基于网络的城市轨道交通运输能力瓶颈问题研究

1、基于网络的城市轨道交通运输能力瓶颈问题研究 硕士学位论文 基于网络的城市轨道交通运输能力瓶颈问题研究 of on Bottleneck CarryingCapacity Study Network UrbanRailTransit 皇妍妍 导师：周磊山教授 北京交通大学 2011年6月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说

2、明 学位论文作者签名：塑岔千，妍 导师签 签字日期： 2011年占月f7日 签字日期 J - 中图分类号：U23192 学校代码：10004 UDC：629 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 基于网络的城市轨道交通运输能力瓶颈问题研究 on Bottleneckof StudyCarryingCapacity Network UrbanRailTransit 作者姓名：皇妍妍 学 号：09121413 导师姓名：周磊山 职 称：教授 博导 学位类别：工学 学位级别：硕士 学科专业：交通运输规划与管理 研究方向：运输组织现代化 北京交通大学 201 1年6月 - 致谢 本论文是在我的导师周

3、磊山教授的严格要求和悉心指导下完成的，在此衷心 I 感谢周老师两年来对我的关心和指导! 两年的时光很短暂，但是周老师的谆谆教诲我始终铭记在心。他渊博的学识、 严谨的学风、诲人不倦的师者风范、精益求精的工作作风、乐观豁达的生活态度， 特别是一丝不苟、刻苦钻研的科研精神时刻感染着我、激励着我，是我学习的榜 样。在论文的选题、框架及撰写期间，周老师都给予了悉心的指导，使我开阔了 思路，明确了方向，保证了论文的顺利完成。我每一次进步都凝聚着导师的心血， 我永远都不会忘记导师对我学业上的指导和生活上的帮助。谨在此对周老师表示 衷心的感谢和崇高的敬意! 感谢乐逸祥副教授给我提出的宝贵建议，使我的论文更加完

4、善，在此向他表 示感谢。此外，乐老师在事业上的奋斗精神和严谨的治学作风也是我学习的榜样。 感谢周艳芳师姐在我撰写论文期间提出了的宝贵建议，使我的论文进一步完 善。 感谢宋光明师兄、成浩然师兄、周妍师姐、周艳芳师姐、房霄红师姐、王婉 莹师姐、李彬师姐、唐金金师兄、夏明师兄、孙琦师兄在学习中对我的指导，使 我尽快的适应了研究生的生活，让我在学习中有了进步。 感谢秦蕾、贾玉芬、鲍陈希同学在生活中的关心和照顾，在学习中，我们互 相监督，共同进步，让我感受到了同窗的情谊。 感谢交通运输规划与管理硕士092班同学在两年来对我生活和学习中的帮助， 特别感谢我的好友郑维凤同学对我的生活中的关心和帮助，给我的研

5、究生生活添 加了很多欢乐的元素。感谢我的好友施跃同学、王廷选同学对我论文的校对工作 投入了极大热情。 感谢实验室的师弟师妹们给我带来的最美好的时光，让我感受到了大家庭的 温暖。 最后，我还要感谢我的父母和弟弟，他们的理解和支持以及在生活中无微不 至的关心照顾，使我顺利完成了研究生阶段的学习。 I 摘要：随着城市轨道交通网络化进程的不断推进，在网络效应和票价的双重刺激 下，城市轨道交通的客流记录不断的在刷新，客流在急剧增加的同时，城市轨道 交通相关设施或设备也暴露了与之不相适应的各种问题，特别是运输能力和客流 不协调的运输能力瓶颈问题日益凸显。目前，我国一些大城市的轨道交通网络已 经初步形成，对

