（交通运输规划与管理专业论文）城市轨道交通系统运营可靠性研究.pdf

摘要 摘要 城市轨道交通作为大城市公共交通的重要组成部分，发挥着越来越重要的 作用。在轨道交通网络化发展的趋势下，人们对出行质量也提出了更高的要求， 轨道交通运营可靠性问题越来越突出，评价轨道交通系统运营可靠性、寻找提 高运营可靠性的方法是当前城市轨道交通运营管理中必须面对的一项课题。 本文运用可靠性理论研究了城市轨道交通系统的运营可靠性问题，给出了 运营可靠性的内涵，探讨了运营可靠性包含的连通可靠性、行程时间可靠性以 及系统能力可靠性三方面内容，提出了正点率、延误时间、恢复时间、兑现率 等指标，作为衡量和评价城市轨道交通系统运营可靠性的指标体系。 列车延误是城市轨道交通运营可靠性下降的原因和直接表现，是列车运行 过程中众多随机干扰因素共同作用的结果。本文通过对干扰因素的分析，认为 轨道交通系统设备故障是主要的延误产生源，讨论了由于干扰因素的随机性导 致的列车延误在时间、空间上的分布特征。为了深入研究延误规律，根据列车 延误形成的不同机理把延误分为初始延误、连带延误和衔接延误，并分析了每 类延误的成因和主要产生源，为从源头上采取措施抑制延误提供了依据。 轨道交通系统中的列车延误具有传播性，延误传播使得延误具有更大的危 害。本文分析了延误传播的延迟特性、吸收特性、方向性以及时间、地点敏感 性等一般特性，以及在固定闭塞信号( f b s ) 和移动闭塞信号( m b s ) 下不同 的延误传播过程。建立了单一线路上延误传播的递推模型和排队模型，得到了 列车延误与干扰、时刻表中预留冗余时间的函数关系。针对连通型轨道交通网 络接轨站多、衔接同步要求的特点分析了接轨站汇合点处的交叉干扰概率和干 扰时间，并建立了网络上延误传播的随机分析模型，给出了一种迭代求解算法。 正点率、列车延误等运营可靠性指标与系统能力负荷有关，本文利用冗余 理论提出了利用时间储备和结构储备提高运营可靠性方法，分析了时间储备和 结构储备的形式，并对结构储备中停车线的数量和分布进行了优化研究。但为 提高运营可靠性而采用过低的能力负荷既不现实也不经济，本文提出了利用边 际法和目标函数法确定合理能力负荷的方法。 在延误传播规律和储备能力与运营可靠性关系分析的基础上，本文以上海 摘要 城市轨道交通3 、4 号线为例，利用r a i l s y s 运输仿真软件建立了延误仿真模型， 分析了列车运行延误传播规律和时间储备对运营可靠性指标的影响，提出了提 高系统运营可靠性的方法和措施。 本文的主要创新点在于利用可靠性理论研究了城市轨道交通的运营可靠性 问题，给出了运营可靠性的内涵和评价指标体系，分析了运营可靠性中延误的 传播特点，提出了利用时间储备和结构储备提高运营可靠性的方法，并利用仿 真程序进行了实证分析。 关键词：城市轨道交通，延误，延误传播，运营可靠性，储备能力，r a i l s y s 仿 真 i i a b s t r a c t u r b a nm a s st r a n s i t ，a l li m p o r t a n tm e m b e ro f p u b l i ct r a f f i ci nb i gc i t i e s ，i sp l a y i n ga v i t a lr o l e w i t hu r b a l l1 1 1 8 8 8t r a n s i tn e t w o r kd e v e l o p m e n ta n dh i g hq u a l i t yt r a f f i cd e m a n d sf r o mp a s s e n g e r s ， o p e r a t i o nr e l i a b i l i t yp r o b l e mi sb e c o m i n g m o r ep r o m i n e n t t om e s u r ea n de v a l u a t eo p e r a t i o n r e l i a b i l i t ya n df i n ds o l u t i o n st oe n h a n c e i ta r ec h i e fo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n tp r o b l e m sw h i c h u r b a nm a s st r a n s i te n t e r p r i s e sa f a c i n g t a k i n ga d v a n t a g eo fr e l i a b i l i t yt h e o r y , o p e r a t i o nr e l i a b i l i t yo f u r b a nm a s st r a n s i t a n di t sc o n t e n t sa r cb r o u g h tf o r w a r di nt h i st h e s i s c o n n e c t i v i t yr e l i a b i l i t y , t r a v e l t i m