Review of Urban Rail Transit Capacity Research

Review of Urban Rail Transit Capacity Research Yanfang Zhou, Leishan Zhou, Yixiang Yue Traffic and Transportation School of Beijing Jiaotong University, Beijing, China Email: yanfangzhou421@163.com, lszhou@263.com Abstract: Capacity research of the urban rail transit is the basis of train operation organization and capacity planning and utilization. This paper summarized capacity research achievement of urban rail transit,by classifying and comparing the calculation method of transit line capacity and station collection and distribution capacity, analyzing measures used to promotion line capacity, we pointed out problem remained in urban rail transit capacity research. As the end of this paper, the promising study area of transit line capacity has been summarized. Keywords: line capacity; capacity computing; rail transit; train operation organization 城 市 轨 道 交 通 能 力 计 算 研 究 综 述 周 艳 芳, 周 磊 山, 乐 逸 祥 北 京 交 通 大 学 交 通 运 输 学 院, 北 京, 中 国,100044 Email: yanfangzhou421@163.com, lszhou@263.com 摘 要 城 市 轨 道 交 通 能 力 研 究 是 轨 道 交 通 列 车 运 行 组 织 与 能 力 规 划 利 用 的 基 础 本 文 主 要 对 城 市 轨 道 交 通 的 车 站 能 力 计 算 及 线 路 通 过 能 力 计 算 研 究 现 状 进 行 了 总 结 分 类 与 比 较, 并 对 提 高 通 过 能 力 的 各 项 措 施 进 行 了 分 析, 指 明 了 轨 道 交 通 线 路 通 过 能 力 研 究 仍 然 存 在 的 问 题, 提 出 了 轨 道 交 通 能 力 进 一 步 的 研 究 方 向 关 键 词 线 路 通 过 能 力 ; 能 力 计 算 ; 轨 道 交 通 ; 列 车 运 行 组 织 1 引 言 随 着 我 国 城 市 轨 道 交 通 网 络 化 进 程 的 加 速, 路 网 规 模 的 扩 大 和 结 构 的 升 级 对 网 络 化 环 境 下 的 资 源 共 享 集 中 指 挥 智 能 化 管 理 等 提 出 了 更 高 的 要 求 要 实 现 全 网 范 围 的 资 源 共 享, 综 合 利 用, 必 须 准 确 计 算 路 网 输 送 能 力 评 估 既 有 线 网 运 输 能 力 极 限, 为 能 力 利 用 和 配 置 提 供 明 确 的 边 界 和 约 束 条 件, 为 解 决 路 网 能 力 瓶 颈 的 识 别 与 消 解 问 题, 从 而 实 现 路 网 整 体 优 势 出 发 的 点 线 网 的 动 态 能 力 配 置, 解 决 由 于 运 能 紧 张 及 利 用 不 合 理 致 使 的 运 输 效 率 不 高 的 问 题 城 市 轨 道 交 通 的 能 力 研 究 可 以 从 三 个 层 次 两 个 方 面 进 行 三 个 层 次 分 别 是 指 轨 道 交 通 车 站 的 集 散 能 力 线 路 的 输 送 能 力 及 路 网 的 承 载 能 力, 即 点 线 面 三 个 层 次 两 个 方 面 是 指 静 态 能 力 和 动 态 能 力 静 态 能 力 即 理 论 最 大 能 力, 在 不 考 虑 随 机 因 素 和 系 统 的 动 态 变 化 时 各 个 层 次 的 最 大 能 力, 而 动 态 能 力 是 指 在 一 定 基 金 支 持 : 北 京 市 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (9082012) 的 随 机 扰 动 一 定 的 运 力 资 源 配 置 现 状 下, 与 路 网 内 客 流 变 化 趋 势 相 一 致 的 使 用 能 力 点 线 能 力 的 研 究 是 路 网 系 统 能 力 研 究 的 基 础, 但 路 网 系 统 运 输 能 力 不 仅 仅 是 组 成 路 网 各 点 线 子 系 统 运 输 能 力 的 简 单 加 总, 孤 立 地 研 究 点 或 线 系 统 的 运 输 能 力 具 有 很 大 片 面 性, 所 以 从 系 统 的 