王陸睎,朱 明
(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)
鐵路車站是多種制式軌道交通交匯的場所,由于各種制式軌道交通部門運(yùn)營管理方式不統(tǒng)一,導(dǎo)致同一車站的多種交通方式的協(xié)調(diào)及換乘效率得不到有效提升。本文針對出行服務(wù)質(zhì)量提升問題,采用離散事件系統(tǒng)的理論和方法,引入智能調(diào)度的概念,通過協(xié)調(diào)多種交通運(yùn)行計劃,減少換乘到目標(biāo)車站后的等候時間。
本文以一個鐵路交通樞紐為例,進(jìn)行仿真建模,該樞紐是高速鐵路與城市軌道交通交匯的場所,以Petri網(wǎng)為工具,仿真建立起包含多種軌道交通方式的鐵路綜合交通樞紐模型,通過模型對多種制式軌道交通在該樞紐的到站計劃進(jìn)行優(yōu)化,在不影響運(yùn)行效率和安全性的前提下,使乘客換乘舒適度得到提高,最后達(dá)到整體旅途的舒適性。本文建模的方法還適用于多制式軌道交通換乘的優(yōu)化,可以為其他鐵路綜合交通樞紐建模與仿真提供借鑒和參考。
綜合交通樞紐示例如圖1所示,該綜合交通樞紐涉及3條鐵路線路:高速鐵路G1線(雙線鐵路),城市軌道交通S1線和磁懸浮線路S2線。在該交通樞紐,乘客可以從G1線下行方向的3G站臺和上行方向的4G站臺下車換乘前往S1線和S2線乘車。同理,也可以從S1線和S2線下車在樞紐內(nèi)換乘另外兩種交通方式。其中G1線下行方向的3G站臺與S2線的上車站臺是同一站臺,該站臺可以實現(xiàn)G1線下行方向乘客下車后幾乎零變遷延時地?fù)Q乘S2線。
圖1 綜合交通樞紐示例Fig.1 Example of a comprehensive transportation hub
基于綜合交通樞紐示例建立的模型如圖2所示。假設(shè)G1線下行方向列車到達(dá)換乘樞紐站后,經(jīng)過一段時間停留后沿著下行方向繼續(xù)運(yùn)行。在停留的過程中乘客上、下車,下車的乘客一部分在到發(fā)線3G同臺換乘城市軌道交通S2線,一部分經(jīng)過換乘通道前往換乘S1線以及出站。上行方向同理。
圖2 綜合交通樞紐換乘模型Fig.2 Transfer model of the comprehensive transportation hub
綜合樞紐模型由兩部分組成,即鐵路車站聯(lián)鎖進(jìn)路模型和樞紐換乘模型,分別模擬仿真列車在G1線樞紐站的到發(fā)線運(yùn)行過程和G1線乘客下車后前往城市軌道交通S1和S2線的換乘過程。
2.2.1 鐵路車站聯(lián)鎖進(jìn)路部分
鐵路車站聯(lián)鎖進(jìn)路包括接車進(jìn)路和發(fā)車進(jìn)路,需要說明的是,Petri網(wǎng)的專業(yè)術(shù)語庫所(圖2中的圓圈)代表著資源,本文中表示軌道區(qū)段,變遷(圖2中的豎線)代表著事件的變化,本文中表示列車從進(jìn)入一個區(qū)段到出清這一區(qū)段,變遷延時表示列車出清區(qū)段的時間。以下行方向接車進(jìn)路為例,在模型中開始的庫所為Xarr,變遷t3G的使能發(fā)射一個托肯給X31-begin,同時帶走Xarr的托肯。當(dāng)表示軌道區(qū)段1DG和3G的庫所均被標(biāo)記時,表示這些資源都是空閑狀態(tài),3G的接車進(jìn)路可以聲明。此時變遷t3G使能并帶走庫所X31-begin、1DG和3G的托肯,同時發(fā)射一個托肯給庫所P1DG,表示列車開始3G的接車進(jìn)路,與接車進(jìn)路相關(guān)的資源被其他進(jìn)路所聲明使用,表現(xiàn)在網(wǎng)結(jié)構(gòu)中為這些資源的托肯被帶走。變遷trelease-1DG的變遷延時表示列車出清1DG區(qū)段的時間,當(dāng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)運(yùn)行完這一時間,變遷trelease-1DG發(fā)射一個托肯給庫所X32和pX→S1(G1線換乘S1線模型),同時帶走庫所P1DG的托肯并歸還托肯給庫所1DG,表示該軌道區(qū)段1DG被列車出清,此時1DG空閑可被別的進(jìn)路使用。后續(xù)過程同接車進(jìn)路。車站聯(lián)鎖部分模型的關(guān)鍵庫所和變遷含義如表1所示。
