城市軌道交通列車運(yùn)行圖協(xié)調(diào)性評(píng)估體系構(gòu)建與系統(tǒng)研究

張 俊，唐金金，易志剛

（1.北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院， 北京 100044；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號(hào)研究所， 北京 100081）

為了保障網(wǎng)絡(luò)化城市軌道交通的運(yùn)營安全、生產(chǎn)效率和服務(wù)質(zhì)量，線路之間的運(yùn)力資源統(tǒng)籌配置顯得尤為重要，更對線間列車運(yùn)行組織的協(xié)調(diào)性提出了很高的要求。列車運(yùn)行圖作為列車運(yùn)行的計(jì)劃指導(dǎo)[1]，運(yùn)行圖之間的協(xié)調(diào)性是線路間運(yùn)力資源配置協(xié)調(diào)性的直接體現(xiàn)。因此，準(zhǔn)確地評(píng)估列車運(yùn)行圖協(xié)調(diào)性是指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營管理科學(xué)決策的關(guān)鍵要素。

列車運(yùn)行圖協(xié)調(diào)性評(píng)估是指結(jié)合客流數(shù)據(jù)對列車在運(yùn)行圖中表現(xiàn)出的運(yùn)營情況、列車運(yùn)行過程中的換乘與銜接情況等進(jìn)行分析，從而對列車運(yùn)行圖整體的協(xié)調(diào)能力和發(fā)展能力進(jìn)行評(píng)估優(yōu)化，為運(yùn)營決策者制定管理措施提供參考。針對傳統(tǒng)的列車運(yùn)行圖協(xié)調(diào)性評(píng)估周期長、過程繁瑣、缺乏全局和效果滯后的不足之處[2]，本文將從城市軌道交通列車運(yùn)行圖協(xié)調(diào)性評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建和評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面進(jìn)行研究[3-5]。列車運(yùn)行圖協(xié)調(diào)性的評(píng)估結(jié)果，不僅能為列車運(yùn)行圖的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，還能為城市軌道交通運(yùn)營協(xié)調(diào)提供多方位的分析角度。

1 指標(biāo)體系構(gòu)建

城市軌道交通列車運(yùn)行圖協(xié)調(diào)性評(píng)估指標(biāo)體系是一項(xiàng)多維度的綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，基于該具體問題，應(yīng)選取合適的指標(biāo)對列車運(yùn)行圖的整體協(xié)調(diào)性進(jìn)行科學(xué)客觀的評(píng)估，本文研究的城市軌道交通列車運(yùn)行圖協(xié)調(diào)性評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建如圖1 所示。

圖1 城市軌道交通列車運(yùn)行圖協(xié)調(diào)性評(píng)估指標(biāo)體系框架示意圖

1.1 基礎(chǔ)指標(biāo)

為了全面地評(píng)價(jià)城市軌道交通列車運(yùn)行圖的協(xié)調(diào)性，首先需要了解列車運(yùn)行圖的基本信息，本文主要統(tǒng)計(jì)時(shí)間指標(biāo)和數(shù)量指標(biāo)兩部分，能夠體現(xiàn)列車 “按圖行車” 的基本指標(biāo)要素，如表1 所示。

表1 列車運(yùn)行圖基礎(chǔ)指標(biāo)

1.2 首末班車銜接評(píng)估指標(biāo)

指標(biāo)體系中首末班車銜接評(píng)估指標(biāo)涵蓋車站級(jí)、線路級(jí)和路網(wǎng)級(jí)3 個(gè)層次[6]，能夠全面地評(píng)估列車運(yùn)行圖規(guī)定的首末班車時(shí)間銜接程度，用于制定和調(diào)整合理的首末班車時(shí)間開行計(jì)劃。

首班車側(cè)重時(shí)間可達(dá)，銜接是指首班車到達(dá)換乘車站后15 min 以內(nèi)換乘方向列車能夠到達(dá)車站；末班車側(cè)重空間可達(dá)，銜接是指末班車到達(dá)換乘車站后換乘方向列車能夠到達(dá)車站[7]。

式中：i表示換乘方向；ni表示首末班車各上一層級(jí)換乘客流量；xi表示首末班車各上一層級(jí)銜接指數(shù)，換乘車站中根據(jù)換乘方向銜接與否量化為0-1 變量；R表示當(dāng)前層級(jí)銜接指數(shù)，其數(shù)值越接近于1 銜接效果越好。

1.3 換乘站列車運(yùn)行銜接評(píng)估指標(biāo)

