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网络交通模型


研究生课程(论文类)试卷
2 014 /2 015 学年第 二 学期 课程名称: 课程代码: 论文题目: 学生姓名: 专业﹑学号: 学院: 网络交通模型 13000296 轨道交通网络客流分布研究综述 潘之健 交通运输工程 管理学院 142540881

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任课教师签字: 日期: 年 月 日

课程(论文)题目:轨道交通网络客流分布研究综述 内容:
1、引言
近年来,随着改革开放政策的贯彻执行以及经济建设世纪目标的实现,我国的经济 得到了迅速的发展,城市化进程逐步加快,城市人口急剧上升,经济的良好发展使得人 们出行、 物资交流频繁, 城市的交通面临着严峻的形势。 由于轨道交通与其他交通相比, 具有运量大、速度快、安全、准时、环保等特点,目前正在被越来越多的采用在大中城 市以缓解交通压力。 现阶段,我国轨道交通建设进入了一个高速发展的时期,国内轨道交通建设速度之 快、建设规模之大是国内外前所未有的。公开资料显示,我国城市轨道交通投资已达 1.23 万亿元,2012 年完成 1896 亿元,建成 337 公里地铁。2013 年投资 2200 亿元,将 建成 290 公里。全国已批准修建城市轨道交通的 35 个城市,线路里程合计 5720 公里。 2013 年末,中国累计有 19 个城市建成投运城轨线路 87 条,运营里程 2539 公里。 2013 年实际新增 2 个运营城市、16 条运营线路、395 公里运营里程。在 2539 公里运营 里程中,地铁 2074 公里,占总里程的 81.7%;轻轨 192 公里,占总里程的 7.6%;单轨 75 公里,占总里程的 3.0%;现代有轨电车 100 公里,占总里程的 3.9%;磁浮交通 30 公里,占总里程的 1.2%;市域快轨 67 公里,占总里程的 2.6%。 截止 2013 年底,中国共有 36 座城市获准修建城市轨道交通线路,其中 19 座城市 的 85 条线路已经开通运营,总里程达 2509.52 公里。根据《 “十二五”综合交通运输体 系规划》 ,到 2015 年,全国城市轨道建设里程将达到 3000 公里。随着行政审批权及开 放民间投入资金,城市轨道交通将出现建设潮,年均增长里程在 500 公里左右。结合当 前各地城市轨道交通建设现状,预计到 2020 年,全国城市轨道运营里程将达到 6000 公 里,在轨道交通方面的投资将达 3-4 万亿元。 据行业内估算, 到"十二五"末, 全国城轨运营总里程将达到 3000 公里, 到 2020 年, 运营总里程将达到 6000-7000 公里。 由于城市轨道交通网络的逐步形成,轨道交通运营将由单线转为网络运营,单线运 营的客流分布将会随着线网的形成呈现新的特点,引起线网的客流分布随之变化,新线

接入及网络的复杂化使得乘客在轨道交通网络中的出现路径选择具有更加明显的多样 性。同时,在新线接入、运营异常等情况下,整个网络客流分布也将随之发生相应的变 化。因此,准确、合理地预测和确定网络化运营条件下的客运需求、客流性质、时空分 布特点及规律,并获得轨道交通相应的线路、断面、车站等客流分配比例的数据,对于 提高运输组织水平和客运服务水平、制定列车运行计划、进行合理的运能配置和运营成 本控制具有极大的作用。

2、国内外研究现状
2.1 国内研究现状
⑴轨道交通网络运营与管理 以上海城市轨道交通网络为背景, 周淮等专家对网络化运营管理的相关问题做了综 合分析,顾伟华等专家分析了轨道交通网络化的技术特征,围绕管理体系和技术体系提 出了网络化建设的具体解决方案。 朱沪生等专家提出了以网络整体最优, 实现资源共享、 高服务水平为目标进行网络化建设。在运营组织和管理方面,国内的研究主要集中在单 线运营组织方面。王印富、雷志厚等学者对城市轨道交通行车组织方法做了探讨。方蕾 在分析轨道交通客流动态演变规律的基础上, 总结了都市圈的轨道交通运输能力和运输 组织方法,对正常运营状态和特殊状态(非正常、紧急)下的列车运行组织进行了深入研 究。徐瑞华等专家分析了举办世博会条件下的上海市轨道交通、网络的运输需求,对相 关的运输组织问题进行了研究。 陶志祥等在研究中分析了影响轨道交通需求变化的因素 和客流在时间和空间上的变化形态,并提出了相关行车组织和客运组织的建议。张铭、 徐瑞华等专家采用解释结构模型法,进行了城市轨道交通网络运营组织协调性研究。 ⑵客流分布特征 周淮、王如路在上海轨道交通运营客流简析中研究了上海轨道交通的客流分布特 点;聂英杰专家分析了城市轨道交通的客流特性分析,张戎在硕士论文城市轨道交通客 流特征分析中分析了客流分布特征,但是以上的特征分析侧重于各条单独的线路,适用 于轨道交通网络初期。另外张知青、吴强、徐瑞华专家运用仿真的手段研究了随机故障 对线路及车站客流分布的影响;陈著氰、朱效洁等研究了上海市域轨道交通线路客流分 布以及与此相对应的列车开行交路方式。

