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《中国矿业大学(北京)》 2015年
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基于复杂网络理论的北京轨道交通网络通畅性研究

孙磊  
【摘要】:近年来随着社会经济的发展,越来越多的国内外城市拥有城市轨道交通系统。一方面,由于“准时”、“快捷”等特性,越来越多人在出行时选择轨道交通;另一方面,发生在轨道交通网络上的拥堵现象越来越严重。拥堵现象主要发生在轨道交通系统的站点和换乘通道,而车厢内乘客数量过多称为拥挤。站点拥堵意味着站点的交通需求过大,超过了该站点的交通容量,此处交通需求是指单位时间内想要通过轨道交通系统离开站点的乘客数,而交通容量表示单位时间内该站点能够输运离开的最大乘客数。北京市交通委将对站点拥堵发布绿、黄、红三级预警机制,可见拥堵现象已成为一种常态,越来越引起大家的关注。不论是站点拥堵还是换乘通道拥堵,拥堵现象的发生意味着乘客到达目的地越来越困难,严重影响轨道交通系统的正常运行,甚至会造成严重的踩踏事件,需引起交管部门的高度重视。因此研究发生在轨道交通网络上的动力学过程,对拥堵现象进行深入分析,并提出适合轨道交通网络的优化策略,从而改善系统运行的通畅效率,无疑是摆在交管部门面前的一个非常重要的现实课题。这方面研究对防止拥堵可能导致的灾难性后果,具有重要的理论意义、社会价值和经济价值。具体来说,本文主要研究工作如下:1.基于复杂网络理论研究了轨道交通网络上的拥堵现象。(1)站点拥堵和换乘通道拥堵的原因分析。在轨道交通系统运行过程中,发生拥堵的地方主要有两个,一个是站点,一个是换乘通道。站点出现拥堵,表明站点的交通需求超过站点的交通容量,导致候车乘客滞留站点。从交通需求方面看,站点拥堵的原因有以下两点:一是等待上车离开站点的交通需求过多;一是机车内等待通过该站点的交通需求过多,譬如通过该站点的交通需求过大,车厢过度拥挤,导致候车乘客无法上车。第一种原因独立于轨道交通系统,而第二种原因体现了轨道交通系统交通流量配置的不均衡。换乘通道拥堵,表明换乘流量超过换乘通道的容量,体现为轨道交通系统换乘流量配置的不均衡。(2)两者的联系。不论是站点拥堵还是换乘通道拥堵,都体现为乘客平均出行时间的延长,意味着乘客到达目的地越来越困难,轨道交通系统运行效率的下降,而这属于通畅性的研究范畴;站点拥堵的第二种原因和换乘通道拥堵,都可以理解为发生在轨道交通网络上的动力学过程;此外,站点拥堵的第一个原因,即等待上车的乘客较多,表明进行轨道交通系统的乘客较多,可能会导致换乘通道出现拥堵,而大量的换乘客流涌入换乘站点,进而又会导致换乘站点出现拥堵。站点拥堵,管理部门可以通过限流、增开机车等措施来合理疏导,而换乘通道由于其特殊的地理位置,一旦出现拥堵,往往很难有效疏导。鉴于换乘通道拥堵的危害性,本文将重点围绕换乘通道展开研究。2.提出了添加换乘行为的轨道交通网络模型,并基于该模型评估北京轨道交通网络重要换乘站点。(1)对轨道交通网络的发展状况进行了介绍。分别从线路里程及站点个数、客运量情况进行了数据说明。回顾了轨道交通网络的spacel模型,对该模型的主要拓扑结构指标进行研究,并指出该模型的不足之处在于没能考虑到乘客的换乘行为,而换乘行为在轨道交通系统运行中是普遍存在的。(2)提出添加换乘行为的轨道交通网络模型。①首先,给出模型构造方法。以两条轨道交通线路交汇的换乘站点为例,将该站点一分为二,每条线路分别通过其中一个站点,且两站点之间有换乘通道相连。②其次,对边进行解释,新模型的边分别表示相邻站点连边和换乘通道,而边长的物理意义分别是相邻站点间的平均运行时间和换乘时间,而边长是可以调节的,加开机车频次会相应减小相邻站点连边的长度,而拥堵程度提高时换乘时间会延长,该模型实际是加权路网模型。③再次,指出新模型的优势。可以计算出任意起终点之间的乘客最短出行时间,而这恰恰是理性乘客所追求的;换乘通道的存在使得换乘流量的确定成为可能,而换乘流量是接下去通畅性研究的重要环节。④最后,对新旧模型主要参数进行对比。(3)对北京轨道交通网络的重要换乘站点进行评估。基于复杂网络理论,分别从交通流量、换乘流量和网络效率角度评估了非高峰时段换乘站点的重要程度,其中交通流量和换乘流量分别代表两种不同的客流变动趋势,而通过关闭换乘通道从网络效率损失程度来判断换乘站点的重要程度也具有现实合理性。