天津轨道交通网络化运营清分规则研究

2015-06-28冯进峰

城市轨道交通研究 2015年2期

冯进峰

(天津市地下铁道运营有限公司，300222，天津∥高级工程师)

1 天津轨道交通线网结构

1.1 线网情况

天津轨道交通实现网络化运营前，已经有2 条在运营的轨道交通线路，分别是天津地铁运营的地铁1号线和津滨轻轨运营的轻轨线。地铁1号线包括22 座车站，位于天津市区;轻轨线包括14 座车站，是天津市区和滨海新区之间的城市轨道交通线，1号线和轻轨线无换乘站。除已运营的线路外，天津轨道交通路网中还包括3 条即将投入运营的轨道交通线路，分别是地铁2、3号线和轻轨9号线(轻轨线的东延线)，地铁 2、3、9号线在天津站换乘，1、2号线、1、3号线分别有交叉换乘。

1.2 清分规则设置要求

天津市对于轨道交通线网的规划有一票通、一卡通、无障碍换乘3 个要求。要求在轨道交通范围内的跨线换乘时不设置闸机;换乘车站存在多个运营商的设备时，视为同一设备处理。清分规则设置时的清分基点是车站，因此需要将运营收益清分至每个车站。

1.3 清分规则设置难点

面对天津轨道交通线网的需求，天津轨道交通的清分规则设计主要有3 个技术难点需要解决。

1.3.1 同一线网不同票价体系

天津地铁和津滨轻轨由于一个是市区轨道交通，一个是郊区轨道交通，因此物价局批复的每公里运价截然不同。天津地铁的每公里运价远高于津滨轻轨的每公里运价，且津滨轻轨9号线全线开通运营后，在9号线一条线路内会同时存在2 种不同的票价体系，因此在清分规则的设置中需要做到按照票价体系区别清分。

1.3.2 两家运营商两套结算系统

天津轨道交通线路分属两家运营商，对于本线进出、跨线进出、换乘站进出等收益清分时要充分考虑到两家运营商的分配合理性，必要时采取清分规则自动生成和人工修正相结合的特殊方式。

1.3.3 多票制属性

天津轨道交通设置的票种票制属性多，包括了计程票、计次票、计时票、区段票、周期票和各类优惠票。在设置清分规则时需要分别考虑每种票制的属性，对每个票种在轨道交通范围内的不同操作如进出站、更新、退票等进行分别清算。

2 清分方案

2.1 天津轨道交通目前支持的清分方案

确定清分方案是确定清分规则的必要条件。如果一个城市的轨道交通总车站为s 座，线路总数有t条。如果假定每条线路的站点个数平均为20，那么需要确定的可换乘线路数大约将达到×t条。这表明在联网的m 个站点中，至少需要确定-×t 条换乘路径，所以确定一种综合优选的路径选择方案是建立清分方案的基础。

天津轨道交通主要支持最短路径寻径和时间权重寻径2 种路径选择方案。

2.2 最短路径方案

乘客在乘坐轨道交通出行时往往会选择运营里程最短、换乘总时间最少或换乘站点个数最少的线路。在轨道交通网络中，确定路径方案时必须首先确定优选的准则。经分析，影响天津轨道交通乘客选择出行径路的因素主要有以下几种:

(1)线路运营里程。乘客在选择轨道交通时，往往最在意的是轨道交通的快捷和高效，因此在起始站和目的站之间的运营里程是乘客路径选择时的主要因素。

(2)换乘站点数。轨道交通形成路网后，起始站和目的站之间会存在多条选择路径，每条路径的换乘次数不同，由于换乘时的拥挤程度、换乘后的乘车时间不同，会影响乘客的路径选择。

(3)乘轨道交通出行的总时间。综合国内许多城市的地铁线网图，最短里程的路径不见得就是出行时间最少的路径，因此，较多乘客在早晚高峰时段会选择出行时间最少的路径乘车。

(4)乘车舒适性。舒适性作为轨道交通运营服务的一个重要指标对于乘客路径选择上也有举足轻重的作用，尤其是在平峰时段最为明显。

通常情况下，人们出行首选的当然是最快到达目的地的路径。目前，作为一种经典的寻径方案，最短路径算法已经得到广泛的应用。天津轨道交通清分规则中支持最短路径法的寻径方案。在选择最短路径前首先标志路段，将线路中两座相邻车站之间的区段标志为一个路段，按此原则标志出全线网所有的路段。然后选择最短路径，起始站和目的站之间存在多条选择路径时，选择所经过的路段合计数量最少的为最优路径。

以上是标准的最短路径寻径方法，然而在很多实际环境中，由此算法得到的最短路径并不一定是首选的路径。在城市轨道交通或道路交通中，由于路网中理论上的最短径路不能直达或比较拥挤，乘客往往会出于方便、节省时间或乘坐舒适性等目的而实际选择了其他的乘车路径。这就说明，为了解决某些实际问题，有时必须用最短路径法结合外部因素来确定网络中其他的优选路径。天津地铁在充分考虑路网整体情况后，对最短路径寻径方案进行了优化，加入了郊区段修正功能，结合最短路径里程、最小乘车时间对路径综合修正后得出每次出行的最短路径。