⑶网络客流分配 毛宝华、四兵锋、刘智丽在全面分析国内外轨道交通网络运营管理经验的基础上, 研究了我国城市轨道交通网络运营管理应采取的方式。 分析了城市轨道交通网络流量分 配的基本理论与方法,重点讨论了轨道交通网络特性数据调查、参数标定、模型应用的 技术与相关算法,介绍了几种不同方式的分担模型与路径选择方法,根据模型进行票款 收入清分。 孔繁饪、李献忠分析了轨道交通客流需求量的影响因素,以拥挤条件下的出行阻抗 函数为基础,通过分析弹性需求条件下轨道交通均衡配流的条件,构建弹性需求的均衡 配流模型。根据模型特点,给出了改进的用于求解弹性需求下的轨道交通均衡配流模型 的 Frank-Wolfe 算法。最后通过一个算例说明了算法的有效性和合理性。 周刚、王炜对地铁线路的客流分配方法及算法进行了研究。提出了综合考虑时间、 费用及舒适度三因素的交通阻抗函数,根据居民出行过程中的最短路因素及随机性因 素,提出了一种新的改进型 Logit 出行方式的分担率模型,并根据 5 种常见的地铁网型 提出了客流分配算法。 四兵峰、宋一凡、高自友等研究了考虑拥挤效应的公交 UE 模型和算法。高自友等 的 SUE 模型考虑了网络上的拥挤阻抗, 构建了与公交特点相适应的网络进行客流分配。 四兵峰等在分析乘客的交通选择行为基础上, 构造了基于随机用户平衡理论的铁路客运 网络的流量分配模型及优化算法。 吴祥云、刘灿齐建议采用分时段票价。一般情况,高峰时段客流量较大,运输能力 有限,可以发行高价位的高峰票,减少乘车拥挤度,避免线路超负荷运行;而在客运低 谷时段,通过发行优惠折扣价票,吸引乘客。还可以针对客流密度不同的路段设定区段 分时段票价,从而进一步减少线路运能损失。 苏娟分析了乘客出行路径选择的影响因素,综合考虑了舒适度、车站拥挤导致乘客 延迟以及换乘排队等因素,建立了乘客出行路径的广义费用函数,构建轨道交通客流分 配的 Logit 模型,并以北京城市轨道交通为例进行了实例计算及模型灵敏度分析。 孙燕主要借鉴 TRANSCAD 对路网优化、客流分配的应用。实际应用中,动态用户 平衡分配法(SUE)分配的结果更合理,可以为每个 OD 对之间找到合理的路径。该方法 主要过程为每一次进行全有全无分配后,通过路阻函数调整路段综合费用,再进行一次 全有全无分配;第二次分配结果作为一个可行移动方向,经过一维寻优过程获得其最优

移动步长,在第一次分配结果基础上移动,即可得到下一次迭代结果。 郑丽娟通过研究轨道交通网络客流分布的特点, 分析了网络化运营条件下客流时空 分布的特点及规律,并运用 NCTPIAS 系统计算出来的 OD 对客流分配比例结果,研究 客流在断面和线路上的分配,结果可以用于合理地安排未来网络化的运营计划,提高客 运服务水平和运输组织水平。 袁博晖根据消费者选择理论中的效用最大化原理将消费者出行方式的调查方法分 为显示偏好法(RP)与叙述偏好法(SP)。将补偿原则与非补偿原则相结合,将可接受门槛 值引进效用分析的过程,建立了改进的 Logit 模型。 霍亮对铁路旅客乘车选择行为进行了分析, 给出了铁路旅客广义出行费用的计算方 法,把时间和舒适度折算为货币费用。量化的描述了铁路旅客的出行效用,在此基础上 构建铁路旅客乘车选择的多项 Logit 模型,并给出求解方法与算例。 刘剑锋等通过问卷调查数据,采用极大似然估计方法,标定了模型中的参数,在有 效路径搜索算法方面, 提出了一种基于深度搜索优先和分支界定思想的有效路径搜索算 法,以得出符合现实的有效路径集合。

