城市轨道交通运力运量匹配评价研究

杨宇航, 方志伟, 宫振冲, 刘雪鹏

(北京轨道交通路网管理有限公司, 北京 100101)

0 引言

城市轨道交通运营企业在编制列车运行图时,需准确地衡量和评估运输能力与客运需求之间的匹配程度[1],进而为优化调整列车运行图提供决策支撑. 既有研究中,一些学者用上线车组数、开行对数、列车旅行速度[2]等指标评价列车运行图的性能,或聚焦至列车运行过程,通过正点率、晚点时间等指标对运行图的鲁棒性、稳定性[3-5]进行分析,但是上述研究主要关注列车运行图自身编制质量的高低,较少关注运行图运输能力与客流需求间的匹配关系. 目前轨道交通运营企业主要通过高峰小时最大断面满载率来刻画运力运量的匹配协调程度,从而指导编制列车运行图,然而在轨道交通提质增效的高质量发展背景下,运力运量匹配不应仅仅局限在最拥挤断面,当我们需要关注某个车站的运力能否满足乘客出行需要,或平峰时段运力配置是否经济合理时,高峰断面满载率指标并不能很好地适用. 此外,除了运输效率,行车组织也应关注服务水平[6],乘客服务水平应是衡量运力运量匹配程度的另一重要标准. 田婉琪[7]考虑乘车舒适度、平均候车时间等指标,Jiang[8]考虑列车满载率、留乘人数等指标分析运力运量的匹配情况. 综上所述,在对城市轨道交通运力与运量的匹配情况进行分析评估时,有必要从企业及乘客视角分别对运力与运量是否匹配进行评价,以便更好的支撑运力调整和运营组织,为运力资源合理配置提供决策.

本文以城市轨道交通线路为研究对象,基于空间、时间2个维度,分析区间、列车、车站多个空间层次,并结合运营时段,综合考虑运输能力利用情况和乘客服务水平2个运力运量匹配基本要素给出运力运量匹配评价方法,并以北京轨道交通线路为例验证方法的实用性.

1 评价指标选择

1.1 运力运量匹配多层次分析

城市轨道交通运力运量匹配包括各区间、列车、车站等空间层次的匹配,同时,每1个空间层次又可从不同时段进行评价,从而得到不同时空维度的匹配情况.

1.1.1 空间层次

1)区间层

区间层运力运量匹配指区间运输能力与客流的匹配程度,需要区分线路的上下行,既有研究及实际运营过程中普遍用断面满载率指标来体现.

2)列车层

列车层运力运量匹配与区间层类似,指列车额定载客能力与实际承载客流之间的匹配程度,反映了乘客对列车车厢的利用程度或车厢的拥挤程度.

3)车站层

车站层运力运量匹配指车站的运输能力与车站客流需求的匹配程度,此处车站的运输能力指一段时间内列车到达该站后在额定定员的限制下还能承载的运力. 车站层运力运量匹配可很好的反映各个车站的运力供给与客流的协调匹配情况.

1.1.2 时间层次

时间层次划分较为灵活,可根据早高峰、平峰、晚高峰等运营时段对运力运量匹配性进行分析,也可按小时对全日进行分时分析,或结合需要直接分析高峰小时以及其他时段的运力运量匹配情况.

1.2 评价指标

运力与运量的协调匹配从运营企业角度考虑需要保证一定的能力利用效率,从乘客角度考虑应保证一定的出行体验及服务水平. 本文选取如下反映运输能力利用及服务水平的指标进行评价.

1.2.1 运输能力利用评价指标

1)断面满载率

区间运输能力利用情况可用断面满载率进行评价,表示单位时间内运营线路单向断面客流量与相应断面运力的比值[9],见式(1):

(1)

2)列车满载率

列车能力的利用情况可用列车满载率进行评价见式(2):

(2)

3)车站运力运量匹配度

车站运力运量匹配度反映了在额定定员的限制下,列车到达车站的剩余能力与客流需求是否匹配.车站运力运量匹配度计算方法见式(3):

(3)

(4)

1.2.2 乘客服务水平评价指标

1)列车舒适度

列车舒适度主要取决于列车在每个区间的载客量,当乘客都有座位时,舒适度最高,可量化表示为1;随着车厢人数增多,拥挤程度越来越大,舒适度随之降低;当列车载客数量超过列车定员时可认为舒适度为0.列车舒适度计算方法为[1]：

(5)

2)区间舒适度

区间舒适度是对研究时段内经过该区间所有列车舒适度的总体评价,计算方法与列车舒适度相同[7]：

(6)

式中,fα,i(t)表示t时段内区间α方向i的舒适度;Caα,i(t)表示t时段内所有列车的累计额定载客量;Seα,i(t)表示t时段内累计座位数.

3)车站滞留人数

当列车容量无法容纳乘客继续上车时,乘客只能滞留在站台等候下一趟列车.当站台人数增多,乘客拥挤极易引发踩踏等安全事故[10],因此车站滞留人数是衡量车站运力运量是否匹配的重要指标.