观 点 讲 轨 道 交 通 运 输 能 力 应 该 是 轨 道 交 通 路 网 系 统 的 运 输 能 力, 而 不 是 其 各 子 系 统 的 运 输 能 力 当 前 的 城 市 轨 道 交 通 能 力 研 究 主 要 侧 重 于 点 线 能 力, 对 路 网 能 力 的 研 究 甚 少 2 城 市 轨 道 交 通 车 站 能 力 研 究 现 状 城 市 轨 道 交 通 点 能 力 的 研 究 包 括 车 站 集 散 能 力 及 换 乘 站 的 换 乘 能 力 城 市 轨 道 交 通 车 站 集 散 能 力 是 指 行 车 组 织 方 法 既 有 设 施 设 备 数 量 和 职 工 配 备 已 定 情 况 下, 所 研 究 车 站 在 单 位 时 间 内 所 能 吐 纳 的 最 大 客 流 量 而 换 乘 能 力 是 指 一 定 时 间 内 车 站 换 乘 通 道 所 能 通 过 的 最 大 客 流 量 (1) 车 站 集 散 能 力 349

影 响 车 站 集 散 能 力 的 主 要 因 素 包 括 站 台 通 道 楼 梯 自 动 扶 梯 和 自 动 售 检 票 设 备 目 前 对 车 站 集 散 能 力 的 研 究 比 较 少, 计 算 方 法 主 要 采 用 解 析 计 算 法 和 仿 真 计 算 法 解 析 计 算 法 是 在 车 站 结 构 分 析 基 础 上, 组 成 乘 客 集 散 流 线 的 所 有 设 施 设 备 能 力 单 独 计 算, 并 以 木 桶 原 理, 取 所 有 设 施 设 备 能 力 中 最 小 值 为 车 站 集 散 能 力 文 献 22 23 都 属 于 解 析 计 算 法 解 析 法 是 一 种 静 态 的 理 想 状 态 车 站 集 散 能 力 计 算 方 法, 没 有 考 虑 乘 客 行 为 对 设 施 设 备 通 过 能 力 的 影 响 随 着 计 算 机 仿 真 技 术 的 发 展, 乘 客 群 体 行 为 与 车 站 通 道 设 施 设 备 互 动 的 建 模 使 得 应 用 仿 真 技 术 计 算 车 站 集 散 能 力 变 成 可 能 对 行 人 交 通 流 的 研 究 建 模 手 段 大 致 上 分 三 种 : 宏 观 建 模 仿 真, 即 把 行 人 视 为 连 续 流 动 介 质, 因 为 现 代 行 人 运 动 研 究 是 从 交 通 流 的 研 究 中 分 化 出 来, 因 而 也 就 自 然 的 继 承 了 流 体 研 究 中 已 经 完 善 和 成 熟 的 方 法 ; 微 观 建 模 仿 真, 从 每 个 行 人 的 行 为 入 手, 建 立 符 合 行 人 行 为 的 模 型, 这 类 方 法 是 目 前 最 成 熟 也 是 最 热 门 的 方 法, 其 中 最 为 著 名 的 是 Helbing [23] 的 社 会 力 模 型 和 VictorBlue 的 元 胞 自 动 机 模 型 [24] ; 再 一 种 是 介 观 建 模 仿 真, 它 介 于 微 观 和 宏 观 之 间, 最 著 名 的 是 格 子 气 模 型, 日 本 学 者 Masakuni Muramatsu 和 TakashiNagatani [25-27] 在 此 领 域 研 究 较 多 仿 真 计 算 结 果 的 准 确 性 依 赖 于 模 型 的 参 数 仿 真 的 粗 细 粒 度 以 及 不 同 的 仿 真 要 求 (2) 车 站 换 乘 能 力 城 市 轨 道 交 通 换 乘 系 统 是 一 个 以 管 理 为 中 枢 人 为 核 心 换 乘 设 施 为 基 础 车 为 条 件 组 成 的 总 体 性 的 以 实 现 乘 客 在 不 同 的 轨 道 交 通 线 路 之 间 转 换 为 目 的 综 合 系 统 换 乘 能 力 是 指 一 定 时 间 内 车 站 所 有 换 乘 通 道 通 过 的 最 大 客 流 量 换 乘 能 力 包 括 两 方 面 的 内 容, 一 方 面 是 换 乘 需 求 能 力, 另 一 方 面 是 供 给 能 力 换 乘 需 求 能 力 由 一 定 时 间 内 该 站 到 达 的 所 有 列 车 的 换 乘 客 流 量 大 小 决 定, 而 供 给 能 力 受 换 乘 通 道 和 车 站 换 乘 客 流 组 织 措 施 的 影 响 当 前 对 换 乘 能 力 计 算 的 研 究 较 少, 文 献 22 采 用 解 析 方 法 对 车 站 的 换 乘 能 力 进 行 了 计 算 进 一 步 的 研 究 应 在 考 虑 车 流 组 织 与 客 流 组 织 协 调 的 基 础 上, 以 车 站 通 道 乘 客 群 体 行 为 分 析 为 依 据, 对 车 站 的 换 乘 能 力 进 行 仿 真 计 算, 以 更 好 的 发 现 影 响 车 站 换 乘 能 力 的 薄 弱 环 节, 提 高 车 站 的 换 乘 效 率 3 城 市 轨 道 交 通 线 路 通 过 能 力 研 究 现 状 轨 道 交 通 线 路 通 过 能 力 是 指 一 定 车 辆 类 型 信 号 设 备 及 行 车 组 织 条 件 下, 单 位 时 间 内 线 路 通 过 的 最 大 列 车 数 确 定 线 路 通 过 能 力 是 计 算 轨 道 交 通 线 路 运 输 能 力 的 基 础, 既 能 为 运 营 部 门 提 供 既 有 线 线 路 通 过 能 力 相 关 信 息, 也 是 未 来 轨 道 线 路 