基于运营组织的城市群轨道客流预测法

朱顺应 李安勋 李军 王红 严新平 朱丹 傅萃清

摘 要:为了提高城市群轨道 交通 客流预测“四阶段法”的精度,在 分析 城市群轨道交通客流特点的基础上,将轨道交通客流预测 方法 分为独立线网分配预测法和综合线网分配预测法,分析了两种预测方法的预测模式及优缺点,对基于方式划分-交通分配的联合分配的综合线网分配预测法进行改进 研究 ,提出了基于运营组织的城市群轨道客流预测方法,阐述了预测过程及其在TransCAD软件中的具体实现方法。改进方法以城市和城际公共交通 网络 组成交通分配的综合基础网络,从运营组织层面考虑公共交通方式之间的合作与竞争,得到竞争后稳态的轨道交通客流,预测结果更加合理,最适合城市群的轨道交通和快速公交系统(BRT)的客流预测。

关键词:客流预测; 轨道交通; 城市群; 运营组织; 稳态结果

不基于现状客流分布的预测模式为早期模式,受其原理限制,以现状公交为预测基础,对现状交通特征的反映较片面,无法全面考虑城市用地规模、交通设施及出行结构改变上的 影响 ,因此精度较低,所以目前一般只用于其它模式预测后的比较验证或作为定性分析的辅助手段。非集聚模型是相对于“四阶段法”缺少明确的行为假说而产生的一种预测模式,虽然其加入了行为假说,但是要得到好的模型,对样本的质量要求很高,并且设定自变量和参数标定工作量大, 计算 复杂。基于现状客流分布基础上的“四阶段法”已得到了广泛的运用,该方法一般都结合土地利用规划分析轨道交通客流,能较好地反映远期客流的分布,且精度相对较高,目前仍是主流方法。

国内学者陆化普等人对“四阶段”预测法进行了很多研究,提出了分层次策略性交通方式划分后,再进行基于合作竞争类OD的联合方式划分交通分配[3~6]的思路与方法。本文在此基础上进一步研究,考虑各种公共交通方式的运营组织,从微观方面考虑其相互合作与竞争,以期进一步提高预测精度,本文提到的运营组织包括交路方式、行车间隔时间、运送速度与票价几个方面。

1 城市群轨道交通特点

城际轨道交通与城市内部的轨道交通系统、公共交通系统以及城市群区域的公路、铁路、水运网络甚至航空网络紧密联系在一起,城际轨道交通系统和区域以及城市内部的其它交通系统一起构成了区域综合交通运输网络。城市群轨道交通系统和其它交通系统存在着一定的竞争关系,但更重要的是相互衔接、相互补充的关系。

城市群轨道交通不仅承担着城市之间的市际客运量,同时也服务于城市内部的居民出行需求。由于城际轨道交通系统与城市内部的轨道交通相互衔接,而城市轨道交通系统隶属于各个城市,城际轨道交通系统又隶属于其它部门,在线路上统一运营组织管理存在着一定的困难。城市群轨道交通线路较长,旅客服务需求也较城市轨道交通的旅客服务需求复杂[3]。为解决城市群轨道线在不同段上的客流不均衡 问题 ,一般需要考虑较复杂的运营组织方式。

2 现有城市群轨道客流预测四阶段法

现有城市群轨道客流预测四阶段法依据交通分配的网络是否为综合线网分配方面可分为两类,独立线网分配预测法与综合线网分配预测法。客流预测四阶段法中的分配阶段一般都借助于相关的规划预测软件(如TransCAD,VISSUM,TranSTAR等),现有独立线网分配预测法与综合线网分配预测法也不例外。

