毛保華，高自友

(北京交通大學 城市交通復雜系統(tǒng)理論與技術教育部重點實驗室，北京100044)

0 引 言

我國城市軌道交通的發(fā)展受3種利好因素驅動：一是，城市化快速發(fā)展下的人口快速集聚導致的出行總量增長；二是，城市機動化背景下地面道路資源不足引發(fā)的不斷加劇的道路交通擁擠；三是，國家經(jīng)濟持續(xù)增長下的城市經(jīng)濟快速發(fā)展后的財政能力.過去20年來，內(nèi)地城市軌道交通從1997年的4個城市，運營里程88.2 km增長到2017年的34個城市，5 021.7 km.2017年年底開通運營的34個城市中，11個城市的運營里程超過了100 km.

城市軌道交通網(wǎng)絡運營管理的標志可以從3個方面來認識：一是物理網(wǎng)絡架構，一般有3條線路、3個換乘站、能形成構造多路徑的回路結構[1]；二是構成網(wǎng)絡的不同線路之間出現(xiàn)可影響運營效率的組織因素，例如，站點間的旅行速度、列車擁擠程度、換乘效率等影響乘客的出行選擇；三是網(wǎng)絡出現(xiàn)各線路共用的、影響各線路運營方案的資源，例如，車輛基地、調(diào)度指揮中心、多線共用的綜合換乘樞紐直接影響網(wǎng)絡運行組織方案與運輸成本.

因此，關于城市軌道交通網(wǎng)絡運營管理方法與技術的研究可分為3個領域：第1個領域是與線路物理架構設計相關的前期建設與運營一體化方法與技術，重點體現(xiàn)在換乘站規(guī)劃、設計與運行組織，包括換乘點的選擇、線路換乘站類型的選擇、換乘站設計及換乘站流線設計與管理；第2個領域兼顧供需雙方的網(wǎng)絡負荷均衡技術，主要涉及網(wǎng)絡運行效率的改善及出行服務水平提高兩個目標，重點要針對網(wǎng)絡客流時空不均衡性特征研究運力配置方案，其具體內(nèi)容如與列車交路和編組相關的列車開行方案設計、可改善乘客可達性的線路間列車過軌技術應用、考慮線路間接續(xù)的列車時刻表優(yōu)化編制、換乘站的運行管理等；第3個領域是網(wǎng)絡條件下運營資源共享與管理技術，重點涉及車輛基地、調(diào)度指揮中心、安全應急管理資源的優(yōu)化配置方法等.

目前，關于前2個領域的研究已有較多成果[1]，而對第3大領域的研究還亟待深化.網(wǎng)絡條件下運營資源共享方法與技術是從資源共享角度研究提高網(wǎng)絡運行效率的方法，由于城市軌道交通系統(tǒng)的盈利能力普遍低下，這方面的研究對于提高城市軌道交通的可持續(xù)發(fā)展能力具有尤為重要的現(xiàn)實意義.

1 網(wǎng)絡前期建設與運營一體化技術

對城市軌道交通成網(wǎng)運營的最初關注點在于換乘設計方面.由于城市軌道交通投資大、建設周期長，許多線路建設的時間相差甚遠，基于城市軌道交通的建設環(huán)境條件，陸續(xù)出現(xiàn)了“十”字形、“一”字型、“T”形與“L”形換乘設計形式，對換乘設計改善的研究與實踐經(jīng)歷了從換乘站形式改善到線路間多點換乘(代表城市為倫敦)、多線路列車并/過軌運營組織(代表城市為東京)的過程.

圖1是倫敦國鐵(National Rail)進入市區(qū)后與地上鐵路(London Overground)及地鐵(Bakerloo)多線多點換乘的案例.