2 评价方法

2.1 区间层

区间层匹配情况通过断面满载率及区间舒适度进行评价.

采用断面满载率评价时可设置1个理想的满载率标准,该标准既要体现运输能力利用率,又要确保运营安全,评价时可用理想满载率与实际满载率的差距反映运输能力利用的合理程度:

(7)

式中,Pα,i(t)为t时段内区间α方向i的运力运量匹配度;μ(t)为t时段的理想满载率.Pα,i(t)越接近 1匹配度越高,反之匹配度越低.若设置平峰时段理想满载率为50%,高峰时段理想满载率为80%,当匹配度不小于0.8时,平峰、高峰满载率分布分别为[0.40,0.60]、[0.64,0.96],上述满载率在实际运营过程中是较为合理的,因此评价时可认为匹配度不小于0.8比较合理.

采用区间舒适度评价时,通过对北京市轨道交通运营线路进行现场调查,当列车车厢内座位刚好都被占用时列车满载率约为30%;同时基于表1给出的车厢内乘客状态与列车满载率关系[11],结合式(6)计算得到表2所示的车厢内乘客感受与舒适度、列车满载率对应关系.

表1 列车车厢内乘客状态及对应满载率 %

表2 列车车厢乘客感受评价及舒适度取值

由于区间舒适度是对研究时段内经过该区间所有列车舒适度的总体评价,且计算方法相同,因此表2对于区间舒适度、列车舒适度均适用.

2.2 列车层

列车层匹配情况通过列车满载率、列车舒适度进行分析评价,其评价方法与区间层运力运量匹配评价方法相同.

2.3 车站层

车站层匹配情况通过车站运力运量匹配度、车站滞留人数进行评价.

在运输能力利用方面,针对式(3)提出的车站运力运量匹配度,ps,i(t)大于1说明车站运力充足;等于1说明车站可承载运力刚好满足客流需求,但可能无法适应今后客流增长带来的风险;小于1说明运力不足. 评价时可结合运营管理需要设置理想的匹配度取值,如设置理想匹配度区间为(1.2,+∞).

在服务水平方面,可通过现场调查得到车站最大滞留人数并对其服务水平及风险进行评价. 结合北京市轨道交通运营实践经验,站台滞留风险级别可按表3所示规则进行判别.

表3 站台滞留风险级别判别

3 实例分析

本文以工作日北京轨道交通15号线为例进行实例分析. 早高峰15号线实行大小交路套跑,大交路为俸伯—清华东路西口,小交路为后沙峪—清华东路西口,最小间隔3′40″;晚高峰及平峰均为单一交路运行,晚高峰间隔4′15″,平峰间隔6′. 分析数据由北京轨道交通AFC系统刷卡进站数据、清分数据及现场调研获取.

3.1 区间层评价

以15号线下行为例,以1 h为粒度计算各区间断面满载率情况得到图1. 可看出早高峰15号线下行满载率较高,08:00—09:00孙河—望京的连续 4个区间满载率均大于100%,其中崔各庄—望京东满载率达到最高115%;早高峰向平峰过渡段 09:00—10:00最大满载率接近90%;晚高峰满载率整体较低,仅18:00—19:00望京—望京西超过60%. 其余时段大部分区间的满载率较低,均在55%以下.

图1 15号线下行工作日满载率时空分布

计算各区间运力运量匹配度情况如图2所示.

图2 各区间运力运量匹配度时空分布

由图2可看出,早高峰07:00—08:00石门—望京的满载率接近理想满载率,匹配度较高;08:00—09:00孙河—望京由于满载率较高因此匹配度较低,石门—国展、望京—大屯路东分别处于拥挤区段前后,满载率接近80%,匹配度较高. 09:00—11:00拥挤区段仍未完全退峰,线路两端部分区间因客流较小而满载率较低、匹配度较小,其他区间的匹配度均处于较高水平. 晚高峰至晚平峰望京东—大屯路东的匹配度相对较高,其他区间匹配度均小于0.5,结合满载率来看,运力存在一定程度的浪费. 午平峰时段10:00—11:00孙河—望京的匹配度较为合理,其他区间匹配度均小0.8;11:00—17:00线路各区间匹配度均不超过0.6,满载率最大仅31%,运力同样存在一定程度的浪费.

在乘客服务水平方面,计算得到图3所示的舒适度时空分布. 可看出,早晚高峰因客流量大、车厢拥挤乘客的舒适度较低. 结合表2给出的乘客感受与舒适度对应关系,07:00—08:00石门—望京、08:00—09:00石门—望京西、09:00—10:00国展—望京东乘客出行感到拥挤,特别是08:00—09:00孙河—望京的舒适度为0,服务水平最低. 除了 09:00—10:00,其他平峰时段的舒适度均较高.

