關(guān)于城市軌道交通時(shí)刻表智能編制方案的優(yōu)化研究

陳 如

（北京城建智控科技股份有限公司，北京100000）

引言

隨著城市軌道交通行業(yè)的發(fā)展和運(yùn)營(yíng)組織能力的提升，城市軌道交通運(yùn)營(yíng)對(duì)離線時(shí)刻表編圖軟件的要求也不斷提高，越來(lái)越多的運(yùn)營(yíng)商期望離線時(shí)刻表編圖軟件能盡可能減少人工操作的次數(shù)、降低操作的復(fù)雜度，最大程度上實(shí)現(xiàn)時(shí)刻表智能編制功能[3]。然而現(xiàn)有市場(chǎng)存在的幾種離線時(shí)刻表編圖軟件，雖然在一定程度上能實(shí)現(xiàn)離線時(shí)刻表編圖的功能，但是操作比較繁瑣，效率不高，不能達(dá)到用戶對(duì)離線時(shí)刻表編圖軟件的功能和性能要求[4]。因此，優(yōu)化改善離線時(shí)刻表編圖軟件的智能編制能便是提升軟件品質(zhì)的必要手段。本文將以簡(jiǎn)化軟件操作流程和提高軟件性能為目的，以運(yùn)輸能力與不同時(shí)段客流量相匹配為原則，從離線時(shí)刻表智能編制的設(shè)計(jì)方案和運(yùn)算技巧上進(jìn)行優(yōu)化研究[5]。

1 問(wèn)題描述

1.1 研究背景

為了節(jié)約資源、降低城市軌道交通公司的運(yùn)營(yíng)成本，需要合理安排列車的開(kāi)行方案，通過(guò)對(duì)工作日、節(jié)假日不同時(shí)間內(nèi)乘客出行客流量的統(tǒng)計(jì)分析，得出響應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)，并通過(guò)增加或減少在運(yùn)營(yíng)高峰期、平峰期和低峰期的列車開(kāi)行對(duì)數(shù)的方式，來(lái)降低運(yùn)營(yíng)成本，提高公司效益[3]。

現(xiàn)有時(shí)刻表編制軟件大體可分為兩類：

（1）一類軟件是分列車編制。通過(guò)先編輯一列列車的時(shí)刻表，然后復(fù)制得出其他列車的時(shí)刻表信息，這類時(shí)刻表編制軟件對(duì)于等間隔單一交路的時(shí)刻表編制來(lái)說(shuō)，比較方便；但是對(duì)于存在高低峰不同發(fā)車間隔的時(shí)刻表編制來(lái)講，需要再根據(jù)不同發(fā)車間隔要求對(duì)列車時(shí)刻表信息進(jìn)行逐一調(diào)整，雖然能夠通過(guò)復(fù)雜的操作來(lái)完成高低峰時(shí)刻表的編制，但是對(duì)于操作用戶來(lái)講，可操作性性很差，編制一張不同發(fā)車間隔的時(shí)刻表，至少需要一周的時(shí)間才完成。

（2）另外一類軟件是分時(shí)段編制。根據(jù)運(yùn)營(yíng)高峰期、平峰期和低峰期的分別編制，先編制一個(gè)時(shí)段的時(shí)刻表，經(jīng)過(guò)人工調(diào)整滿足該時(shí)段的列車的發(fā)車間隔后再編制下一時(shí)段的時(shí)刻表，如此類推，最終完成高低峰時(shí)刻表的編制。這一類軟件比上述類型軟件在操作性和效率上有了很大的提高，能夠?qū)⒕幹茣r(shí)間縮短到兩天左右，但是同樣需要大量的人工操作。

以上兩個(gè)時(shí)刻表編制軟件在編制存在不同發(fā)車間隔比較復(fù)雜時(shí)刻表，都需要大量的人工操作，效率不高，因此時(shí)刻表編制智能化程度的提高有利于降低用戶的工作強(qiáng)度和難度、提高的工作效率，更加便捷的編制出合理滿足運(yùn)營(yíng)要求的時(shí)刻表。

1.2 基本假設(shè)及設(shè)計(jì)思路

一般情況下，城市軌道交通線路多采用單一交路運(yùn)營(yíng)模式，并以最大斷面客流作為確定發(fā)車頻率的計(jì)算依據(jù)，運(yùn)營(yíng)公司將根據(jù)不同時(shí)段客流量制定出相應(yīng)不同的時(shí)刻表以滿足運(yùn)輸能力的要求。

根據(jù)實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)，做出不同時(shí)間段客流量的統(tǒng)計(jì)分析圖，大致分為工作日客流量數(shù)據(jù)分布圖和雙休日客流量數(shù)據(jù)分布圖。工作日客流量數(shù)據(jù)分析圖如圖1 所示，客流量的高峰期主要在7：00～9：30 和16：30～19：30 這兩個(gè)時(shí)段。雙休日及節(jié)假日客流量數(shù)據(jù)分布圖如圖2 所示，客流量高峰期主要在9：30～20：00 這個(gè)時(shí)段。

圖1 工作日客流量分布圖

圖2 雙休日客流量分布圖

1.2.1 基本假設(shè)

