基于車輛自動(dòng)定位數(shù)據(jù)的有軌電車運(yùn)行效率分析與應(yīng)用*

蔡國(guó)濤 馮遠(yuǎn)通 劉舒婕

(1. 深圳市現(xiàn)代有軌電車有限公司， 518109， 深圳；2. 上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 201804， 上海∥第一作者， 工程師)

運(yùn)行效率是評(píng)價(jià)有軌電車系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的重要指標(biāo)。文獻(xiàn)[1]在闡述有軌電車系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)上，分析其技術(shù)適用性，提出了相應(yīng)的技術(shù)適用條件，歸納總結(jié)出適用于不同城市的5種應(yīng)用模式及相應(yīng)的合理線路長(zhǎng)度，并以模糊綜合評(píng)價(jià)模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用層次分析法對(duì)有軌電車的區(qū)域適用性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[2]的研究也顯示出有軌電車系統(tǒng)的可靠性對(duì)有軌電車線路運(yùn)行有不可忽視的影響。

有軌電車的運(yùn)行特性在一定程度上與道路公交的運(yùn)行特性相似。因此，參考道路公交的研究具有重要意義。文獻(xiàn)[3]基于AVL(車輛自動(dòng)定位)數(shù)據(jù)，定量分析了道路公交的運(yùn)行可靠性及其相關(guān)關(guān)系。文獻(xiàn)[4]使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)公交到達(dá)時(shí)間的預(yù)測(cè)，并量化了不同因素的聯(lián)合影響。

本文結(jié)合AVL數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)有軌電車運(yùn)行效率影響因素進(jìn)行分析，并對(duì)有軌電車運(yùn)行效率指標(biāo)作細(xì)致的量化，然后結(jié)合已運(yùn)營(yíng)有軌電車線路的真實(shí)數(shù)據(jù)，將其線網(wǎng)模型的評(píng)估算法應(yīng)用到實(shí)際算例中。

1 有軌電車AVL數(shù)據(jù)及運(yùn)行效率影響因素

1.1 AVL系統(tǒng)與數(shù)據(jù)預(yù)處理

有軌電車AVL系統(tǒng)是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的車輛追蹤系統(tǒng)，不僅能實(shí)時(shí)提供有軌電車運(yùn)行的時(shí)空位置信息，也是報(bào)站系統(tǒng)、車輛動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、智能調(diào)度系統(tǒng)等運(yùn)行的重要基礎(chǔ)[5]。

本文針對(duì)有軌電車數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，提出面向AVL數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法，內(nèi)容包括對(duì)重復(fù)數(shù)據(jù)、缺失數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)的清洗，以及對(duì)多源數(shù)據(jù)信息的關(guān)聯(lián)與合并。AVL數(shù)據(jù)的預(yù)處理流程見(jiàn)圖1。

注：ID——起訖點(diǎn)。

1.2 有軌電車線路運(yùn)行效率的影響因素

有軌電車系統(tǒng)是人、車、線路及環(huán)境相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)。本文將運(yùn)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(fā)、通過(guò)和折返等作業(yè)的分界點(diǎn)，有軌電車需要在車站辦理停車作業(yè)；交叉口是有軌電車線路在道路信號(hào)控制影響下形成的特殊分界點(diǎn)，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(duì)車站、交叉口和路段這3個(gè)要素進(jìn)行分析，是構(gòu)建有軌電車線路運(yùn)行效率評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)[6]。

1) 車站。有軌電車車站按布設(shè)型式可分為側(cè)式、島式、島側(cè)混合式。其中：側(cè)式站臺(tái)設(shè)置在上下行線路的兩側(cè)；島式站臺(tái)設(shè)置在上下行線路之間；混合式站臺(tái)通常用于換乘站。根據(jù)站臺(tái)位于交叉口進(jìn)出口道的位置，有軌電車車站還可分為進(jìn)口道站臺(tái)和出口道站臺(tái)。應(yīng)結(jié)合每個(gè)車站的實(shí)際情況進(jìn)行有軌電車的線路設(shè)計(jì)，同時(shí)充分利用有軌電車的靈活性和多樣性，最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

