關(guān)于城市軌道交通時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)展和運營組織能力的提升，城市軌道交通運營對離線時刻表編圖軟件的要求也不斷提高，越來越多的運營商期望離線時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，最大程度上實現(xiàn)時刻表智能編制功能[3]。然而現(xiàn)有市場存在的幾種離線時刻表編圖軟件，雖然在一定程度上能實現(xiàn)離線時刻表編圖的功能，但是操作比較繁瑣，效率不高，不能達(dá)到用戶對離線時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。本文將以簡化軟件操作流程和提高軟件性能為目的，以運輸能力與不同時段客流量相匹配為原則，從離線時刻表智能編制的設(shè)計方案和運算技巧上進(jìn)行優(yōu)化研究[5]。

1 問題描述

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營成本，需要合理安排列車的開行方案，通過對工作日、節(jié)假日不同時間內(nèi)乘客出行客流量的統(tǒng)計分析，得出響應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)，并通過增加或減少在運營高峰期、平峰期和低峰期的列車開行對數(shù)的方式，來降低運營成本，提高公司效益[3]。

現(xiàn)有時刻表編制軟件大體可分為兩類：

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

（2）另外一類軟件是分時段編制。根據(jù)運營高峰期、平峰期和低峰期的分別編制，先編制一個時段的時刻表，經(jīng)過人工調(diào)整滿足該時段的列車的發(fā)車間隔后再編制下一時段的時刻表，如此類推，最終完成高低峰時刻表的編制。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。

以上兩個時刻表編制軟件在編制存在不同發(fā)車間隔比較復(fù)雜時刻表，都需要大量的人工操作，效率不高，因此時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營要求的時刻表。

1.2 基本假設(shè)及設(shè)計思路

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

根據(jù)實際調(diào)研數(shù)據(jù)，做出不同時間段客流量的統(tǒng)計分析圖，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 這兩個時段。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 這個時段。

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)對不同時段客流量的調(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）開行列車采用相同編組的列車。

（3）不考慮現(xiàn)場作業(yè)影響，所有開行列車旅行速度相同。

1.2.2 設(shè)計思路

根據(jù)實際調(diào)研的客流量數(shù)據(jù)分布圖，實現(xiàn)時刻表智能編制功能，本文提出以下計思路：

（1）根據(jù)列車運行速度能力和停站時間要求，設(shè)置運行周期。

（2）根據(jù)不同時段客流量分布圖，將時刻表分成不同的時段。

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

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

（5）將所有時段的上、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）將計算得出的時刻表數(shù)據(jù)以折線形式鋪圖形成完整的運行圖。

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)的智能計算。

2.1 列車運行周期

列車運行周期是指列車從到達(dá)首站開門停站時間開始，到列車途經(jīng)各個站臺的運行時間、停站時間以及兩端折返時間的時間總和，是時刻表智能編制的一項重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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

假設(shè)列車在區(qū)間的運行時間為Ti，列車在站臺的停站時間為Tj，列車在折返1 段的折返時間為T1，列車在折返2 段的折返時間為T2，交路共有n 站，那么列車的運行周期T 的計算結(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)車時間與當(dāng)前列車發(fā)車時間的時間間隔。

列車發(fā)車數(shù)量是指在某時段內(nèi)在線運營列車的數(shù)量。

考慮到運營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)計方案可以減少資源的浪費。

列車發(fā)車間隔和發(fā)車數(shù)量在同一時段內(nèi)有相互依賴關(guān)系，當(dāng)把列車運行周期作為數(shù)據(jù)常量時，列車的發(fā)車間隔和發(fā)車數(shù)量可由設(shè)置任意一個數(shù)值計算出另外一個數(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，那么二者與列車運行周期T 的關(guān)系如下：

3 計算方法

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

假設(shè)工作日運營時間為6：00～23：00，客流高峰期主要在7：00～9：30 和16：30～19：30 這兩個時段，其他時段為客流平峰期。計算過程主要分以下幾步：

（1）將時刻表按客流量分成五個時段，如表1 所示。

表1 時刻表時段劃分表

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

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

當(dāng)n=1 時，T1=6：00；

當(dāng)n=2 時，T2=6：08；

…

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

（4）根據(jù)客流量轉(zhuǎn)峰數(shù)據(jù)的設(shè)計原則，調(diào)整過渡期的發(fā)車時間。原則1：轉(zhuǎn)峰時發(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)整后一時段內(nèi)前期列車的發(fā)車時間。

以6：00～7：00 時段向7：00～9：30 時段轉(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 時段內(nèi)滿足發(fā)車間隔要求的最后一班列車的發(fā)車時間是6：56，設(shè)7：00～9：30 的發(fā)車間隔為6 分鐘，那么7：00～9：30 時段內(nèi)的發(fā)車時間如下：

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)一個班次的時間進(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)兩個班次的時間進(jìn)行均勻調(diào)整，正好滿足原則1 要求，調(diào)整后7：00～9：30 時段內(nèi)的發(fā)車時間如下：

7：04，7：12，7：18，7：24 …

這里需要說明的是，如果利用后續(xù)兩個班次的時間進(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)三個班次的時間進(jìn)行均勻調(diào)整，依次類推。

（5）將所有時段內(nèi)的上下行班次發(fā)車時間都確定好以后，根據(jù)所選列車運行時間標(biāo)尺和停站時間標(biāo)尺依次計算出每趟列車在各個站點的到離站時間數(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，最終生成一個完成的時刻表。

4 結(jié)論

本文以城市軌道交通單一運營交路為研究對象，從實際調(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、雙休日以及不同時段客流量設(shè)置不同的開行列車數(shù)量和發(fā)車間隔，在滿足乘客出行需求的前提下，節(jié)約運營成本，提高企業(yè)效益。

（2）通過優(yōu)化時刻表編制算法，提高了時刻表編制軟件的智能化程度，用戶只需要輸入時段、開行列車數(shù)量或發(fā)車間隔等幾個重要參數(shù)后，能夠通過系統(tǒng)后臺的智能計算，生成一個比較合理的時刻表。該設(shè)計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，大大提高了時刻表的編制效率。經(jīng)測試編制同一張存在高低峰不同發(fā)車間隔的時刻表，采用時刻表智能編制功能，可以將工作時間縮短到1個小時左右。