6、运输能力瓶颈问题的解决要求也越来越紧迫。然而，国内外关于 城市轨道交通运输能力瓶颈问题的研究尚无系统的成果。本文就是在此背景下， 对城市轨道交通运输能力瓶颈问题展开了系统的研究，具有一定的前瞻性和理论 价值。 针对我国城市轨道交通网络化的发展现状，本文在充分借鉴国内外先进经验 的基础上，对运输能力瓶颈问题展开了一系列的相关研究。 1 分析了城市轨道交通网络化运营的特征和网络系统的构成，以及成网条件 下运输能力概念体系；提出了运输能力瓶颈的定义，在此基础上，对瓶颈进行分 类和对瓶颈的特性研究，为后面的研究提供了必要的准备。 2 分别介绍了城市轨道交通不同粒度下车站集散能力和不同闭塞方式下线 路输

7、送能力的计算方法，以此作为研究运输能力瓶颈的基础。 3 分别对静态瓶颈和动态瓶颈进行了研究，在静态瓶颈的分析中，提出了基 于约束理论的静态瓶颈的定位和排序方法；在对动态瓶颈分析中，首先对城市轨 道交通网进行客流分配，在此基础上，瓶颈进行识别，并按照专家打分或根据紧 迫程度对其进行排序。 4 在上述理论的基础上，分析了静态瓶颈和动态瓶颈产生的原因，提出了相 对应的消解瓶颈的运输组织对策和设备改造对策，并介绍了改造方案选择的原则 和最佳改造时机的确定方法。 5 本文以R城市轨道交通为背景，就运输能力瓶颈进行了算例分析，对本文 提出的静态瓶颈和动态瓶颈的识别、排序方法和疏解对策进行了验证。 关键词：

8、城市轨道交通；运输能力；瓶颈；客流分配 分类号：U23192 ABSTRACT AB STRACT ABSTRACT：Inthe of ofChinaurbanmasstransit processrapid developing network， recordis refreshinthedouble passengerconstantly stimulationofnetworkeffectand the ofticketAtthesame andfacilitiesofurbantransithave time，the price equipments shownissues withs

9、uch a thecontradictionbetweenthe incompatiblegrowth，especially and hasarisen railtransitnetworkhas passenger capacity graduallyAtpresent,urban formationinsome the bottleneck cities，and preliminarily large solvingcapacity moreandmore isnot becomes valuableresearchabout urgentHowever,thereany at and b

10、ottleneckhomeabroadThisthesisisestablishedbasedonthis capacity tobea proved background，whichprospectivestudy Basedonthe ofurbantransitnetworkandtheadvanced developmentreality at and home takesaseriesofrelatedresearchon abroad，this experience paper capacity bottleneck Firstof thefeaturesofurbantransi

11、tnetwork all，this analyzes paper operation, andthestructureofrail forwardtherelative transit，puts integrated conceptcarrying bottleneckofurbanrailtransit lassificationandcharacteristicsof capacity network，the the the oftheresearchon bottleneck bottleneck,which laysway capacity and methodsofstationco

12、llectionand Secondly,thetheorycumulating in as the different wellas line indifferentblock capacity granularity carryingcapacity arediscussed isconsideredasthefoundationthe on way respectively,which of study bottleneck capacity staticbottleneckand are bottleneckstudiedThis Thirdly,the dynamic paperpu

13、ts forwardthestaticbottleneck and methodbasedon of positioning theory sorting constraintsThebottleneck is onthe dynamic basisof positioningproposed passenger flow orderisdeterminedwith or assignmentTheir erpertsystem urgency reasonswhich bottleneckand Then，thispaperanalyzes causedstatic dynamic bott

14、leneck forwardthe torelieve separately,andputs countermeasures corresponding and ofmain bottleneck，includingtransportorganizationreformingequipmentThe ofselectivereconstructionandthemethodof thebesttimeto pricipe establishing reformarealso presented modelsandmethods aboveare toRurbanrailtransit Fina