2) 交叉口。與傳統(tǒng)的城市軌道交通線路不同，有軌電車一般運(yùn)行在城市的地面道路上，因而在通過(guò)道路平交交叉口時(shí)會(huì)受到道路交叉口信號(hào)控制系統(tǒng)的影響，需要根據(jù)交叉口信號(hào)指示決定車輛通行或停車等待。交通統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，有軌電車運(yùn)行延誤的80%來(lái)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(yùn)行速度較低，從而影響了有軌電車的服務(wù)質(zhì)量。

3) 路段。有軌電車根據(jù)進(jìn)路的排列依次經(jīng)過(guò)相應(yīng)的路段和分界點(diǎn)，路段長(zhǎng)度決定了有軌電車到達(dá)、離開(kāi)各分界點(diǎn)的時(shí)間。此外，路段長(zhǎng)度會(huì)在一定程度上影響有軌電車的加速度曲線。

2 路段運(yùn)行效率分析模型

本文通過(guò)構(gòu)建多元線性回歸模型，重點(diǎn)從基礎(chǔ)設(shè)施和控制策略2方面對(duì)有軌電車線路的運(yùn)行效率進(jìn)行分析，并研究線路條件、站臺(tái)屬性、控制策略等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)有軌電車運(yùn)行效率的影響。

2.1 變量定義

將2個(gè)車站之間的線路定義為一個(gè)路段。為定量分析各因素對(duì)有軌電車運(yùn)行效率的影響，對(duì)各因素的量化說(shuō)明如表1所示。

表1 有軌電車運(yùn)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(tǒng)的運(yùn)行效率受多種因素影響。為解釋各因素影響有軌電車運(yùn)行效率的機(jī)理，應(yīng)對(duì)單因素進(jìn)行逐一分析。

1) 站臺(tái)位置。為了評(píng)估不同站臺(tái)位置對(duì)有軌電車平均運(yùn)行速度的影響，選取某有軌電車線路某區(qū)段的上下行方向進(jìn)行對(duì)比。該區(qū)段的上、下行方向站臺(tái)位置分別位于交叉口的出口道、進(jìn)口道。對(duì)比有軌電車經(jīng)過(guò)該區(qū)段時(shí)的平均運(yùn)行速度，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，有軌電車駛?cè)氤隹诘勒九_(tái)時(shí)，平均運(yùn)行速度較高。

2) 路段長(zhǎng)度。為了評(píng)估不同長(zhǎng)度路段對(duì)有軌電車運(yùn)行效率的影響，選取某有軌電車線路上若干個(gè)路段，對(duì)比有軌電車在該路段的平均速度(見(jiàn)圖3)?？梢?jiàn)，隨著路段長(zhǎng)度的增加，有軌電車在路段上的平均運(yùn)行速度也隨之變大。但是，當(dāng)路段長(zhǎng)度在400～700 m區(qū)間時(shí)，有軌電車的平均運(yùn)行速度差異并不大。

圖2 不同站臺(tái)位置下的平均運(yùn)行速度對(duì)比

圖3 不同路段長(zhǎng)度下的平均運(yùn)行速度對(duì)比

3) 交叉口。為了研究道路交叉口交通控制策略對(duì)有軌電車停車延誤造成的影響，選取包含交叉口的某一區(qū)間，對(duì)不同運(yùn)營(yíng)趟次的有軌電車在該區(qū)間的速度曲線進(jìn)行對(duì)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(hào)控制而造成的停車延誤對(duì)運(yùn)行效率造成較大影響。

圖4 不同運(yùn)營(yíng)趟次在某交叉口路段的速度對(duì)比

2.3 建立多元線性回歸模型

由于評(píng)價(jià)有軌電車運(yùn)行效率的自變量有多個(gè)指標(biāo)，而因變量只有路段運(yùn)行時(shí)間均值1個(gè)指標(biāo)，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(yùn)行時(shí)間均值；

β0——常數(shù)項(xiàng)；

xk——自變量(具體含義見(jiàn)表1)；

βk——xk對(duì)應(yīng)的系數(shù)；

ε——隨機(jī)誤差項(xiàng)。

2.4 實(shí)例分析

2.4.1 實(shí)例描述

圖5為選取的有軌電車線網(wǎng)案例。其中，黑色部分為已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的T1線。

