基于車輛自動定位數據的有軌電車運行效率分析與應用*

蔡國濤 馮遠通 劉舒婕

(1. 深圳市現代有軌電車有限公司， 518109， 深圳；2. 上海市軌道交通結構耐久與系統安全重點實驗室， 201804， 上?！蔚谝蛔髡?， 工程師)

運行效率是評價有軌電車系統服務質量的重要指標。文獻[1]在闡述有軌電車系統構成的基礎上，分析其技術適用性，提出了相應的技術適用條件，歸納總結出適用于不同城市的5種應用模式及相應的合理線路長度，并以模糊綜合評價模型為基礎，運用層次分析法對有軌電車的區域適用性進行了綜合評價。文獻[2]的研究也顯示出有軌電車系統的可靠性對有軌電車線路運行有不可忽視的影響。

有軌電車的運行特性在一定程度上與道路公交的運行特性相似。因此，參考道路公交的研究具有重要意義。文獻[3]基于AVL(車輛自動定位)數據，定量分析了道路公交的運行可靠性及其相關關系。文獻[4]使用深度神經網絡模型來實現公交到達時間的預測，并量化了不同因素的聯合影響。

本文結合AVL數據結構對有軌電車運行效率影響因素進行分析，并對有軌電車運行效率指標作細致的量化，然后結合已運營有軌電車線路的真實數據，將其線網模型的評估算法應用到實際算例中。

1 有軌電車AVL數據及運行效率影響因素

1.1 AVL系統與數據預處理

有軌電車AVL系統是一種基于計算機技術的車輛追蹤系統，不僅能實時提供有軌電車運行的時空位置信息，也是報站系統、車輛動態監控系統、智能調度系統等運行的重要基礎[5]。

本文針對有軌電車數據的結構和內容，提出面向AVL數據的預處理方法，內容包括對重復數據、缺失數據和異常數據的清洗，以及對多源數據信息的關聯與合并。AVL數據的預處理流程見圖1。

注：ID——起訖點。

1.2 有軌電車線路運行效率的影響因素

有軌電車系統是人、車、線路及環境相互作用的復雜系統。本文將運行效率影響因素歸為車站、路段、交叉口3類。其中：車站是有軌電車線路上供車輛到發、通過和折返等作業的分界點，有軌電車需要在車站辦理停車作業；交叉口是有軌電車線路在道路信號控制影響下形成的特殊分界點，有軌電車可能需要在交叉口停車等待綠燈通行；路段是車站與車站、車站與交叉口之間連接的主要通道。對車站、交叉口和路段這3個要素進行分析，是構建有軌電車線路運行效率評價模型的基礎[6]。

1) 車站。有軌電車車站按布設型式可分為側式、島式、島側混合式。其中：側式站臺設置在上下行線路的兩側；島式站臺設置在上下行線路之間；混合式站臺通常用于換乘站。根據站臺位于交叉口進出口道的位置，有軌電車車站還可分為進口道站臺和出口道站臺。應結合每個車站的實際情況進行有軌電車的線路設計，同時充分利用有軌電車的靈活性和多樣性，最大限度地發揮其優勢。

2) 交叉口。與傳統的城市軌道交通線路不同，有軌電車一般運行在城市的地面道路上，因而在通過道路平交交叉口時會受到道路交叉口信號控制系統的影響，需要根據交叉口信號指示決定車輛通行或停車等待。交通統計數據表明，有軌電車運行延誤的80%來自于交叉口的停車等待。交叉口限制了有軌電車的行車效率，使得有軌電車的運行速度較低，從而影響了有軌電車的服務質量。

3) 路段。有軌電車根據進路的排列依次經過相應的路段和分界點，路段長度決定了有軌電車到達、離開各分界點的時間。此外，路段長度會在一定程度上影響有軌電車的加速度曲線。

2 路段運行效率分析模型

本文通過構建多元線性回歸模型，重點從基礎設施和控制策略2方面對有軌電車線路的運行效率進行分析，并研究線路條件、站臺屬性、控制策略等關鍵參數對有軌電車運行效率的影響。

2.1 變量定義

將2個車站之間的線路定義為一個路段。為定量分析各因素對有軌電車運行效率的影響，對各因素的量化說明如表1所示。

表1 有軌電車運行效率模型的變量定義

2.2 多元線性回歸分析

由上述分析可知，有軌電車系統的運行效率受多種因素影響。為解釋各因素影響有軌電車運行效率的機理，應對單因素進行逐一分析。

1) 站臺位置。為了評估不同站臺位置對有軌電車平均運行速度的影響，選取某有軌電車線路某區段的上下行方向進行對比。該區段的上、下行方向站臺位置分別位于交叉口的出口道、進口道。對比有軌電車經過該區段時的平均運行速度，結果如圖2所示。從圖2可以看出，有軌電車駛入出口道站臺時，平均運行速度較高。

