城市軌道交通與道路公交協(xié)同運(yùn)營(yíng)方案研究*

董 皓 黃啟翔 李瑩春 羅欽

(1.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司,100037,北京; 2.深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心有限公司，518021，深圳; 3.深圳大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,518060，深圳//第一作者,工程師)

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城市軌道交通與道路公交協(xié)同運(yùn)營(yíng)方案研究*

董 皓1黃啟翔2李瑩春1羅欽3

(1.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司,100037,北京; 2.深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心有限公司，518021，深圳; 3.深圳大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,518060，深圳//第一作者,工程師)

“軌道交通為骨干、道路公交為補(bǔ)充”的城市公共交通發(fā)展策略體現(xiàn)了城市公交“一體化”發(fā)展方向。以城市軌道交通與社區(qū)道路公交組成的出行系統(tǒng)特征分析為出發(fā)點(diǎn),基于城市軌道交通與社區(qū)道路公交各自的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn),以最優(yōu)化出行者出行耗時(shí)為目的,通過(guò)概率論和計(jì)算機(jī)仿真的技術(shù),優(yōu)化二者間的運(yùn)營(yíng)組織,實(shí)現(xiàn)城市軌道交通與道路公交的協(xié)同運(yùn)營(yíng),保障城市軌道交通的骨干地位,提高了城市軌道交通的集疏效率,為城市公交“一體化”發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施提供實(shí)踐支撐。

城市軌道交通; 道路公交; 出行鏈; 仿真; 協(xié)同運(yùn)營(yíng)

First-author′s address Beijing Urban Engineering Design and Research Institute Co.,Ltd.,100037,Beijing,China

隨著城市軌道交通(以下簡(jiǎn)為“城軌”)的發(fā)展,城市公共交通系統(tǒng)由以往的道路公交(以下簡(jiǎn)為“公交”)為主,城軌為輔,發(fā)展至以城軌為主,公交與城軌相輔相成的局面[1]。居民出行由單一交通方式轉(zhuǎn)換為多種交通方式結(jié)合,形成了穩(wěn)定的居民出行鏈[2]。

典型的居民出行鏈為“公交-城軌-公交”[3]的形式。城軌系統(tǒng)運(yùn)能大、穩(wěn)定性高,主要滿足城區(qū)組團(tuán)間的客流出行需求。而城市居民由居住地(工作地)至城軌站的“點(diǎn)到點(diǎn)”則需由公交輔助完成[4]。

既有針對(duì)城軌與公交的協(xié)同運(yùn)營(yíng)方案(以下簡(jiǎn)為“協(xié)同運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)”)的研究多采用整數(shù)規(guī)劃的方法[5-8],以城軌列車與公交車輛為基本研究單位,以協(xié)同運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)內(nèi)銜接車輛數(shù)最優(yōu)為優(yōu)化目標(biāo)。該方法的缺點(diǎn)在于:①缺少不同時(shí)段(早晚高峰、平峰)銜接系統(tǒng)特征的分析(如:早高峰時(shí)段,乘客關(guān)注公交銜接的城軌車次;而夜間出行的乘客更關(guān)注末班公交發(fā)車時(shí)間。);②缺少對(duì)乘客特征的分析(如:不同的年齡組成、出行目的等因素會(huì)影響乘客的走行速度)。本文基于城軌與公交協(xié)同運(yùn)營(yíng)理論,以單一乘客行為仿真為切入點(diǎn),以換乘系統(tǒng)乘客出行時(shí)間最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù),求得協(xié)同運(yùn)營(yíng)的最優(yōu)銜接方案。

1 協(xié)同運(yùn)營(yíng)分析

1.1 乘客的協(xié)同出行行為分析

乘客出行行為的關(guān)注點(diǎn)為出行時(shí)間消耗。通過(guò)不同交通方式的有序結(jié)合,可有效降低居民出行時(shí)間消耗,提高出行服務(wù)質(zhì)量。不同階段的協(xié)同運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)具有不同出行需求特征。乘客由居住地出發(fā)時(shí),更關(guān)心的是公交到達(dá)城軌站后所能銜接的城軌列車;此時(shí),換乘系統(tǒng)更強(qiáng)調(diào)時(shí)效性。而當(dāng)乘客返回居住地時(shí),更關(guān)心是否還有銜接的公交搭乘以便快速到家;此時(shí),換乘系統(tǒng)更強(qiáng)調(diào)可達(dá)性。不同的出行階段存在著不同的出行目的和側(cè)重點(diǎn)。這使得乘客在走行速度、路徑選擇等方面存在一定差異性。

