軌道交通預(yù)約出行模式及應(yīng)用

羅恕芳，吳 芳，劉亞麗

（蘭州交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

城市軌道交通至今在各城市已經(jīng)初具規(guī)模，各條線路相互交錯(cuò)覆蓋著城市主要區(qū)域，其特有的準(zhǔn)時(shí)、高效、載客量大的特性為城市人口的流通帶來(lái)了極大的便利，隨著城市的迅猛發(fā)展和人口的大量涌入，原有的軌道交通線路規(guī)劃無(wú)法承載現(xiàn)有的城市客流數(shù)量，交通結(jié)構(gòu)布局與現(xiàn)有城市結(jié)構(gòu)不匹配，軌道交通線路不可避免地產(chǎn)生擁堵。在軌道交通線路的列車運(yùn)行計(jì)劃方面，由于高峰期線路客流分布不均衡，乘客短時(shí)、大量涌入靠近住宅區(qū)附近的車站造成擁堵的同時(shí)列車運(yùn)能被大量占據(jù)，剩余運(yùn)能無(wú)法承載后續(xù)車站的乘客數(shù)量。乘客和軌道交通運(yùn)輸企業(yè)供需雙方不平衡導(dǎo)致線路擁堵，乘客在站內(nèi)外滯留。

現(xiàn)有研究中大都從優(yōu)化列車運(yùn)行方案和對(duì)大客流車站實(shí)施限流來(lái)調(diào)整乘客和企業(yè)的供需平衡。列車運(yùn)行方案的優(yōu)化分為：調(diào)整列車時(shí)刻表、加開列車運(yùn)行班次、采用多編組列車運(yùn)行方案、大小交路開行方案；大客流車站的限流主要為：高峰期的車站常態(tài)化限流、依據(jù)車站客流實(shí)施三級(jí)客流控制。現(xiàn)有的優(yōu)化方案中，通過(guò)對(duì)車站內(nèi)部實(shí)行客流控制措施，在緩解站內(nèi)擁擠的同時(shí)將站臺(tái)滯留的乘客轉(zhuǎn)移到了站外，但乘客出行排隊(duì)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題并未得到實(shí)質(zhì)性的解決。線路和車站限流措施的經(jīng)驗(yàn)借鑒依靠以往車站自動(dòng)售、檢票系統(tǒng)（AFC）的刷卡數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)反映了實(shí)際進(jìn)站客流，并不能代表車站外聚集的乘客數(shù)。

供需雙方信息不對(duì)稱，乘客作為需求方與企業(yè)供給方存在信息偏差。對(duì)于乘客來(lái)講，無(wú)法提前獲取需要出行車站的擁堵信息；對(duì)于企業(yè)而言，早高峰的限流措施更多的是根據(jù)以往的客流數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)確定列車開行方案和車站限流措施，在遇到突發(fā)客流時(shí)更是無(wú)法及時(shí)接應(yīng)。如果引入預(yù)約機(jī)制，則可以使得供需雙方信息互通，使客流的預(yù)測(cè)和運(yùn)輸更加精準(zhǔn)。

1 預(yù)約出行研究現(xiàn)狀

現(xiàn)如今，預(yù)約出行已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾M成部分。無(wú)論是預(yù)約掛號(hào)、預(yù)約訂餐、預(yù)約景點(diǎn)，還是航空、鐵路、水運(yùn)等提前購(gòu)票，都可以歸為提前預(yù)約出行的范疇。通過(guò)預(yù)約出行服務(wù)，人們可以更加方便地安排出行計(jì)劃，避免在出行過(guò)程中遇到排隊(duì)、等待等問(wèn)題。目前，預(yù)約出行服務(wù)在公路交通領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如網(wǎng)約車、定制公交等，且在城市軌道交通領(lǐng)域也開始推廣應(yīng)用。此外，預(yù)約出行服務(wù)還可以提高交通資源的利用效率，減少浪費(fèi)和擁堵，成為一種便捷、高效的出行方式。

國(guó)外早期出現(xiàn)的定制公交則是預(yù)約出行的典型應(yīng)用。Bellini等[1]將乘客的出行需求和時(shí)間納入考慮因素來(lái)規(guī)劃定制公交路線；Ma等[2]提出對(duì)定制公交路徑進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃來(lái)提升乘客運(yùn)輸?shù)木珳?zhǔn)度；劉航宇[3]提出了預(yù)約公交的出行概念，以乘客出行需求為基礎(chǔ)確定公交站點(diǎn)和出行路徑。