該類型指標(biāo)從車站級(jí)、線路級(jí)和路網(wǎng)級(jí)3 個(gè)層次計(jì)算平均換乘銜接時(shí)間和平均換乘等候時(shí)間，用于評(píng)估換乘站列車運(yùn)行銜接程度，作為調(diào)整列車開行方案的依據(jù)[8]。單一的換乘等候時(shí)間并不能體現(xiàn)總的換乘時(shí)間，單一的換乘銜接時(shí)間又忽略了走行時(shí)間，只有兩種時(shí)間綜合考慮才能評(píng)估列車運(yùn)行圖對換乘站列車運(yùn)行銜接的影響。

換乘銜接時(shí)間是指從某線列車到達(dá)換乘站時(shí)起，乘客下車后換乘到另一條線路上最近接續(xù)列車并上車出發(fā)的時(shí)間；換乘等候時(shí)間是指乘客到達(dá)換乘線路的站臺(tái)上等待接續(xù)列車花費(fèi)的時(shí)間。

式中：i表示換乘方向；ni表示各上一層級(jí)換乘客流量；ti表示各上一層級(jí)換乘銜接/ 等候時(shí)間；T表示當(dāng)前層級(jí)換乘銜接/ 等候時(shí)間，其數(shù)值越小則換乘銜接效果越好。

1.4 線間列車運(yùn)輸能力匹配指標(biāo)

為了更高程度地運(yùn)載換乘站的換乘客流，需要最大限度匹配線路之間的輸送能力，防止換乘站內(nèi)形成客流滯留，造成運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)生潛在安全隱患。線間列車運(yùn)輸能力匹配指數(shù)能夠評(píng)估換乘站各條線路之間的匹配情況，對車站內(nèi)的客流組織和行車計(jì)劃的調(diào)整提供參考，既方便乘客的出行，還能保障城市軌道交通的運(yùn)營安全。

式中：i表示換乘方向；ni表示換乘方向的換乘客流量；Pi表示換入線路等待乘車的客流量；Ci表示換入線路列車冗余運(yùn)力；M表示線間列車運(yùn)輸能力匹配指數(shù)，其數(shù)值越接近于1 匹配效果越好。

2 評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于前文建立的指標(biāo)體系，對各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，構(gòu)建城市軌道交通列車運(yùn)行圖協(xié)調(diào)性評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以減少人工勞動(dòng)程度，方便進(jìn)行協(xié)調(diào)性評(píng)估，為面向協(xié)調(diào)目標(biāo)的運(yùn)營組織提供優(yōu)化方向。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文以北京市城市軌道交通路網(wǎng)實(shí)際運(yùn)營情況為例，讀取列車運(yùn)行圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和客流數(shù)據(jù)，從評(píng)估列車運(yùn)行圖角度出發(fā)，將運(yùn)行圖協(xié)調(diào)分析評(píng)價(jià)與優(yōu)化決策緊密關(guān)聯(lián)起來，研究運(yùn)行圖協(xié)調(diào)性的評(píng)估與分析方法?；诖?，城市軌道交通列車運(yùn)行圖協(xié)調(diào)性評(píng)估系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：

（1）鋪畫列車運(yùn)行圖，包括時(shí)刻表信息、交路信息和車次信息，能夠選擇顯示各條線路平日和雙休運(yùn)行圖并統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的基礎(chǔ)指標(biāo)；

（2）根據(jù)北京市實(shí)際軌道交通線路分布展示路網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，并添加鼠標(biāo)事件，方便用戶查看車站、線路和路網(wǎng)詳細(xì)信息；

（3）處理各線列車運(yùn)行圖，結(jié)合客流數(shù)據(jù)計(jì)算首末班車銜接評(píng)估指標(biāo)、換乘站列車運(yùn)行銜接評(píng)估指標(biāo)和線間能力匹配評(píng)估指標(biāo)。

2.1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

為了保證系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，方便用戶的使用，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要遵循以下原則[9]。

（1）簡潔性：算法盡量優(yōu)化，處理簡潔高效，降低內(nèi)存的使用；

（2）可擴(kuò)展性：對系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計(jì)，為今后的擴(kuò)展提供伸縮性；