路 网 投 资 建 设 的 参 考 依 据 合 理 的 通 过 能 力 计 算 方 法 有 助 于 运 营 部 门 确 定 合 理 的 列 车 运 输 组 织 方 案, 制 定 正 确 的 路 网 规 划 与 改 造 策 略 出 行 是 联 结 城 市 居 民 生 活 的 重 要 纽 带, 也 是 日 常 生 活 重 要 的 一 部 分 随 着 城 市 的 扩 张 及 经 济 的 发 展 而 来 的, 则 是 大 量 的 出 行 造 成 的 交 通 拥 堵, 快 速 经 济 且 大 容 量 的 轨 道 交 通 毫 无 疑 问 成 为 了 大 城 市 交 通 问 题 的 出 路 而 线 路 通 过 能 力 的 有 限 性 成 为 了 制 约 其 解 决 城 市 出 行 问 题 的 瓶 颈 线 路 通 过 能 力 不 能 储 存, 无 法 调 拨, 如 何 规 划 及 利 用 有 限 的 通 过 能 力 使 得 城 市 轨 道 系 统 运 营 成 本 最 低 社 会 边 际 收 益 最 大 的 是 研 究 轨 道 交 通 通 过 能 力 的 最 终 目 标 通 过 能 力 是 列 车 数 量 运 行 图 稳 定 性 列 车 最 高 平 均 速 度 以 及 列 车 运 行 的 异 质 性 之 间 的 平 衡 [1,2] 影 响 线 路 通 过 能 力 的 因 素 众 多 [3], 包 括 : 一 线 路 基 础 设 施 因 素 如 信 联 闭 系 统, 轨 道 几 何 特 性 单 线 或 双 线 速 度 限 制 等 ; 二 交 通 特 性 如 既 有 线 或 新 线, 列 车 同 质 性, 运 行 图 种 类, 交 通 高 峰 因 素 以 及 运 行 优 先 规 则 等 ; 三 运 行 特 性 如 轨 道 的 连 续 性, 列 车 停 站 时 间, 最 大 旅 行 时 间, 天 窗, 服 务 质 量, 运 行 图 的 可 靠 性 等 因 此, 轨 道 交 通 线 路 通 过 能 力 的 计 算 是 在 力 求 对 所 有 影 响 因 素 全 面 分 析 的 基 础 上, 采 用 瓶 颈 分 析 技 术 将 列 车 实 际 运 行 或 仿 真 运 行 得 到 的 相 关 数 据 引 入 到 以 排 队 论 为 基 础 的 解 析 模 型 随 着 各 种 智 能 计 算 方 法 方 法 的 引 入, 计 算 机 仿 真 逐 渐 的 将 经 典 的 计 算 线 路 通 过 能 力 分 析 法 和 图 解 法 进 行 了 融 合, 以 分 析 法 为 基 础 得 到 初 始 时 刻 表, 再 以 智 能 优 化 算 法 得 到 理 想 的 时 刻 表, 最 后 通 过 仿 真 确 定 实 际 的 时 刻 表, 这 也 是 未 来 轨 道 交 通 线 路 通 过 能 力 计 算 的 发 展 趋 势 轨 道 交 通 通 过 能 力 的 研 究 内 容 众 多 主 要 有 线 路 通 过 能 力 的 计 算, 车 站 折 返 能 力 计 算, 通 过 能 力 规 划 及 利 用, 通 过 能 力 仿 真 研 究 以 及 提 高 通 过 能 力 的 措 施 研 究 等 等 在 各 项 研 究 中, 通 过 能 力 的 计 算 是 其 它 各 项 研 究 的 基 础, 也 是 通 过 能 力 研 究 的 重 点 所 在, 总 结 线 路 通 过 能 力 研 究 的 各 项 成 果 有 助 于 整 体 把 握 线 路 通 过 能 力 的 研 究 趋 势 轨 道 交 通 线 路 通 过 能 力 计 算 的 目 的 是 为 了 确 定 线 路 设 施 是 否 能 使 潜 在 的 线 路 运 输 能 力 满 足 预 定 的 运 输 需 求 计 算 方 法 的 偏 差, 可 能 引 起 通 过 能 力 计 算 结 果 的 偏 大 或 偏 小, 从 而 影 响 运 营 部 门 对 由 线 路 通 过 能 力 决 定 的 轨 道 交 通 输 送 能 力 是 否 适 应 近 远 期 客 运 需 求 的 判 断, 并 影 响 轨 道 交 通 路 网 建 设 的 规 模 标 准 及 时 机 的 确 定, 避 免 投 资 浪 费 因 此, 要 求 轨 道 交 通 线 路 通 过 能 力 计 算 方 法 能 科 学 地 反 映 客 观 实 际, 计 算 结 果 应 具 有 相 当 的 准 确 度, 并 在 此 基 础 上, 力 求 直 观 简 便 和 实 用 轨 道 交 通 线 路 通 过 能 力 计 算 的 研 究 成 果 众 多 文 献 4 指 出 了 线 路 通 过 能 力 的 控 制 点 为 车 站, 详 细 分 析 车 站 各 项 作 业 过 程, 计 算 了 线 路 通 过 能 力 及 折 返 能 力, 350

