基于客流特征分析的城市轨道交通行车组织优化研究

庞彦知　陈建球

摘要：文章基于南宁地铁1号线的运营现状，通过断面客流特征分析，对行车组织方案进行优化，提出采取调整南宁地铁1号线列车行车方式、增加行车密度即增开区段开行列车的方案措施。通过将优化后方案与原行车组织方案的运营效率进行比较，发现优化方案提高了南宁地铁1号线的运行效率，使得运营周期缩短，早高峰上行单向运能提高了8.7%，晚高峰下行单向运能提高了10.7%。

关键词：轨道交通;行车组织;客流特征;运行效率

中图分类号：U491.2+27

0 引言

城市轨道交通已经成为城市交通体系的骨干网络，承载着城市大部分的交通出行量，但是随着客流规模的不断增大，城市轨道当前的交通运营方案已经不能满足城市的交通需求供给，客流与运能之间不匹配问题日益凸显。如现在的南宁地铁1号线（以下简称1号线）的客流特征，若继续采取原有的行车组织方案，则会出现客流滞留于候车站台的情况，高峰期客流量大的区段出现断面满载率增高，其他客流量小的区段出现满载率下降，不能充分运用列车的载客能力。因此本文基于客流特征进行数据分析，得出优化的行车组织方案，以提升运能。

1 城市轨道交通行车组织及客流特征

城市轨道交通行车组织是城市轨道交通的核心，是指挥列车运行、保证行车安全以及提高运输效率的基础，提高行车组织效率是提高整个城市轨道交通发展水平的关键[1-2]。根据1号线的客流特征分析，改变行车方式，辅以优化客运组织手段等，对1号线行车组织方案进行相应改进或优化，能够有效地提高运能。制定合理、科学、可行的列车行车组织方案可解决1号线运能与客流不匹配的问题，能够为旅客提供更加方便快捷的出行服务。城市轨道交通行车组织方案制定的基础是客流[5]。客流是指单位时间内城市轨道交通乘客流动方向的总和[2]。客流的概念既表明乘客在空间上的位移及数量，又强调其位移的方向性和起终点[4]，以断面客流表示。

2 1号线行车现状分析

1号线是南宁市首条建成通车的轨道交通线路，也是南宁市东西方向的骨干交通线路，线路西起石埠站，东至南宁东站，衔接南宁东站、埌东客运站、火车站、西乡塘客运站及广西大学等主要客流集散点。1号线全线呈东西向横穿南宁市区，全长约32.1 km，共设置25座地下车站，车站平面设置主要采用岛式站台和侧式站台两种形式。1号线配置列车共有30列，其列车采用6节编组B型列车，列车标准载客量为1 460人次，最大载客量为每列2 088人次，列车运营时速可达80 km/h，实际运行速度约为40 km/h。

2.1 1号线运营方案

1号线采用双线单向的运行方式，驾驶模式为ATO（列车自动驾驶）模式。自2019-07-29起，为更方便市民出行，提高运行效率，1号线在工作日早晚高峰上下行线分别加密开行2列车。目前，工作日出库列车为23列，其中上行线（石埠站至南宁东站方向）车辆段出库列车11列，下行线（南宁东站至石埠站方向）出库列车10列，其备用列车为2列，位于折返线上。1号线起讫站：石埠站火车东站;南宁地铁1号线运营时间为：6：30-23：00。

2.2 1号线行车组织

城市轨道交通行车组织反映其轨道交通的发展水平，只有不断优化行车组织才能更加契合城市的发展，满足城市交通的供给需求。目前1号线列车配属30列，正常运营时，上线列车达23列，高峰期与平峰期上线列车相差2列，根据实际客流情况，列车高峰时段行车间隔缩短至4 min 20 s，单程运行时间約为40 min。考虑车库需留存备用车，不足以进一步压缩发车间隔，如果需要进一步优化1号线行车组织方案，提高1号线运能和运行效率，应考虑调整列车行车方式。

3 行车组织优化措施方案设计

为了提高1号线在早晚高峰期的运能，缓解早晚高峰客流压力，主要采用优化行车组织的方法，将有限的运能投入到客流较大的重点时段和区段，同时辅以优化客运组织手段，减缓高峰时期的大客流压力。

3.1 行车组织优化模型分析

自1号线运营以来，根据客流变化特征，已多次进行发车间隔的调整。在2019-07-29的调整中，将高峰期主要客流方向的发车间隔由5 min缩短至4 min 20 s，现上行方向在早高峰时段小时断面客流约为18 000人次/h，列车平均满载率约为94.2%;晚高峰小时断面客流约为15 500人次/h，列车平均满载率为81.1%，同比去年客流量有所增长，客流与运能之间不匹配日渐突出[1]，如表1所示。

由相关调研数据可知：1号线早晚高峰时段大客流持续时间≤40 min，且大客流时段分别为：（1）早高峰时段7：30-8：30上行方向（上行：石埠站至火车东站方向）;（2）晚高峰时段17：30-19：30下行方向（下行：火车东站至石埠站方向）。

在一般情况下，不同区间和不同站点上客流分布形态不均衡，即城市轨道交通客流在空间上的动态特性不同。1号线客流的分布特征体现为工作日上下行单向客流的不均衡性，对于客流高峰时期，可以根据实际客流计算出其时间不均衡系数，根据不均衡系数标准来判断是否需要增加开行列车，减少列车发车间隔。

单向客流不均衡系数公式为：

K=Smaxni=1Sin（1）

式中：K——单向客流时间不均衡系数;

Smzx——单向最大断面客流量（人次）;

