本書對區域軌道交通運輸組織決策理論及關鍵技行深入的研究，全書共8章。第1章介紹本書研究背景與意義，分析區域軌道交通協同運輸研究現狀、研究內容及關鍵技術。第2章建立基於出行鏈和大數據的區域軌道交通多場景、多維度的客流預測方法。第3章研究乘客出行選擇行為，對區域軌道交通的客流合理分配。第4章研究區域軌道交通多方式“點-線-網”的有效承載力耦合機理，構建區域軌道交通有效承載能力評估體繫。第5章研究區域軌道交通不同方式及樞紐間的運能匹配理論與優化技術。第6章研究多制式區域軌道交通運輸方案編制協同優化理論與技術。第7章建立區域軌道交通協同運輸組織成套理論與優化技術。第8章研究區域軌道交通多制式列車運行圖編制繫統設計。

目錄

序

前言

第1章 緒論 1

1.1 研究背景及意義 1

1.2 區域軌道交通協同運輸研究及發展現狀 2

1.2.1 國內外研究現狀 2

1.2.2 我國區域軌道交通協同運輸發展現狀 6

1.3 區域軌道交通協同運輸研究內容及關鍵技術 8

第2章 區域軌道交通客流預測方法 12

2.1 基於計算圖的多源數據融合技術 12

2.1.1 多源交通大數據類型 12

2.1.2 多源數據融合方法研究 14

2.1.3 基於計算圖的多源數據融合 14

2.2 基於多源數據融合的Kalman濾波的短時客流預測方法 19

2.2.1 短時客流預測方法研究現狀分析 19

2.2.2 基於多源數據融合的Kalman濾波的客流預測體繫架構 21

2.2.3 基於多源數據融合的Kalman濾波的客流預測模型構建 21

2.2.4 基於多源數據融合的Kalman濾波的客流預測模型求解算法設計 28

2.2.5 案例分析 30

2.3 基於EMD算法的深度學客流預測方法 34

2.3.1 短期客流預測方法研究現狀分析 34

2.3.2 EMD-LSTM組合預測模型構建基礎 35

2.3.3 EMD-LSTM組合預測模型構建 40

2.3.4 精度評價 41

2.3.5 EMD-LSTM組合預測模型案例分析 41

2.4 基於出行鏈理論的區域軌道交通客流分析 45

2.4.1 基於出行鏈理論的區域軌道交通客流分析背景 45

2.4.2 區域軌道交通客流理論基礎 50

2.4.3 基於出行鏈的區域軌道交通客流分擔率模型建立 52

2.4.4 成渝區域軌道交通客流分析實例 59

2.5 區域軌道交通綜合客運樞紐換乘量預測方法 72

2.5.1 區域軌道交通綜合客運樞紐換乘量預測背景 72

2.5.2 區域軌道交通綜合客運樞紐換乘特性及換乘行為分析 72

2.5.3 區域軌道交通綜合客運樞紐換乘量預測研究 75

2.5.4 區域軌道交通綜合客運樞紐換乘分擔率預測研究 77

2.5.5 成都東鐵路客運樞紐換乘量預測 85

第3章 區域軌道交通客流分配方法 107

3.1 基於時空網絡的軌道交通客流分配模型 107

3.1.1 軌道交通客流分配研究現狀分析 107

3.1.2 乘客路徑選擇行為分析 108

3.1.3 城市軌道交通出行網絡構建 110

3.1.4 城市軌道交通時空網絡的出行費用分析 112

3.1.5 基於時空服務網絡的城市軌道交通配流模型求解 115

3.1.6 基於配流結果的列車開行方案能力與客流需求匹配評價方法 117

3.1.7 案例分析 123

3.2 基於容量的增量加載分配-Logit軌道交通客流分配模型 133

3.2.1 軌道交通動態客流分配研究現狀分析 133

3.2.2 城市軌道交通時空服務網絡構建 134

3.2.3 城市軌道交通服務網絡的狀態分析 135