圖1 國鐵進入倫敦市區(qū)后與城市軌道交通的銜接案例Fig.1 A case of connection between national rail after entering London with urban rail line

圖1中，英國國家鐵路實際上由2條并線組成，分別是London Northwestern Railway和West Coast Main Line；前者由West Midlands Trains公司負責運營，主要服務于倫敦西北部的長距離旅客出行，起點為Euston站，終點為Birmingham New Street；后者1837年開通，起點也是Euston站，終點則是蘇格蘭的格拉斯哥中央站.黑實線為倫敦地上鐵路Watford DC line，負責提供從Euston到赫特福德郡的通勤服務，1917年開通.Harrow&Wealdtone是地鐵Bakerloo線起始站，1906年開始運營.

Watford Junction站1837年開通，1858年改造并定名，1841年Bushey換乘站開通.1842年Hatch End站開通，Watford High Street站開通于1862年.1913年Headstone Lane站開通運營.Carpenders Park站最早于1914年4月隨London Northwestern Railway開通運營，1917年曾關閉，1919年重新開放后交由London Electric Railway公司(后來成為London Underground公司)運營.1917年，Harrow&Wealdstone、Kenton、North Wembley、Wembley Central、Stonebridge Park等站開通營運.1933年，South Kenton開通運營.不難看出，國鐵與地鐵Bakerloo線可以在Harrow&Wealdtone及Wembley Central兩站換乘，地上鐵路Watford DC Line線除上述兩站外，與國鐵還可以在Watford Junction和Bushey兩站換乘；而Bakerloo線與Watford DC Line線在Harrow&Wealdstone等站完全共線運行.

圖2給出了倫敦市區(qū)2線共線運營再向市郊分叉延伸運營的1個例子.倫敦District Railway線于1879年開通，與后來1932年開通的Piccadilly線形成共線、共站運營.1903年，Piccadilly線西延開通了North Ealing等站，1938年，District Railway線西延開通了Ealing Broadway等站.兩線在Ealing Common與Action Town形成了共線并行換乘關系.可以看出：Earling Broadway站是國鐵、District線與Central線的換乘站，3條線經(jīng)地下通道可以實現(xiàn)便捷換乘.

圖2 District線與Piccadilly線共線及延伸換乘關系Fig.2 The relationship between District line and Piccadilly line collocation

圖3是3線換乘的1個案例.圖中3條線在該段的開通時間大致是：1879年開通的District Railway線、1872年開通的Circle線及1932年開通的Piccadilly線.從站點開通時間看，Circle線的High St Kensington、Gloucester Road與South Kensington開通于1868年，Earl’s Court開通于1871年.不難看出：Piccadilly線與District線可以在South Kensington、Gloucester Road及Earl’s Court這3站換乘；Piccadilly線與Circle線可以在South Kensington、Gloucester Road及Hight St Kensington這3站換乘；District線與Circle線也可以分方向在South Kensington、Gloucester Road及 Hight St Kensington這3站換乘.

圖3 3線換乘案例Fig.3 A case of transfer among three lines

東京是另一個成功利用過軌運營技術方便乘客、改善網(wǎng)絡運行效率的城市.圖4是東京地鐵千代田線與國鐵常磐線及私鐵小田急等線過軌的1個例子.通過組織私鐵(近郊有軌電車)、中心城區(qū)地鐵(山手線以內(nèi))及城市間鐵路(JR線路)間的列車過軌，東京較好地實現(xiàn)了多點換乘，成功地減輕了地鐵、私鐵與國鐵3個系統(tǒng)部分換乘站負荷過大的問題.

圖4 東京多線過軌與換乘組織示意圖Fig.4 Schematic diagram of Tokyo multi line through service and transfer organization

同臺換乘設計案例在20世紀初就已出現(xiàn)，典型例子有倫敦的Finchley Road地鐵站、紐約的Queesboro Plaza站及東京的赤坂見附站等.不過，充分發(fā)揮同臺換乘優(yōu)勢的經(jīng)典例子應該是中國香港的實踐.香港軌道交通網(wǎng)絡中設計了通過2線換乘站4站臺實現(xiàn)8個方向同臺換乘的案例，如圖5所示，太子與旺角兩站可實現(xiàn)觀塘線與荃灣線8個換乘方向的同站臺換乘.這一設計盡管增加了線路在區(qū)間的施工難度與成本，但大幅度提高了乘客的換乘效率，壓縮了乘客換乘走行時間，體現(xiàn)了城市軌道交通“百年工程”的特點；而且節(jié)省了兩站換乘通道的建設投資，實際上也節(jié)省了車站建設空間和運營成本.