2) 路段長度。為了評估不同長度路段對有軌電車運行效率的影響，選取某有軌電車線路上若干個路段，對比有軌電車在該路段的平均速度(見圖3)?？梢姡S著路段長度的增加，有軌電車在路段上的平均運行速度也隨之變大。但是，當路段長度在400～700 m區間時，有軌電車的平均運行速度差異并不大。

圖2 不同站臺位置下的平均運行速度對比

圖3 不同路段長度下的平均運行速度對比

3) 交叉口。為了研究道路交叉口交通控制策略對有軌電車停車延誤造成的影響，選取包含交叉口的某一區間，對不同運營趟次的有軌電車在該區間的速度曲線進行對比分析，如圖4所示。由圖4可以看出，有軌電車在交叉口因信號控制而造成的停車延誤對運行效率造成較大影響。

圖4 不同運營趟次在某交叉口路段的速度對比

2.3 建立多元線性回歸模型

由于評價有軌電車運行效率的自變量有多個指標，而因變量只有路段運行時間均值1個指標，所以本文建立的多元線性回歸模型公式如下：

yi=β0+β1x1+β2x2+…+βkxk+ε

(1)

式中：

yi——路段i的運行時間均值；

β0——常數項；

xk——自變量(具體含義見表1)；

βk——xk對應的系數；

ε——隨機誤差項。

2.4 實例分析

2.4.1 實例描述

圖5為選取的有軌電車線網案例。其中，黑色部分為已開通運營的T1線。

圖5 有軌電車算例線網圖

2.4.2 多元線性回歸模型的結果分析

為表明回歸方程的顯著性，利用統計軟件Matlab對求解得到的多元線性回歸模型進行了顯著性檢驗。經計算，因變量yi預測值與路段實際運行時間均值調整后的復測定系數為0.954,說明自變量能解釋因變量yi的95.8%，而剩余的4.2%要由其他因素解釋。該模型的樣本量為310個，其回歸結果統計如表2所示。

表2 有軌電車運行效率多元線性回歸模型的統計結果

本文對選定指標與路段運行時間均值進行回歸分析，最終得到回歸方程如式(2)所示。

y=-105.9x1+117.7x2+90.5x3-52.2x4+

0.26x5-0.07x6+119.4x7-0.46x8

(2)

式中：

y——列車在路段內的運行時間。

結果表明，有軌電車的路段運行時間隨著交叉口個數的增加而增加。同時，當車站位于出口道時，路段行程時間將略有減少。此外，與經停側式站臺的路段運行效率相比，有軌電車經停島式站臺的路段運行效率較高。路段長度對平均運行速度也有直接的影響，這是由于有軌電車的啟動和停車都會極大地影響其在單個路段中的運行效率。而交通量、周期時長及綠信比等交叉口相關影響因素能在一定程度上表征不同交叉口對于有軌電車相位的優先策略。結合以上的數據分析結果，能夠更好地擬合有軌電車過交叉口時的運行情況。

3 模型在新建線路運行效果預測及優化建議

3.1 在新建線路中的運行效果預測

該模型還可用于預測新建T3線的運行效率。如表3所示，該線全長為7 607 m，基于T3線的基礎設施物理參數及信號配時參數，預測得到各路段的運行時間和平均運行速度。在此基礎上計算得到該線單程的運行時間(1 309.94 s)和平均運行速度(20.91 km/h)。表3中的交叉口型式、站臺位置、站臺型式的取值含義見表1。

表3 有軌電車T3線的運行情況預測

通過模型擬合得出以下結論：① 在有軌電車絕對優先的情況下，預測T3線全線平均運行速度可以達到24.40 km/h；② 通過現有數據擬合，考慮有軌電車在交叉口受信號控制影響情況，預測T3線全線平均運行速度可以達到20.91 km/h。

3.2 優化建議

1) 可從建設根源上改善有軌電車運行效率，如合理地規劃站間距離、設計站臺型式及位置等。

2) 可通過優化信號控制策略來改善有軌電車運行效率。

3) 可以通過鼓勵出行者錯峰出行來緩解高峰時段有軌電車在交叉口運行的壓力。同時，針對機動車與非機動車混行通過交叉口問題，可在交叉口渠化上做進一步的優化。

4) 應結合實際運營數據，優化仿真算法，制定調整改善措施，進一步提高運行效率和服務質量。