er e l i a b i l i t ya n dc a p a b i l i t yr e l i a b i l i t ya r ea n a l y z i e d o p e r a t i o nr e l i a b i l t yi n d i c e s ， s u c ha st r a i np u n c t u a l i t y , t r a i nd e l a y s ，r e s t o r a t i o nt i m ea n da c h i e v e dr a t e ，a r e p r o p o s e dt om e a s u r e u r b a nm a s st r a n s i to p e r a t i o nr e l i a b i l i t y t r a i nd e l a y , r e s u l t so fm u l t i t u d i n o u ss t o c h a s t i cd i s t u r b a n c ef a c t o r si n t e r a c t ，i s t h ec a u s ea n dn o t a b l er e p r e s e n t a t i o no fo p e r a t i o nr e l i a b i l i t yd e t e r i o r a t i o n t h r o u g h a n a l y s i so fs t o c h a s t i cd i s t u r b a n c e s ，u r b a nm a s st r a n s i te q u i p m e n t 8f a i l u r e sa r et h e p r i m ed i s t u r b a n c es o u r c e o u to fa l ld i s t u r b a n c ef a c t o r s t e m p o r a la n ds p a t i a l d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft r a i nd e l a yc a u s e db ys t o c h a s t i cd i s t u r b a n c e s a l e d i s c u s s e d a c c o r d i n gt od i f f e r e n ts o u r c e s ，d e l a yi sd i v i d e d i n t oi n i t i a ld e l a y , k n o c k - o n d e l a ya n dc o n n e c t e dd e l a ya n dg i v e nt h e i rm a i ns o u r c e = g d e l a ys o b r s e a n a l y s i s m a k e si tp o s s i b l et ot a k em e a s u r e st oa v o i dt r a i nd e l a y w h e nt r a i nd e l a yb e g i n s t r a i nd e l a ym a yp r o p a g a t eo nu r b a nm a s st r a n s i tn e t w o r k , a n d c a u s em o r el o s s t h eg e n e r a lr u l e so fd e l a yp r o p a g a t i o ni n c l u d ep o s t p o n es p e c i f i c ，a b s o r p t i o ns p e c i f i c ， d i r e e t i v i t ys p e c i f i c ，t e m p o r a l a n ds p a t i a ls e n s i t i v i t y d i f f e r e n td e l a ys p r e a d i n g p r o c ；e s s e si nf i x e db l o c ks i g n a ls y s t e m ( f b s ) a n dm o v i n g b l o c ks i g n a ls y s t e m ( m b s ) a r ea n a l y z e d o nas i m p l el i n e ，ad e l a ys p r e a d i n gr e c u r s i o nm o d e la n daq u e u em o d e l a r eg i v e n t r a i nd e l a yi st h ef u n c t i o no fd i s t u r b a n c e sa n dr e s e r v e dr e d u n d a n t t i m ei n t i m