圖5 兩站同臺換乘Fig.5 Two stations transfer at the same platform

2 基于客流時空不均衡特性的網(wǎng)絡負荷均衡方法與技術

成網(wǎng)運營管理研究的第2大領域是如何在滿足運營企業(yè)運行效率目標與乘客服務質(zhì)量要求的前提下，解決城市軌道交通網(wǎng)絡客流分布時間與空間不均衡性所導致的網(wǎng)絡負荷不均衡問題.統(tǒng)計表明：城市交通系統(tǒng)不同時段客流有很大不同，超低峰、低峰、平峰、次高峰、高峰各時段小時客流量的比可達1∶3∶5∶10∶14；其中，高峰小時占全天客流量約14%.在1個城市中，列車在不同時間、不同區(qū)間負荷相差甚大.以2014年12月北京地鐵1號線為例[2]，該線按全日列車在各斷面的負荷即滿載率的平均值約為26.4%，9:30-17:00間全線各斷面平均負荷低于50%，其中68%斷面平均負荷小于30%；早高峰7:30-8:30間65.9%斷面平均負荷大于50%，最大滿載率達95.9%.從全網(wǎng)絡運行情況看，早、晚高峰負荷分別為63.0%、48.7%，早6:00前和晚23:00后列車在各斷面負荷小于8%.這些數(shù)據(jù)可以看出列車在不同時間、不同區(qū)間負荷的具體差異.

針對客流時間不均衡性的運力調(diào)配方法主要有行車間隔控制方法，即根據(jù)不同時間段的客流分布確定相應的列車開行數(shù)量.不過，行車間隔控制直接涉及乘客等待時間，進而影響客運服務水平.根據(jù)我國《城市軌道交通運營管理規(guī)范》[3]，開通運營的城市軌道交通線路應有一定的服務水平要求即最大行車間隔，以體現(xiàn)其公益性及建設效果.當某些時間段客流量過低時，可能造成列車能力利用率過低；此時可以通過開行小編組列車來緩解這種能力浪費.

平衡客流空間不均衡性的方法主要有多交路技術[1].不過，多交路的采用受線路設計與建設階段折返條件設置的影響，列車在折返站的運行也對線路通過能力有一定影響.多交路可能會導致部分長距離乘客列車間換乘次數(shù)的增加，降低長距離乘客的服務水平.為此，在站點上下車客流量不均衡性較大、線路較長的市郊線路上開行快慢車是提高長距離乘客出行效率的一種組織方法.

提高城市軌道交通服務水平的方法，除了出行時間的節(jié)省外，減少旅客走行距離和換乘次數(shù)也是一個重要方面.為此，許多城市致力于優(yōu)化換乘組織方案，包括組織列車過軌運行以提高直達乘客比例、改善換乘站列車時刻表銜接與配合以降低乘客換乘等待時間、優(yōu)化首末班車時刻以提高換乘成功率等.Domschke[4]最早針對地鐵等公共交通系統(tǒng)研究了等間隔發(fā)車情形下的時刻表協(xié)調(diào)優(yōu)化方法.研究在給定公交發(fā)車周期(如4、5、10 min)下，以周期內(nèi)發(fā)車時間為0-1變量，以所有換乘方向換乘等待時間之和最小為優(yōu)化目標，建立了0-1整數(shù)規(guī)劃模型，并結合貪婪算法、模擬退火算法與分支定界算法等設計了啟發(fā)式算法求解模型.Goverde[5]研究優(yōu)化換乘站列車時刻表以減少乘客等待時間的方法.Wong等[6]以香港地鐵網(wǎng)絡為例，以所有乘客總換乘等待時間最小為目標，以不同線路各列車在各換乘站的到發(fā)時間為決策變量，構建了混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，提出了不等間隔非平行運行圖下的列車時刻表協(xié)調(diào)優(yōu)化方法.Kwan等[7]研究了基于乘客滿意度指數(shù)的多目標條件下大型公交樞紐列車時刻表的銜接優(yōu)化問題，分析了運行時間偏差對滿意度的影響.