根據(jù)對(duì)不同時(shí)段客流量的調(diào)查分析，本文提出以下假設(shè)：

（1）乘客到達(dá)車站后乘坐第一趟沿途列車，不考慮乘客滯留情形。

（2）開(kāi)行列車采用相同編組的列車。

（3）不考慮現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)影響，所有開(kāi)行列車旅行速度相同。

1.2.2 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)實(shí)際調(diào)研的客流量數(shù)據(jù)分布圖，實(shí)現(xiàn)時(shí)刻表智能編制功能，本文提出以下計(jì)思路：

（1）根據(jù)列車運(yùn)行速度能力和停站時(shí)間要求，設(shè)置運(yùn)行周期。

（2）根據(jù)不同時(shí)段客流量分布圖，將時(shí)刻表分成不同的時(shí)段。

（3）根據(jù)所分不同時(shí)段的客流量和運(yùn)輸能力給出相應(yīng)合理的開(kāi)車列車數(shù)量或發(fā)車間隔以及出入庫(kù)位置和出入庫(kù)數(shù)量的必要參數(shù)。

（4）智能編制時(shí)刻表時(shí)，根據(jù)不同時(shí)段相關(guān)的參數(shù)先分段計(jì)算時(shí)刻表上行班次數(shù)據(jù)和下行班次數(shù)據(jù)，并在客流量轉(zhuǎn)峰時(shí)段按照規(guī)則實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的平滑過(guò)渡。

（5）將所有時(shí)段的上、下行班次數(shù)據(jù)按規(guī)則連接組合形成不同列車的行車軌跡。

（6）將計(jì)算得出的時(shí)刻表數(shù)據(jù)以折線形式鋪圖形成完整的運(yùn)行圖。

2 構(gòu)建模型

本文中主要以如何能更加智能、快速、高效地編制出合理的時(shí)刻表為研究目的，構(gòu)建以下數(shù)據(jù)模型，用于系統(tǒng)的智能計(jì)算。

2.1 列車運(yùn)行周期

列車運(yùn)行周期是指列車從到達(dá)首站開(kāi)門停站時(shí)間開(kāi)始，到列車途經(jīng)各個(gè)站臺(tái)的運(yùn)行時(shí)間、停站時(shí)間以及兩端折返時(shí)間的時(shí)間總和，是時(shí)刻表智能編制的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

考慮到乘客的出行成本和運(yùn)營(yíng)公司的運(yùn)營(yíng)成本以及列車運(yùn)行旅行速度的能力，用戶可在系統(tǒng)中自行定義列車比較合理的運(yùn)行時(shí)間標(biāo)尺和停站時(shí)間標(biāo)尺。不同的運(yùn)行時(shí)間標(biāo)尺和停站時(shí)間標(biāo)尺組成不同的列車運(yùn)行周期。

假設(shè)列車在區(qū)間的運(yùn)行時(shí)間為Ti，列車在站臺(tái)的停站時(shí)間為Tj，列車在折返1 段的折返時(shí)間為T1，列車在折返2 段的折返時(shí)間為T2，交路共有n 站，那么列車的運(yùn)行周期T 的計(jì)算結(jié)果如下：

2.2 列車發(fā)車間隔和發(fā)車數(shù)量

列車發(fā)車間隔是指下趟列車的發(fā)車時(shí)間與當(dāng)前列車發(fā)車時(shí)間的時(shí)間間隔。

列車發(fā)車數(shù)量是指在某時(shí)段內(nèi)在線運(yùn)營(yíng)列車的數(shù)量。

考慮到運(yùn)營(yíng)成本和客流量的因素，在客流高峰期采用減小發(fā)車間隔，增加發(fā)車數(shù)量；在客流平峰期或低峰期采用增大發(fā)車間隔，減少發(fā)車數(shù)量的設(shè)計(jì)方案可以減少資源的浪費(fèi)。

列車發(fā)車間隔和發(fā)車數(shù)量在同一時(shí)段內(nèi)有相互依賴關(guān)系，當(dāng)把列車運(yùn)行周期作為數(shù)據(jù)常量時(shí)，列車的發(fā)車間隔和發(fā)車數(shù)量可由設(shè)置任意一個(gè)數(shù)值計(jì)算出另外一個(gè)數(shù)值。設(shè)列車的發(fā)車數(shù)量為m，列車的發(fā)車間隔為Tf，那么二者與列車運(yùn)行周期T 的關(guān)系如下：

3 計(jì)算方法

本文模型為時(shí)刻表智能編制的基礎(chǔ)參數(shù)，計(jì)算思路是將設(shè)置的參數(shù)代入到計(jì)算公式中進(jìn)行分段計(jì)算。下面將以工作日數(shù)據(jù)為研究主體對(duì)時(shí)刻表智能編制計(jì)算方法和步驟進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

假設(shè)工作日運(yùn)營(yíng)時(shí)間為6：00～23：00，客流高峰期主要在7：00～9：30 和16：30～19：30 這兩個(gè)時(shí)段，其他時(shí)段為客流平峰期。計(jì)算過(guò)程主要分以下幾步：