e t a b l e d i f f e r e n tt os i m p l el i n e s ，u r b a nm a s st r a n s i tn e t w o r kh a sm a n yj o i n tt r a c k s a n ds y n c h r o n i z e dc o n n e c t i o nc l a i m s t h e ni n t e r f e r e n c ep r o b a b i l i t ya n di n t e r f e r e n c e t i m ea tt h ec o n v e r g e n c ep o i n to fas t a t i o na r ea n a l y z e d s t o c h a s t i cd e l a ym o d e li nt h e i i i a b s t r a c t c o m m o nn e t w o r ka n di t si t e r a t i o na l g o r i t h ma r eg i v e n o p e r a t i o nr e l i a b i l i t yi n d i c e s ，s u c ha st r a i np u n c t u a l i t ya n dt r a i nd e l a y , d e p e n d o nc a p a c i t yu t i l i z a t i o n am e t h o di sp u tf o r w a r dt oe n h a n c eo p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t y u s i n gr e s e r v e dt i m ea n df a c i l i t i e si n t h i st h e s i s t h ef o r m so fr e s e r v e dt i m ei nt h e t i m e t a b l ea n do p t i m a lq u a n t i t ya n dd e n s i t yo fs t o p p i n gt r a c k sa r ea n a l y z e d b u tt o l o wc a p a c i t yu t i l i z a t i o nt or a i s eo p e r a t i o nr e l i a b i l i t yi sn o tt ob er e a l i s t i ca n d u n e c o n o m i c a l am a r g i nm e t h o da n da l lo b j e c t i v ef u n c t i o nm e t h o da r ep r o p o s e dt o d e t e r m i n er e a s o n a b l ec a p a c i t yu t i l i z a t i o n o nt h eb a s i so ft r a i nd e l a yp r o p a g a t i o na n dc a p a c i t yu t i l i z a t i o na n a l y s e s ， r a i l s y s ，t r a n s p o r t a t i o ns i m u l a t i o ns o f t w a r e ，i su s e dt om o d e lt r a i nd e l a ya n d m e a s u r ee f f e c t so fr e s e r v e dt i m ei nt i m e t a b l eo nr e l i a b i l i 够i n d i c e so fs h a n g h a iu r b a n m a s st r a n s i tn e t w o r ko fl i n e3 ，4 a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，m e t h o d sa n dm e a s u r e sa r e g i v e nt op r o m o t eo p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t yo fu r b a nm a s st r a n s i ts y s t e m t h ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e rl a y si ns t u d yo no p e r a t i o nr e l i a b i l i t yo f u r b a nm a s s t r a n s i tu s i n gr e l i a b i l i t yt h e o r y , p u t t i n