探 讨 了 提 高 线 路 能 力 的 措 施 文 献 5 给 出 了 计 算 线 路 通 过 能 力 及 折 返 能 力 的 最 小 时 间 间 隔 法, 并 对 公 式 中 的 参 数 确 定 及 公 式 应 用 进 行 了 分 析 ; 文 献 6 引 入 了 缓 冲 时 间 的 概 念, 对 地 铁 区 间 通 过 能 力 的 质 量 因 素 计 算 方 法 进 行 了 探 讨 ; 移 动 闭 塞 的 应 用 使 得 轨 道 交 通 线 路 通 过 能 力 得 到 了 大 幅 提 升, 文 献 7-10 以 移 动 闭 塞 下 地 铁 追 踪 间 隔 分 析 为 基 础, 计 算 了 移 动 闭 塞 下 地 铁 线 路 的 通 过 能 力 由 于 轨 道 交 通 列 车 的 循 环 运 行 特 性, 折 返 作 业 时 间 是 制 约 线 路 通 过 能 力 的 重 要 文 献 11 12 研 究 了 轨 道 交 通 线 路 折 返 能 力 的 计 算 及 加 强, 文 献 13 则 对 采 用 不 同 交 路 模 式 下 折 返 能 力 的 计 算 进 行 了 研 究, 重 点 对 采 用 特 殊 交 路 时 的 中 间 站 折 返 能 力 与 线 路 通 过 能 力 损 失 问 题 进 行 了 定 量 分 析, 提 出 了 在 采 用 特 殊 交 路 时 可 供 采 取 的 扩 能 措 施 文 献 14 以 上 海 轨 道 交 通 实 际 运 营 案 例 为 背 景 研 究 了 共 线 运 营 时 线 路 通 过 能 力 的 计 算 方 法, 文 献 15 分 析 了 多 种 交 路 对 城 轨 交 通 线 路 通 过 能 力 和 车 底 运 用 的 影 响, 建 立 了 多 种 交 路 条 件 下 城 轨 交 通 通 过 能 力 和 车 底 数 量 的 数 学 模 型 文 献 16 以 概 率 论 和 排 队 论 为 基 础, 给 出 了 城 市 轨 道 交 通 高 峰 期 线 路 通 过 能 力 的 动 态 不 确 定 型 计 算 方 法 轨 道 交 通 多 采 用 平 行 运 行 图, 平 行 运 行 图 能 力 的 计 算 是 以 运 行 图 周 期 为 基 础 的 首 先 必 须 确 定 一 昼 夜 可 用 于 列 车 运 行 的 时 间 内, 一 个 区 间 可 以 铺 画 多 少 个 运 行 图 周 期, 然 后 再 乘 以 该 类 型 运 行 图 周 期 内 所 包 含 的 列 车 对 数 或 列 数, 再 乘 以 该 区 间 通 过 能 力 的 有 效 度 系 数 传 统 的 轨 道 交 通 线 路 通 过 能 力 计 算 方 法 主 要 有 以 下 几 种 : (1) 解 析 法 解 析 法 包 括 利 用 率 法 和 平 均 最 小 列 车 间 隔 时 间 法 城 市 轨 道 列 车 编 组 模 式 单 一, 运 行 图 同 质 性 高, 因 此, 计 算 线 路 通 过 能 力 时 多 采 用 平 均 最 小 列 车 间 隔 时 间 法 列 车 间 隔 时 间 是 指 从 运 行 列 车 组 前 行 列 车 占 用 区 间 时 间 始 点 至 邻 接 后 行 列 车 占 用 区 间 时 间 始 点 止 的 时 间 且 运 行 过 程 相 互 不 受 干 扰 的 最 小 时 间 间 隔 最 小 列 车 间 隔 时 间 是 保 证 车 站 能 完 成 必 要 的 接 发 列 车 作 业 和 确 保 列 车 在 区 间 内 安 全 运 行 的 时 间 在 具 体 铺 画 列 车 运 行 图 时, 由 于 受 列 车 种 类 不 同 列 车 在 运 行 图 上 相 互 位 置 的 安 排 和 区 间 通 过 能 力 利 用 率 等 因 素 的 影 响, 列 车 运 行 途 中 实 际 安 排 的 列 车 发 车 间 隔 时 间 或 到 发 间 隔 时 间 往 往 大 于 最 小 列 车 间 隔 时 间 定 义 列 车 运 行 图 规 定 的 列 车 间 隔 时 间 与 最 小 列 车 间 隔 时 间 之 差 为 列 车 运 行 图 缓 冲 时 间 在 不 考 虑 列 车 折 返 时, 最 小 列 车 间 隔 时 间 =max{ 区 间 追 踪 间 隔, 车 站 追 踪 间 隔 }, 当 列 车 采 用 立 折 的 模 式 运 行 时, 最 小 列 车 间 隔 时 间 =max{ 区 间 追 踪 间 隔, 车 站 追 踪 间 隔, 折 返 时 间 } 平 均 最 小 列 车 间 隔 时 间 计 算 法 属 于 动 态 的 不 确 定 型 的 计 算 方 法, 以 排 队 论 为 理 论 基 础 它 是 在 分 析 研 究 各 区 段 当 前 实 际 列 车 运 行 状 态 的 基 础 上, 依 据 它 的 列 车 进 入 晚 点 概 率 晚 点 列 车 平 均 进 入 晚 点 时 间 和 列 车 种 类 比 平 均 最 小 列 车 间 隔 时 间 的 取 值, 按 照 给 定 的 反 映 列 车 运 行 工 作 质 量 水 平 要 求 的 列 车 后 效 晚 点 时 间 允 许 总 值 等 条 件, 计 算 线 路 通 过 能 力 的 方 法 通 过 能 力 的 计 算 结 果 与 给 定 的 列 车 运 行 工 作 质 量 要 求 水 平 密 切 相 关, 它 随 列 车 运 行 工 作 质 量 要 求 水 平 的 变 化 而 变 化, 是 一 项 可 按 高 层 决 策 者 意 愿 而 改 变 的 不 确 定 值 在 这 一 计 算 方 法 中, 引 入 了 列 车 运 行 图 缓 冲 时 间 的 概 念 很 显 然, 带 有 必 要 缓 冲 时 间 的 运 行 图 是 具 有 一 定 调 整 余 地 有 一 定 应 变 能 力 的 柔 性 运 行 图, 是 可 以 在 实 际 工 作 中 实 施 的 运 行 图 (2) 图 解 法 在 运 行 图 上 所 能 最 大 限 度 铺 画 的 列 车 总 数 即 为 该 区 段 的 非 平 行 运 行 图 的 通 过 能 力 应 用 图 解 法 计 算 