15、lly，the applied network， ABSTRACT 一_一 toacertainextent the inthis isuseful result that andthe proves theory paper rail flow KEYWORDS：Urbantransit；Carrying assignment CLASSNO：U23192 目录 目录 中文摘要v ABSTRACTvii 3 1绪论1 11选题背景及研究意义1 111选题背景1 112研究意义2 12国内外研究现状2 13研究内容4 2城市轨道交通运输能力及瓶颈的概念体系架构一7 21基于网络的城市轨道交通系

16、统分析7 211城市轨道交通网络化运营的特征7 212城市轨道交通网络系统的构成9 22运输能力概述ll 221不成网条件下运输能力概述1l 222成网条件下运输能力概述11 23城市轨道交通运输能力瓶颈12 231瓶颈的概念12 232瓶颈的分类：12 233瓶颈的特性13 3城市轨道交通运输能力计算15 31车站集散能力的计算15 311车站客流组织流程15 312车站集散能力的概念17 313车站各设备能力计算19 314换乘能力的计算23 315车站集散能力计算25 32线路输送能力的计算25 321线路通过能力的计算25 322追踪列车间隔时间的计算25 323折返能力计算。33 北

17、京交通大学硕七学位论文 324线路最终通过能力34 325线路输送能力计算34 4运输能力瓶颈的定位与排序37 41瓶颈的表现形式37 42静态瓶颈的定位37 421原理与方法37 422静态瓶颈的定位模型38 43动态瓶颈的识别与排序38 431城市轨道交通网络化客流的分配。39 432动态瓶颈的识别一49 433瓶颈的排序方法49 5瓶颈形成的原因分析及消解方案研究51 51瓶颈形成的原因分析一51 52动态瓶颈的疏解对策分析k52 521线路瓶颈的疏解方案。52 522折返站疏解方案54 523车站瓶颈的疏解方案。56 53最佳改造时机的确定。58 6算例61 61静态瓶颈61 611静

18、态能力的计算62 612静态瓶颈的识别68 62动态瓶颈一68 621动态能力计算。68 622网络客流分配73 623动态瓶颈的识别。79 624动态瓶颈形成原因80 625动态瓶颈的疏解方案82 7总结与展望85 71论文的主要工作和创新点。85 72进一步研究的内容。85 参考文献87 作者简历9l 独创性声明93 目录 学位论文数据集95 1绪论 11选题背景及研究意义 111选题背景 近年来，伴随着我国城市化进程的加快，城市区域的逐渐扩大，城市人口的迅速增 长，城市的交通出行量有了大幅度增长。交通出行量的大幅度增长迫切要求人口密集的 大、中型城市发展以城市轨道交通为主干地位的公共交通

19、模式，使城市的大量交通出行 和交通拥堵问题得到有效的解决。在寸土寸金的今天，城市轨道交通以其安全、舒适、 大容量、快速、便捷、准点等特点，成为了城市居民出行首选公共交通方式，也一跃成 为我国城市综合交通体系中的骨干力量。 自1969年，我国第一条地铁线路在北京建成，上海、天津、广州等城市就开始进 行了地铁的积极筹建工作，但是由于当时的社会和经济条件，并没有取得实质性的进展。 进入21世纪以后，我国把城市轨道交通列入了国民经济第十个五年计划发展纲要，把 城市轨道交通作为解决大城市交通拥挤，改善城市工作、生活和投资环境，促进城市可 持续发展的手段和途径。目前，我国的城市轨道交通已经进入了快速发展时

20、期，北京、 上海、广州等城市的轨道交通路网已经初具规模，网络化特征也日益凸显。到2015年， 北京将实现“三环、四横、五纵、八放射”的线网规划格局，预计客流量将达到1000 万人次，承载的客流比例也将由原来的20提高到50；到2012年，上海也将形成“四 纵三横的城市轨道交通网络，运营总里程也将超过500km。除此之外，重庆、南京、 杭州、成都、无锡等城市都加入到地铁建设的行列之中。“十二五期间，我国将进一 步扩大地铁建设的规模，我国城市轨道交通进入了网络化发展的新时代。 随着城市轨道交通路网的不断形成、路网规模的不断扩大和路网结构的不断升级， 对网络化环境下的资源共享、集中指挥、智能化管理等