1.2 乘客協(xié)同出行系統(tǒng)

乘客協(xié)同出行系統(tǒng)由城軌系統(tǒng)、公交系統(tǒng)及二者之間的走行換乘系統(tǒng)3部分組成。其中,城軌系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)的骨干,公交系統(tǒng)和走行換乘系統(tǒng)為系統(tǒng)重要組成部分。與城軌系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)計(jì)劃直接相關(guān)的關(guān)鍵要素包括城軌列車到發(fā)時(shí)間、換乘系統(tǒng)客流需求等。與公交系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)相關(guān)的關(guān)鍵要素包括公交走行時(shí)分、載客量等[9]。走行換乘系統(tǒng)則主要考慮乘客由公交站(城軌車站)至城軌站(公交站)的走行時(shí)間分布特征和分布函數(shù)。三者的具體關(guān)系如圖1所示。

圖1 協(xié)同出行系統(tǒng)關(guān)系

城軌系統(tǒng)的技術(shù)文件包含城軌運(yùn)行圖和客流數(shù)據(jù)兩部分。城軌運(yùn)行圖可反映列車對(duì)各區(qū)間的占用情況。實(shí)時(shí)客流數(shù)據(jù)由基于AFC(自動(dòng)售檢票)系統(tǒng)的客流數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)完成。目前,無(wú)論乘客出行使用的是公交卡還是單程票,AFC系統(tǒng)都可以記錄其進(jìn)入和離開(kāi)城軌系統(tǒng)的站點(diǎn)。而乘客的具體進(jìn)站/離站時(shí)間則被劃分到一定精度的時(shí)間段內(nèi)(如:5 min、10 min等)。但這種劃分并不夠詳細(xì),無(wú)法準(zhǔn)確確定該乘客OD(起訖點(diǎn))的具體到發(fā)時(shí)間信息;而且,該乘客的具體出行路徑也是未知的。

以僅有上下行兩方向的普通車站為例,通過(guò)AFC數(shù)據(jù)可確定該車站15 min內(nèi)的進(jìn)站客流量,但不能確定客流的上下行方向比例。同理,到達(dá)客流也只能確定客流數(shù)量,但無(wú)法確定客流方向。文獻(xiàn)[5]中提出了一種路徑推斷概率模型,本文借鑒此模型,結(jié)合具體工況下的歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)行AFC數(shù)據(jù)清分處理,以確定某一時(shí)間段出發(fā)與到達(dá)客流分方向的路徑比例。

在協(xié)同運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)中,須考慮采用出行鏈出行的乘客占總出行量的比重。由于,以“公交+城軌”方式出行的乘客在不同時(shí)段占城軌OD客流比重也不同。因此,需要針對(duì)不同時(shí)段,通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)采集,利用不同的換算系數(shù)求得銜接公交使用者占城軌系統(tǒng)客流OD的比例。

由公交站至城軌站臺(tái)之間的路徑,需由乘客步行來(lái)完成。從單個(gè)乘客角度出發(fā),乘客1次換乘行為所消耗的時(shí)間包括城軌上車時(shí)間、城軌下車時(shí)間、城軌站內(nèi)走行時(shí)間、排隊(duì)刷卡進(jìn)出站時(shí)間、城軌站非付費(fèi)區(qū)至銜接公交站臺(tái)時(shí)間、銜接公交上車時(shí)間、銜接公交下車時(shí)間。圖2描述了由公交站至城軌站臺(tái)的換乘銜接系統(tǒng)走行各階段示意圖。

圖2 換乘銜接系統(tǒng)走行階段分解

由公交站至城軌站非付費(fèi)區(qū)的走行過(guò)程中,由于每個(gè)乘客的走行速度不同,同時(shí)存在著其他因素的影響,使得由同一接駁公交下車的各乘客到達(dá)城軌站點(diǎn)刷卡閘機(jī)前的時(shí)間各不相同。具體表現(xiàn)為圖2中所示的多條斜率不同線段。每個(gè)乘客對(duì)于刷卡閘機(jī)的選擇不同,刷卡閘機(jī)前的隊(duì)伍組成也不同;這使得乘客由排隊(duì)等待刷卡至刷卡完成消耗的時(shí)間也不盡相同。圖2中的“排隊(duì)刷卡進(jìn)站”線段長(zhǎng)度即為某乘客刷卡進(jìn)站的時(shí)間消耗。乘客刷卡進(jìn)站完成后,會(huì)分別選擇樓梯、自動(dòng)扶梯、自動(dòng)升降梯等設(shè)備;這使得乘客進(jìn)入收費(fèi)區(qū)后到達(dá)城軌站臺(tái)的時(shí)間也存在較大差異性。上述差異導(dǎo)致乘客由公交站至城軌站的耗時(shí)均不同,從而使得其可選擇的銜接城軌列車車次也不同。

