城市轨道交通列车运行图协调性评估体系构建与系统研究

张 俊，唐金金，易志刚

（1.北京交通大学 交通运输学院， 北京 100044；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所， 北京 100081）

为了保障网络化城市轨道交通的运营安全、生产效率和服务质量，线路之间的运力资源统筹配置显得尤为重要，更对线间列车运行组织的协调性提出了很高的要求。列车运行图作为列车运行的计划指导[1]，运行图之间的协调性是线路间运力资源配置协调性的直接体现。因此，准确地评估列车运行图协调性是指导网络运营管理科学决策的关键要素。

列车运行图协调性评估是指结合客流数据对列车在运行图中表现出的运营情况、列车运行过程中的换乘与衔接情况等进行分析，从而对列车运行图整体的协调能力和发展能力进行评估优化，为运营决策者制定管理措施提供参考。针对传统的列车运行图协调性评估周期长、过程繁琐、缺乏全局和效果滞后的不足之处[2]，本文将从城市轨道交通列车运行图协调性评估指标体系的构建和评估系统的设计与实现两个方面进行研究[3-5]。列车运行图协调性的评估结果，不仅能为列车运行图的优化提供科学依据，还能为城市轨道交通运营协调提供多方位的分析角度。

1 指标体系构建

城市轨道交通列车运行图协调性评估指标体系是一项多维度的综合指标评价体系，基于该具体问题，应选取合适的指标对列车运行图的整体协调性进行科学客观的评估，本文研究的城市轨道交通列车运行图协调性评估指标体系的构建如图1 所示。

图1 城市轨道交通列车运行图协调性评估指标体系框架示意图

1.1 基础指标

为了全面地评价城市轨道交通列车运行图的协调性，首先需要了解列车运行图的基本信息，本文主要统计时间指标和数量指标两部分，能够体现列车 “按图行车” 的基本指标要素，如表1 所示。

表1 列车运行图基础指标

1.2 首末班车衔接评估指标

指标体系中首末班车衔接评估指标涵盖车站级、线路级和路网级3 个层次[6]，能够全面地评估列车运行图规定的首末班车时间衔接程度，用于制定和调整合理的首末班车时间开行计划。

首班车侧重时间可达，衔接是指首班车到达换乘车站后15 min 以内换乘方向列车能够到达车站；末班车侧重空间可达，衔接是指末班车到达换乘车站后换乘方向列车能够到达车站[7]。

式中：i表示换乘方向；ni表示首末班车各上一层级换乘客流量；xi表示首末班车各上一层级衔接指数，换乘车站中根据换乘方向衔接与否量化为0-1 变量；R表示当前层级衔接指数，其数值越接近于1 衔接效果越好。

1.3 换乘站列车运行衔接评估指标

该类型指标从车站级、线路级和路网级3 个层次计算平均换乘衔接时间和平均换乘等候时间，用于评估换乘站列车运行衔接程度，作为调整列车开行方案的依据[8]。单一的换乘等候时间并不能体现总的换乘时间，单一的换乘衔接时间又忽略了走行时间，只有两种时间综合考虑才能评估列车运行图对换乘站列车运行衔接的影响。

换乘衔接时间是指从某线列车到达换乘站时起，乘客下车后换乘到另一条线路上最近接续列车并上车出发的时间；换乘等候时间是指乘客到达换乘线路的站台上等待接续列车花费的时间。

式中：i表示换乘方向；ni表示各上一层级换乘客流量；ti表示各上一层级换乘衔接/ 等候时间；T表示当前层级换乘衔接/ 等候时间，其数值越小则换乘衔接效果越好。

1.4 线间列车运输能力匹配指标

为了更高程度地运载换乘站的换乘客流，需要最大限度匹配线路之间的输送能力，防止换乘站内形成客流滞留，造成运输系统发生潜在安全隐患。线间列车运输能力匹配指数能够评估换乘站各条线路之间的匹配情况，对车站内的客流组织和行车计划的调整提供参考，既方便乘客的出行，还能保障城市轨道交通的运营安全。

式中：i表示换乘方向；ni表示换乘方向的换乘客流量；Pi表示换入线路等待乘车的客流量；Ci表示换入线路列车冗余运力；M表示线间列车运输能力匹配指数，其数值越接近于1 匹配效果越好。

2 评估系统设计与实现

基于前文建立的指标体系，对各项评估指标进行统计计算，构建城市轨道交通列车运行图协调性评估系统。该系统可以减少人工劳动程度，方便进行协调性评估，为面向协调目标的运营组织提供优化方向。

2.1 系统设计

2.1.1 系统设计目标

本文以北京市城市轨道交通路网实际运营情况为例，读取列车运行图基础数据和客流数据，从评估列车运行图角度出发，将运行图协调分析评价与优化决策紧密关联起来，研究运行图协调性的评估与分析方法。基于此，城市轨道交通列车运行图协调性评估系统的主要设计目标如下：

（1）铺画列车运行图，包括时刻表信息、交路信息和车次信息，能够选择显示各条线路平日和双休运行图并统计相应的基础指标；

（2）根据北京市实际轨道交通线路分布展示路网结构图，并添加鼠标事件，方便用户查看车站、线路和路网详细信息；

（3）处理各线列车运行图，结合客流数据计算首末班车衔接评估指标、换乘站列车运行衔接评估指标和线间能力匹配评估指标。

2.1.2 系统设计原则

为了保证系统的可持续发展，方便用户的使用，该系统设计中主要遵循以下原则[9]。

（1）简洁性：算法尽量优化，处理简洁高效，降低内存的使用；

（2）可扩展性：对系统进行结构化和模块化设计，为今后的扩展提供伸缩性；

（3）可维护性：系统应具备合理的程序结构，程序控制数据化，还应有编码空余；

（4）通用性：软件采用WPF 下的C/S 构架模式，适用于Windows 操作系统；

（5）标准化：城市轨道交通的基础指标等有严格的规定，在搭建系统时要遵守相关技术规定，防止系统与实际情况产生偏离。

2.1.3 系统功能架构设计

通过分析国内外相关领域研究成果，结合城市轨道交通实际数据，以对城市轨道交通列车运行图进行评估为目标，科学地设计评估系统。评估系统划分为应用层、处理层和数据层3 个层次，如图2所示。其中数据层主要是实现系统所需读取的数据，处理层包括系统具有的功能，应用层是基于交互界面呈现内容得到的应用结果。

