建設(shè)精細(xì)化軌道交通協(xié)同體系中關(guān)鍵問題研究

建設(shè)精細(xì)化軌道交通協(xié)同體系中關(guān)鍵問題研究 【摘要】在城市綜合交通體系中，軌道交通承擔(dān)著主骨架作用，對(duì)城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)意義重大。 在我國的幾個(gè)特大城市中，軌道交通與地面交通以及軌道交通路網(wǎng)各線之間的影響呈現(xiàn)出 多樣化、高強(qiáng)度和擴(kuò)大化的趨勢(shì)。尤其在突發(fā)事件的應(yīng)急處置中，暴露出城市綜合交通系 統(tǒng)中各方式之間的協(xié)同配合存在許多缺陷問題。面向?qū)嶋H需要，城市綜合交通需要從理論、 理念和概念討論階段向技術(shù)方法研究和工程實(shí)施方向推進(jìn)。本文提出以公共交通系統(tǒng)中軌 道交通與道路交通之間、以及軌道交通系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)同為突破，建設(shè)精細(xì)化城市綜合交通體 系的思路，以應(yīng)對(duì)城市巨災(zāi)時(shí)交通各系統(tǒng)高效協(xié)同處置為目標(biāo)，提出大客流沖擊時(shí)線路運(yùn) 力資源合理分配與優(yōu)化方法、突發(fā)事件車站容量預(yù)測(cè)預(yù)警方法、運(yùn)營中斷時(shí)多系統(tǒng)協(xié)同思 路和方法。 【關(guān)鍵詞】軌道交通；精細(xì)化綜合交通；突發(fā)事件；多系統(tǒng)協(xié)同 1. 前言 在城市綜合交通體系中，軌道交通承擔(dān)著主骨架作用，對(duì)城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)意義重大。面 向?qū)嶋H需要，城市綜合交通體系既要注重理論和理念探討，更要著重對(duì)可實(shí)施的方法和策 略進(jìn)行研究。 在我國的幾個(gè)特大城市中，隨著軌道路網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和形態(tài)的日益復(fù)雜，軌道交通與 地面交通以及軌道交通路網(wǎng)各線之間的影響呈現(xiàn)出多樣化、高強(qiáng)度和擴(kuò)大化的趨勢(shì)。以北 京為例，近兩年來，惡劣天氣尤其是大范圍降雨引發(fā)的多起突發(fā)事件對(duì)城市交通產(chǎn)生的重 大影響，在這一系列突發(fā)事件的應(yīng)急處置中，暴露出城市綜合交通系統(tǒng)中各方式之間的協(xié) 同配合的許多缺陷問題。其中比較重要的原因就是綜合交通具體實(shí)施方法與技術(shù)的缺失， 使得應(yīng)對(duì)措施無法落實(shí)，綜合交通體系整體上還處在理念和概念階段，真正可以面向應(yīng)用 的方法并沒有得到深入研究，精細(xì)化綜合交通體系的建設(shè)之路還很漫長。 首先，在網(wǎng)絡(luò)化客流研究方面，現(xiàn)有研究多著力于各交通系統(tǒng)之間的客流分擔(dān)，在軌 道交通中則以客流特征及預(yù)測(cè)研究為主，更偏重于宏觀，從地面公交與地鐵聯(lián)動(dòng)處置的需 求來看，需要對(duì)突發(fā)事件下乘客影響規(guī)模和空間分布等問題進(jìn)行專門研究。其次，在軌道 交通系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)力運(yùn)量相互影響研究方面，國內(nèi)外研究中對(duì)列車本身的調(diào)整關(guān)注較多，而 將行車與客流關(guān)系綜合考慮的較少，且部分模型參數(shù)設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)相比仍存在較大裕量，缺 乏具有針對(duì)性的尤其是應(yīng)急狀態(tài)下軌道交通與其它交通方面協(xié)同處置方法，包括大客流沖 擊下的軌道路網(wǎng)多站協(xié)調(diào)限流、地面公交接駁協(xié)同、車站滯留乘客規(guī)模變化等方面的分析。 以應(yīng)對(duì)城市巨災(zāi)時(shí)交通各系統(tǒng)高效協(xié)同處置為目標(biāo)，對(duì)精細(xì)化綜合交通建設(shè)中的技術(shù) 問題進(jìn)行提煉，從資源配置差異角度出發(fā)，提出以下問題。 （1）地鐵車站常態(tài)客流高峰情況下實(shí)施多站協(xié)同限流：主要解決線路運(yùn)力優(yōu)化配置與 車站容量協(xié)同利用問題，通過優(yōu)化控制，達(dá)到小區(qū)域路網(wǎng)均衡運(yùn)輸?shù)哪康模苊獯罂土鳑_ 1 擊帶來的影響。 （2）車站客流組織中突發(fā)事件情況下車站容量預(yù)測(cè)預(yù)警：主要解決運(yùn)力下降情況下車 站客流的滯留、積壓與車站容量之間的關(guān)系問題，目的在于向事發(fā)線路及受影響線路各車 站及時(shí)發(fā)送預(yù)警，提示相關(guān)車站提前做好客流組織準(zhǔn)備。 （3）多系統(tǒng)協(xié)作處置時(shí)運(yùn)營中斷后的公交擺渡支援：在軌道交通運(yùn)營中斷或運(yùn)力大幅 下降需要地面交通配合時(shí)，利用網(wǎng)絡(luò)織補(bǔ)理念，主要解決中斷運(yùn)營情況下滯留乘客疏散的 應(yīng)急處理流程制定、協(xié)同地面公交支援等工作提供相應(yīng)的技術(shù)支持問題，根據(jù)影響時(shí)間采 取換乘節(jié)點(diǎn)控制、區(qū)域控制、關(guān)閉相關(guān)站點(diǎn)、線路等有效措施控制災(zāi)害帶來的運(yùn)營安全風(fēng) 險(xiǎn)。 2. 大客流沖擊時(shí)多站協(xié)同限流方法 2.1線路運(yùn)力資源合理分配與利用技術(shù)思路 2012年7月21日降雨導(dǎo)致京港澳高速公路封路，房山與中心城區(qū)交通量大部分轉(zhuǎn)移 到9號(hào)線及房山線，為緩解客流壓力，兩線調(diào)整了列車運(yùn)行計(jì)劃，延長早、晚高峰時(shí)段， 縮小高峰及平峰時(shí)段列車間隔，以應(yīng)對(duì)大客流沖擊的影響。在這個(gè)過程中，各站的協(xié)同限 流和運(yùn)力優(yōu)化分配作用尤為重要。 從控制科學(xué)與工程和系統(tǒng)工程的角度來看，本部分提出的地鐵車站大客流情況下多站 協(xié)同限流實(shí)際上是線路運(yùn)力優(yōu)化配置與車站容量協(xié)同利用問題。 從系統(tǒng)的觀點(diǎn)來看，線路運(yùn)力資源合理分配與利用控制的內(nèi)涵是在系統(tǒng)的總?cè)萘抠Y源 限制及各車站物理容量（可以擴(kuò)展到站外空間）要求滿足的條件下，通過線路運(yùn)力的統(tǒng)一 調(diào)節(jié)，對(duì)各車站進(jìn)站人數(shù)進(jìn)行協(xié)同控制，以維持或提高車站的客運(yùn)安全組織，以及最大限 度地保障各車站之間乘客出行的公平性，是一種“資源可協(xié)同”控制類型。 線路運(yùn)力與車站容量協(xié)同控制中，可將控制水平粗略劃分為三個(gè)等級(jí)，包括車站物理 容量需求滿足（不發(fā)生擁擠、通道容量控制）、軌道運(yùn)力系統(tǒng)效率提升及各車站之間有效運(yùn) 力資源分配均等。 軌道交通路網(wǎng)多車站協(xié)調(diào)限流尤其是小區(qū)域多車站組合的協(xié)調(diào)限流控制屬于一個(gè)典型 的包含多變量的控制問題，其中涉及到多車站之間的控制協(xié)同、相鄰線路之間的控制協(xié)同 等，借鑒大系統(tǒng)分層遞階控制的思想，多車站協(xié)調(diào)限流控制系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)可由一個(gè)二級(jí) 遞階系統(tǒng)表示。其中的參數(shù)含義： J：系統(tǒng)總?cè)蝿?wù)； R：系統(tǒng)總資源，或總約束條件。 以第i和j個(gè)車站為基礎(chǔ)控制點(diǎn)（i，j=1，2，…，n），線路多車站協(xié)調(diào)限流控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)可以表示為圖1所示形式。 