3.2.4 乘客分時段廣義出行費用計算 136

3.2.5 基於容量和分批加載的Logit模型與方法 139

3.2.6 案例分析 141

第4章 區域軌道交通有效承載力計算方法 143

4.1 基於繫統動力學的車站與樞紐有效承載力計算 143

4.1.1 繫統動力學概述 143

4.1.2 車站與樞紐繫統結構分析 143

4.1.3 因果循環圖邏輯構架 144

4.1.4 繫統動力學建模 144

4.2 基於耐受性的線路有效承載力計算 147

4.2.1 線路有效承載力影響因素分析 148

4.2.2 線路有效承載力的一般計算方法 149

4.2.3 基於耐受性的車廂服務研究 150

4.3 區域軌道交通網絡有效承載力靜態計算方法 155

4.3.1 區域軌道交通網絡模型構建 155

4.3.2 區域軌道交通網絡有效承載力 158

4.3.3 區域軌道交通網絡有效承載力靜態計算 165

4.4 區域軌道交通網絡有效承載力動態 172

4.4.1 Petri網理論與CPN Tools軟件概述 172

4.4.2 分層著色Petri網能設計與建模 173

4.4.3 分層著色Petri網模型建立與工作流程分析 179

4.4.4 案例分析 184

第5章 區域軌道交通運能匹配及評價方法 187

5.1 基於多維度的區域軌道交通運能匹配機理 187

5.1.1 運能匹配影響因素 187

5.1.2 運能匹配要素分析 188

5.1.3 多維度運能匹配原理 191

5.2 基於多維度的區域軌道交通運能匹配指標體繫構建 194

5.2.1 研究現狀 194

5.2.2 基於多維度的區域軌道交通運能匹配評價指標體繫 195

5.3 區域軌道交通運能匹配基本流程及方法 202

5.3.1 區域軌道交通運能匹配流程 202

5.3.2 區域軌道交通運能匹配方法 203

5.3.3 區域軌道交通運能匹配評價方法 204

5.4 多制式軌道交通網絡耦合協調度計算 205

5.4.1 研究現狀 205

5.4.2 基於復雜網絡理論的多制式軌道交通網絡構建 207

5.4.3 多制式軌道交通網絡耦合協調度計算方法 213

5.4.4 重慶多制式軌道交通網絡耦合協調度分析 216

5.5 區域軌道交通多制式網絡靜態結構分析 222

5.5.1 研究現狀 222

5.5.2 區域軌道交通多制式耦合網絡模型構建 223

5.5.3 多制式耦合網絡特征指標分析 224

5.5.4 基於TOPSIS算法的網絡關鍵車站及區間識別方法 225

5.5.5 基於網絡魯棒性能實驗的排序驗證 230

5.6 區域軌道交通綜合客運樞紐多交通方式運能匹配度計算 232

5.6.1 研究現狀 232

5.6.2 區域軌道交通樞紐運能匹配度計算原則 233

5.6.3 區域軌道交通樞紐內多種交通方式運能協調度 234

5.6.4 成都東站多種交通方式運能匹配度計算 235

5.7 區域軌道交通多制式網絡動態瓶頸識別方法 242

5.7.1 研究現狀 242

5.7.2 區域軌道交通多制式網絡動態瓶頸識別模型 243

5.7.3 區域軌道交通網絡瓶頸識別案例 247

5.8 區域軌道交通樞紐瓶頸識別方法 258

5.8.1 研究現狀 258

5.8.2 樞紐動態瓶頸識別方法 260

5.8.3 沙坪壩站分析 264

第6章 區域軌道交通列車運輸計劃優化方法 277

6.1 基於序參量的多制式軌道交通運輸計劃協同模式 277

6.1.1 協同學基本概念 277

6.1.2 基於有序度的區域軌道交通協同模式決策模型 277

