向行車間隔集合與該方向預計到達列次的集合。

若選擇鄰線跳站停車的調整方式作為大客流處置措施時,需要跳停的列次數即為圖定到達的列次數與模型求解的列次數之差;若運營單位想通過扣車的方式來進行大客流處置時,則需要參考集合中各線路方向的行車間隔值進行扣車?？紤]到運營單位可能靈活地采用扣車與跳站停車兩種方式來進行大客流處置,則需要在滿足該方向到達列數上限的基礎上,靈活地控制行車間隔。

3.6 計算示例

設有1換乘站,為3線換乘站,線路編號依次為0,1,2;線路 方向編 號依次 為0,1,2,3,4,5;站 臺編號依次為0,1,2。站臺均為島式站臺。當運營故障傳播到該換乘站時,編號為0的線路方向2列列車發車間隔將增大至15 min。相關參數設置如下：

模型求解結果如下：

在上述的結果中,集合說明編號為0的方向因運營故障發車間隔變為15 min時,則需要在該故障時段內將編號為1和5的方向行車間隔依次調整為3.75 min和10 min。集合表示若不調整行車間隔,編號1和5的線路方向需要在故障持續的時間內分別跳停2次和7次。按照上述的調整方式,該換乘站在延誤持續的30 min內,各站臺的客流量將不會超過閾值,即站臺設計容量的90%,從而在潛伏期抑制了大客流事件的爆發。

4 結語

分析表明,城市軌道交通換乘站的大客流處置與一般車站大客流處置方法有所不同。根據大客流事件中客流量隨時間的變化規律,對大客流事件延續周期進行了劃分,并建立了基于行車間隔協調調整的大客流處置模型對換乘站大客流處置方案進行優化。這種方法適合尚處在潛伏期的大客流處置。在此基礎上,可以繼續研究爆發期與衰退期大客流的處置方法,進一步完善換乘站大客流處置的研究。

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Disposal of Large Passenger Flow at Transfer Station Based on Coordinated Headways Adjustment

Liu Tao,Xu Ruihua

The characteristics and classification of large passenger flow at urban rail transit transfer station are introduced,a concept of continuous cycle of large passenger flow is proposed by analyzing the effectiveness of coordinated headways adjustment method,which is adopted in the disposal process of large passenger flow at transfer station, and an optimized model to dispose the large passenger flow based on train operation adjustment is established.In the end,the feasibility and rationality of the model is verified through practical examples.

urban rail transit transfer station;large passenger flow;train headway

U 292.4+5

2013-04-25）