线 路 通 过 能 力 主 要 有 两 种 方 式 : 一 种 是 饱 和 法, 另 一 种 是 压 缩 法, 即 wakob s razor [17] [3] 饱 和 法 以 数 学 规 划 方 法 为 基 础, 通 过 线 性 规 划 混 合 整 数 规 划, 并 引 入 各 种 智 能 算 法 进 行 求 解, 在 给 定 初 始 条 件 的 运 行 图 上, 通 过 调 度 最 大 的 列 车 数 即 铺 画 最 多 运 行 线 得 到 线 路 通 过 能 力 韦 克 伯 剃 刀 法 以 排 队 论 为 理 论 基 础, 对 各 部 分 线 路 基 础 设 施 进 行 分 离, 在 铺 画 运 行 线 时 列 车 按 最 小 列 车 追 踪 时 间 为 间 隔 以 一 定 的 排 队 规 则 到 达 拟 定 的 基 础 设 施 ( 初 始 化 时 假 定 进 入 该 基 础 设 施 的 列 车 存 量 无 限 ), 因 此, 由 韦 克 伯 法 得 到 的 是 每 部 分 独 立 的 基 础 设 施 的 最 大 通 过 能 力, 因 此, 韦 克 伯 法 也 属 于 瓶 颈 分 析 法 的 一 种 饱 和 法 韦 克 伯 剃 刀 法 的 主 要 缺 点 是 很 难 确 定 初 始 化 后 列 车 的 到 达 间 隔 和 追 踪 间 隔 变 更 数 据 [18], 并 且 韦 克 伯 法 不 处 理 现 实 中 的 随 机 波 动 导 致 的 各 种 问 题, 使 用 的 总 等 待 时 间 为 抽 象 总 体, 现 实 意 义 不 强 [17] 饱 和 法 是 在 已 有 的 时 刻 表 上 尽 量 的 添 加 运 行 线, 因 此, 选 择 合 适 的 列 车 成 为 了 影 响 通 过 能 力 大 小 的 关 键 因 素 UIC406 法 是 当 前 比 较 推 崇 的 能 力 计 算 及 评 价 方 法, 运 用 韦 克 伯 剃 刀 规 则, 给 出 的 是 运 行 图 的 期 望 能 力 UIC 法 基 于 运 行 计 划 而 非 确 定 性 的 运 行 图, 因 此 能 通 过 修 改 系 统 各 项 参 数 对 计 算 结 果 进 行 审 查, 对 线 路 能 力 利 用 进 行 评 价 图 解 法 比 较 精 确, 但 因 其 作 业 量 大, 费 时 费 力, 而 且 只 反 映 结 果 不 反 映 过 程, 难 以 分 析 影 响 因 素, 一 般 只 用 于 通 过 利 用 程 度 接 近 饱 和 时 或 个 别 特 殊 情 况 的 图 解 验 算 (3) 计 算 机 仿 真 计 算 机 模 拟 法 是 由 计 算 机 模 拟 人 工 铺 图, 严 格 按 照 铺 图 标 尺, 通 过 紧 密 铺 画 列 车 运 行 线, 进 而 确 定 高 速 铁 路 区 段 或 全 线 通 过 能 力 的 方 法 计 算 机 模 拟 确 定 351

区 段 或 全 线 通 过 能 力 都 是 在 某 种 特 定 条 件 下 进 行 的, 都 是 根 据 某 种 原 则, 在 固 定 某 些 种 类 列 车 数 量 的 前 提 下, 通 过 计 算 机 模 拟 人 工 铺 画 满 表 运 行 图, 确 定 其 它 种 类 列 车 的 数 量 由 于 满 足 铺 图 标 尺 约 束 条 件 下 的 可 行 方 案 数 量 巨 大, 因 此 方 案 的 必 选 和 优 化 算 法 相 当 复 杂 计 算 机 仿 真 法 将 理 论 计 算 与 仿 真 技 术 结 合, 如 下 图 所 示, 计 算 机 仿 真 法 分 析 轨 道 交 通 线 路 通 过 能 力 包 括 3 个 基 本 要 素 : 轨 道 交 通 系 统 模 型 及 计 算 机, 而 连 接 3 个 基 本 要 素 的 则 是 3 个 基 本 活 动 : 建 立 数 学 模 型, 建 立 仿 真 模 型 及 进 行 仿 真 试 验 际 运 行 统 计 数 据 的 分 析 比 较, 计 算 机 仿 真 方 法 能 更 快 速 有 效 的 计 算 及 分 析 线 路 通 过 能 力 因 此, 计 算 机 仿 真 方 法 必 然 成 为 研 究 热 点 总 的 来 说, 基 于 排 队 论 或 其 他 的 随 机 分 析 模 型 的 解 析 法 建 立 的 数 学 模 型 不 能 精 确 估 计 线 路 冲 突 驾 驶 员 调 度 员 反 应 时 间 不 一 等 情 况 下 由 于 加 速 或 减 速 致 使 的 列 车 晚 点, 而 仿 真 模 型 则 不 能 反 映 影 响 列 车 晚 点 传 播 的 各 项 因 素 之 间 的 关 系 解 析 法 是 图 解 法 和 仿 真 法 的 基 础 及 开 端, 由 解 析 法 得 到 的 线 路 能 力 一 般 可 以 成 为 理 论 通 过 能 力, 图 解 法 得 到 的 则 是 理 想 的 线 路 通 过 能 力, 而 经 由 仿 真 试 验 可 以 得 到 线 路 有 效 通 过 能 力 解 析 法 适 用 范 围 广, 而 图 解 法 及 仿 真 法 则 必 须 与 其 应 用 环 境 相 适 应 因 此, 当 前 的 研 究 趋 势 是 将 解 析 法 图 解 法 及 仿 真 法 进 行 整 合 4 提 高 轨 道 交 通 线 路 通 过 能 力 的 措 施 分 析 Figure 1basic elements and