客運專線列車開行方案評價研究

高衛東，賈元華，張亮亮,姬亞鵬

(北京交通大學交通運輸學院，北京　100044)

?

客運專線列車開行方案評價研究

高衛東，賈元華，張亮亮,姬亞鵬

(北京交通大學交通運輸學院，北京100044)

摘要：客運專線列車開行方案評價是鐵路運營收益的保障，也是列車開行方案優化的基礎。本文在對客運專線列車開行方案評價指標進行系統分析的基礎之上，從運營管理者和旅客兩個角度，依托經濟、技術、安全和服務四個維度，綜合構建客運專線列車開行方案評價指標體系。采用主成分分析法和灰色評價法組合模型對列車開行方案進行整體評價，并列舉實例,驗證了所構建的評價指標體系的正確性以及評價方法的可行性。整個評價指標體系及結果對于鐵路實際的運輸生產具有一定的現實指導意義。

關鍵詞：客運專線；列車開行方案；主成分分析；灰色評價

旅客列車開行方案作為編制列車時刻表和運行圖的基礎，在很大程度上體現了運輸產品的質量和結構，同時也反映了鐵路旅客運輸的經營策略和服務水平。合理的開行方案能夠提高鐵路運輸企業的經營效果和運輸效益，體現鐵路旅客運輸的市場競爭力。建立旅客列車開行方案評價指標體系，對列車開行方案的經濟和服務效果進行評價，不僅可以用來評價列車開行方案的優劣，而且可以作為優化開行方案的依據。

國內外學者對列車開行方案評價指標體系早有研究。鄧連波等[1]在考慮鐵路和旅客的經濟利益與服務水平的基礎上，建立了列車開行方案的經濟指標和服務指標，以此來構建旅客列車開行方案的評價指標體系；譚政紅[2]從安全性、快速性、準時性、經濟性、便捷性和舒適性六個方面著手，建立了以旅客服務特性為指標的客運專線列車開行方案的評價指標體系，并量化了評價指標；陶思宇[3]從鐵路運營經濟效益角度出發，綜合構建了鐵路旅客列車開行方案經濟效益評價指標體系，并引入矩陣分析法對鐵路旅客列車開行方案進行經濟效益評價；楊曉[4]從鐵路企業效益最大、直達運輸最大及列車虛糜最小為目標，建立了旅客列車開行方案的多目標規劃模型，同時研究了確定列車運行區段和O-D流量的處理方法；Ghoseiri 等[5]建立了多目標規劃模型求解旅客列車開行方案問題，該模型以燃料成本最小和旅行時間最小化為目標，適用于包含多個不同能力車站的單條線路或多條線路，模型的求解分兩步，首先利用ε約束法確定鐵路企業和旅客利益的平衡點，然后以獲得的平衡點為基礎，利用一種基于距離的方法實現多目標優化。

對于列車開行方案評價方法的研究，張玉召等[6]在對列車開行方案評價指標體系影響指標進行分析歸并的基礎之上，采用DEA方法對旅客列車開行方案進行分析和評價；宇海龍[7]提出在能力限制條件下，以綜合效益最大化為運營目標，建立了適用于事前和事后評價的列車開行方案評價指標體系，并分別采用模糊綜合、模糊層次-主成分分析法進行評價；史峰等[8]將列車開行方案與旅客換乘方案結合起來，以客流在鐵路換乘網絡上的分配作為下層規劃，建立旅客列車開行方案優化的雙層規劃模型，并設計了以模擬退火算法為基礎的旅客列車開行方案優化算法；張蕭蕭[9]分別建立了基于開行方案編制流程和基于開行方案產品性能的評價指標體系，在此基礎上，針對單方案個體指標，采用聚類分析法對指標體系進行簡化，再采用主成分分析法進行綜合評價，針對多方案總體指標，提出了兼顧主客觀權重系數的AHP-DEA綜合評價法進行整體評價； Claessens 等[10]在給定路網結構、客流分布條件下，通過與荷蘭現行的以最大直達旅客人數為目標的開行方案的相比較，以列車運行成本作為開行方案費用最小為目標，優化內容為開行列車的起訖點、頻率和列車長度(編成輛數)。