表1 車站聯(lián)鎖進(jìn)路部分關(guān)鍵庫所和變遷延時的含義Tab.1 Meanings of crucial places and timed transition in station interlocking routes
2.2.2 綜合樞紐乘客換乘部分
以G1線樞紐站下行方向乘客換乘S1為例,體現(xiàn)在模型中的動態(tài)仿真過程為:庫所pX→S1被標(biāo)記,開始變遷tX→S1的變遷延時,當(dāng)變遷延時耗盡后使能帶走庫所pX→S1的托肯并立刻發(fā)送一個托肯給庫所pwait-1。
當(dāng)庫所ps1-sta被標(biāo)記時,此時變遷ts1使能帶走庫所ps1-sta托肯,并發(fā)射托肯給庫所pwait-s1、pwait-s1'和自身。表示S1的列車在綜合樞紐站停車上、下客。此時如果G1線樞紐站下行方向乘客正好在等候,即庫所pwait-1被標(biāo)記,變遷th1會立刻使能發(fā)射托肯給庫所pcom-1,表示乘客舒適換乘,如表2所示。
表2 換乘判斷模塊中關(guān)鍵庫所變遷的物理含義Tab.2 Physical meanings of crucial places/transitions in the transfer judgment module
以圖2模型為輸入,提出一種形式化的方法來驗證給定的運(yùn)行計劃能否使乘客舒適換乘。將運(yùn)行計劃中到站時間及各軌道區(qū)段出清時間等時間因素賦予Petri網(wǎng)模型,利用網(wǎng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)算規(guī)律計算其可達(dá)標(biāo)識圖,最后遍歷所有的可達(dá)標(biāo)識圖,檢查其中是否存在故障庫所被標(biāo)記。若存在被標(biāo)記的故障庫所,需要查閱這一故障庫所被標(biāo)記時的含義,定位出故障所在,提出修改優(yōu)化建議。同時如果沒有被標(biāo)記的故障庫所,則代表乘客可以較舒適地完成接續(xù)換乘。
綜合交通樞紐舒適換乘檢測被歸納為如下算法,其中:模型G是本文建立的綜合交通樞紐Petri網(wǎng)模型,R(G)是模型G計算生成的可達(dá)圖??梢酝ㄟ^故障庫所pei的標(biāo)記情況鎖定故障發(fā)生地點(diǎn)。算法的計算過程如下。
輸入:綜合交通樞紐Petri網(wǎng)模型G,各制式軌道交通運(yùn)行計劃,乘客換乘時間。
輸出:n維向量E。
步驟1:將列車運(yùn)行計劃的時間因素調(diào)整處理為同一尺度的時間戳。
步驟2:把這些時間戳與綜合Petri網(wǎng)模型G中的變遷延時一一對應(yīng)。
步驟3:使用Petri網(wǎng)模型的仿真軟件計算生成可達(dá)標(biāo)識圖R(G)
步驟4:輸出n維向量E。
步驟5:如果n維向量E為0,可以得出乘客旅途較為舒適。否則,可以定位出乘客不能舒適換乘的車次和換乘線路,并輸出相應(yīng)的結(jié)論。
可達(dá)圖的生成可以使用Petri網(wǎng)仿真軟件TINA,它是很成熟的Petri網(wǎng)仿真驗證工具。
算法提到的時間轉(zhuǎn)化是Petri網(wǎng)變遷延時處理的一個必經(jīng)過程,將上述時間采用統(tǒng)一的時間尺度,可以極大地方便計算過程且呈現(xiàn)出更直觀的仿真過程。例如,一列列車通過軌道區(qū)段的時間是10 min,規(guī)定1個單位時間為1 min,那么對應(yīng)的變遷延時為10/1=10個單位時間。
由于不同列車具有不同的離開時間,為了將不同列車發(fā)車的時間差異性體現(xiàn)在本模型中,需要設(shè)置一個時間基準(zhǔn)線。其余的列車發(fā)車時間都需要參照這一事件基準(zhǔn)線。
給定的G1線列車運(yùn)行計劃如表3所示,給定的G1線列車運(yùn)行計劃一共涉及7輛列車,并依次命名。其中,下行方向3列車次,分別命名車次號為01、02和03。上行方向2列車次,車次號分別為04和05。