（3）可維護(hù)性：系統(tǒng)應(yīng)具備合理的程序結(jié)構(gòu)，程序控制數(shù)據(jù)化，還應(yīng)有編碼空余；

（4）通用性：軟件采用WPF 下的C/S 構(gòu)架模式，適用于Windows 操作系統(tǒng)；

（5）標(biāo)準(zhǔn)化：城市軌道交通的基礎(chǔ)指標(biāo)等有嚴(yán)格的規(guī)定，在搭建系統(tǒng)時(shí)要遵守相關(guān)技術(shù)規(guī)定，防止系統(tǒng)與實(shí)際情況產(chǎn)生偏離。

2.1.3 系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

通過分析國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究成果，結(jié)合城市軌道交通實(shí)際數(shù)據(jù)，以對城市軌道交通列車運(yùn)行圖進(jìn)行評(píng)估為目標(biāo)，科學(xué)地設(shè)計(jì)評(píng)估系統(tǒng)。評(píng)估系統(tǒng)劃分為應(yīng)用層、處理層和數(shù)據(jù)層3 個(gè)層次，如圖2所示。其中數(shù)據(jù)層主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需讀取的數(shù)據(jù)，處理層包括系統(tǒng)具有的功能，應(yīng)用層是基于交互界面呈現(xiàn)內(nèi)容得到的應(yīng)用結(jié)果。

圖2 系統(tǒng)功能架構(gòu)示意圖

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.2.1 關(guān)鍵技術(shù)（1）程序設(shè)計(jì)語言

系統(tǒng)運(yùn)用的開發(fā)工具集是Microsoft Visual Studio 2017 產(chǎn)品，編譯語言是基于面向?qū)ο蟮腃# 高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言[10]。

（2）開發(fā)類庫

由于系統(tǒng)的定位是計(jì)算展示系統(tǒng)，所以選擇WPF（Windows Presentation Foundation）[11]作為用戶界面框架。WPF 功能強(qiáng)大，引入XAML 概念使得前臺(tái)界面和后臺(tái)程序可以實(shí)現(xiàn)分離，開發(fā)復(fù)雜界面效率極高；另外，WPF 具有豐富的類庫，在界面友好設(shè)計(jì)方面具有優(yōu)越性，極大的提高了用戶體驗(yàn)，在應(yīng)用程序的開發(fā)上保持著很強(qiáng)的競爭力。

（3）數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

系統(tǒng)的完成需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐， Oracle Database 可移植性好、使用方便[12]，并且在大數(shù)據(jù)處理方面極具優(yōu)勢，還可以使用靈活性極強(qiáng)的SQL語句從指定表Table 中截取讀取字段信息進(jìn)行緩存。由于Oracle 的高效性和可靠性，以及其廣泛的適用性，本文選擇它作為系統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

2.2.2 功能實(shí)現(xiàn)

基于系統(tǒng)功能，評(píng)估系統(tǒng)主要采用列車運(yùn)行圖和路網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖兩個(gè)展示界面，利用單擊事件彈出各種指標(biāo)的對話框與用戶進(jìn)行交互。界面充分考慮系統(tǒng)的簡潔性、易用性與功能性，為用戶提供良好的使用體驗(yàn)，部分可視化界面如圖3 所示。

圖3 評(píng)估系統(tǒng)可視化界面示意圖

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程如圖4 所示：（1）通過運(yùn)行圖轉(zhuǎn)換識(shí)別模塊讀取地鐵公司所有線路的列車時(shí)刻表數(shù)據(jù)，并將其結(jié)構(gòu)化，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式；（2）系統(tǒng)根據(jù)時(shí)刻表（圖）自動(dòng)讀取運(yùn)行圖指標(biāo)計(jì)算時(shí)需要的有關(guān)數(shù)據(jù)，再進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)得到列車運(yùn)行圖基礎(chǔ)指標(biāo)。界面上設(shè)有工具欄，包括線路選擇、放大縮小、導(dǎo)入數(shù)據(jù)等功能，在系統(tǒng)導(dǎo)入客流數(shù)據(jù)后，可以結(jié)合客流數(shù)據(jù)計(jì)算得出首末班車銜接評(píng)估指標(biāo)、換乘站列車運(yùn)行銜接評(píng)估指標(biāo)和換乘站線間運(yùn)輸能力匹配評(píng)估指標(biāo)。不同對話框分別展示各個(gè)層級(jí)、各種類型的指標(biāo)，還設(shè)計(jì)有表格、柱狀圖和雷達(dá)圖等多種直觀的展示形式，用戶查看時(shí)按照自己的需求切換評(píng)估指標(biāo)，而且可以同時(shí)對比查看不同換乘站或線路的指標(biāo)，使用方便靈活。