21、提出了更高的要求。要实现全网 范围内的“资源共享，综合利用，就必须准确计算出运输能力、评估既有路网运输能 力极限和查找出既有路网的运输能力约束，解决路网能力瓶颈识别和消解的问题，从而 实现路网整体优势出发的“点、线、网的动态能力协调配置，以有效解决由于运能紧 张及能力利用不合理而导致的运输效率不高的问题，从而更好地发挥城市轨道交通网络 系统整体能力和综合效益。 北京交通大学硕士学位论文 112研究意义 随着我国城市轨道交通网络化进程的加速，在网络效应和惠民票价的双重刺激下， 城市轨道交通的客流记录不断的被刷新，在客流急剧增加的同时，也暴露了城市轨道交 通相关设施或设备与之不相适应的各种问题，如

22、运输能力和客流不协调的运输能力瓶颈 问题。 长期以来，对城市轨道交通运输能力的研究，主要集中在单线条件下线路输送能力 的研究，但是基于网络的城市轨道交通运输能力瓶颈的研究很少。瓶颈问题是一个全新 的研究领域，探索性很强，同时它也是运输能力合理利用和加强的前提，也是城市轨道 交通运输规划与管理工作的重要的指标，对该问题的研究具有如下理论和现实意义： 1 在大规模的城市轨道交通网络还没有形成以前，对运输能力瓶颈问题进行研 究具有相当的前瞻性，能更好地发挥城市轨道交通的效益。 2 运输能力瓶颈理论的研究将为瓶颈的识别和瓶颈的缓解提供一定的方法，具 有一定的理论价值。 3 为设施设备的更新、既有线的改

23、造和以后新线的设计提供决策参考，具有一 定的参考价值。 4 为城市轨道交通的运输组织提供较为优化的运输方案，提高既有设备设施的 能力利用率，提升成网条件下路网的整体运行效率，确定合理的能力配置方案和客流疏 解方案，以充分发挥路网运营效率。 12国内外研究现状 1 城市轨道交通运输能力研究现状 目前，关于运输能力的研究很多，也取得了不少成果，但是从整体上看，以往的研 究主要是针对铁路运输生产过程的。对于城市轨道交通运输能力的研究，主要是围绕城 市轨道线路输送能力展开的，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。其方法主要则是沿

24、 用了铁路运输能力的计算方法：图解法、分析计算法和计算机仿真法。由于仿真系统的 特性，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城市轨道交通线路输送能力的热点和趋势。 对于车站集散能力的研究很少，主要的方法主要有：仿真计算法和解析计算法。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， 2 1绪论 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，但是该方法没有考虑乘 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

25、发展，微观建模仿真方法是 目前最成熟也是最热门的方法，其中最为著名的是Helbing的“社会力模型嘲】和 著名的是格子气模型，日本学者Masakuni 较多70-741。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。 由于城市轨道交通的运输过程和铁路的运输过程具有差异性，铁路运输能力的相关 理论和方法在给城市轨道交通运输能力提供借鉴的同时，并不能完全适用于城市轨道交 通系统。随着城市轨道交通大规模兴建，线路逐渐成网，轨道交通运输能力的研究重点 必将从线路转向路网，然而以往的研究皆以简单线路为背景，成网条件下运输能力的概 念体系和计算评价方法至今仍未建立起来。 2 城