activity of transit line capacity simulation 图 1 计 算 机 仿 真 轨 道 交 通 系 统 线 路 通 过 能 力 的 基 本 要 素 及 基 本 活 动 由 图 可 知, 计 算 机 仿 真 法 分 析 轨 道 交 通 线 路 通 过 能 力 的 基 础 是 基 于 系 统 分 析 的 数 学 建 模, 仿 真 模 型 是 将 模 型 与 计 算 机 连 接 的 桥 梁, 仿 真 试 验 作 为 仿 真 的 最 终 展 示, 体 现 了 仿 真 的 目 的 及 意 义 近 年 来 随 着 信 息 并 行 处 理 技 术 可 视 化 技 术 分 布 处 理 技 术 多 媒 体 技 术 以 及 虚 拟 现 实 技 术 的 发 展, 使 得 建 立 仁 - 机 - 环 境 一 体 化 的 分 布 的 多 维 信 息 交 互 的 仿 真 模 型 和 仿 真 环 境 成 为 可 能, 形 成 了 一 些 新 的 仿 真 方 法 : 面 向 对 象 的 仿 真 方 法 分 布 式 交 互 仿 真 方 法 人 机 和 谐 仿 真 方 法 [21] 智 能 算 法 与 仿 真 技 术 的 融 合 使 得 应 用 仿 真 求 解 线 路 通 过 能 力 成 为 了 当 前 的 研 究 热 点 文 献 3 总 结 了 仿 真 模 型 的 主 要 研 究 成 果, 如 将 动 态 规 划 与 分 值 定 界 法 在 仿 真 环 境 中 进 行 整 合, 仿 真 与 启 发 式 算 法 结 合 评 价 影 响 线 路 能 力 的 众 多 因 素 的 相 互 关 系 以 及 SCAN 模 型 等 图 论 以 及 离 散 事 件 动 态 系 统 理 论 在 列 车 运 行 过 程 分 析 理 论 中 的 应 用 也 使 得 基 于 事 件 等 的 仿 真 技 术 得 以 发 展 起 来 仿 真 技 术 的 发 展 与 优 化 模 型 及 算 法 的 融 合 使 得 大 量 的 仿 真 软 件 得 以 开 发, 其 中,DEMIURGE RailSys,OpenTrack,CMS,Railcap,CAPRES 等 都 是 极 具 代 表 性 线 路 通 过 能 力 计 算 及 评 价 的 仿 真 软 件 仿 真 计 算 的 正 确 性 不 仅 依 赖 于 所 采 用 的 模 型 参 数, 计 算 方 法 及 精 度, 也 同 仿 真 环 境 息 息 相 关 线 路 拓 扑 结 构 列 车 性 能 信 号 系 统 及 运 行 约 束 等 基 础 数 据 的 精 确 录 入 需 要 耗 费 大 量 的 人 力 但 由 于 仿 真 系 统 的 特 性, 在 基 础 工 作 完 成 后, 通 过 修 改 仿 真 模 型 的 各 项 参 数 以 及 仿 真 条 件 可 快 速 得 到 仿 真 结 果, 通 过 与 实 提 高 轨 道 交 通 线 路 通 过 能 力 的 研 究 是 以 线 路 通 过 能 力 计 算 为 基 础 的, 在 轨 道 交 通 线 路 通 过 能 力 的 计 算 中, 分 析 影 响 线 路 通 过 能 力 的 各 项 因 素 的 相 互 关 系, 可 以 得 到 制 约 通 过 能 力 的 关 键 点, 为 设 施 设 备 的 更 新 改 扩 建 等 提 供 决 策 方 案 提 高 轨 道 交 通 通 过 能 力 可 以 从 以 下 3 个 途 径 得 到 : 一 设 施 设 备 更 新 包 括 线 路 等 基 础 设 施 的 改 扩 建, 动 车 的 更 新 信 联 闭 设 施 的 更 新 二 优 化 列 车 运 行 组 织 主 要 措 施 有 增 加 行 车 密 度, 缩 短 列 车 追 踪 间 隔, 提 高 列 车 运 行 速 度, 加 强 车 站 客 流 组 织 工 作, 减 少 列 车 运 行 折 返 时 间 等 三 设 施 设 备 更 新 与 列 车 运 行 组 织 优 化 相 结 合 线 路 基 础 设 施 设 备 的 更 新 对 通 过 能 力 的 影 响 可 以 通 过 积 聚 模 型 进 行 比 较 分 析 文 献 19 提 出 了 应 用 积 聚 模 型 对 线 路 基 础 设 施 的 更 新 后 理 论 通 过 通 过 能 力 进 行 计 算, 通 过 对 不 同 的 方 案 下 线 路 通 过 能 力 的 比 较 与 核 对, 可 以 方 便 的 选 取 投 资 小 而 受 益 最 大 的 方 案 作 为 决 策 方 案 文 献 10 给 出 了 信 号 系 统 更 新 后 线 路 通 过 能 力 的 变 化 数 据, 可 以 看 出, 尽 管 采 用 移 动 闭 塞 后 线 路 的 追 踪 间 隔 大 幅 度 缩 短, 折 返 时 间 却 没 有 改 变 即 在 折 返 运 行 的 列 车 线 路 上, 仅 仅 缩 短 列 车 追 踪 间 隔 无 法 提 高 线 路 的 理 论 通 过 能 力, 但 是 追 踪 间 隔 的 缩 短 使 得 区 间 运 行 缓 冲 时 间 增 加, 因 此 列 车 运 行 图 的 稳 定 性 能 得 到 加 强 优 化 列 车 运 行 组 织 主 要 针 对 共 线 运 营 以 及 各 种 交 路 混 合 等 情 况, 文 献 14 15 分 别 对 两 种 情 况 下 的 线 路 通 过 能 力 计 算 及 应 用 进 行 了 研 究 此 外, 文 献 20 应 用 线 性 离 散 时 间 网 络 模 型 对 存 在 速 差 的 列 车 混 合 运 行 时 的 通 过 能 力 计 算 及 影 响 进 行 了 研 究 轨 道 交 通 的 列 车 运 行 组 织 模 式 相 对 简 单, 但 列 车 的 循 环 运 行 使 得 折 返 成 为 了 制 约 线 路 通 过 能 力 的 瓶 颈, 如 何 减 少 列 车 折 返 时 间, 使 得 列 车 追 踪 间 隔 与 折 返 时 间 相 协 调 是 提 高 线 路 通 过 能 力 的 关 键 352

