關于城市軌道交通時刻表智能編制方案的優化研究

陳 如

（北京城建智控科技股份有限公司，北京100000）

引言

隨著城市軌道交通行業的發展和運營組織能力的提升，城市軌道交通運營對離線時刻表編圖軟件的要求也不斷提高，越來越多的運營商期望離線時刻表編圖軟件能盡可能減少人工操作的次數、降低操作的復雜度，最大程度上實現時刻表智能編制功能[3]。然而現有市場存在的幾種離線時刻表編圖軟件，雖然在一定程度上能實現離線時刻表編圖的功能，但是操作比較繁瑣，效率不高，不能達到用戶對離線時刻表編圖軟件的功能和性能要求[4]。因此，優化改善離線時刻表編圖軟件的智能編制能便是提升軟件品質的必要手段。本文將以簡化軟件操作流程和提高軟件性能為目的，以運輸能力與不同時段客流量相匹配為原則，從離線時刻表智能編制的設計方案和運算技巧上進行優化研究[5]。

1 問題描述

1.1 研究背景

為了節約資源、降低城市軌道交通公司的運營成本，需要合理安排列車的開行方案，通過對工作日、節假日不同時間內乘客出行客流量的統計分析，得出響應的數據參數，并通過增加或減少在運營高峰期、平峰期和低峰期的列車開行對數的方式，來降低運營成本，提高公司效益[3]。

現有時刻表編制軟件大體可分為兩類：

（1）一類軟件是分列車編制。通過先編輯一列列車的時刻表，然后復制得出其他列車的時刻表信息，這類時刻表編制軟件對于等間隔單一交路的時刻表編制來說，比較方便；但是對于存在高低峰不同發車間隔的時刻表編制來講，需要再根據不同發車間隔要求對列車時刻表信息進行逐一調整，雖然能夠通過復雜的操作來完成高低峰時刻表的編制，但是對于操作用戶來講，可操作性性很差，編制一張不同發車間隔的時刻表，至少需要一周的時間才完成。

（2）另外一類軟件是分時段編制。根據運營高峰期、平峰期和低峰期的分別編制，先編制一個時段的時刻表，經過人工調整滿足該時段的列車的發車間隔后再編制下一時段的時刻表，如此類推，最終完成高低峰時刻表的編制。這一類軟件比上述類型軟件在操作性和效率上有了很大的提高，能夠將編制時間縮短到兩天左右，但是同樣需要大量的人工操作。

以上兩個時刻表編制軟件在編制存在不同發車間隔比較復雜時刻表，都需要大量的人工操作，效率不高，因此時刻表編制智能化程度的提高有利于降低用戶的工作強度和難度、提高的工作效率，更加便捷的編制出合理滿足運營要求的時刻表。

1.2 基本假設及設計思路

一般情況下，城市軌道交通線路多采用單一交路運營模式，并以最大斷面客流作為確定發車頻率的計算依據，運營公司將根據不同時段客流量制定出相應不同的時刻表以滿足運輸能力的要求。

根據實際調研數據，做出不同時間段客流量的統計分析圖，大致分為工作日客流量數據分布圖和雙休日客流量數據分布圖。工作日客流量數據分析圖如圖1 所示，客流量的高峰期主要在7：00～9：30 和16：30～19：30 這兩個時段。雙休日及節假日客流量數據分布圖如圖2 所示，客流量高峰期主要在9：30～20：00 這個時段。

圖1 工作日客流量分布圖

圖2 雙休日客流量分布圖

1.2.1 基本假設

根據對不同時段客流量的調查分析，本文提出以下假設：

（1）乘客到達車站后乘坐第一趟沿途列車，不考慮乘客滯留情形。

（2）開行列車采用相同編組的列車。

（3）不考慮現場作業影響，所有開行列車旅行速度相同。

1.2.2 設計思路

根據實際調研的客流量數據分布圖，實現時刻表智能編制功能，本文提出以下計思路：

（1）根據列車運行速度能力和停站時間要求，設置運行周期。

（2）根據不同時段客流量分布圖，將時刻表分成不同的時段。

（3）根據所分不同時段的客流量和運輸能力給出相應合理的開車列車數量或發車間隔以及出入庫位置和出入庫數量的必要參數。

（4）智能編制時刻表時，根據不同時段相關的參數先分段計算時刻表上行班次數據和下行班次數據，并在客流量轉峰時段按照規則實現數據的平滑過渡。

（5）將所有時段的上、下行班次數據按規則連接組合形成不同列車的行車軌跡。

（6）將計算得出的時刻表數據以折線形式鋪圖形成完整的運行圖。

2 構建模型

本文中主要以如何能更加智能、快速、高效地編制出合理的時刻表為研究目的，構建以下數據模型，用于系統的智能計算。

2.1 列車運行周期

列車運行周期是指列車從到達首站開門停站時間開始，到列車途經各個站臺的運行時間、停站時間以及兩端折返時間的時間總和，是時刻表智能編制的一項重要基礎數據。

考慮到乘客的出行成本和運營公司的運營成本以及列車運行旅行速度的能力，用戶可在系統中自行定義列車比較合理的運行時間標尺和停站時間標尺。不同的運行時間標尺和停站時間標尺組成不同的列車運行周期。