2.3 时间权重方案

天津轨道交通清分规则支持的另外一种寻径方案是时间权重方案，此方案的主要特点是将所有影响到乘客路径选择的因素都以时间权重的方式进行量化，按照量化后的值计算路径选择概率。参与量化的值主要包括以下几项。

(1)路段行车时间(m):将轨道交通路网的每两座站之间的行车时间进行量化。目前天津地铁市内的行车间隔为2 min，因此路段行车时间的量化值为2，该值根据路段不同会进行相应调整。

(2)换乘次数(n):主要是对换乘次数进行量化，如换乘1 次的时间权值为2，换乘2 次时间权值为4。按照一般规律，换乘次数越多，时间权值将成倍增加。

在主要参与量化的时间权值外，引入了预留的量化值，主要包括以下2 项。

(1)线路发车间隔(j):将线路的发车间隔进行量化，如量化成时间权值后取值1，则乘客在换乘后选择该路径是总体时间权值加1。

(2)乘坐舒适度(s):将线路的乘车舒适度进行量化，但是该值占比很小。

2.3.1 路径权值计算

在线路i 中有a 个路段被有效路径选择时，用以下公式可计算出该路径的总时间权值R。

2.3.2 权值优化

按照轨道交通线路的特点，庞大和复杂的路网导致起始站和目的站之间的路径有数十条，一大部分路径的乘客选择概率极低，因此有必要引入权值优化参数，对路径进行筛选。目前天津地铁主要引入的参数有最大路径数量权值、最大路径增长量权值、最大路径倍增权值来减少有效路径数量。

3 清分规则

清分方案确认后，按照清分方案搭建清分模型，设置具体的清分规则。天津地铁由于路网中包括市区和市郊2 个不同的票价体系，因此分别制定了不同的收益分配规则。将整个路网带清分数据分成2部分，即纯市区票价体系数据和跨越2 个票价体系的数据。具体分配规则在下文中详述。

3.1 收益分配规则

(1)A:起始站至目的站的总票价;

(2)B:市区票价体系下，起始站至9号线中山门车站(市区和市郊票价体系的分界车站)的票价;

(3)Cn:市区票价体系下的n号线的所有路段和;

(4)Dn:n号线市区票价体系下的清分后收益。

地铁1号线在纯市区票价体系下的清分后收益为:1号线收益D1=AC1/Cn。

地铁1号线在跨市区和市郊票价体系下的清分后收益为:1号线收益D1=BC1/Cn。

在跨市区和市郊票价体系下，津滨轻轨的收益为总票价扣除地铁1、2、3号线的清分后收益，既:津滨轻轨收益=A-D1-D2-D3。

换乘站同站进出的，收益由换乘站所有运营商平均分配;本线进出的只分配给提供行车服务的运营商。

3.2 按最短路径原则清分

选择最短路径作为寻径方案时，由于路径唯一，因此收益分配也是唯一。按照路段正常的收益分配规则进行清分。

3.3 按时间权重清分

经过建模，将每条路径对应的时间权重进行计算，并选出有效路径。按照一般规律，有效路径的选择概率符合正态分布规律，利用正态分布公式N(μ，σ2)，按照每个城市个性化的 σ 值，可以计算出所有有效路径的选择概率Pn。

因此，在时间权重方案下，线路Ln的收益为:

Ln= P1Dn路径1+ P2Dn路径2+ … + PnDn路径n

3.4 清分规则应用实例

图1所示为天津轨道交通路网图，按照文中所述的两种清分方案分别对1号线下瓦房车站至2号线靖江路车站(总票价3 元)的清分方式进行描述。

图1 天津轨道交通线网图

按照路网图所示，从1号线下瓦房车站到2号线靖江路车站共有2 条可选路径，第一条为地铁1号线从西南角站换乘地铁2号线，第二条为地铁1号线在营口道站换乘3号线，3号线在天津站换乘2号线。

(1)选择最短路径法作为寻径方案。第一条路径共经过13 个区间，第二条路径共经过8 个区间，因此，在做收益分配时按照本文3.1 节的计算方式以第二条路径进行收益分配，1号线得2/8 收益，计0.75 元;2号线得 3/8 收益，计 1.125 元;3号线得3/8 收益，计 1.125 元。

(2)选择时间权重方案作为寻径方案。目前天津轨道交通路网在选择权重因子时，考虑区间间隔和换乘权值2 个因子。区间间隔固定为2 min，第一次换乘权值为2，第二次换乘权值为4，第三次及以上的换乘权值为10。因此，通过计算可知第一条路径的时间权值为28，第二条路径的时间权值为22。将时间权值带入公式(σ 值根据每个城市的情况自行设置，天津地铁的σ 值设置为0.238)，计算出选择第一条路径的概率为0.3415，选择第二条路径的概率为0.6585。根据本文3.1 节的计算公式，可得以下各线路的收益分配值:1号线为0.97 元，2号线为 1.29 元，3号线为 0.74 元。