2.1 独立线网分配预测法

最基本的城市群轨道客流预测四阶段法就是将交通规划中常用的“四阶段”法直接引用进来,其主要思路为通过居民出行调查,掌握现状各交通小区全方式的出行发生、吸引量和出行分布,在此基础上,预测未来年的全方式出行发生、吸引量和出行分布,然后通过方式划分,得到轨道方式OD,再在轨道线网上进行分配,即可得出轨道交通客流量。由于此类方法通过方式划分后就得到了轨道方式OD,然后在独立轨道线网上分配,称此类方法为“独立线网分配预测法”。独立线网分配预测法操作简单,其缺陷也是很明显:很难考虑轨道交通方式与其它交通方式之间的合作与竞争;得不到不同公共交通方式之间的换乘量。

2.2 综合线网分配预测法

鉴于独立线网分配预测方法的缺点,国内学者作了改进研究[3~6],在方式划分阶段进行分层次策略性交通方式划分,再进行基于合作竞争类OD的联合方式划分交通分配。由于是在方式划分时先划分出公共交通类OD(包括轨道、市内常规公共交通、城际铁路、城际长途客车等),然后在一个综合线网(包括道路网及轨道网及铁路网等)里面进行竞争分配得到最后所需要的结果,因此,称之为“综合线网分配预测法”。

综合线网分配预测法相对于独立线网分配的优点在于:基于交通方式道路网络层面,考虑了各种公共交通类交通之间的协作与竞争,能得到不同公共交通方式之间的换乘量,分配的结果更具有合理性,预测精度也更高;缺陷在于:忽略或减弱了各种公共交通方式运营组织在分配竞争中的作用,并且难以得到轨道交通方式客流量与其运营组织间的稳态结果。

运营组织是分配竞争中重要影响因素:a.运营组织自身就是影响分配的因素,比如车头时距、运行车速、列车编组数等直接影响分配;b.一般的分配中都是以通行能力作为某种交通方式的一个重要竞争指标,但在公共交通中,通行能力是用输送能力来代替的,运营组织是决定输送能力的一个决定性因素;c.运营组织与客流量之间是相互影响与制约的,某公共交通方式的运营组织决定其在综合公共网络中的竞争力,进而可以决定其分配的客流量,而客流量又是运营组织设定的决定性因素之一。

没有考虑运营组织的综合公共交通线网分配还只是比较粗略的竞争分配,需要有一种能更加微观详细考虑各种公共交通方式之间服务水平及竞争的预测方法。

3 基于运营组织的综合线网分配预测法

基于运营组织的综合线网分配预测法是分析城市群轨道交通特点后,在基于方式划分-交通分配的联合分配的综合线网分配预测法进行的改进,从运营组织的层面更加详细地考虑各种公共交通方式之间的合作和竞争,并提出预测实现的动态循环过程,运营组织需要根据客流分配结果进行多次调整,直到最后一次分配结果与上次分配结果相差较小且运营组织在技术上可实现、符合实际时止,这时可得到竞争后稳态的轨道交通客流,使预测方法更加合理严谨,精度更高。

3.1 各种公共交通方式协作竞争表现

基于运营组织的综合线网分配预测法的网络包括轨道、常规公交及铁路运输等公交运行线网,各种方式竞争与合作的参数指标主要体现如下。

a.线路布局及走向、车站分布。能从中表现出竞争,但更重要的是体现各种公共交通方式之间的合作,这些将直接表现于综合运行线网上。

b.运营组织。车头时距、运送车速与列车编组数及受运营组织影响的输送能力等是分配中的重要参数。因此,运营组织是体现各种公共交通方式竞争优势的主要方面。基于运营组织的综合线网分配考虑行车间隔时间、运送速度、票价、输送能力及交路方式。

3.2 预测思路及方法

基于运营组织的综合线网分配技术路线如图1。改进的城市群轨道交通客流预测方法称为基于运营组织的城市群轨道交通客流预测法,相对于前所提及的综合线网分配预测法主要改进是加入了交通运营组织,更加微观地考虑了各种公共交通方式之间的合作与竞争,并提出了对分配结果进行检测及多次分配验证的思路。该法先做方式预划分得到公共交通类OD,再将此OD以及交通运营组织方案加载入综合公共交通线网中进行合作竞争方式划分联合分配;最后将分配结果与交通运营组织相互进行验证,未达到设定的精度则调整运营组织继续分配,直到得到轨道交通客流的稳态结果及最佳交通运营组织方案。