gf o r w a r do p e r a t i o nr e l i a b i l i t yo fu r b a nm a s s t r a n s i ta n di t se v a l u a t i o ni n d i c e s ，a n a l y z i n gt h et r a i nd e l a yp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c , p r o p o s i n gaw a yo fe n h a n c i n go p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t yu s i n gr e s e r v e dt i m ea n d r e s e r v e df a c i l i t i e s ，s i m u l a t i o na n a l y s e sb a s e do ns i m u l a t i o np r o g r a m s k e yw o r d s ：u r b a nm a s st r a n s i t ，d e l a y , d e l a yp r o p a g a t i o n , o p e r a t i o nr e l i a b i l i t y , r e s e r v e d c a p a c i t y , r a i l s y ss i m u l a t i o n i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容：按照学校要求提交学位论文的e i j 届i j 本和电子版本；学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学位论文作者签名：鸟关峰 ) o 司年 羁，夸e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名：与尝峰 碲3 - 月 第1 章绪论 1 1 选题背景与研究意义 1 1 1 选题背景 第1 章绪论 我国社会经济的高速发展加速了人口向城市集聚的进程，城市规模不断扩 大，至2 0 0 3 年底我国人口超过百万的特大城市数已达4 9 个。预计到2 0 1 0 年， 百万人口以上的城市将达到1 2 5 个左右，其中2 0 0 万人以上的特大城市达到5 0 个左右【。城市规模的膨胀也给城市带来一系列问题，其中城市交通问题一直 是一个值得关注的问题。有限的城市空间限制了交通用地的规模，交通供给的 增长速度落后于交通需求的增长速度，交通供求矛盾突出。我国城市混合交通 的状况导致了路面交通更加拥挤，车辆平均行驶速度低，出行舒适性下降，还 造成能源消耗增加、大量的废气排放以及噪声污染。城市交通问题日益成为影 响城市功能正常发挥和可持续发展的一个全局性问题。交通作为城市的动脉， 系统性能发挥的好坏直接影响着城市各项活动的开展和人们的生活质量。为缓 解城市交通拥挤，国内外大城市无独有偶地倡导与鼓励采用大容量、快速、低 污染的公共交通工具出行，优先发展公共交通。 城市轨道交通是指服务于城市客运交通，通常以电力为动力、轮轨运行方 式为特征的车辆或列车与轨道等各种相关设施的总和【2 】，是一种路权基本隔离 的公共交通方式。与普通的公共汽( 电) 车相比，地铁、轻轨、市郊铁路等轨 道交通工具在容量、速度、安全、准时性、环保等方面具有较大优势，更加适 合服务市区、都市圈的交通出行。城市轨道交通在缓解大城市高峰交通拥堵、 减少尾气排放、节约能源以及节省时间成本等方面可以发挥巨大的经济与社会 效益，是构建城市公共交通骨干网络的理想方式。 轨道交通的单一线路由于受到客流吸引范围和线路走向的限制，难以发挥 这种网络骨干作用。因此，建成走向各异、相互衔接的城市轨道网络，是城市 轨道交通发展的必然要求和趋势。自1 8 6 3 年伦敦创建了世界上第一条地下铁道 以来，经过1 4 0 多年的发展，至2 0 0 5 年世界上拥有城市轨道交通系统的城市超 第1 章绪论 过3 2 0 个，城市轨道交通已经形成多种类型并存与发展的状态。其中，欧洲和 北美城市轨道交通发展较早，已进入稳速发展的成熟阶段【3 】，如伦敦、纽约、 东京、巴黎、莫斯科和柏林等大城市已经拥有众多轨道线路，形成了各具特色 的轨道交通网络。这些四通八达的轨道网络成为城市公共交通的骨干，具有巨 大的经济效益和社会效益，网络效应彰显。亚洲城市近几十年来也加快了轨道 交通建设速度，城市轨道交通线路数量及运营里程增长迅速。1 9 6 9 年1 0 月北 京建成国内第一条地铁，随后上海、广州、天津、深圳、大连、长春、武汉、 重庆等大城市也拥有了轨道交通系统，其他大城市如南京、杭州、沈阳等也在 积极规划和筹建中。在轨道网络建设方面，国内只有北京、上海、广州等城市 开通了多条轨道线路，初步形成了网络，轨道交通的网络效应得到初步体现。 作为一种新型的公共交通工具，城市轨道交通具有传统公交系统无法比拟 的内在优越性，因此，人们对它也寄予了更高的期望，希望城市轨道交通能够 始终如一地提供快速、准时的交通服务。