结果表明,添加换乘行为的轨道交通网络模型融入了轨道交通网络的两大特性,换乘行为和拥堵效应;重要换乘站点评估结果较spacel模型更加真实且符合预期。3.系统分析了基于输运模型的网络动力学过程,从新的视角提出通畅性概念。(1)系统分析网络上的动力学过程。为了加深对动力学过程的理解,对网络上两种常见动力学模型的发生过程进行研究。对相继故障模型的算法实现过程进行分析,并结合具体实例进行仿真试验,分解相继故障发生的过程。对基于输运模型的网络相变发生过程进行重点研究。①首先,关注承载能力的确定。在最短路径路由策略和负荷均匀分布策略下,分别采用基于概率统计的数值计算方法和仿真试验方法来研究网络的承载能力,两种方法的计算结果是相同的。②其次,关注网络相变过程中其它两种负荷数的变化规律,分别是消失负荷数和节点排队负荷数。通过仿真实验分别研究p指标(排队负荷数序列随时间的变化斜率)和x指标(消失负荷数序列随时间的变化斜率)的变化规律。结果表明:在节点处理能力相等策略下,最大介数节点最先产生拥堵,导致网络的进入和消失负荷数出现不平衡,进而导致网络进入拥堵状态;当进入负荷数r小于网络承载能力时,网络上的消失负荷数随r同步增长;当r超过承载能力时,消失负荷数与r的比值持续下降,负荷到达目的地越来越困难。(2)提出基于输运模型的通畅性概念。针对以往通畅性研究的不足,结合交通网络的拥堵效应,从系统运行的通畅效率角度,即负荷到达目的地的难易程度来衡量网络通畅性。既考虑到网络拓扑结构,又考虑到网络上的负荷运动,为探讨网络通畅性提供了新的视角。一旦网络进入拥堵状态,网络的通畅性就会变差,因此网络是否出现拥堵可以作为评价网络通畅性好坏的重要依据之一,而承载能力是网络从稳定状态到拥堵状态的相变点,在一定程度上能代表网络的通畅性能。(3)实证分析了影响网络通畅性的主要因素。通过仿真实验研究了拓扑结构策略(小世界网络、无标度网络和随机网络等)、路由策略(全局信息路由策略和局部信息路由策略)、分布策略(不同负荷起终点分布策略)和处理能力设计策略(相等策略和与节点边介数正相关策略)等对网络上动力学过程的影响。结果表明,核心节点的存在使得无标度网络的通畅性最差,而随机网络的通畅性最好,这对于规划部门进行路网设计具有重要指导意义;基于全局信息路由策略的无标度网络通畅性远优于局部信息路由策略。在全局信息路由策略下,虽然??1时负荷的平均出行时间稍长于??0(即最短路径路由策略),但网络的通畅性大幅提高,这对于交管部门从配置客流角度提高轨道交通的通畅性具有借鉴意义;负荷均匀分布策略下的网络通畅性最好,而当??0时,即负荷起点倾向于在大度数节点时,不论终点倾向于哪种情况,网络承载能力均出现大幅下降态势,这对于我们研究早晚高峰对轨道交通系统的冲击具有重要参考价值。上述策略均对网络上的动力学过程产生重大影响,这也是提出适合轨道交通网络通畅性优化策略的基础工作。4.提出基于轨道交通网络的输运模型,并利用该模型进行轨道交通网络上的动力学过程分析。(1)将输运模型融入到轨道交通网络中,需要对涉及到的关键概念进行细致说明,对输运模型中的一些参数赋予现实意义。以单位时间进入网络的乘客数r为例,表示单位时间内乘轨道交通离开站点的乘客,而不是刷卡进站乘客。(2)提出两种衡量轨道交通网络通畅性的指标,即网络的承载能力和乘客的平均出行时间。对于交管部门来说,站在宏观管理角度,关注的是轨道交通网络何时出现拥堵现象。对于乘客而言,关注的是平均出行时间。(3)提出适合轨道交通网络的通畅性优化策略。将提高网络通畅性的策略运用到轨道交通网络上,需考虑网络的实际情况。提出三种优化策略,分别是路由策略、拓扑结构改变策略和处理能力设计策略。路由策略是交管部门时时发布路况信息,合理引导乘客选择最优出行路径。拓扑结构改变策略是关闭换乘通道和调整机车开行频次。而处理能力设计策略是规划部门在设计规划阶段对不同的换乘站点合理分配处理能力。在路由策略下,轨道交通网络是加权时变网络,乘客会根据即时的网络模型选择最优出行路径,使得进入轨道交通系统的乘客数在高于适宜承载能力时最大介数节点(边)出现拥堵-畅通-拥堵的稳定循环状态,进而提高网络的通畅性。在拓扑结构改变策略下,合理的换乘通道关闭策略使得换乘客流配置的更加合理、均匀,网络的通畅性得到提高。