2 J ) J ) 分別表示第i和j個(gè)車站任務(wù)變量協(xié)調(diào)偏差值； J (1)J ) ， J ( ()[(),()] j j j i i ji ， R 為第i和j個(gè)車站分配的資源變量（車站空間容量及運(yùn)力）； R R )， R (R R ) 分別表示第i和j個(gè)車站資源變量協(xié)調(diào)偏差值； (J K 1 M j 0 j1i i i i i i j LJiRRJjRjJjRiiJiJjRRJRJuxizijzjiujj 圖1路網(wǎng)多車站協(xié)調(diào)限流遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) x，u及x，u：分別表示第i和j個(gè)車站的狀態(tài)變量（進(jìn)出站規(guī)模、空間容量規(guī)模） 和控制變量（特定時(shí)段進(jìn)站需求）；Ji，Jj為第i和j個(gè)車站分配的任務(wù)變量目標(biāo)值； R J，J分別為第i和j個(gè)車站實(shí)際完成的任務(wù)變量（特定時(shí)段內(nèi)進(jìn)站及上車乘客規(guī)模）； R，R分別為第i和j個(gè)車站實(shí)際消耗的資源變量（等待時(shí)間、運(yùn)力消耗）； R ( J Z 及Z 表示第i和j個(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)，也可以表示單個(gè)子系統(tǒng)受其它所有子系 統(tǒng)的影響。如有N個(gè)子系統(tǒng)，第i個(gè)子系統(tǒng)與整體的關(guān)聯(lián)系數(shù)為 Z Z 。 2.2運(yùn)力資源合理分配與利用優(yōu)化方法 遵循排隊(duì)論和經(jīng)典控制理論，可將軌道交通線路運(yùn)力優(yōu)化配置與車站容量協(xié)同控制中 的多車站視為不同排隊(duì)，線路列車視為服務(wù)流，可利用的資源為主線的有效運(yùn)力和車站的 物理空間，屬于典型的帶有約束的有限條件下資源共享與動(dòng)態(tài)需求協(xié)同的優(yōu)化問題。按照 一般的系統(tǒng)分解與協(xié)同方法，首先用分層遞階控制結(jié)構(gòu)描述線路運(yùn)力優(yōu)化配置與車站容量 協(xié)同利用模型。每個(gè)車站及其內(nèi)部站臺(tái)、站廳、通道、廣場(chǎng)空間單元視為單獨(dú)子系統(tǒng)，后 續(xù)的協(xié)同是考慮各子系統(tǒng)之間的關(guān)系，使各子系統(tǒng)可以協(xié)同控制達(dá)到受控區(qū)域的運(yùn)力資源 分配優(yōu)化。因此，基于以上的考慮，本文中采用優(yōu)化控制理論方法解決線路運(yùn)力優(yōu)化配置 與車站容量協(xié)同利用問題。 控制目標(biāo)方程可以表示為式1函數(shù)形式： minJ x K w k k k k 3 (3)r()(k 1) i (4) / n i1 r() (k 1) () j表示車站乘客排隊(duì)長度，以TM()k 表示列車有效運(yùn)力向量，以TE()k 表示車站乘 (k 1) jLx u (2) E x i P ax cx 式1 中，K為控制的時(shí)間域，為終態(tài)狀態(tài)函數(shù)， ()k 為子系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)， w 為子目 標(biāo)權(quán)重，M為設(shè)定的子目標(biāo)數(shù)。 具體到線路運(yùn)力優(yōu)化配置與車站容量協(xié)同利用目標(biāo)的分析與選擇：對(duì)于線路列車，要 求實(shí)施控制后盡可能使某時(shí)段所有線路列車滿載率維持在合適水平，以使列車在后續(xù)車站 留有最充分的調(diào)節(jié)余地；關(guān)于車站客運(yùn)組織，控制需要盡可能使各車站所有乘客等待時(shí)間 最短。至于如何協(xié)同的分配給各車站則需要綜合考慮其乘客排隊(duì)的負(fù)荷狀態(tài)、等待時(shí)間的 長短等因素，采用各車站可以接受的乘客數(shù)量與車站乘客排隊(duì)長度比值的偏差，即控制量 偏差來衡量并作為控制目標(biāo)，表示線路在滿足各車站乘客需求中運(yùn)力資源分配的公平性。 以下基于這樣的考慮進(jìn)行具體的系統(tǒng)控制目標(biāo)方程設(shè)計(jì)。 以 ()k 客等待時(shí)間，以 k 表示車站控制律向量。 首先根據(jù)控制律向量和車站狀態(tài)向量設(shè)計(jì)參數(shù)，表示控制律與車站乘客排隊(duì)長度之 間的關(guān)系。 