26、市轨道交通运输能力瓶颈研究现状 国内外关于瓶颈的研究主要是集中在城市道路上，目前对于城市轨道网络运输能力 瓶颈问题的研究较少，这是由我国的轨道交通发展情况决定的。国外研究现状综述如下：“ and ofServiceManual 美国交通研究委员会 TRB 发布的 Transit Quality Capacity 法，它首先明确了运输服务水平的概念、等级及内容，并采用服务水平的概念 LoS 来评价运输服务质量；定义并分析了在不同服务水平下城市轨道交通能力 线路能力、 乘客能力 的影响因素和计算方法。 德国汉诺威大学开发了铁路仿真系统Railsys，该系统能够在给定路网结构、信号系 统制式、列车运

27、行参数、列车运行图和列车运行调整策略下进行列车运行过程仿真。该 系统的重点在于评估列车运行图的稳定性，此外，通过该系统也能够在一定程度上分析 得出路网通过能力的利用情况，但无法处理城市轨道交通中地铁、轻轨运营组织与能力 计算问题，也缺乏对车站设备设施能力、折返能力、客流集散能力的评估。 行过程仿真，能够在信号系统和列车行驶时间表的限制条件下模拟列车运行。 荷兰的SIMON系统用于路网和基础设施布局对运输能力的评价，并且能通过仿真 得出运力资源配置的薄弱环节，评价列车运行方案的鲁棒性。 英国已成功应用PLATO系统服务于伦敦市郊运输市场，该系统不仅将运力资源的 配置与运输方案协调配合，而且对运力

28、资源配置与乘客服务质量之间的关系作了较深入 的研究。 加拿大国家铁路公司开发的RAILSTM系统，是一个用于评价线路理论能力与实际 能力的模拟工具，并能进行方案比选。 北京交通大学硕士学位论文 西班牙瓦伦西亚理工大学开发的MOM系统能够实现铁路时刻表优化 离线、在线 、 能力分析、鲁棒性分析等功能，该系统重点在于对列车时刻表的分析、优化和计算铁路 基础设施的理论能力、饱和能力及实际能力，但是缺少对路网能力的计算的研究。 美国Goldratt学者在1984年提出了约束理论 TOCTheory 该思想源于“优化是一个不断改进的过程”和“局部最优不是全局最优的系统观点， 它将系统资源分为两类：非瓶颈

29、资源和瓶颈资源，并分别研究其特性特征，以达到系统 最优效益的方、法【。 国内针对成网条件下城市轨道交通运输能力计算及瓶颈的系统很少，没有比较成熟 的可以应用的系统，并且由于国内乘客特性、服务水平、运营模式等与国外均不相同， 国外已有系统也无法直接应用到我国。 综上所述，国内外都缺少对城市轨道交通网运输能力和运输能力瓶颈问题的系统研 究，为了充分发挥城市轨道交通网的运输能力，提高路网整体的服务水平，有必要对运 输能力瓶颈的问题进行深入分析和研究。 13研究内容 本文从研究城市轨道交通运输能力和瓶颈的概念体系出发，对城市轨道交通运输能 力进行系统分析，提出了运输能力瓶颈的识别与排序方法，并在此基础

30、上提出了消解瓶 颈的措施，最后以R城市轨道交通进行了实证分析。 本文共分为七章，具体内容如下： 第一章：绪论。阐述了论文选题的背景和研究意义，对国内外城市轨道交通运输能 力及运输能力瓶颈问题的研究现状进行了总结分析，提出了城市轨道交通运输能力瓶颈 问题研究的重要意义和必要性。 第二章：城市轨道交通运输能力和瓶颈的概念体系架构。分析了城市轨道网络涵盖 的要素、网络化运营的特征、成网条件下运输能力的表述和瓶颈的概念、分类及特性。 第三章：城市轨道交通运输能力计算。分别介绍了城市轨道交通车站集散能力、线 路输送能力和折返能力的计算方法。 第四章：运输能力瓶颈的定位与排序。分别介绍了城市轨道交通运输能