然而，随着城市轨道交通网络规模的 不断扩大，轨道系统的运营条件也越来越复杂。在繁忙的日常运输任务下，随 机的外界干扰、系统设备故障以及客流异常波动必然影响列车的正常运行过程， 有可能造成列车在车站的到达、停留、出发时间偏离原定计划。此外，轨道交 通列车是按追踪运行方式来组织运营的，且前后列车运行间隔时间较小( 最小 可达2m i n ) ，前行列车的状态直接影响着后行列车的运行状态。因此，网络中 的列车运行过程与状态不仅受到线路条件、牵引动力等因素的制约，很大程度 上还受到网络上其它列车运行状态的影响。由于这种制约关系的存在，前行列 车一旦严重偏离了原定运行计划，就可能在短时间内波及到较大范围的其它列 车，从而导致大面积的列车运行秩序紊乱。由此可见，实际运营中的列车很难 严格按照计划时刻表来运行，列车不总是“准时”的，列车能否准时到达或出 发具有随机性，轨道交通系统存在运营可靠性问题。 列车到达或者从车站出发时间晚于时刻表的规定，习惯上称为列车到达晚 点或者出发晚点，笼统地称列车晚点，发生到达晚点和出发晚点的列车称为晚 点列车。城市轨道交通运营企业常用晚点列车数来反映了运营系统性能的好坏， 晚点列车数越多，系统性能越差。与晚点相对应，正点表示列车按计划到达或 从车站出发，正点率系正点列车数与总运营列车数的比。表1 1 为上海城市轨 道交通的正点率情况，每条线路的列车正点率都有一定程度的波动。图1 1 为 上海城市轨道交通晚点列车数分类统计数据。 2 第1 章绪论 表1 1 上海城市轨道交通列车止点章。( ) 晚点次数 乍辆通弓机i e客越 幽ii 上海城市轨道交通晚点列车数分类统计 运营列车不仅会出现晚点现象，遭遇车辆设备故障的列车往往不能及时修 复，需救援列车援助来退出运营，称该类需要救援的列车为运休列车。运休列 车不能完成剩下的行程，列车上的乘客下车换乘其它列车或其它交通工具，运 休列车也可认为是晚点列车。表l2 为上海轨道交通运休列车统计数据。尽管 运休列车数不是很大，但发生运休时要进行全部“清客”下车，其影响较大。 寝1 2 上海城市轨道交通运体列午教统计 年份车辆通号机电客运工务 其它 合计 0 2 0 0 21 1 703 03 0 0 2 0 0 32 2 907 9 4 3 6 2 0 0 41 5 l 2 52 1 0 资料采源：j 海地铁统计月报 0 0 0 0 0 o 0 0 o 第1 章绪论 在列车运行秩序紊乱期间，列车在车站到发间隔以及在线路上分布不再均 匀，造成线路的通过能力得不到充分利用，原计划的某些车次由于不满足时间 间隔要求而被取消，出现“掉线 现象。计划可用能力不再存在，产生了能力 利用中的损失，系统能力也存在可靠性问题。 列车晚点、车站到发间隔严重地不均匀、运休列车和“掉线”等一系列运 营质量问题，导致系统性能和能力不稳定，具有较大的危害。运营质量变差时， 乘客享受到的系统服务水平降低，满意度下降，乘客可能改乘其他交通工具出 行；城市轨道交通运营企业则损失了部分客票收入运营收益减少，浪费了系统 能力，丧失了部分竞争优势，还可能因为服务质量不达标而受到一定的惩罚。 如上海市轨道交通管理条例第二十一条规定：轨道交通因故障不能正常运 行的，乘客有权持有效车票要求轨道交通线路运营单位按照原票价退还票款。 因此，系统运营质量下降是运营企业和乘客都不愿意看到的，城市轨道交通系 统运营可靠性问题在生产和科研中得到了越来越多的关注。 1 1 2 研究意义 运营可靠性问题是城市轨道交通系统向乘客提供运输服务过程中系统性能 不稳定造成的，系统有时不能准时地把乘客送达目的地，甚至短时内不能提供 运输服务，因此，运营可靠性不仅考察了运输过程能否成功完成，还具有时间 上的要求。运营可靠性作为城市轨道交通系统的一项质量指标，它的好坏直接 影响着对顾客的服务水平和吸引力。在人们日益重视出行质量的今天，提高运 营可靠性是一个迫切的问题，具有较强的现实意义。 城市轨道交通一般具有独立的路权，列车运行在相对封闭的空间，在理想 条件下列车能够在信号和控制系统的作用下保持有条不紊地行驶。然而，城市 轨道交通是一个由众多的固定设备和活动设备组成的动态、复杂的大系统，所 处的环境也在时刻发生变化，在日常运营中始终受到来自系统内部因素的制约 与外部因素的干扰。除自然灾害、恐怖袭击等所造成的灾难性事故外，由于客 流需求波动、技术设备故障、运行组织等原因，列车运行延误、运行中断形成 的“大间隔”运行紊乱现象也经常发生。事故与大间隔故障，重者造成人员伤 亡和巨大的经济损失，轻者将造成乘客滞留时间过长，扰乱出行秩序，给城市 生产和市民生活带来诸多不便。而且，由此类事故和故障所引起的列车运行延 4 第1 章绪论 误和运行秩序紊乱具有传播和扩散性，对整个城市轨道交通网络的运营管理造 成严重影响，也影响了城市轨道交通系统功能的发挥。运营可靠性研究正是在 考虑列车运行的上述特点的基础上，深入研究城市轨道交通网络中列车延误传 播及其影响，提出提高系统运营质量、减少运行延误影响的理论方法与措施。 进行城市轨道交通系统运营可靠性研究的重要性和意义主要体现在以下几 个方面： ( 1 ) 满足乘客高质量出行的需要 现代社会的时间价值不断提高，各项活动对交通系统的快捷性、运行准时 性等运输质量有着更高的期望，提高运营可靠性是运营企业当前面临的一个主 要任务。 ( 2 ) 具有较大的经济与社会效益 提高运营可靠性对保持城市轨道交通较强的竞争力是至关重要的，这正是 轨道交通比其它公共交通更具吸引力的一个主要因素。此外，轨道交通承担了 较大比重的客流，在整个城市交通系统中占据重要的地位，较小的轨道交通运 营可靠性提高，就会产生较大的经济与社会效益。 ( 3 ) 辩证地看待能力利用问题 运营可靠性包含了对系统能力稳定的要求，它要求辩证地看待能力利用问 题。一味追求高的系统能力利用，加剧了系统中列车间的运行干扰，系统稳定 性、可靠性等性能恶化，也使得系统实际可利用能力大大降低，与提高系统能 力利用的初衷背道而驰。 ( 4 ) 为运营管理提供决策上的支持 运营可靠性研究以城市轨道交通系统为研究对象，分析列车运行延误的发 生与传播规律，从理论上提出了延误抑制方法与措施，为城市轨道交通企业的 日常运营管理提供了决策上的支持，在制定措施时不再是盲目和纯经验的，提 高了决策的质量和水平。 1 2 国内外文献综述 国内外有大量文献研究了道路网与铁路网的可靠性问题，而专门针对城市 轨道交通网络研究其运营可靠性的文献较少。城市轨道交通在基础设施、车辆 设备、运输组织等方面与铁路系统相似，因此，城市轨道交通运营可靠性研究 第1 章绪论 可借鉴铁路系统已有的研究经验与成果。本节回顾国内外在列车运行延误、延 误传播规律、能力利用和可靠性提高方法等问题上的研究成果与进展。 1 2 1 国内研究综述 1 能力利用 我国长期面临着运输能力十分紧张的形势，在运输组织中十分强调最大限 度地发挥系统的运输能力，对运输质量的考虑较少，研究的重点也集中在系统 能力的计算确定、通过能力加强和挖掘运输潜力等方面【4 9 1 ，以实现合理安排运 输生产，满足不断增长的运输需求的目标，并取得了相当多的研究成果。然而， 运输系统是一个结构复杂、联系广泛、兼有连续性和离散性特点的随机受控系 统，由于受到各项作业本身的随机性特点，系统设备故障、运输需求波动以及 突发事件等外界因素的影响，在能力利用过程中产生了能力扣除和能力损失， 实际可利用的能力达不到计算的最大能力，系统实际可利用能力是动态变化的。 徐瑞华0 0 , n 根据对铁路运输系统及运输系统能力的特性分析，提出了铁路 运输能力利用中的无效能力的概念，分析了计划和执行两个层次的无效能力， 在安排计划和日常实际作业中，系统设备利用中出现中断和空闲、设备未被利 用或未被充分利用的那部分无效能力，在能力利用中无法避免。 对能力损失问题的研究，徐瑞华、胡安洲等【1 2 ，1 3 】运用动态系统理论建立了 系统车流状态平衡方程，分析了能力损失的含义及其表现形式，研究了能力损 失的产生原因、有关数量指标及其影响因素。能力损失是在实际作业组织中由 于受各种随机因素的影响，作业发生延误或中断造成计划没有完成、设备能力 被空费，计划有效能力向实际无效能力的转化的现象，并把能力损失的原因归 结为作业组织延误、设备故障和外界因素的影响。能力损失程度及恢复速度主 要与能力损失发生的前后时间段中的能力利用率有关，也即与各时间段中的计 划无效能力大小有关。为保证及时恢复损失能力，系统存在着合理的能力利用 率范围。片面追求系统能力利用水平，不仅导致系统实际可利用的能力达不到 所追求得的计算通过能力，还造成系统应对外界扰动的稳定性变差，恶化系统 运输性能和顾客服务质量。杨浩、郝国旗【1 4 , 1 5 】构造了由两个技术站和相邻区段 构成的系统模型，运用计算机仿真方法模拟从列车流的产生到消失的全过程， 研究系统能力损失的延迟时间、恢复时间与系统故障时间的相互关系，指出计 6 第1 章绪论 划无效能力有利于缩短系统故障的恢复时间，适当增大能力储备可以吸收或延 缓能力损失的传递，保证系统能力协调以及维持系统稳定工作。 运输系统能力中的计划无效能力也不全是无用的，有一部分无效能力是以 储备的形式存在的，这部分能力在能力利用中可以转化为实际有效能力。张星 臣、胡安洲【l6 】对储备的基本内含及基本特征进行了深刻的分析，储备能力是动 态的，具有时间上的向后延伸性、动态变化性以及空间上的转移和转化特征， 储备能力中的“存放能力”对运输系统的运行延误、作业中断具有抑制、延滞 作用，“通行能力对恢复作业中断具有加速疏解作用，为铁路运输系统储备能 力的更深入研究提供了基础。张星臣、杨浩等 1 7 , 1 8 基于列车运行方案综合撒点 或冗余铺画模型，建立了列车运行模拟实验系统，并根据典型实例对储备能力 不同分配模式的列车运行效果进行多方案的计算机模拟研究，指出线间冗余、 线群间冗余和车站撒点综合并存的方法是储备能力分配于运行图中的有效途 径，铁路运输系统储备能力的合理水平是动态的，它可依据不同的列车追踪间 隔和不同的行车组织方法而变化，冗余储备能力对抑制列车大晚点、缓解列车 运行延误状况起着重要作用。 从上述文献分析中可以看出，我国学者在能力利用研究过程中开始重视运 营质量问题，认识到不能一味片面地追求最大的能力利用。不再消极地看待系 统能力利用中“无效”能力，而是有意识地在运行计划中事先安排一定的“储 备能力，利用储备能力来保障运输系统稳定、可靠地运行。