Koolstra[4]在高速公路單瓶頸下引入預(yù)約機(jī)制；Su和Park[5]利用仿真將預(yù)約出行的規(guī)則加入基礎(chǔ)場(chǎng)景中；Liu等[6]將預(yù)約出行引入瓶頸模型定義早高峰道路通勤情況；Edara和Teodorovic[7]則是將高速公路預(yù)約通行系統(tǒng)（Highway Reservation System，HRS）與傳統(tǒng)的匝道限流控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)劣比較分析。國(guó)內(nèi)對(duì)于道路的預(yù)約出行研究主要集中在道路擁堵預(yù)測(cè)與優(yōu)化[8]、道路資源調(diào)度和分配[9]。通過(guò)分析道路擁堵的原因和特征，結(jié)合歷史交通數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)路況信息，預(yù)測(cè)道路未來(lái)的擁堵狀況，并提出相應(yīng)的交通優(yōu)化措施。實(shí)行預(yù)約出行服務(wù)可對(duì)道路資源進(jìn)行調(diào)度和分配，提高道路資源的利用效率。

近幾年國(guó)內(nèi)學(xué)者們開始將預(yù)約出行引入城市軌道交通中。張松亮等[10]為了平衡軌道交通供需雙方時(shí)變性的矛盾，建立了乘客需求響應(yīng)下列車運(yùn)行計(jì)劃的協(xié)同優(yōu)化模型，采用自適應(yīng)大規(guī)模鄰域搜索算法求解，減少了線上開行列車數(shù)同時(shí)提高了乘客輸送效率。王倩等[11]以北京地鐵為例，在昌平線沙河站和5號(hào)線天通苑站2個(gè)工作日乘客出行量最大的站進(jìn)行預(yù)約出行試點(diǎn)，確定好預(yù)約出行的規(guī)則，將參與預(yù)約的不同乘客比例對(duì)應(yīng)的站外等待時(shí)間進(jìn)行對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)可以有效減少乘客站外限流時(shí)間，同時(shí)采用問(wèn)卷調(diào)查的形式發(fā)現(xiàn)乘客對(duì)于預(yù)約出行持滿意態(tài)度。為今后的預(yù)約出行進(jìn)一步發(fā)展打好了基礎(chǔ)。郭繼孚[12]的研究表明截至2023年3月，線上預(yù)約系統(tǒng)總注冊(cè)用戶達(dá)25.7萬(wàn)人，累計(jì)服務(wù)預(yù)約乘客512.4萬(wàn)人次，每日人均節(jié)約排隊(duì)時(shí)間3～5 min，日均節(jié)約200多小時(shí)，累計(jì)節(jié)約時(shí)間近11萬(wàn)h。從出行乘客站內(nèi)等待時(shí)間的數(shù)據(jù)來(lái)看，預(yù)約出行能夠明顯減少乘客排隊(duì)時(shí)間，使得供需平衡。

預(yù)約出行的本質(zhì)是緩解乘客在短時(shí)內(nèi)大量聚集在各個(gè)站口即瓶頸點(diǎn)爭(zhēng)奪出行的優(yōu)先權(quán)。高峰期的大客流車站基本為常態(tài)化限流，乘客在早晚高峰出行均需要在站外排隊(duì)進(jìn)而增加了乘客的等待感知時(shí)間，站內(nèi)擁擠、車廂內(nèi)部剩余容納量低，乘客的乘坐舒適度也會(huì)降低。采取預(yù)約出行的方式，乘客和企業(yè)直接能夠信息互通，企業(yè)按照乘客的出行需求和現(xiàn)有的運(yùn)行計(jì)劃對(duì)運(yùn)輸組織進(jìn)行合理的調(diào)整布局，讓乘客提前確定出發(fā)時(shí)間，引導(dǎo)出行者在預(yù)約時(shí)刻直接由預(yù)約專用進(jìn)站口進(jìn)站，避免了無(wú)效排隊(duì)。使其出行過(guò)程中原本需要在車站外排隊(duì)等待的時(shí)間用來(lái)安排其他事情，極大地提高了乘客出行效率，也緩解了車站的擁堵情況，提升了車站乘客出行的服務(wù)質(zhì)量，做到乘客與運(yùn)輸企業(yè)之間的供需平衡。