图2 系统功能架构示意图

2.2 系统实现

2.2.1 关键技术（1）程序设计语言

系统运用的开发工具集是Microsoft Visual Studio 2017 产品，编译语言是基于面向对象的C# 高级程序设计语言[10]。

（2）开发类库

由于系统的定位是计算展示系统，所以选择WPF（Windows Presentation Foundation）[11]作为用户界面框架。WPF 功能强大，引入XAML 概念使得前台界面和后台程序可以实现分离，开发复杂界面效率极高；另外，WPF 具有丰富的类库，在界面友好设计方面具有优越性，极大的提高了用户体验，在应用程序的开发上保持着很强的竞争力。

（3）数据管理系统

系统的完成需要大量基础数据的支撑， Oracle Database 可移植性好、使用方便[12]，并且在大数据处理方面极具优势，还可以使用灵活性极强的SQL语句从指定表Table 中截取读取字段信息进行缓存。由于Oracle 的高效性和可靠性，以及其广泛的适用性，本文选择它作为系统的关系数据库管理系统。

2.2.2 功能实现

基于系统功能，评估系统主要采用列车运行图和路网结构图两个展示界面，利用单击事件弹出各种指标的对话框与用户进行交互。界面充分考虑系统的简洁性、易用性与功能性，为用户提供良好的使用体验，部分可视化界面如图3 所示。

图3 评估系统可视化界面示意图

系统实现流程如图4 所示：（1）通过运行图转换识别模块读取地铁公司所有线路的列车时刻表数据，并将其结构化，形成统一的数据格式；（2）系统根据时刻表（图）自动读取运行图指标计算时需要的有关数据，再进一步统计得到列车运行图基础指标。界面上设有工具栏，包括线路选择、放大缩小、导入数据等功能，在系统导入客流数据后，可以结合客流数据计算得出首末班车衔接评估指标、换乘站列车运行衔接评估指标和换乘站线间运输能力匹配评估指标。不同对话框分别展示各个层级、各种类型的指标，还设计有表格、柱状图和雷达图等多种直观的展示形式，用户查看时按照自己的需求切换评估指标，而且可以同时对比查看不同换乘站或线路的指标，使用方便灵活。

3 案例分析

以北京市城市轨道交通路网实际运营情况为例，读取列车运行图基础数据和客流数据，通过该系统对北京市城市轨道交通列车运行图进行协调性评估，在10 s 内完成各项指标计算，得到3 种指标的部分结果如下所述。

图4 系统实现流程示意图

（1）基础指标（北京地铁4 号线）：列车最小间隔135 s、列车全周转时间12 055 s、列车定员1 408人、全日走行公里26 157.58 车公里、开行列数632 列等。

（2）首末班车衔接评估指标：车站级海淀黄庄站的首末班车衔接评估指标分别是0.71 和0.46，线路级4 号线的首末班车衔接评估指标分别是0.68 和0.42，路网级中在10 ：17 时路网所有车站可达，占比100%，全线贯通。

（3）换乘站列车运行衔接评估指标在10 ：00 ～11 ：00 统计期内，海淀黄庄站车站级的平均换乘衔接时间达到248 s，平均换乘等候时间109 s ；4 号线线路级的平均换乘衔接时间达到340 s，平均换乘等候时间120 s ；路网级的平均换乘衔接时间达到320 s，接近5.5 min，平均换乘等候时间137 s，接近2.5 min。

通过识别读取现有的列车运行图，计算无客流数据情况下的列车运行图各项基础指标，可以看出该图对于北京市城市轨道交通基础设施设备利用率较高。

根据运行图结合已有的客流数据，对首末班车的衔接程度进行量化计算，得到车站级、线路级和路网级的首班车衔接程度均要好于末班车。如果对乘客影响较大，需要对列车运行图首末班车时间做局部调整。

换乘站列车运行衔接程度计算得到3 个层次的两种时间评估指标中，乘客走行时间和等候时间都较长，对于车站和线路的乘客组织和协调运营具有一定的指导意义。另外乘客走行时间更多的是由车站硬件设施导致，优化空间不大，更应该优化列车运行图提高衔接效果，减少换乘等候时间。

4 结束语

本文根据城市轨道交通行业的相关规定，基于城市轨道交通路网实际运营数据，以评估列车运行图协调性为目标，构建了城市轨道交通列车运行图协调性评估体系，并开发了相应的评估系统；同时在此基础上以北京市为例，结合路网客流的变化，基于时空网络，动态评估列车运行图的协调性。此评估方法突破了传统的静态角度分析和狭隘的单一网络研究，得到了北京市交通信息中心与北京地铁运营有限公司的专家认可，为列车运行图的调整与优化提供理论支持，也为路网协调运营提供一定的借鉴。本文的研究内容中指标体系的涉及范围依然具有一定的局限性，选取扩展的指标更多的是从运营组织和管理的角度，需要在今后的应用过程中不断补充，进一步完善指标体系。