u() x 各車站的控制量偏差向量可以表示為式3： P () f ((), (k 1)) i 1 i1 系統(tǒng)控制的目標(biāo)方程的形式為式4： min:J JT () T () () T () T () k1 k1 i1 i1 由以上方法得到優(yōu)化控制律之后，在具體實(shí)施時(shí)可以由軌道車站自動(dòng)售檢票系統(tǒng)進(jìn)、 出站閘機(jī)顯示進(jìn)、出站人數(shù)和自動(dòng)控制乘客出入，達(dá)到小區(qū)域路網(wǎng)均衡運(yùn)輸?shù)哪康?，提? 服務(wù)質(zhì)量，避免部分車站擁擠帶來的踩踏、站臺(tái)爆滿、侵入限界等次生影響。 3. 突發(fā)事件車站容量預(yù)測(cè)預(yù)警 3.1地鐵車站容量安全預(yù)警問題 地鐵行車間隔較小，如果由于突發(fā)事件造成有效運(yùn)力下降，在車站內(nèi)短時(shí)客流集聚非 常明顯，沿線多車站客流集聚現(xiàn)象波及速度快，同時(shí)也會(huì)影響地面交通。為減少影響，地 鐵短時(shí)行車組織調(diào)整頻繁，調(diào)整作業(yè)方式較多，包括清人、通過及折返等，對(duì)乘客影響較 大，從安全角度探討地鐵連續(xù)晚點(diǎn)時(shí)車站客流集聚更有緊迫性。 突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，大量客流在地下車站相對(duì)封閉且范圍局限的空間內(nèi)長時(shí)間集聚，產(chǎn) 生嚴(yán)重安全隱患?，F(xiàn)有研究中對(duì)集聚過程缺乏精確分析，其影響還屬于隱性信息。從提高 4(5)t (5)t t n ](TC TS). [PIU QUAt1 n 表征有效運(yùn)力與客流數(shù) t t) RQ t n QUA 的函數(shù)，即 RQ =f( PIU ,QUA )，如tn n：下行理論可運(yùn)送乘客總量及實(shí)際可接受乘客總量； RI t t (PIU QUA t n t n t n t ntn t t n n t t n n n n n n t t n n 地下空間安全的需求出發(fā)，連續(xù)晚點(diǎn)時(shí)客流集聚定量化分析方法需要深化研究。 如果暫不涉及連續(xù)晚點(diǎn)產(chǎn)生的技術(shù)設(shè)備故障和技術(shù)組織故障原因等問題，僅從表象上 看，列車連續(xù)晚點(diǎn)是若干運(yùn)行列車組間的強(qiáng)烈擾動(dòng)和傳播的外在形式和后果，本文研究關(guān) 注于連續(xù)晚點(diǎn)造成有效運(yùn)力下降情況下的地下車站客流集聚及其影響過程定量化分析，綜 合考慮運(yùn)力運(yùn)量與乘客出行需求關(guān)系，建立連續(xù)晚點(diǎn)導(dǎo)致運(yùn)力下降時(shí)的車站乘客集散模型 進(jìn)行仿真分析，從安全和運(yùn)營服務(wù)的角度確定影響乘客規(guī)模。 3.2車站乘客滯留規(guī)模數(shù)量計(jì)算 連續(xù)晚點(diǎn)導(dǎo)致有效運(yùn)力下降時(shí)最直觀的現(xiàn)象就是車站滯留乘客數(shù)增加。為表征這種滯 留數(shù)量的變化，需要計(jì)算客流量、運(yùn)力及乘客滯留之間的變化關(guān)系，首先定義一組參數(shù)， 在t時(shí)間內(nèi)的n站： PI ：進(jìn)站乘客總量(以 PIU與 PID分別表示進(jìn)站后上行與下行乘客數(shù)量)； PO ：出站乘客總量(以 POU與 POD分別表示上行與下行出站乘客數(shù)量)； QU 、QUA ：上行理論可運(yùn)送乘客總量及實(shí)際可接受乘客總量； QD 、QDA RQ ：車站滯留乘客總量； RI ：車站滯留乘客增長量。 其中，QUA 與QDA 根據(jù)服務(wù)水平與設(shè)定列車滿載率確定， 量變化速度。 乘客影響規(guī)模的度量采用人數(shù)指標(biāo)，假設(shè)不同時(shí)刻進(jìn)入車站的乘客均遵守排隊(duì)服務(wù)規(guī) 則，滯留規(guī)模 RQ 是乘客到達(dá)率 PIU 與列車服務(wù)率 式(5)所示。 RQ t 0 3.3車站乘客滯留與容量關(guān)系及預(yù)警