基于运营组织的综合线网分配预测法在分配阶段不是一次分配就得到最终结果,是考虑了轨道交通运营组织与其吸引客流量的相互作用,多次分配最后能得到两者稳定的最优分配结果。其预测步骤为:a.根据客流分布OD计算一预运营组织方案作为输入运营组织方案;b.将输入运营组织方案代入分配,得到一分配结果;c.依据第二步分配结果的相关数据计算得出另一运营组织方案;d.对比第二步与第三步中的两个运营组织,如果两者相差很小,就得到最后分配结果,反之则重回到第二步,将第三步得出的运营组织当作输入运营组织方案代入再分配。如此反复,直到代入分配的运营组织与分配后计算的运营组织相对误差达到容许值时结束。

提出此改进的主要理由如下。

a. 在分配时加入运营组织是为了更细致地考虑各种公共交通方式之间的合作与竞争,以求达到更高的预测精度。不同公共交通方式在分配时的合作与竞争主要取决于线网的布局及运营组织,线网的布局是刚性的,主要体现为各种公共交通方式之间的合作,改变较为复杂及困难;而运营组织是柔性的,主要体现为各种公共交通方式之间的竞争,因此,运营组织的调整将改变公共交通方式的竞争力,继而影响各种公共交通方式之间的划分比例及分配结果等。加入运营组织的分配,增强了各种公共交通方式之间的合作竞争表现形式,使公共交通方式之间的合作与竞争从宏观或中观进入了微观分析阶段。

b. 强调轨道运营组织及动态分配是为了考虑轨道交通运营组织与其吸引客流量的相互作用。首先,在轨道建成运营中,特定的轨道交通客流量对应一个运营组织方案,这个方案是为了满足客流量而定的;而在整个公共交通系统中,轨道交通也应该有一个特定的运营组织方案以表现其竞争力,这个方案是为了轨道交通与其它公共交通合作竞争下能吸引到特定的轨道客流量而定的。上两组轨道交通运营组织方案只有相同或很相近,各种公共交通方式之间的竞争及轨道客流量才会稳定。加入运营组织及重复验证分配预测结果更合理,得出的运营组织方案对轨道运营阶段也具有更高的指导性作用。

基于运营组织的综合线网分配预测法的优点在于:a.考虑了各种 交通 方式之间相互补充、相互衔接的合作关系;b.从较微观的层面考虑了各种公共交通方式相互之间的 影响 ,即基于各种公共交通方式的运营组织层面来考虑其竞争力;c.详细考虑了不同公共交通方式甚至不同线路的运营组织,对于轨道交通也可根据各线路吸引客流状况为各轨道线安排更加合理的运营组织;d.分配阶段是一个重复分配的过程,其得出的每次分配结果都可以立即得到客流稳定性验证,保证了预测结果的合理性以及精度要求;e.整个分配阶段都与运营组织联系在一起,每次分配结果中都有一个运营组织方案,这对轨道建成后的运营阶段有良好的指导性作用。

此 方法 的缺点在于:a.建立综合线网较复杂,要综合考虑步行网、道路网、轨道网、铁路网及常规公交网等;b. 计算 步骤较复杂,每次分配后都要再进行一次运营组织的计算,而且要经过多次试分配才能得到最后结果。但是为使分配结果更合理,这些都是可以接受的。

3.3 运营组织方法

在综合线网分配中需要考虑以下几种运营组织:轨道交通、市内常规公交、市际铁路和城际长途客车的运营组织等。各种方式运营组织要考虑交路方式、行车间隔时间、运送速度与票价。对于交路方式、行车间隔时间、运送速度的计算与设定可以 参考 《城市轨道交通运输组织》[7]。在具体操作时需考虑城市群轨道交通的特性进行相应的灵活性处理,如设置交路方式时可能要使用由几种基本形式组合的复杂方式,运送速度、行车间隔时间可能在市内与市际设置不同的参数。