2.2 国外研究现状
⑴轨道交通网络运营与管理 在国外二十世纪七十年代,随着大规模轨道交通线路网络的建成,国外学者就开始 研究网络运营过程涉及的相关问题,尤其是西方发达国家,对这方面的研究非常深入。 、 Vansteenwegen 和 Van Oudheusden 对小型网络列车开行时间排定做了深入研究,根据客 流的分布时间和将网络内开行列车划分不同层次,使其与实际线网运行状态相互匹配。 Ricardo Garcia 等研究了非对称成本因素的网络均衡的模型和算法,以出行需求为基础 考虑网络客流的分配和时空分布。 这些成果对我们研究城市轨道交通网络运营中能提供 有益的参考。 ⑵网络客流分配 交通分配技术的发展源于 Wardrop 于 1952 年提出的道路网平衡的概念和定义。此 后如何求解平衡成为研究者的重要课题,直到 1956 年 Beckmann 等提出了求平衡交通 分配问题的解得一种数学规划模型。 经过 20 年后, 即 1975 年 LeBlanc 等将 Frank-Wolfe 算法用于求解 Beckmann 模型获得成功,从而形成了现在实用的解法。这三点突破是交

通分配问题研究的重大进步。从 80 年代以来以 Beckmann 模型为基本数学模型的交通 分配模型向着随机模型、动态交通分配模型等方向发展。 Daganzo 和 Sheffi(1977,1979)提出了一种概率分配模型(Probit model),该模型需要 枚 举 所 有 的 超级路径。基于出行 策略的理论最典型的客流分配模型是 Spiess 和 Florian(1984,1989)提出的以优化出行策略为目标,适用于非拥挤公交网络的客流分配 方法。Gendreau(1984)也以出行策略为基础,提出了适用于拥挤公交网络的分配方法。 Lam 等(1999)提出了一种适用于拥挤公交网络的随机用户平衡分配模型,并给出了相应 算法。Lam 等(1999)提出了一种适用于拥挤公交网络的随机用户平衡分配模型,并给出 了相应算法。 在非平衡分配方法中,包括全有全无分配方法、比例分配法、容量限制分配方法。 全有全无方法不考虑城市轨道交通网络中的流量变化对出行费用的影响关系, 是最简单 的分配方法,也就是说,假定区间上的出行费用是固定不变的,此时,OD 之间的客流 量将被全部分配在连接 OD 对的最短交通路径上,而其他路径不会分配到交通量。由于 全有全无分配法不能反映拥挤引起的动态效果, 因此该方法主要用于无通行能力限制的 网络交通分配,例如可以用于城际之间道路通行能力不受限制的地区,而一般城市道路 网的交通分配不宜采用该方法。 比例分配法是一种近似的平衡分配方法。 该方法是在全有全无分配方法的基础上考 虑了路段交通流量对阻抗的影响,从而根据路段阻抗的变化来调整路网交通量的分配, 是一种“路段阻抗变化”的交通量分配方法。此方法首先需将 OD 间的需求量均分成 N 等分,然后分 N 次使用最短路分配方法,每次分配一次 OD 量,每分配一次结束,路 段阻抗就根据路段阻抗函数重新修正一次,直到把 N 等份的 OD 量全部分配到路网上。 比例分配法所得结果的精确性和计算的复杂程度都介于全有全无分配和平衡分配法之 间,当分割数 N=1 时,就是全有全无分配法,当 N 趋于无穷大时,该方法的结果也趋 于平衡分配法的结果。 容量限制分配方法不用将 OD 量进行分解,首先假设路网中各路段上的流量为 0, 计算初始路段阻抗,并分配 OD 量,然后按照分配的流量计算路段阻抗,再重新分配 OD 量,最后比较新分配的路段流量和新计算的路段阻抗与原来分配的路段流量和原来 计算的路段阻抗,若分别比较接近,满足迭代精度要求,则停止计算,获得最后的分配 的交通量。否则,根据新计算的路权,再次分配,直到满足精度为止。容量限制分配法