在協(xié)同運(yùn)營(yíng)的系統(tǒng)中,基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)推斷和實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)分析,可近似認(rèn)為乘客銜接換乘系統(tǒng)走行時(shí)間分布函數(shù)符合具有穩(wěn)定中值的正態(tài)分布。且走行時(shí)間影響因素越多,走行路徑選擇性越復(fù)雜,該擬合度越高[11]。

決定公交系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)水平的重要系統(tǒng)指標(biāo)包括公交行駛時(shí)間、公交車的額定載客量、公交系統(tǒng)的最大發(fā)車間隔、最小發(fā)車間隔、公交系統(tǒng)的最早服務(wù)時(shí)刻、公交車輛站點(diǎn)折返限制等。

2 協(xié)同運(yùn)營(yíng)的銜接模型及方案

2.1 銜接模型前提

城軌系統(tǒng)與公交系統(tǒng)銜接的數(shù)學(xué)模型前提假設(shè)如下:

(1) 僅以公交系統(tǒng)的最大、最小發(fā)車間隔作為約束來(lái)控制公交銜接系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)。銜接公交系統(tǒng)無(wú)車底、人力等其他約束條件限制。

(2) 城軌站點(diǎn)之間距離較短,且兩點(diǎn)之間行車時(shí)間固定。不考慮延誤等其他特殊工況。

(3)銜接公交系統(tǒng)內(nèi)車型相同,且載客量固定。為保證服務(wù)質(zhì)量,銜接公交載客量不可超過(guò)該固定值。

(4) 銜接公交車服從先到先服務(wù)規(guī)則。即當(dāng)銜接公交站有超過(guò)1輛公交車停靠時(shí),先到的銜接公交車先發(fā)車。

2.2 仿真模型

協(xié)同運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)中,當(dāng)由城軌換乘公交的客流為主導(dǎo)時(shí),由于城軌列車到達(dá)時(shí)間已知,首先,仿真生成符合正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù),并以隨機(jī)數(shù)來(lái)模擬單個(gè)乘客換乘行為;然后,以公交站臺(tái)累計(jì)客流量作為發(fā)車依據(jù),直接得到由城軌站至居住區(qū)的公交發(fā)車時(shí)刻。其仿真計(jì)算式如下:

(1)

Cφ,2,left=

(2)式中:

Tφ,γ——最終要求得的銜接公交時(shí)刻。其中,φ=1,2,3...,為第φ班次公交發(fā)出時(shí)間;γ=1或2,γ=1表示由居住區(qū)至城軌站方向,γ=2表示由城軌站至居住區(qū)方向;

C——銜接公交的最大載客量;

tC——城軌車站至居住區(qū)方向,由上一列車的發(fā)車時(shí)間開(kāi)始,仿真求得的候車人數(shù)達(dá)到C的時(shí)刻(當(dāng)為第1班車時(shí),代表由時(shí)段起始時(shí)間至仿真求得候車人數(shù)到達(dá)C的時(shí)間);

Hmax——銜接公交系統(tǒng)的最大發(fā)車間隔,當(dāng)發(fā)車間隔大于Hmax時(shí),取Hmax;

Hmin——銜接公交系統(tǒng)的最小發(fā)車間隔,當(dāng)發(fā)車間隔小于Hmin時(shí),取Hmin;

Cφ,2，left——城軌至居住區(qū)方向,第φ班次公交車發(fā)車后,公交站臺(tái)剩余的候車客流量;

Cφ,2,new——城軌至居住區(qū)方向,由第φ-1班公交車發(fā)車至第φ班公交車發(fā)車時(shí)間段內(nèi),公交站臺(tái)增加的候車客流量。

2.3 協(xié)同運(yùn)營(yíng)方案

通過(guò)仿真模型的計(jì)算可得到協(xié)同運(yùn)營(yíng)的計(jì)劃方案。當(dāng)協(xié)同運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)內(nèi)由城軌換乘公交的客流占主導(dǎo)時(shí),協(xié)同運(yùn)營(yíng)計(jì)劃方案的生成流程如圖3所示。同理,當(dāng)協(xié)同運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)內(nèi)由公交換乘城軌的客流占主導(dǎo)時(shí),也可仿真得到對(duì)應(yīng)的城軌與公交協(xié)同運(yùn)營(yíng)計(jì)劃。

