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地铁与市郊铁路过轨运营下列车开行方案优化方法研究

李明高  
【摘要】:地铁和市郊铁路在城市客运体系中各自发挥着重要的作用,地铁主要服务于城市建成区内的短距离乘客出行,市郊铁路主要服务于城市建成区和郊区之间的长距离通勤出行。由于市郊铁路列车往往终止于城市建成区外围,导致大量的通勤乘客需要换乘地铁才能实现城市郊区与建成区之间的出行。这种大规模的换乘在高峰时段更加显著,给换乘站带来极大的运营风险,也降低了乘客的服务水平。地铁与市郊铁路间的过轨运营能够减少换乘,是降低换乘站运营风险、提高轨道交通服务水平的重要措施之一。列车开行方案是轨道交通运营组织中最基本的技术方案之一,是协调各相关部门工作、保证列车安全运行和为乘客提供高水平服务的指导性文件。因此,研究地铁与市郊铁路过轨运营下的列车开行方案优化编制方法就显得极为重要。本文以地铁和市郊铁路过轨运营为研究背景,首先研究了过轨运营的必要性和可行性。在此基础上,分别研究了租车、租线和线路互用三种典型过轨运输模式下列车开行方案的优化编制方法。接下来分析了三种过轨运输模式下开行方案的效果及客流适用性。最后,构建了过轨列车停站方案优化模型。主要研究内容及结论如下:(1)综合考虑过轨运营后节省的乘客时间效用和增加的工程投资成本,提出了实施过轨运营的必要性判别方法,并给出了过轨客流阂值计算方法。分析了过轨客流阈值随换乘时间、乘客时间价值、增加的工程投资成本等的变化规律。研究表明,地铁与市郊铁路间的换乘客流量越大、换乘时间越长,越有必要实施过轨运营。此外,在线路规划设计阶段宜考虑为过轨运营预留条件。(2)从线路能力角度研究了过轨运营的可行性。考虑了追踪运行下不同类型列车间的追踪间隔时间与同类型列车间的追踪间隔时间的差异,采用扣除系数法和运行图周期分析法计算了过轨区间通过能力。分析了过轨列车对线路通过能力的影响,研究了线路不同富裕能力下过轨运营的可行性。研究表明,过轨列车宜采用与被过轨线路列车相同的运行速度,且被过轨线路上列车发车间隔越小,可开行的过轨列车数越少。采用本文算例参数,当地铁列车平均发车间隔小于125s时,市郊铁路列车不能过轨到地铁线路上。(3)基于租车、租线和线路互用三种典型过轨运输模式的特点和差异,研究了三种模式下过轨列车开行方案的优化编制方法。分别构建了确定过轨区间及过轨列车发车频率的规划模型。租车模式下,以市郊铁路公司利益和乘客利益最大化为目标函数,建立双目标规划模型,并设计了代数加权法和遗传算法相结合的求解算法;租线模式下,以地铁公司利益和乘客利益最大化为目标函数,构建双目标规划模型;线路互用模式下,以乘客利益最大化为目标函数,建立确定过轨区间及发车频率的规划模型。研究表明,租车模式下,租车费在一定范围内变化不影响开行方案,为此,双方运营公司对于租车费有较大的协商空间。租线模式下,若过轨方运营费用较高,则需要高额的政府补贴以保证乘客利益和双方运营公司利益。线路互用模式下,双方线路站间距差距越大,则过轨区间长度越小,乘客利益越小。采用本文算例参数,市郊铁路平均站间距不宜超过6 km。(4)综合考虑乘客利益和运营公司利益,对比分析了不同过轨客流分布特征下,租车、租线和线路互用三种典型过轨运输模式下的效果。在租车、租线模式中,研究了市郊铁路各站过轨客流为均匀分布、递远递减分布和双峰分布三种典型特征下的过轨运营效果。线路互用模式下,研究了市郊铁路各站过轨客流为均匀分布、递远递减分布、双峰分布,地铁各站过轨客流为均匀分布、递远递减分布、类正态分布下9种组合客流特征下的过轨运营效果。研究表明,若过轨站附近的被过轨线路车站过轨客流比例较大,宜采用租车或线路互用模式。若在过轨站附近的双方线路车站过轨客流比例均较大,宜采用线路互用模式。在计程票制下,若距离过轨站远的被过轨线路车站过轨客流比例较大,宜采用租线模式。(5)考虑过轨列车采用站站停和跨站停相结合的运行模式,研究了跨站停过轨列车停站方案及发车频率。以过轨乘客节省的总时间最大化为优化目标,考虑了过轨双方线路条件,构建了过轨列车停站方案优化模型,设计了基于拉格朗日松弛的求解算法。算例分析结果表明,与站站停运行模式相比,过轨列车采用站站停和跨站停相结合的运行模式下,过轨乘客节省的总时间为267.7 h,被跨站的过轨乘客增加的总时间为62.6 h。


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