6.1.3 多制式區域軌道交通協同模式算例分析 279

6.2 城市軌道交通網絡列車運行圖協同優化 285

6.2.1 研究問題分析 286

6.2.2 換乘銜接方案研究 287

6.2.3 基於換乘站的網絡列車運行圖協同優化模型 296

6.3 基於區域軌道交通協同的鐵路旅客列車開行方案優化方法 298

6.3.1 鐵路旅客列車開行方案協同機制與方法 298

6.3.2 協同關鍵問題描述與求解思路 302

6.3.3 模型構建基礎 303

6.3.4 列車開行方案優化模型構建 304

6.3.5 開行方案模型求解 307

6.4 區域協同條件下城市軌道交通首末班車列車運行圖協同編制 309

6.4.1 區域協同條件下城市軌道交通末班車的可達性研究 309

6.4.2 基於時空可達的城市軌道交通末班車時刻表優化 320

6.5 過軌運輸開行方案協同編制方法 329

6.5.1 列車開行方案一 329

6.5.2 過軌運輸開行方案模型構建 331

6.5.3 算法設計 332

6.5.4 案例分析 333

6.6 區域軌道交通樞紐列車運行圖優化方法 335

6.7 基於應急預案的列車運行圖調整方法 345

6.7.1 基於TOPSIS法的城市軌道交通列車運行圖應急調整決策研究 345

6.7.2 基於時刻移的城軌運行圖應急調整模型 356

6.7.3 基於BP神經網絡的地鐵備用列車開行方案應急決策研究 366

第7章 區域軌道交通協同運輸組織優化方法 374

7.1 區域軌道交通跨制式運輸組織演化機理及聯動機制 374

7.1.1 區域軌道交通跨制式運輸組織演化機理 374

7.1.2 區域軌道交通跨制式運輸組織聯動機制 385

7.2 區域軌道交通動態服務網絡的構建及評估 389

7.2.1 國內外研究現狀 390

7.2.2 區域軌道交通動態服務網絡設計 392

7.2.3 案例分析 404

7.2.4 區域軌道交通動態服務網絡評估研究 414

7.3 應急條件下區域軌道交通動態服務網絡配流理論與技術 419

7.3.1 國內外研究現狀 419

7.3.2 多制式軌道交通與擴展建模網絡分析 423

7.3.3 運營中斷情況下軌道交通應急運輸組織概述 428

7.3.4 運營中斷情況下多制式軌道交通列車運行調整方法 432

7.3.5 基於時刻表的多制式軌道交通網絡流量分配模型 434

7.4 區域軌道交通應急客流協同疏運模型與方法 444

7.4.1 國內外研究現狀 445

7.4.2 軌道交通應急客流分析 448

7.4.3 協同疏運模型 456

7.4.4 協同疏運工作組織策略 468

7.5 區域軌道交通樞紐換乘優化方法 470

7.5.1 國內外研究現狀 470

7.5.2 區域軌道交通樞紐換乘時間協同 472

7.5.3 區域軌道交通樞紐空間流線協同 482

7.6 區域軌道交通運力調配優化方法 488

7.6.1 區域軌道交通運力資源調配研究現狀 488

7.6.2 區域軌道交通運力資源調配模型 491

7.6.3 求解算法 495

7.6.4 案例分析 498

第8章 區域軌道交通多制式列車運行圖編制繫統 507

8.1 繫體設計 507

8.2 能 508

8.2.1 鐵路列車運行圖編制與能 508

8.2.2 城市軌道交通列車運行圖編制與能 509

8.2.3 多制式列車運行圖協同編制與能 511

參考文獻 520