針對城市軌道交通首末班車問題，徐瑞華等[8]以末班車銜接成功客流量最大為目標確定網(wǎng)絡末班車銜接方案，構建了末班車銜接方案的賦權有向圖模型，并利用最大生成樹原理求解模型.Kang等[9]研究了末班車銜接關系下?lián)Q乘冗余時間與換乘等待時間的數(shù)學刻畫方法；并以末班車發(fā)車時間、區(qū)間運行時間、停站時間與列車發(fā)車間隔為決策變量，以網(wǎng)絡夜間主換乘方向的“換乘冗差時間”最小為優(yōu)化目標，同時對換乘成功性與換乘等待時間進行優(yōu)化，利用遺傳算法求解，提出了網(wǎng)絡末班車時刻表協(xié)調(diào)優(yōu)化方法.Bookbinder等[10]研究了公交網(wǎng)絡上的換乘點布局優(yōu)化問題，建立了一個以乘客不便性函數(shù)為目標的二次分配模型，并得到了可改善換乘的解.Daduna等[11]以德國城市為案例研究了時刻表協(xié)調(diào)的實際經(jīng)驗，認為該問題的實際復雜性主要涉及網(wǎng)絡結構及其復雜性、不同線路的行車間隔及需求的多樣性等方面.

由于城市軌道交通網(wǎng)絡換乘站數(shù)量多，換乘站時刻表的協(xié)調(diào)是一個十分復雜的問題，既要考慮換乘客流量的大小從而確定需要重點兼顧的主客流方向，又要考慮換乘站之間的關系，以確保多數(shù)旅客的利益.總的來看，上述技術的應用增加了城市軌道交通運營企業(yè)日常工作的復雜性，其應用水平實際上也是城市軌道交通運營是否進入成熟期的重要標志.

3 基于共享的網(wǎng)絡資源管理方法與技術

成網(wǎng)運營管理的第3大領域是集規(guī)劃與運營于一體的資源共享條件下的運營管理技術與方法.傳統(tǒng)上，由于建設時序差異，各線基本上單獨設立車輛基地與指揮中心.隨著線網(wǎng)密度的增加，線間關系日益緊密，車輛基地與指揮中心通過改擴建進行共享的必要性增加.這種必要性不僅體現(xiàn)在通過資源共享可以提高線網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行的效率，也體現(xiàn)在資源共享可以降低運營成本、減少補貼，對人口密度高、土地資源緊缺的我國城市具有尤為重要的現(xiàn)實意義.我國各城市軌道交通系統(tǒng)建設速度遠高于國際平均水平，不少城市軌道交通線路同時設計、同時施工，這為資源共享創(chuàng)造了良好前提條件.

3.1 車輛基地共享案例

在日本東京地下鐵中，銀座線所屬上野車輛基地規(guī)模較小，車輛檢修與運用受到限制，地上部分能容納7列車，地下部分能容納13列車.銀座線2018年運營使用6節(jié)編組列車，配車40列(240節(jié))，由于上野車輛段的能力相當于銀座線全線配車的1/2；故只承擔銀座線列車的列檢和月檢，如圖6所示.

丸之內(nèi)線所屬的中野車輛基地占地59 248 m2，列車留置能力達168列.丸之內(nèi)線1988年以來使用02系通勤型電車，直流600v第三軌供電，丸之內(nèi)線共配置6節(jié)編組列車53列(318節(jié))，最大運用列數(shù)為50列，其余3列為備用編制，由中野車輛段負責檢修.

兩線在赤坂見附站附近實現(xiàn)互聯(lián)互通，銀座線的列車在赤坂見附站可過軌進入丸之內(nèi)線.因此，丸之內(nèi)線中野車輛段除了負責丸之內(nèi)線全部車輛的月檢等任務外，還負責銀座線車輛的定期檢修和部分車輛的夜間停放，實際上成為兩線共享的車輛基地.