2 預(yù)約出行系統(tǒng)構(gòu)成及預(yù)約服務(wù)的實(shí)況

2.1 預(yù)約出行服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成

現(xiàn)有研究中，城市軌道交通的預(yù)約服務(wù)系統(tǒng)主要由用戶平臺(tái)、數(shù)據(jù)平臺(tái)、仿真計(jì)算平臺(tái)、系統(tǒng)優(yōu)化平臺(tái)、云服務(wù)器、云數(shù)據(jù)庫(kù)等部分構(gòu)成。包含供需匹配、動(dòng)態(tài)仿真、全網(wǎng)配額計(jì)算集群、核驗(yàn)服務(wù)等關(guān)鍵功能模塊，關(guān)于全網(wǎng)配額計(jì)算集群模塊主要依據(jù)所在線路的運(yùn)力、歷史進(jìn)出站客流數(shù)據(jù)進(jìn)行全網(wǎng)的線路配額計(jì)算，同時(shí)根據(jù)各站點(diǎn)的實(shí)際進(jìn)站和預(yù)約情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整配額。如圖1所示，其中計(jì)算集群線網(wǎng)配額模塊會(huì)將計(jì)算出的各站預(yù)約配額定期發(fā)送到預(yù)約平臺(tái)；用戶核驗(yàn)服務(wù)模塊用來(lái)核驗(yàn)乘客是否按照預(yù)約時(shí)間進(jìn)站，并將乘客的出行記錄同步至數(shù)據(jù)庫(kù)中，作為歷史進(jìn)出站客流數(shù)據(jù)。

圖1 預(yù)約出行服務(wù)系統(tǒng)

2.2 乘客可預(yù)約時(shí)間確定

目前，國(guó)內(nèi)試點(diǎn)車站的可預(yù)約時(shí)間主要集中在早高峰6:30～9:30期間，這些大客流車站的站外排隊(duì)現(xiàn)象會(huì)根據(jù)預(yù)約出行數(shù)量的增加而下降。對(duì)于非高峰期的客流特征則是零散、數(shù)量少、規(guī)律性不高，在后續(xù)預(yù)約出行普及后，同樣可在該時(shí)間段開通預(yù)約出行，通過(guò)預(yù)約系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的場(chǎng)景適配。文章主要研究早高峰時(shí)間段的預(yù)約出行，后續(xù)可以延伸到早晚高峰的出行預(yù)約。

軌道交通運(yùn)輸企業(yè)依托系統(tǒng)的云計(jì)算功能，依據(jù)歷史數(shù)據(jù)提前對(duì)相應(yīng)車站分配可預(yù)約名額。App用戶界面每天會(huì)在12：00～20：00時(shí)間段顯示第2天各車站在各個(gè)時(shí)間粒度內(nèi)的可預(yù)約名額，乘客可以在該時(shí)間段通過(guò)App預(yù)約次日出行日程。在早高峰期間系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)的客流數(shù)據(jù)及錯(cuò)過(guò)到站預(yù)約時(shí)間的乘客數(shù)量釋放出少量的當(dāng)日可預(yù)約名額給顧客進(jìn)行臨時(shí)預(yù)約，同時(shí)系統(tǒng)則會(huì)在凌晨1:00～5:00進(jìn)行維護(hù)。

2.3 預(yù)約系統(tǒng)時(shí)間粒度

對(duì)于預(yù)約出行服務(wù)系統(tǒng)中用戶可預(yù)約間隔時(shí)段的考慮，如果時(shí)間粒度過(guò)大，即便依據(jù)該時(shí)段的列車運(yùn)力來(lái)分配預(yù)約名額數(shù)量，該段時(shí)間內(nèi)預(yù)約的乘客可能會(huì)在該間隔時(shí)段里集中到達(dá)，在預(yù)約通道產(chǎn)生擁堵，失去調(diào)控的意義；時(shí)間粒度過(guò)小，雖然實(shí)現(xiàn)了對(duì)客流的精準(zhǔn)調(diào)控，乘客可能無(wú)法全部按時(shí)到達(dá)，導(dǎo)致預(yù)約出行效率不高。在線路高峰期大客流區(qū)段的預(yù)約站點(diǎn)，如圖2所示通過(guò)出行服務(wù)系統(tǒng)的線網(wǎng)配額計(jì)算集群分配該站的乘客可預(yù)約數(shù)量，依據(jù)歷史客流數(shù)據(jù)中的乘客出行時(shí)間規(guī)律在仿真模型中通過(guò)模擬得出不同時(shí)間粒度下的乘客出行準(zhǔn)點(diǎn)率，進(jìn)而篩選出線路最優(yōu)預(yù)約時(shí)間粒度。