綜上所述，對于旅客列車開行方案評價研究問題，國內外的專家和學者均已進行了廣泛的探索和研究，但還是存在很多不足的地方，表現在以下三個方面：(1)在評價指標體系研究方面，目前對開行方案評價研究主要集中在運輸企業經濟效益方面，雖然有部分學者提出了旅客滿意度概念，但是如何將經營者和旅客的利益結合起來綜合考慮，建立完備的開行方案評價指標體系的研究比較少。(2)在評價對象研究方面，目前關于旅客列車開行方案評價的研究主要有兩類：一類是注重單列旅客列車開行效果的經濟效益評價；另一類注重開行方案整體開行效果的綜合效益評價。隨著客運專線的大量修建，客運專線在鐵路旅客運輸方面所發揮的作用日益明顯，但是針對客運專線旅客列車開行方案相關研究還比較少。(3)在評價方法選取方面，現有研究方法大多采用單一評價方法，這造成有些評價方法主觀性明顯，缺乏評價的相對客觀性。

基于此，本文在前人研究的基礎之上，從鐵路運輸企業和旅客兩個角度，綜合構建了客運專線列車開行方案評價指標體系，采用主成分分析法和灰色評價法組合評價模型，對所構建的客運專線列車開行方案評價指標體系進行評價研究。

1評價指標體系的建立

客運專線列車開行方案是一項復雜的系統工程，其方案評價是列車開行方案優化的基礎，本文從旅客開行方案和客流換乘方案兩個部分，綜合考慮鐵路企業和旅客的相關需求和特性，從經濟、技術、安全和服務四個維度，綜合構建客運專線列車開行方案評價指標體系。

經濟指標不僅代表運營者的經濟利益，同時也代表了旅客的消費利益。經濟利益主要體現在運營者對開行動車組的成本、收益的考慮，即動車組總運營成本和動車組總運營收益兩項指標。消費利益主要體現在旅客對出行費用和旅行時間的考慮，即旅客車票花銷和旅客旅行時間兩項指標。

技術指標主要是指從運營商角度開行旅客列車應有的最基本的技術支持，目的是保證旅客列車的開行以及滿足不同層次旅客多樣化的出行需求。為了使構建的評價指標更具說服力，技術指標分為動車組平均旅行速度、平均技術速度、車底周轉時間和開行間隔時間四項指標。

安全指標主要是以動車組事故率和旅客傷亡人數來定量描述的，鐵路始終把安全作為運營生產的第一要務，同時旅客出行也把安全作為首要選擇。

服務指標綜合考慮旅客的出行需求，是從旅客角度來評價列車開行方案和鐵路服務質量。鐵路現今正逐步地走入市場，要以市場需求為導向，采取“按流開車”的原則，所以服務指標是列車開行方案評價指標體系必須考慮的因素。服務指標分為動車組舒適度、旅客購票乘車便捷度、旅客平均中轉換乘時間以及旅客平均擁擠程度。

綜合以上對經濟、技術、安全和服務四個維度的分析，從評價指標體系構建的合理性、客觀性和可評價性原則出發，構建評價指標體系如圖1所示。

圖1　客運專線列車開行方案評價指標體系Fig.1　Evaluation index system of passenger dedicated train operation scheme

2主成分分析與灰色評價模型組合評價法

主成分分析(principal component analysis, PCA)也稱主分量分析或矩陣數據分析，通過變量變換的方法把相關的變量變為若干不相關的綜合指標變量，從而實現對數據的降維，使得問題得以簡化[11]。

灰色綜合評價法是從信息的非完備性出發研究和處理復雜系統的理論，是通過對系統某一層次的觀測資料加以數學處理，達到在更高層次上了解系統內部的變化趨勢、相互關系等機制的目的[12]。

由于本文所選取的評價指標有很多都難以量化，或者難以找到基礎數據，所以結合主成分分析法可以提取數據主要成分以實現對數據降維，同時根據灰色評價模型可以對模糊系統進行評價、減少評價的主觀性這一特性，論文采用主成分分析與灰色評價模型組合評價法，該方法集成兩種評價方法的優點，減少專家打分的主觀性，達到對客運專線列車開行方案的客觀評價。主成分分析與灰色評價模型組合評價法評價步驟如下：

(1)根據評價對象的評分值xij構造評價樣本矩陣X，并對樣本矩陣X進行標準化變換得標準化矩陣[13]

(1)