第1章 緒 論城市群，是指在一定的地域範圍內，以一個或多個中心城市為核心，由若干城市所組成的群體。通常，城市群的建設要依托發達的通信、網絡、交通等基礎設施的協調發展。我國正處於城市群建設的快速時期，要全面實施城市群發展規劃，必定要將城市發展規劃與交通相融合體來講，區域軌道交通繫統在城市群發展中的主要作用有兩個方面：一方面，充分發揮區域核心城市能輻射作用，帶動群內城市的經濟社會發展；另一方面，為城市群中各城鎮提供軌道交通以便快速聯繫，城市群的發育成長。1.1 研究背景及意義目前，我國區域軌道交通通含三個層次：城市軌道交通、市域/城際鐵路、高速/普速鐵路。各種軌道交通方式一般獨立運營，通過物理樞紐相互聯繫，應急情況行協同指揮。即便是北京、上海、廣州和深圳這些一線城市，軌道交通的建設也還隻局限於中心城市範圍內的地鐵網絡，區域軌道交通網絡的建設明顯滯後於城市群的發展需求。隨著城市化的快速，軌道交通運營模式由單制式相對獨立運營逐步向多方式綜合運營的方向轉變，現有的單制式運營模式已經越來越無法適應當前的運輸形勢，區域軌道交通的協同發展也面臨著工程建設、綜合管理、協同運營等方面的諸多問題。多方式交通一體化協同運營組織已成為城市群發育和發展的客觀形勢，也是發揮區域軌道交通整體能力和綜合效益的關鍵，是可以滿足不同區域範圍、能定位、不同服務標準出行需求的必然選擇。本書以多方式軌道交通運輸組織業務分析與數據采集處理為基礎，運用數理統計及數學建模等研究方法，基於行為學、繫統動力學、可靠性、*優決策及協同優化理論，以大數據、雲計算、移動互聯、可視化等相關信息技術為手段，研究基於出行鏈和大數據的運輸需求精細化預測，構建“點-線-網”多尺度的有效承載能力評估指標與評估模型，實現運輸需求引導下的運力資源優化配置，提出多制式區域軌道交通能和效應*大化的精細化運輸方案協同編制理論與優化技術，*終形成支持聯程聯運、樞紐換乘、運力調配、應急協同、出行擾動等關鍵環節的區域軌道交通智能協同組織成套理論，研制區域軌道交通協同運輸繫統，有助於提高區域軌道交通協同運營組織，能*大限度提升區體運能、提高服務質量，使區域軌道交通達到新的高度。1.提升區域路體運輸能力本書通過研究區域軌道交通不同方式及樞紐間客流與運能匹配方法，充分運用線網能力，提升客流與運能的匹配度；通過研究基於網絡運能協調和效能*大化的不同制式區域軌道交通精細化運輸方案與協調編制理論和優化技術，提升各方式運輸計劃的精準性、魯棒性和協調性，提升多制式區域軌道交通復雜網絡整體運能；通過研究區域軌道交通動態協同運輸組織理論，實現多制式運輸組織協同聯程聯運，提高各方式運營組織效率。2.減少旅客跨制式旅行時間本書通過研究區域軌道交通運輸動態規劃及調配協同優化方法，形成保障旅客暢通出行的基於時空一體化的區域軌道交通運能匹配協調技術，提升客流與運能的匹配性，縮短旅客等待時間；通過研究以區域軌道交通、快捷及無縫換乘為出發點，從*大限度旅客跨制式旅行時間的目標出發，結合各種軌道交通制式特征的區域軌道交通協同聯動成套理論與優化技術，有效縮短旅客換乘時間；通過研究互聯網環境下的服務需求感知、資源動態優化配置、智能人性出行輔助等信息服務技術，研發綜合旅客智能終端，以解決多制式區域軌道交通繫統的智慧出行規劃及協同運輸組織銜接問題，有效縮短旅客出行時間。3.提升區域軌道交通正點率本書通過建立策略、威脅感知與應急響應、信息服務協同聯動的信息保障技術體繫，以及大數據驅動的多制式繫統數據互通、需求互聯、協同智能的一體化融合機制，研究基於動態客流、繫統狀態感知的多制式區域軌道交通精細化運輸方案編制理論優化技術，提升多制式區域軌道交通復雜路網運輸組織的魯棒性和協調性，實現區域軌道交通跨制式智能聯動，實現軌道交通多制式列車運行計劃的動態智能調整，保障區域軌道交通的良好運行秩序，確保區域軌道交通按圖行車，提升區域軌道交通正點率。