圖2 預(yù)約程序時(shí)間粒度確定流程圖

2.4 乘客預(yù)約流程

采用預(yù)約出行的線路，乘客需要在應(yīng)用程序中選擇出行時(shí)間、地點(diǎn)和目的地，預(yù)約出行系統(tǒng)收到出行信息后，會(huì)通過(guò)后臺(tái)的優(yōu)化模型進(jìn)行剩余運(yùn)量調(diào)配給出最優(yōu)的出行方案，并結(jié)合現(xiàn)有的列車運(yùn)行計(jì)劃進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整，做到運(yùn)力和客流的精準(zhǔn)適配。

圖3為用戶線上預(yù)約流程圖，有預(yù)約需求的乘客通過(guò)小程序或App用戶界面實(shí)名注冊(cè)后，開始線上預(yù)約，選擇起止站點(diǎn)，App進(jìn)行線路規(guī)劃，同時(shí)給出有剩余配額的預(yù)約時(shí)間段供乘客選擇。乘客根據(jù)自己的出行需求確定出行時(shí)間，上傳出行訂單。在現(xiàn)場(chǎng)核驗(yàn)階段，站點(diǎn)會(huì)為預(yù)約出行乘客設(shè)置預(yù)約專用進(jìn)站通道，乘客在預(yù)定的出行時(shí)間到達(dá)站點(diǎn)后，在預(yù)約專用通道口依據(jù)應(yīng)用程序中的預(yù)約二維碼直接掃碼進(jìn)站，將乘客原本需要線下的站外排隊(duì)轉(zhuǎn)移到線上的虛擬排隊(duì)，節(jié)省乘客的出行時(shí)間。為保證乘客進(jìn)入預(yù)約進(jìn)站通道的精準(zhǔn)性，乘客進(jìn)站時(shí)間與預(yù)約時(shí)間可偏差10 min，超過(guò)了這個(gè)時(shí)間段則二維碼失效，需要站外排隊(duì)走常規(guī)進(jìn)站通道。

圖3 用戶預(yù)約出行流程圖

各站點(diǎn)需要依據(jù)系統(tǒng)上的預(yù)約人數(shù)和高峰期常規(guī)通道進(jìn)站量合理開通預(yù)約進(jìn)站通道數(shù)量，盲目的設(shè)置過(guò)多預(yù)約進(jìn)站口可能會(huì)造成預(yù)約進(jìn)站口通行能力的浪費(fèi)，未預(yù)約的乘客會(huì)因?yàn)槌Ｒ?guī)通道的減少而增加了站外排隊(duì)時(shí)間，反而降低了乘客的出行效率。對(duì)于一些沒有開通預(yù)約專用進(jìn)站口條件的大客流車站，可以在進(jìn)站口分為常規(guī)進(jìn)站道和預(yù)約直通刷卡區(qū)通道兩列，預(yù)約乘客可以由直通區(qū)直接進(jìn)站安檢，避免排隊(duì)。

3 預(yù)約出行的擴(kuò)展與推廣

3.1 多模式協(xié)同預(yù)約出行

預(yù)約出行在單條線路運(yùn)用實(shí)施穩(wěn)定后可以逐步向所在線網(wǎng)推進(jìn)擴(kuò)展，在大客流區(qū)段的重點(diǎn)車站可用定制公交及其他出行方式來(lái)接駁軌道交通，以此緩解軌道交通車站的客流壓力、加快乘客流通。

乘客的線上預(yù)約出行選擇流程如圖4所示，可在線上直接選擇預(yù)約地鐵或者定制公交出行，在預(yù)約時(shí)間內(nèi)到達(dá)進(jìn)站口或公交站點(diǎn)。對(duì)于錯(cuò)過(guò)地鐵預(yù)約時(shí)間而未進(jìn)站的乘客，預(yù)約系統(tǒng)可以為其推薦定制公交的出行線路，乘客可以在App上點(diǎn)擊同意定制公交的出行規(guī)劃，并按照選定時(shí)間達(dá)到乘車地點(diǎn)即可，也可以選擇放棄定制公交的出行建議。

圖4 多模式協(xié)同出行下的乘客預(yù)約流程

軌道交通和定制公交協(xié)同運(yùn)行，避免了傳統(tǒng)公交的線路規(guī)劃方向、車內(nèi)擁擠、距離站點(diǎn)過(guò)遠(yuǎn)等弊端。同時(shí)定制公交的接駁方式也符合低碳環(huán)保的綠色出行理念，充分發(fā)揮定制公交定點(diǎn)、定時(shí)、定量、線路靈活的特征，通過(guò)預(yù)約系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)獲取錯(cuò)過(guò)預(yù)約時(shí)間二維碼失效的乘客數(shù)量和線上首先選擇公交的預(yù)約客流數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過(guò)模擬仿真模型后確定出定制公交的運(yùn)行線路、發(fā)車時(shí)間、乘車人數(shù)。