列 车 在 轨 道 交 通 系 统 的 运 行 是 一 个 复 杂 巨 系 统 系 统 的 各 个 组 成 部 分 都 有 其 特 定 的 能 力 限 制, 因 此, 如 何 协 调 利 用 系 统 各 部 分 的 能 力, 优 化 系 统 性 能 是 提 高 线 路 通 过 能 力 的 研 究 方 向 5 城 市 轨 道 交 通 能 力 研 究 趋 势 文 献 3 给 出 了 通 过 能 力 相 关 的 4 个 概 念 : 理 论 通 过 能 力 实 际 通 过 能 力, 利 用 通 过 能 力 以 及 有 效 通 过 能 力 其 中, 理 论 通 过 能 力 是 线 路 通 过 能 力 的 上 限 实 际 的 运 营 过 程 中, 考 虑 各 种 随 机 干 扰 因 素 以 及 列 车 运 营 成 本 等, 运 行 图 编 制 时 很 少 按 照 最 大 通 过 能 力 铺 画 列 车 运 行 线 因 此, 如 何 选 择 合 适 的 通 过 能 力 利 用 律 师 轨 道 交 通 通 过 能 力 的 一 个 重 要 研 究 方 向 需 求 通 过 能 力 计 算 不 仅 是 线 路 规 划 的 决 策 依 据 之 一, 也 是 线 路 投 入 运 营 后 列 车 开 行 频 率 的 决 策 依 据 但 是, 运 营 阶 段 的 需 求 通 过 能 力 尚 需 考 虑 运 营 成 本 的 因 素, 降 低 运 营 成 本 且 最 大 限 度 的 提 高 乘 客 服 务 水 平 是 轨 道 交 通 通 过 能 力 未 来 研 究 的 另 一 个 重 要 内 容 此 外, 车 站 的 客 流 集 散 能 力 从 一 定 程 度 上 影 响 了 线 路 的 需 求 能 力, 研 究 车 站 客 流 组 织 对 通 过 能 力 的 影 响 是 全 面 研 究 轨 道 交 通 通 过 能 力 的 基 础 轨 道 交 通 线 路 的 建 设 使 得 各 线 路 不 再 分 离 独 立, 形 成 路 网 后 各 线 路 的 通 过 能 力 相 互 影 响, 因 此, 必 须 对 轨 道 交 通 路 网 通 过 能 力 进 行 研 究 具 体 而 言, 轨 道 交 通 通 过 能 力 的 研 究 趋 势 有 以 下 几 点 : (1) 通 过 能 力 利 用 率 研 究 能 力 利 用 率 过 高 时, 运 行 图 的 稳 定 性 下 降, 抗 干 扰 能 力 降 低 ; 能 力 利 用 率 过 低 时, 乘 客 的 等 待 时 间 增 加, 服 务 质 量 下 降 合 理 的 能 力 利 用 率 须 全 面 考 虑 客 流 需 求 运 营 成 本 以 及 运 行 图 鲁 棒 性 以 及 一 定 的 通 过 能 力 储 备 选 取 合 适 的 通 过 能 力 利 用 率 亟 需 从 理 论 及 实 验 等 方 面 进 行 系 统 的 研 究 比 较 可 行 的 方 法 是 以 运 行 计 划 兑 现 率 扰 动 性 能 指 标 以 及 经 济 效 益 指 标 等 的 定 性 定 量 分 析 为 依 据 对 通 过 能 力 进 行 评 价, 根 据 评 价 结 果 确 定 通 过 能 力 利 用 率 (2) 考 虑 一 定 乘 客 服 务 水 平 的 需 求 通 过 能 力 研 究 生 活 水 平 的 提 高 使 得 乘 客 对 出 行 质 量 的 要 求 越 来 越 高 与 道 路 服 务 水 平 相 似, 一 定 的 服 务 水 平 下 路 段 的 通 过 能 力 是 不 一 样 的 在 一 定 的 客 流 量 下, 一 定 的 服 务 水 平 对 应 着 一 定 的 需 求 通 过 能 力 但 是 需 求 通 过 能 力 可 以 无 限, 线 路 通 过 能 力 却 是 有 限 值 因 此, 考 虑 一 定 乘 客 服 务 水 平 的 需 求 通 过 能 力 研 究 包 括 两 方 面, 一 方 面 要 确 定 给 定 的 服 务 水 平 下 由 线 路 客 流 总 量 决 定 的 需 求 通 过 能 力, 另 一 方 面, 则 是 对 确 定 的 客 流 总 量 下 系 统 所 能 提 供 的 通 过 能 力 对 应 的 乘 客 服 务 水 平 (3) 车 站 客 流 组 织 对 通 过 能 力 的 影 响 分 析 车 站 客 流 组 织 工 作 是 针 对 乘 客 从 进 站 买 票 检 票 候 车 换 乘 直 至 出 站 在 内 的 所 有 活 动 的 约 束 规 范, 分 流 引 导 等 措 施 是 枢 纽 站 常 用 的 措 施 车 站 客 流 组 织 工 作 的 好 坏 一 方 面 影 响 了 列 车 停 站 时 间, 另 一 方 面 车 站 集 散 能 力 大 小 对 需 求 的 通 过 能 力 形 成 了 一 定 的 影 响 换 乘 客 流 的 