1.2 區域軌道交通協同運輸研究及發展現狀1.2.1 國內外研究現狀我國軌道交通受管理模式及技術發展限制，區域內各制式間沒有形成聯動，各自為政、信息割裂的現狀制約著運輸效率和服務質量的提升。以提升多制式軌道交通協同運輸為立足點，打通制式和專業間信息壁壘，實現區域軌道交通多制式跨專業實時智能聯動，從真正意義上提高區域軌道交通整體運能和效率具有十分重要的現實意義。客流量的預測問題一直是軌道交通領域研究的重要課題，它不僅對交通流的實時監測預警具有積極作用，也為相關部門制定錯峰出行、交通管制等一繫列政策提供有力的技術支持。陳艷艷等(2009)以公交出行鏈各環節為邊，通過構含不同公交模式的多層次網絡鄰接關繫，並對各均出行時間及時間可靠度的雙重賦權，建立考慮出行各環節時間隨機波動的多模式公交線網；陳俊勵等(2011)結合居民個體出行的選擇過程，將出行時間選擇作為模型的上層，交通制式選擇作為模型的下層，構造居民出行時間和交通方式選擇相互影響的巢式Logit模型；童(2014)對鐵路客流時空分布特行了詳細研究，他以客票數據為客流載體，深入挖掘武廣鐵路運輸通道客票數據中所蘊含的客流時空分布特征；張蟄(2017)從集散設施和設備、客運組織和導向服務等三部分描述了城市軌道交通車站客流集散網絡；Ho等(2006)采用Logit函數建立多類用戶概率選擇行為模型，並建立了用戶的出行方式劃分和交通流分配的組合模型，*後采用算行求解；佟璐等(2014)在分析多層次旅客具有不同的服務時間窗期望、換乘次數、換乘時間等出行選擇行為基礎上，建立體現旅客時空差異服務需求約束的客流分配模型，提出由時間窗搜索和的Dijkstra算法構成的組合算法。實現了在網絡條件下根據分配權重函數不同，完成客流時空分配；Sun等(2015)將旅行時間分為列車區間運行時間、換乘時間和額外時間，在假設旅行時間各時間成分均服從正態分布的前提下，運用貝葉斯統計方法，以大量的城市軌道交通自動售檢票(automatic fare collection，AFC)繫統數據樣本修正各時間成分分布的特征參數和Logit模型參數的先驗分布，得到特征參數的後驗分布和貝葉斯置信區間，並應用於地鐵的客流分配；李存軍等(2003)基於交通流的統計特點構建了基於小波分析的離散卡爾曼(Kalman)濾波模型，對實時變化的交通流行預測。試驗結果表明該方法有效減小了預測誤差。經過多年的發展，有效承載力已經成為當前研究的重要任務，它在探究自然資源承載能力的同時，一步關注了人類社會展的方方面面，將其從自然屬性延伸到社會屬性。Helbing等(2000)深入研究了人群的群集效應等宏觀現像，客流的宏觀現像反映了其在交通區域的集聚狀態，是客流關繫與區域承載能力的宏觀表現；Setti等(1994)和Takakuwa等(2003)通過模擬客流在交通車站內的流動，找到車站內客流瓶頸，通過優化瓶頸擁堵來提高客流流動的效率。李得偉(2007)建立了車站乘客集散理論體繫框架，對軌道交通車站內部設施的使用效行計算，並對客流分布理論的基本內容和方行詳細論述；胡明偉等(2009)基於社會力模型建立城市軌道交通車站的客流微觀模型，並對客流組織方行評價；胡清梅等(2008)對軌道交通樞紐客流承載能行計算與評估，實現了對地鐵客流的動態分析；Morlok等(2004)討論了綜合運輸繫統的能力，並把需求作為矢量集而提出和的概念，並提議開發一個綜合運輸繫統的數學模型，模型的目標函數是綜合交通運輸繫統的*大能力，約束條件是各種交通模式、子繫統設備能力、可耗資源限制、機車車輛有效性和運輸成本等；何世偉等(2003)在提出鐵路運輸路網繫統繫列定體運輸能力、有效運輸能力和潛在運輸能力這三個新概念的基礎上，以基於短路的鐵路運輸路網繫體有效運輸能力模型構建和遺傳算法設計為核心，給出了路網運輸能力的計算方法和編程實現方法。