3 案例分析

以北京市城市軌道交通路網(wǎng)實(shí)際運(yùn)營情況為例，讀取列車運(yùn)行圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和客流數(shù)據(jù)，通過該系統(tǒng)對北京市城市軌道交通列車運(yùn)行圖進(jìn)行協(xié)調(diào)性評(píng)估，在10 s 內(nèi)完成各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算，得到3 種指標(biāo)的部分結(jié)果如下所述。

圖4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程示意圖

（1）基礎(chǔ)指標(biāo)（北京地鐵4 號(hào)線）：列車最小間隔135 s、列車全周轉(zhuǎn)時(shí)間12 055 s、列車定員1 408人、全日走行公里26 157.58 車公里、開行列數(shù)632 列等。

（2）首末班車銜接評(píng)估指標(biāo)：車站級(jí)海淀黃莊站的首末班車銜接評(píng)估指標(biāo)分別是0.71 和0.46，線路級(jí)4 號(hào)線的首末班車銜接評(píng)估指標(biāo)分別是0.68 和0.42，路網(wǎng)級(jí)中在10 ：17 時(shí)路網(wǎng)所有車站可達(dá)，占比100%，全線貫通。

（3）換乘站列車運(yùn)行銜接評(píng)估指標(biāo)在10 ：00 ～11 ：00 統(tǒng)計(jì)期內(nèi)，海淀黃莊站車站級(jí)的平均換乘銜接時(shí)間達(dá)到248 s，平均換乘等候時(shí)間109 s ；4 號(hào)線線路級(jí)的平均換乘銜接時(shí)間達(dá)到340 s，平均換乘等候時(shí)間120 s ；路網(wǎng)級(jí)的平均換乘銜接時(shí)間達(dá)到320 s，接近5.5 min，平均換乘等候時(shí)間137 s，接近2.5 min。

通過識(shí)別讀取現(xiàn)有的列車運(yùn)行圖，計(jì)算無客流數(shù)據(jù)情況下的列車運(yùn)行圖各項(xiàng)基礎(chǔ)指標(biāo)，可以看出該圖對于北京市城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備利用率較高。

根據(jù)運(yùn)行圖結(jié)合已有的客流數(shù)據(jù)，對首末班車的銜接程度進(jìn)行量化計(jì)算，得到車站級(jí)、線路級(jí)和路網(wǎng)級(jí)的首班車銜接程度均要好于末班車。如果對乘客影響較大，需要對列車運(yùn)行圖首末班車時(shí)間做局部調(diào)整。

換乘站列車運(yùn)行銜接程度計(jì)算得到3 個(gè)層次的兩種時(shí)間評(píng)估指標(biāo)中，乘客走行時(shí)間和等候時(shí)間都較長，對于車站和線路的乘客組織和協(xié)調(diào)運(yùn)營具有一定的指導(dǎo)意義。另外乘客走行時(shí)間更多的是由車站硬件設(shè)施導(dǎo)致，優(yōu)化空間不大，更應(yīng)該優(yōu)化列車運(yùn)行圖提高銜接效果，減少換乘等候時(shí)間。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)城市軌道交通行業(yè)的相關(guān)規(guī)定，基于城市軌道交通路網(wǎng)實(shí)際運(yùn)營數(shù)據(jù)，以評(píng)估列車運(yùn)行圖協(xié)調(diào)性為目標(biāo)，構(gòu)建了城市軌道交通列車運(yùn)行圖協(xié)調(diào)性評(píng)估體系，并開發(fā)了相應(yīng)的評(píng)估系統(tǒng)；同時(shí)在此基礎(chǔ)上以北京市為例，結(jié)合路網(wǎng)客流的變化，基于時(shí)空網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)評(píng)估列車運(yùn)行圖的協(xié)調(diào)性。此評(píng)估方法突破了傳統(tǒng)的靜態(tài)角度分析和狹隘的單一網(wǎng)絡(luò)研究，得到了北京市交通信息中心與北京地鐵運(yùn)營有限公司的專家認(rèn)可，為列車運(yùn)行圖的調(diào)整與優(yōu)化提供理論支持，也為路網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)營提供一定的借鑒。本文的研究內(nèi)容中指標(biāo)體系的涉及范圍依然具有一定的局限性，選取擴(kuò)展的指標(biāo)更多的是從運(yùn)營組織和管理的角度，需要在今后的應(yīng)用過程中不斷補(bǔ)充，進(jìn)一步完善指標(biāo)體系。