我國香港小蠔灣車廠占地面積約30萬m2，是香港東涌線、機場線與迪士尼線3線共用的車輛段，位于機場快線和東涌線主線北側的填海土地，但不直接和迪士尼線路軌連接，迪士尼線列車來往車廠，須途經(jīng)機場快線和東涌線欣澳站至小蠔灣的一段共用路軌，如圖7所示.港鐵東涌線使用直流電傳動通勤型韓制列車，列車編組為8節(jié)編組，機場快線全線11列及東涌線12列列車均用此電動列車.迪士尼線全線3.5 km，共設2座車站，均為地面站，在欣澳站與東涌線和機場快線換乘，運營列車為4節(jié)編組類型.

圖6 丸之內(nèi)線中野車輛段服務銀座線案例Fig.6 The case of the Nakano depot serving the Giza line

圖7 迪士尼線列車經(jīng)過東涌線和機場快線到小蠔灣車廠Fig.7 Disney line trains run through Tung Chung line and airport express line to Siu Ho Wan depot

表1給出了我國部分城市車輛段與停車場共設的例子.

表1 內(nèi)地部分城市車輛段和停車場共用案例Table 1 Case of several cities depots and parking lots for sharing

3.2 車輛基地資源共享類型的劃分

從表1可以看出，內(nèi)地車輛基地共用也已有不少案例.總體上看，基地共享案例大致可分為3類：

第1種類型是土地共用型.即多條線路的車輛基地共用1塊土地，相關設施仍分別布置.如位于北京的馬泉營車輛段，占地面積26.5萬m2，建筑面積12.19萬m2，2010年8月投入使用，服務于北京地鐵14號線(東段2014年12月運營，京港地鐵公司管轄)和15號線(2010年12月運營，北京地鐵運營公司管轄)兩線列車的停放、維護、保養(yǎng)和檢修等.

第2種類型是功能共用型.即多條線路的檢修運用功能集中配置，但線路所屬列車不互用.如位于北京的宋家莊停車場是北京地鐵5、10號線和亦莊線共用的停車場.宋家莊停車場可停放亦莊線車輛11列，5號線車輛13列，10號線列車40列，主要承擔車輛運用周轉和列檢任務，定期維修工作均不在停車場進行.

廣州嘉禾車輛段也是這種類型的1個例子.該車輛段主要負責廣州地鐵2號線配屬列車的保養(yǎng)及維修任務，以及廣州地鐵3號線(體育西路站—機場北站)配屬列車的停放、月檢、雙周檢、定修任務.由于2號線列車采用A型車6輛編組，3號線列車采用B型車6、3節(jié)組合編組，兩線的列車運用計劃也需分別編制.

第3種類型是各線車輛類型基本相同，列車可以互用，因而可以編制統(tǒng)一的列車運用與乘務周轉計劃，提高車輛資源的利用效率.例如，倫敦尼斯登車輛段(Neasden Depot)坐落于英國倫敦Metropolitan線尼斯登站(Neasden Station)和溫布利公園站(Wembley Park Station)之間，占地面積2.56萬m2，是倫敦地鐵最大的列車檢修段；車輛段內(nèi)部停車場規(guī)模較大，擁有22條長約300 m的股道，每條股道可容納2列8編組列車，故能停放44列8編組列車.列檢庫房總長度接近500 m，擁有12條股道，整個車輛段能夠容納至少70列8節(jié)編組列車.該車輛段主要服務于大都會線(Metropolitan Line)及高峰時刻的朱比利線(Jubilee Line)，同時也為哈默史密斯和城市線(Hammersmith&City Line)、環(huán)線(Circle Line)及地區(qū)線(District Line)提供大修服務.

3.3 車輛基地共享的效益研究

多線共用車輛基地為列車的充分利用提供了前提.對于城市軌道交通系統(tǒng)來說，由于城市土地緊張，多線共用車輛基地還可以節(jié)省車輛基地用地，降低建設造價.