圖3 協(xié)同運(yùn)營(yíng)計(jì)劃方案編制流程

2.4 協(xié)同運(yùn)營(yíng)時(shí)的公交需求量計(jì)算

對(duì)于仿真模型求解完成后,需要對(duì)銜接系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)的主要指標(biāo)有:協(xié)同運(yùn)營(yíng)條件下的城軌系統(tǒng)運(yùn)能利用率、公交車底需求量、特定班次公交銜接的城軌列車等。

協(xié)同運(yùn)營(yíng)計(jì)劃下需求的33公交車輛數(shù)量可參照城軌折返來(lái)仿真計(jì)算。具體實(shí)現(xiàn)流程為:

步驟1:仿真初始化,公交車輛數(shù)初始化,值為0,系統(tǒng)空閑車輛初始化,值為0;

步驟2:按照發(fā)車時(shí)刻由先至后排序,(公交車折返發(fā)車按照先到先發(fā)規(guī)則執(zhí)行,即若某公交車于第m班次在居住區(qū)發(fā)車,則其也必定第m班次于公交站發(fā)車),以事件步長(zhǎng)作為推動(dòng)仿真時(shí)鐘推進(jìn)的要素,推動(dòng)仿真系統(tǒng)。此時(shí)的事件集合包括公交車空閑事件、公交發(fā)車事件。

步驟3:當(dāng)系統(tǒng)事件為第1發(fā)車時(shí)刻時(shí),系統(tǒng)空閑車輛為0,故公交車輛數(shù)增加1,系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)車輛數(shù)增加1。此時(shí),第1個(gè)居住區(qū)發(fā)車時(shí)刻將賦予第1輛公交車,同時(shí),第1個(gè)折返的發(fā)車時(shí)刻也將賦予第一輛公交車。由于由公交站臺(tái)折返的時(shí)間已知,途中運(yùn)行時(shí)間也已知,故可得該車底到達(dá)居住區(qū)的時(shí)間,該時(shí)間加上最小的折返限制時(shí)間,即為該車輛的空閑時(shí)間。

步驟4:仿真系統(tǒng)時(shí)分推進(jìn)至下一事件發(fā)生時(shí)分,當(dāng)發(fā)生事件為發(fā)車時(shí)刻時(shí),執(zhí)行步驟5,當(dāng)下一事件為公交車到達(dá)居住區(qū)空閑時(shí),執(zhí)行步驟6;如無(wú)下一事件,執(zhí)行步驟7。

步驟5:判斷系統(tǒng)內(nèi)空閑車輛數(shù),如果為0,增加一輛公交車執(zhí)行該發(fā)車任務(wù),計(jì)算該公交車的空閑時(shí)間,系統(tǒng)公交車輛數(shù)增加1;如果系統(tǒng)空閑車輛數(shù)不為0,此時(shí),空閑車輛數(shù)減少1,由該車輛執(zhí)行本次發(fā)車任務(wù),同時(shí)計(jì)算該公交車的空閑時(shí)分,返回步驟4。

步驟6:系統(tǒng)空閑車輛數(shù)增加1,返回步驟步驟4。

步驟7:仿真完成。

仿真的具體流程如圖4所示?；谏鲜龇抡孢^(guò)程即可求得系統(tǒng)公交車輛的需求情況及協(xié)同運(yùn)營(yíng)條件下的各銜接公交車發(fā)車任務(wù)。再結(jié)合發(fā)車時(shí)分的客流需求,即可求得特定時(shí)刻城軌與公交組成的銜接系統(tǒng)的運(yùn)能利用率。

3 案例分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證城軌與公交協(xié)同運(yùn)營(yíng)方案編制方法的有效性,現(xiàn)圍繞上海軌道交通3號(hào)線長(zhǎng)江南路站及與其相鄰的某大型居住區(qū)為例,進(jìn)行分析。

3.1 案例概況

上海軌道交通3號(hào)線長(zhǎng)江南路站位于上海寶山區(qū)淞南鎮(zhèn)逸仙路長(zhǎng)江南路,為高架側(cè)式車站,且為小交路(上海南站站—長(zhǎng)江南路站)的終點(diǎn)站。

協(xié)同運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)以工作日的上海軌道交通3號(hào)線正常運(yùn)行圖為輸入。協(xié)同運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的參數(shù)如表1、表2所示。