图3 各区间舒适度时空分布

3.2 列车层评价

对15号线下行早高峰部分列车满载率及运力运量匹配度进行计算,得到图4、图5. 可看出,早高峰小交路列车满载率普遍低于大交路列车,车厢拥挤程度也较低,运力运量匹配度更为合理. 大交路列车在南法信的离站满载率即已超过100%,部分列车直至换乘站望京西后满载率才降至100%以下,各次列车的运力运量匹配度自后沙峪起逐渐下降,部分列车的匹配度甚至降至0.2,望京西之后匹配度才有所回升.

图4 列车满载率时空分布

图5 列车运力运量匹配度时空分布

进一步计算各次列车舒适度得到图6. 可看出,小交路列车仅在客流较大断面马泉营—望京东的舒适度较低,在其他区间舒适度处于合理范围内. 大交路列车普遍自石门起就处于较为拥挤状态,直至大屯路东之后舒适度才回到合理区间,其中后沙峪—望京的列车舒适度为0,服务水平显著下降.

图6 列车舒适度时空分布

将列车层评价结果与区间层评价结果进行对比,可看出区间层评价能快速、全面的掌握线路运力运量匹配情况,但是在一定程度上忽略了客流尖峰时段,特别是对单列车能力利用及服务水平的分析. 然而对于乘客来说,他们无法站在运营管理人员的视角对一段时间内的运力运量匹配情况进行整体性评价,列车层评价则可进一步聚焦至微观层面,站在乘客的视角去发现运力运量匹配存在的问题和瓶颈,以便对症下药.

3.3 车站层评价

对15号线下行早高峰08:00—09:00各车站运力运量匹配度进行计算,得到图7. 可看出,崔各庄、马泉营、望京东3座车站的匹配度最低,崔各庄、马泉营的匹配度为0,望京东的匹配度仅为0.1. 此外国展的匹配度为1.2,运力可满足客流需求,但是若未来客流增长或举办大型活动发生聚集性客流时,存在不能适应大客流的风险. 其余车站的运力运量匹配度均大于1.8,运力可充分满足客流需求.

图7 各车站运力运量匹配度

在乘客服务水平方面,对早高峰15号线下行各车站滞留情况进行了现场调查,表4展示了风险等级为C及以上的车站调查结果.

可看出,后沙峪、南法信、马泉营存在较多的乘客滞留现象. 进一步对比分析发现站台滞留情况与匹配度分析结果并不完全一致,原因主要和行车方案、客流大小及乘客选择有关:3座车站均为早高峰进站量相对较大的车站,其中后沙峪早高峰为小交路列车始发站,一些乘客会主动留乘选择等候空车出行,因此滞留乘客最多;早高峰部分列车达到南法信时满载率达到80%以上,由于车站进站量较大,列车能力有时无法满足所有乘客上车,部分乘客同样会选择等候下一趟列车;马泉营乘客滞留则主要与进站量较大、可承载运力较小、运力运量匹配度较低有关. 针对崔各庄、望京东等运力运量匹配度较低但滞留风险也较低的情况,主要是由于两座车站的进站量较小,且车站位于拥挤区段,所有列车的到站满载率均已达到100%,各次列车对乘客来说是无差别的,高峰时期不存在等候下一列车即可轻松上车的情况,因此乘客一般会来车即走,这两座车站的列车满载率往往在100%以上. 上述分析也说明了运力运量匹配评价将数据分析及现场验证相结合,多角度、多手段评价的必要性.

3.4 运力配置优化建议

针对早高峰线路满载率较高,尤其是南法信—望京西运力运量匹配矛盾较为突出的问题,建议增加上线车缩小行车间隔. 考虑到15号线存在配车数不足的问题,基于既有交路提升运力受到限制,建议结合15号线配线条件将小交路调整至后沙峪—大屯路东,高峰时段将运力精准投放至运力紧张区段. 此外,可结合各车站客流特点,早高峰开行上行大站快车,快车在乘客集散量较小的车站通过不停车,加快列车周转. 然而,为充分应对客流进一步增长的风险,应尽早推进新车增购并上线运营,从根本上提升线路运力. 针对平峰满载率及运力利用率较低的现象,可适当扩大行车间隔,间隔由6 min调整为 7 min、8 min时,运力利用率分别提高14.3%、25.0%.

4 结论

本文以城市轨道交通线路为评价对象,从区间、列车、车站多个空间层次,基于高峰、平峰时间分布,运用数据分析、模型量化、现场验证多种手段,综合考虑运输能力利用情况和乘客服务水平两个运力运量匹配基本要素,选择合适的指标,建立了运力运量时空匹配评价体系,给出了运力运量匹配评价方法. 选择北京轨道交通15号线开展了评价实例分析,结果表明了15号线在运力运量匹配方面存在一定的不足,有必要结合运力运量匹配分析评价结果对运力配置进行调整优化. 同时,分析过程也表明:建立 1套多层次、多角度、多手段评价体系,才能保证分析评价工作的全面性和精准性,且更符合城市轨道交通客运组织精细化管理及高质量发展需要.