(2)計算標準化矩陣Z的樣本相關系數矩陣R和R矩陣的特征值λm

(2)

解得m個特征值λ1≥λ2≥…≥λp≥0。

(3)確定t的值，使信息的利用率達到85%以上

(3)

(4)

式中，F1,F2,…,Ft為分析后得到的t個主成分；uij為決策矩陣中的系數。

(5)綜合權重的確定

(5)

其中，a1,a2,…，aL即指標ω1,ω2,…,ωL在主成分中的綜合重要度，且ζ=λ1+λ2+…+λt。

(6)確定評價灰類。根據評價樣本矩陣X確定評價灰類(灰類序號為e)，其相應的灰數和白權化函數fe(dijk)，同時計算灰色評價系數、灰色評價權向量和權矩陣。得到灰色評價權矩陣Ri為

(6)

(7)根據灰色評價矩陣，計算灰色評價模型評價值，Ti=Ri*CT，其中，CT為各評價等級值化向量。

(8)最終綜合評價

(7)

其中，ωi為主成分分析法求得的權重。

3實例應用

根據前文所構建的客運專線列車開行方案評價指標體系，以及所介紹的主成分分析與灰色評價模型組合評價法，這里選取哈大客運專線一年四季的列車開行方案作為研究實例，樣本評價矩陣采用1～10的評分法，即優秀：[7.5,10);良好：[5，7.5)；一般：[2.5，5)；差：[0，2.5)。聘請相關領域專家進行打分，應用主成分分析與灰色評價模型組合評價法理論，利用MATLAB軟件進行求解，得到結果見表1。

表1　綜合評價表

根據綜合評分值的計算步驟(6)～(8)，得到如圖2所示的最終計算結果。

圖2　綜合評價結果Fig.2　Comprehensive evaluation results

根據圖2結果，哈大客運專線春季列車開行方案評價值較低，為良好水平。主要是春季受春節及開學學生客流的影響，造成鐵路運力資源緊張，旅客購票便捷程度、列車開行間隔時間以及旅客中轉換乘時間都要受到大批旅客流的影響，旅客的主觀因素會造成對列車開行方案評價值較低。此外，也側面反映出相關鐵路運營部門對春節客流的調整應付能力還不夠，在繁忙季節鐵路動車組的舒適性以及服務質量還有待提高，鐵路相關部門可以采取縮短列車發車間隔時間或者增開臨客來滿足剩余的旅客需求，并且要根據客流變化采取“按流開車”的原則組織編制列車開行方案。

哈大客運專線夏季列車開行方案綜合評分值為優秀，夏季哈大客運專線采取300 km/h的最高運營時速，滿足了出行旅客對列車運行速度的需求，緩解了既有線鐵路及高速公路運力緊張的局面。夏季客流主要是旅游客流，表現為到大連中轉換乘的客流比較多，動車組運輸能力還有一定的剩余，相關運營部門可以采取延長列車發車間隔時間的措施來避免運能浪費。車站及列車服務質量能很好地令旅客滿意，同時能夠滿足不同出行者多樣化的出行需求，旅客對夏季的列車開行方案評分值整體上評價優秀。

哈大客運專線列車開行方案整體上秋季比夏季和冬季要低，這一時期主要受學生開學客流及十一黃金周客流變化的影響。限于時間成本的考慮，上學及十一黃金周出行客流對時間要求很高，為了節約旅行時間，旅客會選擇動車組出行，這導致鐵路客流在短期內劇增。而鐵路應對這種短期內劇增客流的能力還有待加強，相應配套服務水平還有待提高。由于有些旅客沒有購到票，或者在乘車的過程中自身的旅行效益沒有得到有效的滿足，所以在這一季節，哈大客運專線列車開行方案綜合評價值略低。

冬季的哈大客運專線列車開行方案，評價值受到的主要影響因素是由于受嚴寒氣候及線路條件的制約，列車最高運營時速降為200 km/h，增加了旅客旅行時間支出，導致部分旅客會選擇其他種類的列車或者交通運輸方式出行，這會導致鐵路相應的客流量下降。鐵路應采取增加行車間隔的方法來調整列車開行方案，因為動車組在應對極端天氣以及安全性方面具有足夠的競爭優勢，所以在冬季鐵路部門應該藉此努力發展潛在的市場客流，合理組織運營。