并提出了采用储 备能力来抑制运行延误的构想，初步研究了储备能力的分配问题，为合理利用 能力指出了一个新的方向。 2 延误传播与管理 运输系统中列车的运行过程不是自由的，始终受到运行计划控制和线网上 追踪运行的前后相邻列车运行状态的影响，前行延误列车可能造成后行列车延 误，形成延误的传播。为提高运输系统运营质量，需要研究列车延误传播规律， 对系统的延误进行控制。 胡思继、孙全欣等【1 9 】研究区段内各类运行列车组间第一层次和高层次列车 晚点传播过程及其传播规律，定义了列车后效晚点时间、必要列车运行图缓冲 时间和列车运行工作时间质量指标等概念，推导处了相应的理论计算公式，其 研究成果为进一步开展铁路运输服务质量问题研究提供了理论依据。徐瑞华、 胡安洲【2 0 】分析了铁路双线自动闭塞区段列车运行延误的传递性和延误传递过程 7 第1 章绪论 中的延迟性，运用计算机仿真方法研究运行延误所造成的通过能力损失及其对 后续列车的影响，给出了不同列车追踪间隔条件下，列车运行延误及其传递的 有关数量指标。研究指出缩短列车间隔，增加列车密度的同时，列车运行延误 传递及其所造成的通过能力损失也在增加，因此，在列车运行间隔中留置适当 的缓冲时间能有效地减少总运行延误，使有效通过能力得到真正的提高。杨肇 夏、胡安洲【2 l 】利用人工智能技术模拟调度人员的决策开发了列车晚点传播模拟 系统，分析了列车自身晚点和连带晚点的传播对列车运行线及运行图动态性能 的影响，并用“稳定时间”、“恶化时间和“总体性能”等指标反映系统动态 的总体性能。随着信号与控制技术的快速发展，移动自动闭塞技术在地铁、轻 轨等城市轨道交通系统中的得以应用，系统中追踪运行的列车间隔距离大大缩 短，系统行车密度得到提高。刘英、汪希时【2 2 】研究了移动自动闭塞条件下发生 列车区间运行延误时的系统性能，并通过计算机进行了定量研究，研究结果表 明移动闭塞具有较强的区间运行抗扰动能力，较大的区间缓冲距离有利于区间 列车运行性能的改善。孙焰、刘胤宏等【2 3 】通过对列车运行图结构的分析，推导 出了求列车运行图任意一点处晚点的概率公式，分析了晚点概率与缓冲时间之 间的关系，继而给出了求解缓冲时间合理分布的方法。 彭明鑫、吴云文等【2 4 , 2 5 , 2 6 】把列车延误( 晚点) 的原因归结为设备故障、运 行限速、运输组织、车站组织以及外部影响等众多因素，并提出了提高列车正 点的相应措施。马兴峰、徐瑞华【2 7 】针对轨道交通网络分析了列车运行延误产生、 延误分类和延误传播的一般特点及危害，提出对延误传播的敏感地点给予重点 关注。徐瑞华、徐浩掣2 8 】以上海轨道交通3 、4 号线为研究背景，分析了在一定 能力利用率及开行方案条件下，列车运行延误对城市轨道交通运输组织的影响， 提出了运输组织中应注意的问题。为了控制系统中的总延误，吴洋、汪月明等 皿即o 】建议采用“压赶结合 的方法实时调整列车间隔，减少列车间的运行干扰， 分散化解列车晚点危害，尽量避免由于列车停站时间意外延长所导致的出站晚 点、列车间隔异常，后续列车不均衡吸纳客流的现象。 线路等固定设施是列车运行的基础，在城市轨道交通中设置合理数量的折 返线、存车线等辅助线设施对提高系统运营的灵活性，减少车辆设备故障对系 统的不良影响，加速系统恢复正常运营状态都具有重要作用。李英【3 l 】分析了城 市轨道交通折返线的各种布置形式，考虑了各种折返方式对能力的影响以及对 减少列车运行延误的作用。徐立引3 2 】分析了上海市现有4 条轨道交通运营线路 8 第1 章绪论 停车线的设置情况，并对停车线的合理设置提出了建议。谢小星p 3 】结合广州地 铁列车救援时的行车组织、救援程序及时间，对影响停车线距离的正线中断允 许时间、列车救援时间、救援事件发生的频率进行了分析，提出停车线之间的 间隔设置应综合考虑各方面因素，从行车、服务、投资等方面作出比较，选出 符合自身情况的停车线设置要求。 综合上述延误传播与管理的文献分析，我国的学者研究了线路区间上延误 传播的一些规律，如延误的传递性和延误传播的延迟性、不同的列车追踪间隔 对列车运行延误的影响，提出了在计划的列车运行间隔中预留一些缓冲时间来 抑制延误的方法。在延误管理方面，把列车延误的原因归结为设备故障、运行 限速、运输组织以及外部影响等因素，提出了实时调整列车间隔的运行调整措 施来减少延误影响。此外，在合理设置折返线、停车线等辅助线设施减少列车 延误方面也作了有益的尝试。 1 2 2 国外研究综述 西方国家铁路运输能力相对富裕，运输市场较早地引入了竞争机制，运输 企业对运输质量比较重视。因此，国外学者对列车运行延误、运输生产过程中 各种随机扰动对通过能力的影响以及运输组织的可靠性问题研究较多。 对于列车延误的原因，l a n g a s 和m a r t l a n dcd 阱】对客货运输数据的分析 表明，在运输的每个阶段都存在随机扰动因素，系统各项作业时间波动、列车 运行延误普遍存在，难以完全避免。g i a n n o p o u l o sg “”】对列车运行延误进行 了统计分析，把列车延误原因归结为线路限速、牵引故障和系统作业三大类。 这三类延误因素的出现各具特点，造成的延误影响大小也有很大区别。