3.2 銜接運(yùn)營(yíng)計(jì)劃的生成

基于協(xié)同運(yùn)營(yíng)法分析,可仿真生成與城軌運(yùn)營(yíng)計(jì)劃相協(xié)調(diào)的車輛協(xié)同運(yùn)營(yíng)計(jì)劃，得到協(xié)同運(yùn)營(yíng)條件下的銜接公交全日運(yùn)行圖如圖5所示:

圖5中的每1條斜線即為開(kāi)行的1趟公交班車,故斜線密度可直觀地反映出某一時(shí)段的系統(tǒng)運(yùn)能供給情況。由圖5可見(jiàn),早晚高峰時(shí)段的公交運(yùn)能供給明顯高于平峰時(shí)段。

3.3 協(xié)同運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)運(yùn)能分析

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果,協(xié)同運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)共需7輛公交車輛共運(yùn)行130個(gè)公交運(yùn)行周期以完成銜接全日的城軌運(yùn)行。每個(gè)公交運(yùn)行周期包含1個(gè)完整的居住區(qū)→銜接公交站→居住區(qū)運(yùn)行。由于公交發(fā)車時(shí)刻固定,故乘客可按照發(fā)車時(shí)刻準(zhǔn)確安排出發(fā)時(shí)間。這不僅提高了城軌系統(tǒng)的客流疏散效率,也減少公交站的候車時(shí)間。經(jīng)統(tǒng)計(jì)可得,由居住區(qū)至城軌站的出行時(shí)間消耗由原來(lái)的30～40 min減少為10～15 min。而由城軌站至居住區(qū)方向,由于銜接公交發(fā)車時(shí)刻遵循最大銜接度原則,故乘客的候車時(shí)間也同樣大幅縮短。

仿真模型對(duì)時(shí)刻表的優(yōu)化也提高了整個(gè)協(xié)同運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的運(yùn)能利用率。上海軌道交通3號(hào)線長(zhǎng)江南路站某工作日16:00—17:00時(shí)段的城軌站實(shí)際到達(dá)客流量為176人次,該站點(diǎn)的銜接公交運(yùn)能為210人次,公交系統(tǒng)運(yùn)能利用率為84.8%;16:00—17:00時(shí)段城軌站實(shí)際到達(dá)客流量為382人次,該站點(diǎn)的銜接公交運(yùn)能為420人次,公交系統(tǒng)運(yùn)能利用率為91.4%。

可見(jiàn),協(xié)同運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的整體運(yùn)能利用率較高,其對(duì)城軌的客流集疏散能力也較強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

城軌與公交協(xié)同運(yùn)營(yíng)方案研究以協(xié)同出行鏈為前提,基于既有城軌與公交運(yùn)營(yíng)特征分析,以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)優(yōu)化制定了協(xié)同編制下的系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)方案。經(jīng)實(shí)際案例驗(yàn)證,城軌與公交協(xié)同運(yùn)營(yíng)方案的編制具備準(zhǔn)確性與實(shí)際可操作性。協(xié)同運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的整體運(yùn)能利用率較高,其對(duì)城軌的客流集疏散能力也較強(qiáng)。對(duì)實(shí)現(xiàn)城市公共交通“一體化”發(fā)展具有積極意義。

圖4 協(xié)同系統(tǒng)車輛狀態(tài)及利用率仿真流程圖

公交參數(shù)名稱設(shè)定值開(kāi)行時(shí)間/min8最小發(fā)車間隔/min2最大發(fā)車間隔/min12載客量/(人/車)30最早服務(wù)時(shí)間6:00:00

表2 協(xié)同運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的城軌參數(shù)

圖5 協(xié)同運(yùn)營(yíng)條件下的銜接公交全日運(yùn)行圖

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On Collaborative Operation between Urban Rail Transit and Public Road Traffic

DONG Hao, HUANG Qixiang, LI Yingchun, LUO Qin

Abstract Urban public transportation strategy, with urban rail transit as the backbone and public road traffic as the supplement, demonstrates the development trend of integrated urban transportation. Through analyzing the trip characteristics of urban rail transit system and community bus system, as well as their operation features, an optimized operational scheme between URT and bus system is proposed, which aims at shortening the trip time as much as possible by using the probability theory and computer simulation, accomplishing the collaborative operation and maintaining the backbone status of public transport. At the same time, this strategy will enhance the evacuation capacity of urban rail transit, implement a viable pattern to the integration development of urban public transport.

urban rail transit; public road traffic; trip chain; simulation; collaborative operation

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51408323);教育部人文社科項(xiàng)目(15YJCZH108);深圳市科技項(xiàng)目(JCYJ20140418091413528)

U492.4+1; U 491.1+7

10.16037/j.1007-869x.2016.09.008

2015-04-16)