票价预设的原则是既要考虑轨道客运的竞争力又要考虑轨道票价的合理性。常用的预设方法是 分析 其它主要竞争交通方式的票价及参考其它相似城市轨道票价,制定多种票价方案,分析客流对不同票价方案的敏感性。

以上主要分析轨道交通运营预组织参数设定方法,重复分配阶段运营组织参数设定方法与运营预组织类似。

3.4 城际轨道交通运营组织的实现

相对于其它公共交通方式,城市群轨道交通的运营组织有其复杂性。城市群轨道线途经城区和非城区,因此在不同段上的客流呈现不均衡性,这种不均衡可以通过对城区与非城区采取不同的运营组织方案来解决。而TransCAD中的一条公共交通线只能有一组固定的运营组织,因此,实际的城际轨道线运营组织方式在TransCAD中要以特殊的方式来实现。

同一条轨道线不同段采用不同运营组织在TransCAD中的实现方法[8~11]是:用TransCAD中的多条公共交通线表示实际的一条轨道线。如一个长短交路方式在TransCAD可以用两条公共交通线表示,一条线表示长交路,另一条线表示短交路,这样就能表示出实际的运营组织方式。如果用长交路代表一条轨道线的市际运营,短交路代表此轨道线的市内运营,就能实现市内与市际运营采用不同设置的运营组织。比如:市内运营的行车间隔时间、运送速度及票价分别为8min,35km/h及固定票价3元,而市际运营的行车间隔时间与运送速度分别为10min与70km/h,并采用梯形票价。此类处理法应该注意:a.多条公共交通线表示实际的一条轨道线会引起分配中的多个站点表示实际中的一个站点,并且由于城际列车可能会在市内段跨站停车而引起长交路市内站点会比短交路少,因此,需特别注意多条公共交通线上站点与实际站点之间的关联;b.分配时为了避免市内出行的乘客分配到市际线上,需在设置市际线梯形票价时将市内出行费用设为一个很大的数;c.要得到实际这条轨道线的预测结果必须叠加这两条线的分配结果(包括站点的分配结果)。

4 实例 应用 城市群轨道交通的建设,满足了线网覆盖区域居民出行的需求。这种需求数量的变化随着交通状况、路网建设,不同交通方式竞争而呈动态变化。只有在比较全面地考虑各种交通方式合作与竞争的情况下才能对城市群轨道客流做出更为合理的预测,本文就是在此基础上,提出了基于运营组织的综合线网竞争分配方法,得到了轨道客流量与其运营组织间的稳态结果,并 研究 了此法在TransCAD中实现,以期能对城市群轨道交通客流预测方法提供一些改进思路,使预测方法更加合理、精度更高。此法已经在《长株潭城市群轨道交通客流预测》中得到实现。虽然是在基于城市群轨道交通上研究出来的方法,但是此法可以灵活运用于综合公共交通线网优化,城市轨道交通客流预测和快速公交系统(BRT)流量预测等方面。

参考 文献 [2] 康拥政,张海林,王 扬.关于城市轨道交通客流预测的一些思考[J].辽宁交通 科技 ,2005,

(3):55-57.

[3] 陆化普,王建伟,陈明.城际快速轨道交通客流预测方式研究[J].土木工程学报,2003,36

(1):41-45.[5] 吕 慎,过秀成.轨道线网客流预测方法研究[J].东南大学学报(系统工程 理论 与实践版),2001,

(8):106-110.[7] 张国宝.城市轨道交通运输组织[M].北京:中国铁道出版社,2000.

[8] 潘艳荣,邓 卫,崔长旭.TransCAD软件在轨道交通客流预测中的应用[J].交通与计算机,2006,24

(1):110-113.[10]铁道第四勘察设计院,武汉理工大学.长株潭城际轨道交通客流预测报告[R].武汉:武汉理工大学,2006.