預(yù)約程序的用戶界面會(huì)顯示定制公交的線路起止站、發(fā)車時(shí)間、剩余座位數(shù)，定制公交和乘客之間也能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)的信息互通，避免了傳統(tǒng)公交由于無(wú)法準(zhǔn)確了解乘客的出行需求造成運(yùn)力浪費(fèi)或者運(yùn)力不足的現(xiàn)象。

將公交線路與軌道交通線路進(jìn)行互補(bǔ)，遇到突發(fā)大客流，軌道交通和定制公交均可根據(jù)實(shí)時(shí)客流情況選擇加開列車數(shù)和公交班次，提升路網(wǎng)整體運(yùn)力，推進(jìn)綜合交通一體化建設(shè)以及推進(jìn)交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)與信息網(wǎng)融合發(fā)展，有望進(jìn)一步提升城市軌道交通的出行質(zhì)量和用戶滿意度。

3.2 預(yù)約出行的推廣

2019 年，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)的《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》明確了“大力發(fā)展共享交通，打造基于移動(dòng)智能終端技術(shù)的服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)出行服務(wù)”，在大力推廣智慧交通的趨勢(shì)下，城市軌道交通預(yù)約出行則是現(xiàn)在推廣的智慧交通的方式之一。智慧交通是城市智能化建設(shè)的重要組成部分，主要通過(guò)數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)算法等手段，為城市軌道交通預(yù)約出行提供更加精準(zhǔn)和高效的服務(wù)。

預(yù)約出行可以弱化個(gè)體隨機(jī)性對(duì)線路運(yùn)輸效率的影響，給常態(tài)化的軌道交通限流措施提供了新思路。現(xiàn)在只在少量的車站有試點(diǎn)且效果良好，將預(yù)約出行推廣并且普及需要一個(gè)過(guò)程。這種出行方式理念的普及和被大眾接受需要時(shí)間，并且在技術(shù)層面也需要逐步提升和完善。

預(yù)約出行的推廣可以在各媒體和官方公眾號(hào)進(jìn)行宣傳和普及，同時(shí)通過(guò)地推的形式在可預(yù)約出行的地鐵站口放置宣傳海報(bào)，并附上應(yīng)用程序的二維碼，給有需求的乘客了解預(yù)約出行方式。隨著大眾對(duì)軌道交通預(yù)約出行的了解和接納后，利用現(xiàn)有的預(yù)約出行云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、線路的歷史客流數(shù)據(jù)和對(duì)預(yù)約系統(tǒng)的完善進(jìn)一步擴(kuò)大軌道交通預(yù)約出行的車站場(chǎng)景和范圍。

通過(guò)預(yù)約系統(tǒng)對(duì)列車運(yùn)行組織規(guī)劃和客流的合理分配，讓線路的運(yùn)輸組織進(jìn)一步優(yōu)化，提高線路運(yùn)輸效率的同時(shí)減少了線上列車數(shù)量，在減少企業(yè)成本的同時(shí)也降低了碳排放量；在預(yù)約出行普及后企業(yè)可與預(yù)約系統(tǒng)的支付平臺(tái)合作“低碳賬戶”，具體可參考支付寶的螞蟻森林。乘客在線上預(yù)約支付后，依據(jù)出行線路長(zhǎng)短給予相應(yīng)的碳能量，碳能量積累到一定數(shù)值可以兌換一次免費(fèi)乘車次數(shù)，在鼓勵(lì)乘客預(yù)約出行的同時(shí)也在為群眾普及綠色出行理念，符合《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》中的“綠色發(fā)展節(jié)約集約、低碳環(huán)保”目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

交通預(yù)約出行的理念為城市軌道交通的出行服務(wù)提供了新的思路和方法，隨著預(yù)約出行的推廣和應(yīng)用也為智慧交通的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。依托智慧交通技術(shù)在現(xiàn)有城市軌道交通線路設(shè)施基礎(chǔ)上優(yōu)化組織客流，不僅可以提高運(yùn)輸效率、減少城市交通擁堵和污染，契合低碳出行理念，同時(shí)也給城市居民提供了更加便捷、舒適及高品質(zhì)的出行服務(wù)。