（1）將時(shí)刻表按客流量分成五個(gè)時(shí)段，如表1 所示。

表1 時(shí)刻表時(shí)段劃分表

（2）選擇交路、運(yùn)行時(shí)間標(biāo)尺、停站時(shí)間標(biāo)尺、折返時(shí)間以確定列車運(yùn)行周期。

（3）按時(shí)段設(shè)置發(fā)車間隔或發(fā)車數(shù)量，根據(jù)時(shí)段范圍，確定每趟列車的發(fā)車時(shí)間，以6：00～7：00 時(shí)段為例，設(shè)發(fā)車間隔為8 分鐘，運(yùn)行周期為160 分鐘，那么代入公式可計(jì)算出該時(shí)段內(nèi)的發(fā)車數(shù)量為20 列，采用列車平均對(duì)開(kāi)方式發(fā)車原則，則在該時(shí)段內(nèi)每趟上下行列車的發(fā)車時(shí)間可以確定，設(shè)第n 趟列車的發(fā)車時(shí)間為Tn，并且Tn須小于等于7：00，那么Tn計(jì)算方法如下：

當(dāng)n=1 時(shí)，T1=6：00；

當(dāng)n=2 時(shí)，T2=6：08；

…

其他時(shí)段均可按照此類方法依次計(jì)算出相應(yīng)時(shí)段內(nèi)每趟列車的發(fā)車時(shí)間。

（4）根據(jù)客流量轉(zhuǎn)峰數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)原則，調(diào)整過(guò)渡期的發(fā)車時(shí)間。原則1：轉(zhuǎn)峰時(shí)發(fā)車間隔不能大于最大發(fā)車間隔，且不能小于最下發(fā)車間隔；原則2：盡量調(diào)整后一時(shí)段內(nèi)前期列車的發(fā)車時(shí)間。

以6：00～7：00 時(shí)段向7：00～9：30 時(shí)段轉(zhuǎn)峰的數(shù)據(jù)調(diào)整為例，按照上一步的數(shù)據(jù)，得出6：00～7：00 時(shí)段內(nèi)滿足發(fā)車間隔要求的最后一班列車的發(fā)車時(shí)間是6：56，設(shè)7：00～9：30 的發(fā)車間隔為6 分鐘，那么7：00～9：30 時(shí)段內(nèi)的發(fā)車時(shí)間如下：

7：00，7：06，7：12，7：18，7：24 …

根據(jù)上述原則1 的要求，舍棄7：00 發(fā)車班次，利用后續(xù)一個(gè)班次的時(shí)間進(jìn)行均勻調(diào)整，發(fā)現(xiàn)調(diào)整結(jié)果不滿足原則1 要求，則利用后續(xù)兩個(gè)班次的時(shí)間進(jìn)行均勻調(diào)整，正好滿足原則1 要求，調(diào)整后7：00～9：30 時(shí)段內(nèi)的發(fā)車時(shí)間如下：

7：04，7：12，7：18，7：24 …

這里需要說(shuō)明的是，如果利用后續(xù)兩個(gè)班次的時(shí)間進(jìn)行均勻調(diào)整依然不能滿足原則1 的要求，則再利用后續(xù)三個(gè)班次的時(shí)間進(jìn)行均勻調(diào)整，依次類推。

（5）將所有時(shí)段內(nèi)的上下行班次發(fā)車時(shí)間都確定好以后，根據(jù)所選列車運(yùn)行時(shí)間標(biāo)尺和停站時(shí)間標(biāo)尺依次計(jì)算出每趟列車在各個(gè)站點(diǎn)的到離站時(shí)間數(shù)據(jù)。

（6）根據(jù)折返規(guī)則，將上行班次數(shù)據(jù)和下行班次數(shù)據(jù)進(jìn)行連接合并，形成環(huán)路，最終生成一個(gè)完成的時(shí)刻表。

4 結(jié)論

本文以城市軌道交通單一運(yùn)營(yíng)交路為研究對(duì)象，從實(shí)際調(diào)研的客流量分布數(shù)據(jù)中提取相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析和研究，得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)工作日、雙休日以及不同時(shí)段客流量設(shè)置不同的開(kāi)行列車數(shù)量和發(fā)車間隔，在滿足乘客出行需求的前提下，節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本，提高企業(yè)效益。

（2）通過(guò)優(yōu)化時(shí)刻表編制算法，提高了時(shí)刻表編制軟件的智能化程度，用戶只需要輸入時(shí)段、開(kāi)行列車數(shù)量或發(fā)車間隔等幾個(gè)重要參數(shù)后，能夠通過(guò)系統(tǒng)后臺(tái)的智能計(jì)算，生成一個(gè)比較合理的時(shí)刻表。該設(shè)計(jì)方案很大程度上降低軟件的操作復(fù)雜度、減少了大量的人工操作，大大提高了時(shí)刻表的編制效率。經(jīng)測(cè)試編制同一張存在高低峰不同發(fā)車間隔的時(shí)刻表，采用時(shí)刻表智能編制功能，可以將工作時(shí)間縮短到1個(gè)小時(shí)左右。