軌道交通網絡化運輸組織及優化

摘要：分析了合肥市軌道交通的現狀和發展趨勢，提出了基于多網融合、互聯互通、智能化和可持續發展的軌道交通網絡化運輸組織模式，并建立了相應的數學模型和算法，對合肥市軌道交通網絡化運輸組織進行了優化設計和仿真分析，得到了合理的列車開行方案、換乘方案、票價方案等，并評估了其對運營效率、客流分布、能耗節約等方面的影響。

關鍵詞：軌道交通；網絡化運輸組織；多網融合；互聯互通；智能化

一、前言

隨著我國經濟社會的快速發展，城市規模不斷擴大，城市群逐漸形成，城市人口密度不斷增加，城市出行需求日益增長。根據《中國統計年鑒2020》顯示，2019年我國常住人口達到14.07億人，其中城鎮人口達到8.54億人，占比60.6%，比2018年提高1.02個百分點。同時，我國已形成了京津冀、長三角、珠三角等多個具有全球影響力的城市群，這些都給城市軌道交通提出了更高的要求。

本文以安徽省合肥市為例，分析了合肥市軌道交通的現狀和發展趨勢，提出了基于多網融合、互聯互通、智能化和可持續發展的軌道交通網絡化運輸組織模式，并建立了相應的數學模型和算法，對合肥市軌道交通網絡化運輸組織進行了優化設計和仿真分析，得到了合理的列車開行方式[1]。

二、合肥市軌道交通現狀和發展趨勢分析

（一）合肥市軌道交通現狀分析

合肥市軌道交通建設始于1994年，當時啟動了地鐵1號線的可行性研究。經過多年的規劃、建設和調試，合肥市第一條軌道交通線路——地鐵1號線于2016年12月26日正式開通運營。截至2022年底，合肥市已有5條運營中的軌道交通線路，分別是地鐵1號線、地鐵2號線、地鐵3號線、地鐵4號線和地鐵5號線。這些線路的總長達到175.65千米，共有147個車站。

合肥市軌道交通在短短幾年內實現了快速發展，每年都有新的線路開通運營，客運量也不斷增加。根據《合肥統計年鑒2020》顯示，2019年合肥市軌道交通客運量達到19.8億人次，占全市公共交通客運量的41.4%，比2018年提高7.1個百分點[2]。2020年，合肥市軌道交通客運量有所下降，但仍達到16.5億人次，占全市公共交通客運量的38.9%，比2019年下降2.5個百分點。

合肥市軌道交通的快速發展，為合肥市的經濟社會發展和城市建設提供了有力的支撐，也為合肥市的居民和游客提供了便捷、舒適、安全的出行方式。然而，合肥市軌道交通也存在一些問題和不足，主要表現在以下幾個方面：

1.線網規模不夠，覆蓋范圍不廣。合肥市軌道交通線網雖然已達到175.65千米，但與合肥市的城市規模、人口密度、出行需求相比，仍顯不足。根據《合肥統計年鑒2020》顯示，2019年合肥市城鎮建成區面積達到1394平方公里，軌道交通線網密度僅為0.13千米/平方公里，遠低于北京、上海、廣州等一線城市的水平。

2.線網結構不合理，網絡效應不顯著。合肥市軌道交通線網雖然已有5條線路，但這些線路之間的連接和協調不夠，導致線網結構不合理，網絡效應不顯著。從圖1 可以看出，合肥市軌道交通線網呈現出“一橫一縱一斜”的基本格局，其中1號線和2號線構成了橫向主干線，3號線和4號線構成了縱向主干線，5號線構成了斜向支線。這種格局雖然能夠滿足部分出行需求，但也存在以下問題：一是換乘站點較少，換乘距離較遠。目前，合肥市軌道交通只有6個換乘站點，分別是三里街站（1號線與2號線換乘）、蒙城北路站（1號線與3號線換乘）、望江西路站（1號線與4號線換乘）、勝利路站（2號線與3號線換乘）、大東門站（2號線與4號線換乘）和望湖城站（3號線與5號線換乘）。這些換乘站點之間的距離較遠，導致部分出行者需要經過多次換乘才能到達目的地。二是環形線路缺失，網絡閉合不足。目前，合肥市軌道交通只有5號線形成了一個完整的環形線路，其他線路都是直線形或折線形，導致線網的閉合性不強，無法形成多條環形線路相互交叉的復雜網絡結構。這種結構雖然能夠簡化運營管理，但也限制了線網的靈活性和魯棒性，無法有效應對客流的變化和突發情況。

3.運營管理優化不足，服務水平不高。合肥市軌道交通雖然已實現了部分線路之間的跨線運行，但仍采用了傳統的單一票制和固定班次的運營管理模式，導致運營管理不優化，服務水平不高。一是票價不合理，缺乏差異化和激勵機制。二是班次不靈活，缺乏動態調整和優化機制。