假設列車在區間的運行時間為Ti，列車在站臺的停站時間為Tj，列車在折返1 段的折返時間為T1，列車在折返2 段的折返時間為T2，交路共有n 站，那么列車的運行周期T 的計算結果如下：

2.2 列車發車間隔和發車數量

列車發車間隔是指下趟列車的發車時間與當前列車發車時間的時間間隔。

列車發車數量是指在某時段內在線運營列車的數量。

考慮到運營成本和客流量的因素，在客流高峰期采用減小發車間隔，增加發車數量；在客流平峰期或低峰期采用增大發車間隔，減少發車數量的設計方案可以減少資源的浪費。

列車發車間隔和發車數量在同一時段內有相互依賴關系，當把列車運行周期作為數據常量時，列車的發車間隔和發車數量可由設置任意一個數值計算出另外一個數值。設列車的發車數量為m，列車的發車間隔為Tf，那么二者與列車運行周期T 的關系如下：

3 計算方法

本文模型為時刻表智能編制的基礎參數，計算思路是將設置的參數代入到計算公式中進行分段計算。下面將以工作日數據為研究主體對時刻表智能編制計算方法和步驟進行詳細的闡述。

假設工作日運營時間為6：00～23：00，客流高峰期主要在7：00～9：30 和16：30～19：30 這兩個時段，其他時段為客流平峰期。計算過程主要分以下幾步：

（1）將時刻表按客流量分成五個時段，如表1 所示。

表1 時刻表時段劃分表

（2）選擇交路、運行時間標尺、停站時間標尺、折返時間以確定列車運行周期。

（3）按時段設置發車間隔或發車數量，根據時段范圍，確定每趟列車的發車時間，以6：00～7：00 時段為例，設發車間隔為8 分鐘，運行周期為160 分鐘，那么代入公式可計算出該時段內的發車數量為20 列，采用列車平均對開方式發車原則，則在該時段內每趟上下行列車的發車時間可以確定，設第n 趟列車的發車時間為Tn，并且Tn須小于等于7：00，那么Tn計算方法如下：

當n=1 時，T1=6：00；

當n=2 時，T2=6：08；

…

其他時段均可按照此類方法依次計算出相應時段內每趟列車的發車時間。

（4）根據客流量轉峰數據的設計原則，調整過渡期的發車時間。原則1：轉峰時發車間隔不能大于最大發車間隔，且不能小于最下發車間隔；原則2：盡量調整后一時段內前期列車的發車時間。

以6：00～7：00 時段向7：00～9：30 時段轉峰的數據調整為例，按照上一步的數據，得出6：00～7：00 時段內滿足發車間隔要求的最后一班列車的發車時間是6：56，設7：00～9：30 的發車間隔為6 分鐘，那么7：00～9：30 時段內的發車時間如下：

7：00，7：06，7：12，7：18，7：24 …

根據上述原則1 的要求，舍棄7：00 發車班次，利用后續一個班次的時間進行均勻調整，發現調整結果不滿足原則1 要求，則利用后續兩個班次的時間進行均勻調整，正好滿足原則1 要求，調整后7：00～9：30 時段內的發車時間如下：

7：04，7：12，7：18，7：24 …

這里需要說明的是，如果利用后續兩個班次的時間進行均勻調整依然不能滿足原則1 的要求，則再利用后續三個班次的時間進行均勻調整，依次類推。

（5）將所有時段內的上下行班次發車時間都確定好以后，根據所選列車運行時間標尺和停站時間標尺依次計算出每趟列車在各個站點的到離站時間數據。

（6）根據折返規則，將上行班次數據和下行班次數據進行連接合并，形成環路，最終生成一個完成的時刻表。

4 結論

本文以城市軌道交通單一運營交路為研究對象，從實際調研的客流量分布數據中提取相關數據參數，并通過數據分析和研究，得出以下結論：

（1）根據工作日、雙休日以及不同時段客流量設置不同的開行列車數量和發車間隔，在滿足乘客出行需求的前提下，節約運營成本，提高企業效益。

（2）通過優化時刻表編制算法，提高了時刻表編制軟件的智能化程度，用戶只需要輸入時段、開行列車數量或發車間隔等幾個重要參數后，能夠通過系統后臺的智能計算，生成一個比較合理的時刻表。該設計方案很大程度上降低軟件的操作復雜度、減少了大量的人工操作，大大提高了時刻表的編制效率。經測試編制同一張存在高低峰不同發車間隔的時刻表，采用時刻表智能編制功能，可以將工作時間縮短到1個小時左右。