國內外區域軌道交通樞紐運能協調研究基礎資料還較缺乏，不夠繫統，各交通方式間的協調模型與方法研究得較少，多是關於鐵路和各種交通方式之間建立起匹配度評價指標，並對指行簡單的匹配度運算。Bell(1984)使用一種銜接各種運輸方式的方法，在提升旅客換乘便捷性的同時，也了各種運輸方式之間的優勢互補；Lee等(1991)利用優化各交通方式間松弛時間，來對交通方式換行研究，以期達到提率的目的；張星臣(1995)在原有運輸能力的基礎上考慮了運距因素，並將運量、路徑和運能在路網繫統的意義下以同一計量單位處理，為路網繫統運能問題的深入研究提供了條件。秦國斌(2012)基於模型“零換乘”理念對我國綜合換乘樞紐各種布局模行了分析，比較得出不同類型的綜合樞紐*佳布局模式。其次，依據整體性、相關性、動態性和調控性等原則，對區域城際綜合樞紐各交通運輸方行運能協調匹配分析；程明君(2009)研究了帶時變多重交通網絡的聯盟運輸調度問題。通過建立時間和運輸方式選擇之間的分段函數來描述時變條件下的多重交通網絡，同時對時變多重交通網絡及其特行分析和概括，然後對帶時變多重交通網絡的聯盟運輸調度問題建立模型，並設計的蟻群優化算法對模行求解。列車開行方案設計和列車運行圖編制是列車行車組織的關鍵問題，主要是安排列車在軌道上運行的問題，由於列車行車組織是整個區域軌道交通繫統運營的核心問題，該研究吸引了大量學者的研究。陶思宇(2012)等依據自動控制理論中的反饋控制原理，提出基於客流動態反饋控制的開行方案調整方法，將現行客運專線旅客列車開行方案客流情況的統計作為調整旅客列車開行方案的依據；Serafini等(1989)提出周期事件規劃問題(periodic event scheduling problem，PESP)模型是相關研究的基礎理論，大量的周期性運行圖研究基於該方行；Lee等(2009)提出基於四階段的列車時空路徑分配和調度求解方法。在開行方案協調方面，楊柳燕(2016)研究了高速鐵路運營前期和後期兩個階段蘭新高鐵和既有線的客流合理分工方案，建立Logit模型，將蘭新運輸通道內的客流合理地分配到蘭新高鐵和既有線上，結合旅客列車的開行區段、種類、數量，建立了適合蘭新通道的旅客列車開行的多目標0-1規劃停站方案模型，確定不同時期蘭新高鐵和既有線的列車開行方案；姚金孌(2010)針對不同區域客流性質特點，在經濟區和交通圈劃分方法的基礎上，將京滬沿線區域劃分為五個區，結合客運站等級、機車設備、線路條件、區域客流性質等因素，確定擬運行列車區段，*終對開行列車種類和開行數量等相關問行探討。在列車運行圖的編制方面，郭富娥等(2000)論述了在我國高速鐵路運營初期，高、中速列車混行的條件下，合理銜接高速線與既有線列車運行圖的高速鐵路列車運行圖的編制方法和編制步驟；陳慧(2008)分析了我國客運專線跨線運輸列車運行圖銜接類型和銜接方式，從旅客服務質量、運行圖技術指標、天窗銜接合理性及運行圖能力適應性四方面對跨線運輸列車運行圖銜接方行評價。在軌道交通開行時刻表方面，Shrivastava等(2006)利用遺傳算法優化接運公交線網，根據市郊鐵路的運營時刻表優化接運公交線路的發車頻率，生成各條線路的時刻表；孫楊等(2001)研究彈性需求下的接運公交網絡設計問題，基於城市軌道交通時刻表方案協同優化接運公交線網和時刻表。對於繫統間協同演化的研究，國內外很多學者都做了大量的工作。但研究對像一般集中於交通運輸繫統與經濟繫統適應性的演化(王占中等，2011)、交通運輸繫統間協同(張生瑞等，2007)、鐵路或城市軌道交通拓撲網絡演化特征(Wang et al.，2009；李子木