整體來說，哈大客運專線列車開行方案總體上評價良好，但是會受到季節和節假日的影響。主要是節假日客流的波動情況比較大，鐵路相關運營管理部門應該充分抓住客流的這種季節性變化，調查客流需求，采取“按流開車”的原則組織生產。鐵路可以增開臨客或者縮短列車發車間隔時間來滿足不同旅客多層次的出行需求；另外，鐵路運營部門要提高自己的服務水平，開通便捷的旅客購票途徑，提高車站周圍相關的換乘交通設施的便捷性。

4結論

本文采用主成分分析與灰色評價模型組合評價法對哈大客運專線列車開行方案進行了評價，不僅消除了在使用主成分分析法時部分定性指標難以定量化的問題，增加了評價結果的客觀性，同時用主成分分析法確定綜合權重作為灰色評價模型的初始權重，減少了灰色評價模型評價的灰色性，表明該評價方法適用于客運專線列車開行方案評價研究。但是，該方法針對綜合權重的確定還是依賴于專家打分，這將造成評價結果的主觀性因素較大，如何提高組合評價模型評價的客觀性，以及如何繼續構建完善的評價指標體系，將是下一步研究的主要內容。

參考文獻：

[1]鄧連波, 史峰.旅客列車開行方案評價指標體系[J].中國鐵道科學, 2006, 27(3): 106-110.

[2]譚政紅.基于旅客服務特性的客運專線旅客列車開行方案研究[D].成都:西南交通大學, 2013.

[3]陶思宇.鐵路旅客列車開行方案經濟效益評價研究及其計算機實現[D].南昌:華東交通大學, 2006.

[4]楊曉.客運專線旅客列車開行方案研究[D].北京:北京交通大學, 2008.

[5] GHOSEIRI K, SZIDAROVSZKY F, ASGHARPOUR M J.A multi-objective train scheduling model and solution[J].Transportation Research Part B:Methodological,2004, 38(10):927-952.

[6]張玉召, 張紅偉.旅客列車開行方案的DEA分析與評價[J].蘭州交通大學學報, 2008, 27(6): 83-85.

[7]宇海龍.旅客列車開行方案評價研究[D].北京:北京交通大學, 2009.

[8]史峰, 鄧連波, 霍亮.旅客列車開行方案的雙層規劃模型和算法[J].中國鐵道科學, 2007, 28(3): 110-116.

[9]張蕭蕭.高速鐵路旅客列車開行方案評價方法及系統開發[D].北京:北京交通大學, 2011.

[10] CLAESSENS M T, van DIJk N M, ZWANEVELD P J.Cost optimal allocation of rail passenger lines[J].European Journal of Operational Research, 1998，110 (3):474-489.

[11]傅榮林.主成分綜合評價模型的探討[J].系統工程理論與實踐, 2001 (11): 68-74.

[12]段然, 安艷玲.多層次灰色綜合評價法在企業清潔生產方案研選中的應用[J].環境科學與管理, 2012, 37(8): 183-188.

[13]韓小孩, 張耀輝, 孫福軍,等.基于主成分分析的指標權重確定方法[J].四川兵工學報, 2012, 33(10): 124-126.

【交通運輸】

Evaluation of operation scheme for passenger dedicated line train

GAO Wei-dong，JIA Yuan-hua，ZHANG Liang-liang，JI Ya-peng

(School of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Abstract∶Evaluation of operation scheme for passenger dedicated line is the guarantee for railway operation revenue, and also the basis for train operation scheme optimization.We comprehensively construct it from operators and passengers and four dimensions (economy, technology, safety and service) based on its analysis.We further employ a principal component analysis and grey evaluation hybrid model to totally evaluate train operation scheme.We verify the correctness of the evaluation index system and its feasibility with practical cases.The evaluation index system and results will practically guide railway transportation.

Key words∶passenger dedicated line; operation scheme of passenger train; principal component analysis; grey evaluation method

中圖分類號：U292.4

文獻標識碼：A

文章編號：1002-4026(2015)04-0052-06

作者簡介：高衛東(1992-)，男，碩士研究生，研究方向為交通運輸規劃與管理。Email:14120824@bjtu.edu.cn

收稿日期：2015-04-13

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2015.04.010 10.3976/j.issn.1002-4026.2015.04.011