31、力的静态瓶 颈和动态瓶颈的识别方法，并按照一定的原则对瓶颈进行排序。 第五章：瓶颈形成的原因分析及消解方案研究。分析了瓶颈形成的原因，在此基础 了讨论了瓶颈消解的运输组织方法和设备改造方法。 第六章：R市轨道交通运输能力瓶颈进行实例分析。根据前文所叙述的理论及现有 的统计资料，重点分析了R市轨道交通运输能力瓶颈，并提出了瓶颈消解的方案。 4 -_-_-_-_l_-_-_-_-_一 一 !l垒一 第七章：总结与展望。总结本文的研究内容及研究成果，并对进一步的研究进行了 展望。 本文的主要的框架结构如图卜l所示： 背 介绍 理骱上隰基 础 核心 结论 图1-I论文框架结构 2城市轨道交通运输能力及

32、瓶颈的概念体系架构 2城市轨道交通运输能力及瓶颈的概念体系架构 21基于网络的城市轨道交通系统分析 211城市轨道交通网络化运营的特征 随着城市轨道交通网络化进程的推进，运营管理也将逐步由单线独立运营转向多 线综合运营管理的方向发展，从而形成城市轨道交通网络化运营的新局面。网络化运营 条件下，城市轨道交通呈现出了很多的特点，如一票换乘、网络结构和规模的复杂化、 行车组织方式多样化等。 1 乘客出行一票换乘 网络化运营条件下的城市轨道交通系统，应该以网络最优为基础，实现资源共享为 手段，以服务乘客为目标，提高整个网络系统的效率和服务质量。在城市轨道交通网络 中，各条线路之间形成了很多的换乘节点，

33、为了更好的方便乘客出行，提高网络的运输 效率，各条线路间的“一票换乘”模式是网络化运营的必然趋势和要求。目前，上海、 北京等各地的城市轨道交通都采用的是自动售检票系统，以实现一票换乘，即乘客将可 凭借一张车票跨越多条线路到达目的地，换乘时无需再次购票。 2 网络结构和规模复杂化 城市轨道交通的网络形态布局一般应符合城市布局的特点，线路功能的定位主要是 围绕城市发展的要求，体现交通服务和引导城市发展的模式。城市轨道交通线路按照承 担的客流规模和服务功能定位，可以分为市域级快速线、市区级地铁和市区级轻轨等； 换乘车站一般比较集中在城区的交通枢纽、城市副中心、重要的商业街区等比较大型的 客流集散地，

34、是城市轨道交通输送客流的重要环节。从上述的这些特征来看，无论是规 模上还是结构上，我国的城市轨道交通网络都显得十分的复杂【2】。如图21所示，是我 国北京市轨道交通网络2015年规划图。 7 北京交通大学硕士学位论文 同，再加 多样化和 3号线和 2城市轨道交通返输能力及瓶颈的概念体系架构 212城市轨道交通网络系统的构成 城市轨道交通系统是由活动设备 车辆 与各种固定设备 线路、车站、车辆基地、 控制系统、供电与环控设备等 所组成的复杂系统。 1 线路 1 线路的种类 按照线路在运营中的作用，城市轨道交通的线路可以分为正线、车场线和辅助线三 类【甜。 。正线是指行驶载客列车的线路，连接两个车

35、站并贯穿车站或者是从区间深入的线 路。 车场线是指在车辆段内进行车辆清洗、列检、编组、停放、检修和调试等作业的线 路，有洗车线、列检线、检修线、停车线和牵出线等【4】。 辅助线一般情况下不载客行车，是停放列车的线路，是车站内进行列车通过、折返、 到发作业的线路，列车进出段的线路，以及将路网中的不同线路连接起来的线路 4J。 2 线路的主要技术标准【3】 城市轨道交通正线和辅助线的主要的技术标准如表21所示，按照远期的高峰小时 单向运输能力，大运量城市轨道交通通常采用的是A型车或B型车，中运量的城市轨 道交通一般采用的是L型车或是C型车。 表2-1正线与辅助线的主要技术标准131 Table2?lMaintechn