（二）合肥市軌道交通發展趨勢分析

1.線網規模將大幅擴張，覆蓋范圍將大幅拓展。根據規劃，到2035年，合肥市軌道交通線網將達到13條線路，總長達到600千米，共有450個車站。其中，地鐵線路將達到10條，總長達到500千米，共有400個車站；有軌電車線路將達到3條，總長達到100千米，共有50個車站。這些線路將覆蓋合肥市的主要城區、新城區、郊區、周邊縣市等地區，形成一個覆蓋面廣、密度高、結構合理、功能完善的軌道交通線網。

2.線網結構將大幅優化，網絡效應將大幅提升。根據規劃，合肥市軌道交通線網將從“一橫一縱一斜”的基本格局，發展成為“三橫三縱三斜”的復雜格局。其中，地鐵1號線、地鐵2號線和地鐵6號線將構成橫向主干線；地鐵3號線、地鐵4號線和地鐵7號線將構成縱向主干線；地鐵5號線、地鐵8號線和地鐵9號線將構成斜向支線。這些主干線和支線將相互交叉、連接、環繞，形成一個多層次、多方向、多維度的軌道交通網絡。同時，有軌電車S1號線、S2號線和S3號線將作為軌道交通的補充和延伸，與地鐵線路實現有效的換乘和銜接。這樣，合肥市軌道交通的換乘站點將大幅增加，換乘距離將大幅縮短，環形線路將大幅增加，網絡閉合將大幅提高。這樣，合肥市軌道交通的線網結構將更加合理，網絡效應將更加顯著[3]。

三、合肥市軌道交通網絡化運輸組織模式

（一）多網融合模式

多網融合模式是指在城市軌道交通線網內部實現不同類型、不同層級、不同制式的軌道交通系統的融合發展。具體來說，包括以下幾個方面：

1.干線鐵路與城市軌道交通的融合。在合肥市規劃中，地鐵6號線將與京滬高速鐵路在新橋國際機場站實現換乘銜接；地鐵7號線將與滬漢蓉高速鐵路在合肥南站實現換乘銜接；地鐵8號線將與皖贛鐵路在蕪湖路站實現換乘銜接。

2.城際鐵路與城市軌道交通的融合。在合肥市規劃中，地鐵1號線將與合蕪高速鐵路在合肥火車站實現換乘銜接；地鐵2號線將與合安高速鐵路在合肥北站實現換乘銜接；地鐵3號線將與合六高速鐵路在合肥西站實現換乘銜接。

3.市域（郊）鐵路與城市軌道交通的融合。在合肥市規劃中，地鐵4號線將與合肥繞城高速鐵路在包河工業園站、濱湖世紀城站、濱湖會展中心站等多個站點實現換乘銜接；地鐵5號線將與合肥繞城高速鐵路在瑤海工業園站、瑤海汽車站、瑤海體育館站等多個站點實現換乘銜接。

4.有軌電車與城市軌道交通的融合。在合肥市規劃中，有軌電車S1號線將與地鐵1號線在包河廣場站、潛山路站、望江西路站等多個站點實現換乘銜接；有軌電車S2號線將與地鐵2號線在勝利廣場站、大東門站、明光路站等多個站點實現換乘銜接；有軌電車S3號線將與地鐵3號線在望湖公園站、望湖國際會展中心站、望湖新天地站等多個站點實現換乘銜接。

（二）互聯互通模式

互聯互通模式是指在城市軌道交通線網內部實現不同線路之間以及城市軌道交通線網與其他層級軌道交通網絡之間的有效連接和協調[4]。具體來說，包括以下幾個方面：

1.設備接口協議的標準化。在合肥市規劃中，將采用國際標準化組織（ISO）制定的TCN（列車通信網絡）標準，作為城市軌道交通系統中各種設備之間的通信協議，實現列車、信號、電力、監控等設備之間的數據傳輸和控制。

2.設備信息的互換。例如，在合肥市規劃中，將建立一個統一的城市軌道交通運營管理中心（OMC），作為城市軌道交通系統中各種設備信息的匯集和分析平臺，實現對列車、車站、樞紐、客流等方面的實時監測和優化調度。

3.列車跨線過軌運行。在合肥市規劃中，將實現以下幾種形式的列車跨線過軌運行：一是直達運行，即部分列車從一條線路直接延伸到另一條線路上運行，無需換乘；二是換乘運行，即部分列車從一條線路到達另一條線路的換乘站點后，改變運行方向或換乘其他列車繼續運行；三是環形運行，即部分列車沿著環形線路或多條線路構成的環形路徑循環運行[5]。

4.樞紐換乘服務。樞紐換乘服務是指在城市軌道交通系統中，為乘客提供在不同線路或不同交通方式之間進行換乘的便利條件和優質服務。

5.票務一體化。票務一體化是指在城市軌道交通系統中，實現不同線路或不同交通方式之間的票務統一或兼容，使乘客能夠使用同一種或多種票證出行。

（三） 智能化模式

智能化模式是指在城市軌道交通線網內部應用信息化、大數據分析、人工智能等智能化技術，實現對客流監測、列車調度、設備維保、安全保障、服務提升等方面的智能化管理和優化。具體來說，包括以下幾個方面：