考虑了阻抗随着流量的变化,但是在路径选择上仍然按最短路径原则,由于乘客往往很 难对路网的情况做出全面正确的判断,尤其存在多条可选路径时,若路段阻抗对流量的 变化不是非常灵敏,那么可能会有分配流量大部分集中在最短路径上,而其他次短路径 上没有流量的不合理分布。 基于用户平衡网络均衡的配流原则为在交通网络达到均衡时, 所有被选择的路径具 有相等或更大的阻抗。用平衡分配方法建立的客流分配模型是个非线性的数学规划模 型,求解该模型采用 F-W 算法,即是利用线性规划逐步迭代逼近非线性规划的方法。 基于选择概率的配流方法是把乘客路径选择问题看作一个决策制定问题, 即乘客在 城市轨道出行过程中如何选择出行路径。为了模拟乘客的心理活动,为每条路径确定一 个效用值或吸引度,乘客总是希望选择能够效用最大的路径。Logit 模型是一种广泛采 用的多路径选择概率模型。

3、结论
客流分配计算方法上,国内外较为流行的都是基于 Logit 模型衍生出来的;道路交 通的分配对象为车辆,车辆的出行随意性大,拥堵和突发情况对分配结果影响较大,分 配时需要考虑的因素与轨道交通有很大差异。 另外, 关于基于路网的客流分配计算方法, 铁路及城轨方面较少涉及,这也是研究的必要性。在“一票换乘”条件下,随着轨道交 通网络规模的复杂化,网络换乘节点的增加,网络的连通度也会增加,一个 OD 对之间 必然会存在多条可行路径,并且在路径阻抗上相差较小,这时乘客的选择就会呈现多样 化,单纯选择最短路径进行客流分配的结果存在较大误差。 综合上述分析,对于城市轨道交通的路网客流分配问题,国内主要借鉴城市公交网 络分配理论。比较简便易用的方法是是基于最短路径的客流分配方法,目前许多关于地 铁路网票务清分问题的研究采用该方法。但是,选择最短路径没有考虑轨道交通网络化 条件下存在多条路径,在网络复杂时分配结果存在较大误差。四兵峰、毛保华等专家研 究了基于随机用户平衡原则的无缝换乘条件下城市轨道交通网络客流分配模型及算法, 流量分配模型及优化算法;吴祥云、刘灿齐研究了在基于用户平衡原理下建立了城市轨 道交通网络的客流量平衡分配模型,并采用 Frank-Wolfe 算法对模型进行求解。这些方 法有较强的理论支撑,便于建模和参数标定,但不能很好地反映拥挤因素和系统动态。 可以看到国内外运输专家对有关涉及客流分配的研究成果,各有侧重和特色,结果

具有很大的参考价值,但同时也存在一些问题。城市轨道交通大规模兴建,线路逐渐成 网,轨道交通客流分配的研究重点必将从线路转向路网,然而以往的研究皆以现有简单 的线路条件的研究有值得商榷和完善的地方, 很少涉及到大规模网络条件下轨道交通客 流分配的计算。

4、参考文献
[1]四兵锋,毛保华,刘智丽. 无缝换乘条件下城市轨道交通网络客流分配模型及算法 [J]. 铁道学 报,2007,06:12-18. [2]李海峰,王炜. 轨道交通网络形态研究[J]. 规划师,2006,05:85-88. [3]刘剑锋. 基于 IC 卡数据的城市轨道交通网络配流模型研究[J]. 物流技术,2010,16:64-67. [4] 顾保南 , 叶霞飞 , 许恺 . 上海市中心城轨道交通网络规划合理规模研究 [J]. 上海铁道大学学 报,2000,10:76-80. [5] 徐瑞华 , 罗钦 , 高鹏 . 基于多路径的城市轨道交通网络客流分布模型及算法研究 [J]. 铁道学 报,2009,02:110-114. [6] 四 兵 锋 , 高 亮 , 毛 保华 . 无 缝 换乘 的城 市轨 道交通 运 费清 分模 型及 算法 [J]. 管 理科 学学 报,2009,05:36-43. [7]林湛,蒋明青,刘剑锋,四兵锋. 城市轨道交通客流分配的改进 Logit 模型及方法[J]. 交通运输系 统工程与信息,2012,06:145-151. [8]刘剑锋,陈必壮,马小毅,宗传苓,李歆鑫. 城市轨道交通网络化客流特征及成长规律——基于京 沪穗深城市轨道交通网络客流数据分析[J]. 城市交通,2013,06:6-17.


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