而调整机车开行频次使得管理部门在成本和通畅性之间进行平衡,譬如在人流较少的低峰期,减少机车开行频率,轨道交通网络模型相邻站点连边的长度延长,导致网络的通畅性下降,但开行成本得到降低。在处理能力设计策略下,通过给边介数较大的换乘通道赋予较大的处理能力,网络的通畅性提升明显。(4)实证分析上述策略对北京轨道交通网络通畅性的影响。结果表明,三种策略均能改善网络的通畅性。其中处理能力设计策略对改善通畅性效果最明显,合理的设计策略使得网络的通畅性翻一番;路由策略的效果也很明显,但由于望京西站换乘通道的瓶颈效应,为乘客进出俸伯的必经换乘通道,路由策略没能发挥出应有的作用;而对于换乘通道关闭策略,换乘客流由更少的换乘通道分担,若换乘客流经重新配置后更加均匀,则可以提高网络的通畅性,否则可能会导致通畅性下降。5.实证分析线路故障和早晚高峰对轨道交通网络的影响。以北京轨道交通网络为例,实证分析4号线故障对轨道交通网络的影响。(1)线路故障对轨道交通网络的影响。①首先,分析了线路故障对网络拓扑结构的影响。结果表明,4号线故障后,拓扑结构指标(站点介数和换乘通道边介数)分布更加不均匀,某些线路的交通流量大增,会加剧该线路沿线车站的拥堵程度;网络通畅性大幅下降,从故障前的28下降到22。②其次,故障后的应对策略研究。通过仿真实验对比了路由策略和拓扑结构改变策略的运用效果,结果表明,路由策略对改善通畅性效果显著,网络通畅性从22回升到26;而不同的关闭策略会导致不同的效果,但总体来看关闭策略的效果不明显。(2)实证分析早晚高峰不均匀客流分布对轨道交通网络的影响。在乘客非均匀分布策略下,同一条换乘通道的正向换乘流量和逆向换乘流量是不同的。①首先,提出乘客分布策略的概念。针对早高峰的具体特点,提出三种不同的乘客分布策略。②其次,提出介数的近似计算方法。由于在负荷非均匀分布策略下,介数的计算只能通过仿真实验进行,根据广义介数的定义,通过大量重复实验找出通过节点(边)负荷数的统计规律性,作为计算节点(边)介数的依据。③再次,通过仿真实验对比三种不同的乘客分布策略对网络通畅性的影响。④最后,分析了加开机车频率和关闭换乘通道这两个拓扑结构改变策略对轨道交通网络的影响。结果表明,在乘客均匀分布策略下,介数近似计算值和实际值较吻合;在早高峰时期,乘客不均匀分布对轨道交通网络通畅性影响显著,且分布越不均匀,影响越显著;加开机车频率可以缓解站点拥堵,但可能会加剧换乘通道的拥堵程度。此外,还提出了未来优化策略研究的一些方向和思路。本文的研究思路如下:首先,提出需要解决的问题,即发生在轨道交通网络上的拥堵问题。涉及到两方面内容,轨道交通网络模型和拥堵问题。其次,分析问题。为了更好的模拟轨道交通网络,所建立的路网模型需考虑换乘行为和拥堵效应。而拥堵体现为网络上发生的一种动力学过程,有必要研究网络上的动力学过程模型,从新的视角提出网络通畅性概念,并对影响动力学过程的主要因素进行分析。最后,提出解决方案。建立基于轨道交通网络的输运模型,提出适合轨道交通网络的通畅性优化策略。总体来看,利用基于轨道交通网络的输运模型来研究发生在网络上的动力学过程是合适的;提出的三种通畅性优化策略均符合轨道交通网络的实际,实践中具有可操作性,且实验效果较理想;线路故障和早晚高峰客流冲击均对轨道交通网络影响显著,交管部门需提早做好应急预案。本文的分析及结论可以为交管部门日常的运营管理提供参考价值。
【学位授予单位】:中国矿业大学(北京)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:F572.88

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6 张治伟;城市轨道交通网络拓扑建模及其动力学分析[D];东华大学;2014年
7 杨吉凯;基于客流加权的城市轨道交通网络特性及抗毁性分析[D];西南交通大学;2017年
8 王海燕;基于复杂网络的城市轨道交通网络形态分析[D];北京交通大学;2014年
9 刘剑;城市轨道交通换乘协调问题研究[D];兰州交通大学;2015年
10 黄新华;同站台换乘对城市轨道交通网络特性影响研究[D];北京交通大学;2015年
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