對于運營來說，當共用基地的列車類型兼容時，車輛基地的共用為多線編制統(tǒng)一的列車周轉計劃提供了基礎.由于城市交通客流時間與空間的差異性，不同線路的共用可以實現(xiàn)列車運用的互補，提高列車運用效率，降低相對高昂的列車購置費用.多基地(Multiple Depot)車輛時刻表編制問題(Vehicle Scheduling Problem)是一個“NP-hard”的組合優(yōu)化問題，這方面已有一些探索.例如，Carpaneto等[12]研究了多車輛基地條件下時刻表編制問題(MDVSP)，提出了時刻表優(yōu)化的分枝定界法.Dell’Amico等[13]將多基地公交車輛時刻表編制作為NP-Hard問題，建立了將給定需求矩陣分配到不同車輛段所屬車輛的模型，可以使所用車輛數(shù)最小及運營費用最低.Desaulniers等[14]研究了有時間約束的公交車線路與乘務計劃編制問題，提出了一個通用框架.Huisman等[15]在此基礎上建立了多基地車輛與乘務組計劃一體化編制的兩類不同模型，提出了結合列生成與拉格朗日松弛方法的算法.Pepin等[16]研究了多車輛基地時刻表編制問題，分析比較了5種啟發(fā)式算法的效果，并發(fā)現(xiàn)列生成啟發(fā)式在有足夠計算時間及穩(wěn)定性要求時效果最好，而大鄰域搜索方法在計算時間及解的質(zhì)量方面更有優(yōu)勢.

不難看出，車輛基地共享條件下的車輛運用問題是一個公交運營企業(yè)行車組織與管理問題.城市軌道交通網(wǎng)絡線路相對固定，不同類型線路客流的時間分布與方向性特征存在一定差異，這種差異正好為線路間通過協(xié)調(diào)互補等方法來提高列車利用效率提供了客觀需求與優(yōu)化契機.另一方面，城市軌道交通系統(tǒng)擁有AFC系統(tǒng)，能較容易地獲得詳細的客流時空特性數(shù)據(jù)，這為共享車輛基地的列車運用方案優(yōu)化研究提供了便利條件.不過，應當指出，多線路列車運用共享需要以各線路對列車運行的兼容性為基礎，制式差異及其帶來的不兼容性是資源共享的主要障礙.

4 結 論

總的來看，資源共享實踐面臨兩方面的主要困難：一方面，線路建設存在時序差異，即不同線路建設時間不同，這使得共享設施的規(guī)劃與預留實施存在困難；另一方面，共享資源所涉及的預留會導致先期工程建設成本、涉及與施工難度的增加.例如，預留的換乘設施可能改變首期工程的拆遷規(guī)模，增加首期工程造價，共享的車輛基地也是如此.

因此，從資源共享角度探討網(wǎng)絡化運營技術的協(xié)調(diào)與優(yōu)化是一個長期的戰(zhàn)略課題.要解決上述難題，首先，要在規(guī)劃階段對資源共享方案有比較充分的研究與論證，從城市規(guī)劃與土地利用等角度確保推薦的方案具有較強的可操作性.其次，在設計與建設階段，應強化規(guī)劃成果的指導作用，將規(guī)劃中的資源共享內(nèi)容作為整個規(guī)劃方案的要點來控制，確保在后續(xù)各階段得到實施而不是被忽略.第三，在運營管理階段要樹立效率意識，城市軌道交通本身盡管是公益性事業(yè)，但經(jīng)營者強化對效率的追求與其公益性并不矛盾，還能夠促進城市軌道交通的可持續(xù)發(fā)展.

過去10年是我國城市軌道交通快速發(fā)展的10年，我國城市軌道交通開通的運營里程已達到全球的1/3，在硬件方面取得了舉世矚目的成就.總體上，我國城市軌道交通建設正從高速發(fā)展階段走向科學發(fā)展階段.在這個階段中，如何強化規(guī)劃與建設對運營的支撐，著實樹立“規(guī)劃、建設與運營一盤棋”的理念是值得城市軌道交通行業(yè)深化思考的重要課題.慢工出細活，在這方面，香港與東京的諸多經(jīng)驗值得思考和借鑒.

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