表3 G1線列車運(yùn)行計劃Tab.3 Train operation plan for Line G1
假設(shè)列車出清1DG、2DG、3DG、4DG的時間均為2 min。體現(xiàn)在模型中的相關(guān)變遷延時為2個單位時間。同時列車到達(dá)到發(fā)線股道后乘客立即下車進(jìn)行換乘或出站,不存在別的延誤和影響。
城市軌道交通S1線和S2線在本樞紐站的始發(fā)時間均為06∶30。S1線的停站時間為1 min,區(qū)間運(yùn)行間隔為3 min。S2線的停站時間為1 min,區(qū)間運(yùn)行間隔為4 min。相關(guān)換乘時間如表4所示。
表4 城市軌道交通換乘相關(guān)時間Tab.4 Time related to transfer in urban rail transit
在上行和下行方向都預(yù)設(shè)了不舒適換乘部分,利用模型仿真驗證給定的G1線運(yùn)行計劃,檢驗是否有對應(yīng)部分的不舒適換乘故障庫所被標(biāo)記。
當(dāng)時間因素都確定完成后,將各個運(yùn)行計劃及城市軌道交通相關(guān)時間分別帶入圖2中的模型中,與圖2模型中的變遷延時一一對應(yīng)。本文選用06∶30作為時間基準(zhǔn)線,表示全局時鐘開始運(yùn)行,采用1 min作為一個變遷延時單位時間,則對于05車來說,它的到站時間是07∶10,表示其到站時間需要在時間基準(zhǔn)線基礎(chǔ)上增加40個單位變遷延時,其余同理。
將各個變遷延時對應(yīng)于圖2的模型中,采用Petri網(wǎng)仿真軟件進(jìn)行仿真,計算其可達(dá)標(biāo)識,通過算法計算出故障庫所pei的標(biāo)記情況,如果庫所pei被標(biāo)記,通過查閱表2中的含義,對運(yùn)行計劃調(diào)整提出指導(dǎo)性意見。
網(wǎng)結(jié)構(gòu)的故障庫所初始標(biāo)識M0=[pe1,pe2,pe3,pe4],由于初始狀態(tài)下所有的故障庫所都沒有被標(biāo)記,所以M0=0。至此模型就可以進(jìn)行仿真驗證。使用時延Petri網(wǎng)的仿真軟件TINA,計算模型中可達(dá)標(biāo)識圖,只觀察其中的故障庫所,選出其中不為0的可達(dá)標(biāo)識。表5中車次號按照發(fā)車順序排列,各車次運(yùn)行計劃依次帶入網(wǎng)結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果如表5所示。
表5 可達(dá)標(biāo)識計算結(jié)果Tab.5 Calculation results of reachable markings
通過對可達(dá)圖的觀察和分析,以04車次為例,發(fā)現(xiàn)可達(dá)狀態(tài)M37中故障庫所pe4被標(biāo)記,通過查閱表5故障庫所pe4被標(biāo)記的含義,得出是G1線上行方向乘客不能舒適換乘S2線。同時可達(dá)狀態(tài)M41中故障庫所pe2,同理查詢可得,G1線上行方向乘客不能舒適換乘S1線。為提升旅客乘坐體驗,可以對該車次列車運(yùn)行時刻進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。其余車次同理。
本文針對綜合交通樞紐車站的換乘銜接問題,引入離散事件系統(tǒng)的建模理論和方法,創(chuàng)新性地將站內(nèi)列車進(jìn)路排列和乘客在樞紐站多種軌道交通換乘過程通過Petri網(wǎng)有機(jī)結(jié)合,研究列車到達(dá)樞紐站后乘客下車換乘城市軌道交通的舒適度判斷方法。建立了高鐵模擬線路G1線和地鐵模擬線路S1和S2線在樞紐站的換乘模型,并對其進(jìn)行動態(tài)模擬仿真。通過本文的方法可以實現(xiàn)綜合交通樞紐乘客換乘舒適性判斷,同時可以指出列車運(yùn)行計劃不能舒適線路的情況,對運(yùn)行計劃調(diào)整提供指導(dǎo)意見。乘客樞紐換乘銜接方法可應(yīng)用于其他交通方式間樞紐換乘銜接質(zhì)量的提升,為解決該問題提供新的思路和方法。