圖5 有軌電車算例線網(wǎng)圖

2.4.2 多元線性回歸模型的結(jié)果分析

為表明回歸方程的顯著性，利用統(tǒng)計(jì)軟件Matlab對(duì)求解得到的多元線性回歸模型進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)。經(jīng)計(jì)算，因變量yi預(yù)測(cè)值與路段實(shí)際運(yùn)行時(shí)間均值調(diào)整后的復(fù)測(cè)定系數(shù)為0.954,說(shuō)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(gè)，其回歸結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 有軌電車運(yùn)行效率多元線性回歸模型的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

本文對(duì)選定指標(biāo)與路段運(yùn)行時(shí)間均值進(jìn)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(nèi)的運(yùn)行時(shí)間。

結(jié)果表明，有軌電車的路段運(yùn)行時(shí)間隨著交叉口個(gè)數(shù)的增加而增加。同時(shí)，當(dāng)車站位于出口道時(shí)，路段行程時(shí)間將略有減少。此外，與經(jīng)停側(cè)式站臺(tái)的路段運(yùn)行效率相比，有軌電車經(jīng)停島式站臺(tái)的路段運(yùn)行效率較高。路段長(zhǎng)度對(duì)平均運(yùn)行速度也有直接的影響，這是由于有軌電車的啟動(dòng)和停車都會(huì)極大地影響其在單個(gè)路段中的運(yùn)行效率。而交通量、周期時(shí)長(zhǎng)及綠信比等交叉口相關(guān)影響因素能在一定程度上表征不同交叉口對(duì)于有軌電車相位的優(yōu)先策略。結(jié)合以上的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，能夠更好地?cái)M合有軌電車過(guò)交叉口時(shí)的運(yùn)行情況。

3 模型在新建線路運(yùn)行效果預(yù)測(cè)及優(yōu)化建議

3.1 在新建線路中的運(yùn)行效果預(yù)測(cè)

該模型還可用于預(yù)測(cè)新建T3線的運(yùn)行效率。如表3所示，該線全長(zhǎng)為7 607 m，基于T3線的基礎(chǔ)設(shè)施物理參數(shù)及信號(hào)配時(shí)參數(shù)，預(yù)測(cè)得到各路段的運(yùn)行時(shí)間和平均運(yùn)行速度。在此基礎(chǔ)上計(jì)算得到該線單程的運(yùn)行時(shí)間(1 309.94 s)和平均運(yùn)行速度(20.91 km/h)。表3中的交叉口型式、站臺(tái)位置、站臺(tái)型式的取值含義見(jiàn)表1。

表3 有軌電車T3線的運(yùn)行情況預(yù)測(cè)

通過(guò)模型擬合得出以下結(jié)論：① 在有軌電車絕對(duì)優(yōu)先的情況下，預(yù)測(cè)T3線全線平均運(yùn)行速度可以達(dá)到24.40 km/h；② 通過(guò)現(xiàn)有數(shù)據(jù)擬合，考慮有軌電車在交叉口受信號(hào)控制影響情況，預(yù)測(cè)T3線全線平均運(yùn)行速度可以達(dá)到20.91 km/h。

3.2 優(yōu)化建議

1) 可從建設(shè)根源上改善有軌電車運(yùn)行效率，如合理地規(guī)劃站間距離、設(shè)計(jì)站臺(tái)型式及位置等。

2) 可通過(guò)優(yōu)化信號(hào)控制策略來(lái)改善有軌電車運(yùn)行效率。

3) 可以通過(guò)鼓勵(lì)出行者錯(cuò)峰出行來(lái)緩解高峰時(shí)段有軌電車在交叉口運(yùn)行的壓力。同時(shí)，針對(duì)機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車混行通過(guò)交叉口問(wèn)題，可在交叉口渠化上做進(jìn)一步的優(yōu)化。

4) 應(yīng)結(jié)合實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，優(yōu)化仿真算法，制定調(diào)整改善措施，進(jìn)一步提高運(yùn)行效率和服務(wù)質(zhì)量。