l e e c h i k 锄9 3 6 】认为导致列车延误的因素有三十多种，线路、车站、列车及车辆、 通信信号、供电、环控设施、售检票以及防灾监控报警设备等设施都可能是导 致列车延误的因素。除了上述对列车延误的因果关系的定性分析，也存在延误 与干扰因素的定量分析。h a r r i s 了7 】利用多元线性回归最小方差法定量地分析了英 国和荷兰铁路上干扰因素对准时性指标的影响，这些干扰因素包括列车长度、 停站数、本次运行已完成里程、牵引设备的年限以及线路的能力利用率。n i l so eo l s s o n 和h a n sh a u g l a n d 3 8 】分析了乘客数、能力利用率、限速和旋工等因素对 列车运行准时性的影响。这些定量分析得益于运营数据的积累。 9 第1 章绪论 对于列车运行延误及延误传播规律的研究，日本学者运用计算机模拟方法 对新干线列车运行延误和恢复策略进行了研斜3 9 删。y u t a k ah a s e g a w a 等【4 l 】把单 一列车种类、运行间隔均匀的列车群看作“流 ，利用波的特性研究事故状态下 列车的运行规律，计算了系统总延误时间。c h e nb 和h a r k e rpt 【4 2 】运用概率论 的方法研究单线铁路运行时刻表的可靠性，定义了延误概率函数，列车的实际 出发时间不再是固定不变的，并用非线性系统求解了列车平均延误时间。c a r e y 和k w i e c 泌妊【4 3 j 研究了列车追踪间隔与“连带延误”之间的关系，在单向线路 上两车站之间不具备列车越行条件，延误列车就会造成后行列车“连带延误”， 列车追踪间隔越小，发生连带延误的可能性越大，列车延误时间将更长。h i g g i n s a 和l f e r r e i r a 等】对延误进行了细分，把延误区分为车站延误、线路延误和列 车延误，建立了区段、列车以及整个运行图运行延误的分析模型。f e r r e i r al 和 h i g g i n sa 1 4 5 1 研究了以旅行时间最短和到达时间可靠性最大为目标的时刻表优 化问题，以时刻表的延误作为时刻表优化的一个评价指标，而衡量列车延误的 模型可用于研究改变列车频率、不同的线路与车站投资政策以及列车技术改造 对列车到达时间可靠性的影响。 计算机技术的快速发展使得列车运行过程计算机仿真成为研究铁路等复杂 系统的有效途径。k a a sah 4 6 利用仿真软件u x - s i m u 和丹麦铁路列车运行历 史数据分析了系统中列车的延误情况。f i r p op 和s a v i os 4 1 7 】使用p e t r i 网络模型 和计算机仿真方法，建立了具有线路、牵引、制动、信号约束条件的列车运动 方程，提出了研究列车延误的一种新的方法。n e w ih 和c e r b et 等【4 8 】利用仿真 方法研究了系统发生故障时系统中列车运行延误变化过程。l e ec h k t 3 6 】针对区 间运行时间、停站时间随机分布的单线列车，研究了运行延误的时间、空间分 布特证。c a r e ym 和c a r v i l l es t 4 9 j 建立了繁忙车站的仿真模型，对典型初始延误 下的连带延误在车站的分布规律进行了分析，该模型用于研究初始延误分布的 变化对系统准时性、可靠性的影响。y u a nj 和h a n s e nia 【5 0 】提出随机延误传播 模型，按照到达晚点时间分布、额外停站时间分布预测出发时间延误。c a r e y m 【5 1 】 研究了网络受到随机干扰后的性能，提出了以最大化为目标的评价函数，并设 计了模型的求解算法。m i c h a e l l 5 2 采用了“游戏理论 两个敌对方相互破坏对方 成果的方法，研究了交通网路系统的可靠性。另外，m a t t e o 5 3 】和w hc h e n gl u n g t 划 对航班延误的研究方法与结论对轨道交通系统的延误和可靠性研究也具有很好 的借鉴意义。 1 0 第1 章绪论 在运行延误影响方面，前苏联学者格伦托夫【5 5 】运用系统可靠性理论和方法， 研究了不同追踪间隔时间条件下列车运行时分偏离对通过能力的影响。c a r e y l 4 3 还研究了出行时间、到达时间和出发时问随机变化对系统可靠性及出行费用的 影响。s m a l lka 等【5 6 j 分析了行程时间延误对旅客出行费用的影响，b l a c kig 和t o w r i s sjg 1 57 j 研究了行程时间可靠性对需求的影响。h a r r i s ng 和b r u c ej 等 人【5 8 】研究了伦敦地铁设备故障期准时性下降造成的损失。 在抑制延误传播方面，德国铁路通过在运行图上预留缓冲时间，以保持良 好的列车运行秩序以充分利用线路通过能力【5 9 】。j e f f c a s e l l o 等唧】研究采用调整 列车停站时间以减少由于轨道交通列车到达晚点引起的车站客流波动，避免前 后列车成组运行，抑制列车延误传播。s m i t hme 【6 1 6 2 】研究了列车运行延误分析 方法，开发了先进铁路电子系统( a l 也s ) 实现实时规划系统，保证列车按时刻 表运行，减少运行延误。g o v e r d e 【