组 织 依 赖 于 换 乘 线 路 之 间 列 车 到 达 时 刻 的 有 序 衔 接, 这 一 点 在 非 高 峰 运 营 时 段 尤 其 明 显 车 站 客 流 组 织 对 通 过 能 力 的 影 响 是 动 态 变 化 的, 全 面 系 统 的 研 究 尚 需 依 赖 于 实 际 运 营 数 据 的 统 计 分 析 结 果 (4) 轨 道 交 通 路 网 通 过 能 力 研 究 路 网 系 统 通 过 能 力 不 仅 仅 是 组 成 路 网 各 点 线 子 系 统 通 过 能 力 的 简 单 加 总, 孤 立 地 研 究 点 或 线 的 通 过 能 力 局 限 性 较 大, 会 有 片 面 性 如 何 提 供 合 理 分 析 评 价 方 法, 还 有 待 从 概 念 理 论 体 系 到 计 算 方 法 方 面 进 行 系 统 的 研 究 与 深 化 (5) 路 网 通 过 能 力 仿 真 及 评 估 路 网 通 过 能 力 的 仿 真 及 评 估 是 在 路 网 通 过 能 力 计 算 研 究 的 基 础 上, 结 合 仿 真 技 术, 把 路 网 作 为 一 个 整 体 进 行 仿 真 研 究 仿 真 模 型, 求 解 策 略 以 及 仿 真 策 略 等 是 路 网 通 过 能 力 仿 真 及 评 估 的 重 点 研 究 对 象 References ( 参 考 文 献 ) [1] Landex, A., Kaas, A. H., Schittenhelm, B. & Schneider-Tilli, J. Evaluation of railway capacity,. Proceedings of the Annual Transport Conference at Aalborg University, Denmark, 2006. [2] M. Lüthi, A. Nash, U. Weidmann, F. Laube, and R. Wüst. Increasing railway capacity and reliability through integrated real-time rescheduling. In Proceedings of the 11 th World Conference on Transport Research, Berkeley, 2007. [3] M. Abril, F. Barber, L. Ingolotti, M. A. Salido a, P. Tormos, A. Lova. An assessment of railway capacity. Transportation Research Part E 44 (2008) 774-806. [4] Liu XiaQing. Subway track capacity [J], metro and light rail, 1995.2. 刘 夏 菁. 地 铁 线 路 的 通 过 能 力 [J]. 地 铁 与 轻 轨 -1995 年 2 期. [5] Zhang Guobao. research on Subway capacity calculation method [J], 1995. jouranl of Shanghai railway institute, 1995.1. 张 国 宝. 地 下 铁 道 通 过 能 力 计 算 方 法 的 探 讨 [J]. 上 海 铁 道 学 院 学 报 -1995 年 1 期. [6] Feng chunxia. Research on Calculate method of subway carrying capacity of the block section journal of Shanghai railway institute,1995.12.4,vol.16 冯 春 霞. 地 铁 线 路 区 间 通 过 能 力 的 计 算 方 法 探 讨 [J]. 上 海 铁 道 学 院 学 报 -1995 年 12 月, 第 16 卷 第 4 期. [7] JinJuan, YangMei, Wang changlin. Research on carrying capacity for subway track based on principle of movable block [J] RAILWAY COMPUTER APPLICATION, 2008.6, vol.17. 金 娟, 杨 梅, 王 长 林. 基 于 移 动 闭 塞 原 理 的 地 铁 列 车 线 路 通 过 能 力 的 研 究 [J]. 铁 路 计 算 机 应 用,2008 年 第 17 卷 第 6 期. [8] Zheng Xiaolong, Ma lin, Tang tao, Ning bing. Analysis of Train Headway in Urban Rail Transport System [J]. COMPUTER AND COMMUNICATIONS. 2005.3, vol.23. 郑 晓 龙, 马 琳, 唐 涛, 宁 滨. 城 市 轨 道 交 通 系 统 中 列 车 间 隔 的 有 关 分 析 [J]. 交 通 与 计 算 机,2005 年 第 3 期 第 23 卷. 353

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