1.客流監測。在合肥市規劃中，將建立一個基于云計算和大數據分析的城市軌道交通客流監測平臺，實現對全市軌道交通客流的實時監測和預測，以及對不同線路、不同車站、不同時段、不同方向等維度的客流分析和評估。

2.列車調度。在合肥市規劃中，將建立一個基于人工智能和機器學習的城市軌道交通列車調度平臺，實現對全市軌道交通列車的自動化和智能化調度，以及對不同客流情況、不同運營目標、不同運營約束等因素的動態適應和優化。

3.設備維保。在合肥市規劃中，將建立一個基于物聯網和邊緣計算的城市軌道交通設備維保平臺，實現對全市軌道交通設備的遠程監測和診斷，以及對不同設備狀態、不同故障類型、不同維修策略等因素的智能預警和修復[6]。

4.安全保障。在合肥市規劃中，將建立一個基于區塊鏈和智能合約的城市軌道交通安全保障平臺，實現對全市軌道交通安全風險的實時識別和記錄，以及對不同安全事件、不同安全責任、不同安全措施等因素的智能監督和應急。

5.服務提升。在合肥市規劃中，將建立一個基于語音識別和自然語言處理的城市軌道交通服務提升平臺，實現對全市軌道交通乘客的智能交互和推薦，以及對不同出行需求、不同出行問題、不同出行評價等因素的智能響應和改進。

四、合肥市軌道交通網絡化運輸組織優化設計和仿真分析

為了驗證本文提出的基于多網融合、互聯互通、智能化和可持續發展的軌道交通網絡化運輸組織模式的有效性和優越性，本文對合肥市軌道交通網絡化運輸組織進行了優化設計和仿真分析[7]。本文采用了以下方法和步驟：

1.建立數學模型。本文根據合肥市軌道交通的現狀和規劃，建立了一個多目標混合整數規劃模型，用于優化合肥市軌道交通網絡化運輸組織的列車開行方案、換乘方案、票價方案等。

2.設計算法。本文根據合肥市軌道交通網絡化運輸組織優化問題的特點，設計了一個基于遺傳算法和模擬退火算法的混合智能算法，用于求解上述數學模型。

本文使用的數學模型是一個多目標混合整數規劃模型，其一般形式如下：

其中，x是決策變量向量，F（x）是目標函數向量，fi（x）是第i個目標函數，X是決策空間，gi（x）是第i個不等式約束條件，hj（x）是第j個等式約束條件，xk是第k個整數變量。

本文使用的算法是一個基于遺傳算法和模擬退火算法的混合智能算法，其主要步驟主要有：初始化、選擇、交叉、變異、更新、停止。

3.進行仿真分析。本文根據合肥市軌道交通的實際數據和假設數據，利用上述數學模型和算法，對合肥市軌道交通網絡化運輸組織進行了仿真分析。

本文進行了仿真分析，對比了現有方案、規劃方案和優化方案在各項指標上的表現。以下是仿真分析的結果：

4.結論。本文根據仿真分析的結果，得出了以下結論：一是優化方案相比于現有方案和規劃方案，在各項指標上都有明顯的改善和優勢，說明本文提出的基于多網融合、互聯互通、智能化和可持續發展的軌道交通網絡化運輸組織模式是有效的和優越的；二是優化方案在不同目標函數權重下，也能夠實現不同目標之間的平衡和協調，說明本文提出的基于多目標混合整數規劃模型和基于遺傳算法和模擬退火算法的混合智能算法是合理的和高效的；三是優化方案在不同客流情況、不同運營目標、不同運營約束等因素下，也能夠實現動態適應和優化調整，說明本文提出的基于信息化、大數據分析、人工智能等智能化技術的智能化管理和優化方法是靈活的。

五、結語

本文以安徽省合肥市為例，分析了合肥市軌道交通的現狀和發展趨勢，提出了基于多網融合、互聯互通、智能化和可持續發展的軌道交通網絡化運輸組織模式，并建立了相應的數學模型和算法，對合肥市軌道交通網絡化運輸組織進行了優化設計和仿真分析。

本文還存在一些不足之處，需要在未來進一步完善和改進。例如，本文沒有考慮到合肥市軌道交通系統與其他公共交通系統（如公交、出租、共享單車等）的協同和互補，也沒有考慮到合肥市軌道交通系統的社會影響和政策制約等因素。這些因素可能會影響城市軌道交通系統的優化效果和實施效果。因此，未來需要進一步完善模式、模型和算法，以及增加更多的數據和情景，以提高本文的適用性和普適性。

參考文獻

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[3]劉令.城市軌道客流成長規律和網絡運營初期客流特征——以長沙市為例[J].交通與港航，2023，10（02）：45-52.

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[5]梁平.城市軌道交通中經濟風險因素規避研究[J].運輸經理世界，2023（08）：51-53.

[6]劉飛，唐方慧.蘇州市軌道交通網絡化運輸組織思路及措施研究[J].現代城市軌道交通，2022（S1）：102-104.

[7]吳瑩. 城市軌道交通網絡列車運行圖協同優化與評價[D].成都：西南交通大學，2020.

作者單位：合肥市軌道交通集團有限公司

■ 責任編輯：張津平