Si——单向小时最大断面客流量（人次）;

n——全日运营小时数（个）。

当单向客流时间不均衡系数趋向于1时，表明客流分布较均衡;单向客流时间不均衡系数>1时，表明客流分布不均衡，且其K值越大则表明客流越不均衡。为提高1号线在工作日高峰时段运营效率，实现运输合理性，可以实行高密度的行车方式，即在工作日的客流高峰时增加列车开行数，并辅以优化客运组织手段，有利于减缓工作日高峰时的大客流压力。

如图1和图2所示为早晚高峰时段的断面客流，由式（1）可计算得单向客流不均衡系数分别为：早高峰K=1.92;晚高峰K=1.64

一般市区地铁线路不均衡系数正常值为1.1～1.5之间[3]，而1号线在早晚高峰时段，线路的断面不均衡指数达到1.5以上。为保持各个断面运力与运量的平衡，可以实行高密度的行车方式，即加开运营列车，以达到提高运营效率和提高服务水平，减缓早晚高峰期时段上下行大客流压力的目的。

由于1号线上下行早晚高峰小时断面客流量不同，客流流向方向相反，建议采取加开不同高峰（1）时区段列车的方式，即在工作日早高峰时加开上行方向列车数量，在晚高峰时段加开下行列车运营列车数量。

3.2 建立增开列车模型

城市轨道交通的列车车数为正线运行列车数和库内列车检修备用车数之和。合理地配置投入运营列车数量能科学地提升轨道交通运能，并且满足客流供给需求。

建立列车配置数计算模型：

Y1=Y2+Y3（2）

Y2=2LV速×60+T1+T2T间隔（3）

Y3=Y2×25%（4）

式中：Y1——线路列车配置数（列）;

Y2——运营列车数（列）;

Y3——车库中检修和备用列车数（一般取值为运营列车数的25%）;

L——南宁地铁1号线全程长度（km）;

V速——列车运行平均时速（km/h）;

T1和T2——始发站和终点站折返时间（min）;

T间隔——行车间隔时间[6]（min）。

截至2019-07-29，1号线每小时断面客流已经增长至1.8万人次/h，列车满载率已经超过100%，满载率达到123%。当需要满足1号线高峰小时单向断面最大客流时，就需要建立行车间隔计算模型，见式（5）所示：

a=T间隔×V客60V（5）

式中：a——列车满载率（%）;

V客——高峰小时单向断面最大客流（人次）;

T间隔——行车间隔（min）;

V——列车载客容量。

当时a>1，则列车满载，乘客会滞留于车站台上，根据式（5），当增加开行列车后应当满足a≤1，即T间隔≤V×60V客。

根据以上模型可以计算出当前1号线列车运营配置数为18列，而目前实际运营配置为21列。从行车间隔计算模型计算得出，1号线的列车实际满载率为123.3%，列车拥挤度高。而根据计算结果表明，当前1号线的行车组织方案不能满足客流出行需求。见表2。

3.3 根据列车配置模型与行车间隔模型反推

通过对1号线的客流情况以及断面客流的不均衡性分析，对行车组织方案进行优化。针对当前的运营现状，在断面客流不均衡的情况下，可以采用加开区段列车的措施[7]。

城市轨道交通线路及列车一旦确定，其线路全长、平均运行速度、折返时间就是确定的，唯一可调整的就是列车行车间隔。列车行车间隔由列车载客容量及高峰小时单向断面最大客流量决定。

根据断面客流预测及载客容量建立的列车配置模型与行车间隔模型，可知当满足列车满载率时，1号线列车满足客流供给需求。一般情况下，当最大断面满载率达到75%～90%时，运营组织运输效率能够达到最高，服务水平也相对比较高。

当前1号线早高峰时段上行最大断面客流量為1.8万人次/h，列车满载率取75%和90%时，根据式（5）计算可得：（1）当列车满载率为75%时，T间隔=3.65，即行车间隔为3 min 39 s;（2）当列车满载率为90%时，T间隔=4.38，即行车间隔为4 min 22 s。

①T间隔=3.65 ②T间隔=4.38

即：①行车间隔为3 min 39 s;

②行车间隔为4 min 22 s。

满足a≤1，即T间隔≤V×60V客。

根据列车配置模型计算可得，在当前客流状况下的列车运营配置列车数为：（1）Y2=29;（2）Y2=25。

通过模型计算得出，运营列车在小时断面客流为1.8万人次/h的大客流，满足列车载客率90%情况下，其列车运行间隔为4 min 22 s，列车运营配置列车数为25，相对于高峰客流运营列车数的23列，增加了2列车;在列车满足满载率为75%，行车间隔为3 min 39 s时，列车运营配置数为29列最佳。综合考虑当前的运营现状及成本，采取增加2列开行列车的行车方式为佳。

同理，1号线在工作日晚高峰时段下行的小时断面客流量为1.55万人次/h，通过建立的模型可得：

（1）列车满载率为90%时，T间隔=5 min，列车配置数为Y2=21列;

（2）列车满载率为75%时，T间隔=3 min 57 s，列车配置数为Y2=27列。

通过模型计算可得，在工作日晚高峰时段采取行车组织优化方案措施即加密开行列车的行车方式，增开开行列车2列为佳。

通过以上模型建立分析与计算结果，结合实际客流调研数据，针对1号线上下行早晚客流差异特征和上下行客流断面不均衡问题，采取加密开行列车措施，即加开运营列车。在工作日早高峰时段，上行线增开开行列车数2列;在工作日晚高峰时段，下行线增开开行列车数2列。高峰时段单向加开开行列车，提升该方向上的运能，能有效减缓高峰时刻客流压力。增开的区段列车可暂停于折返线上，高峰客流时段增开列车的成本及安全作业任务条件充足，可从车库调度列车。

3.4 1号线运输能力提升分析

城市轨道交通系统的运输能力一般定义为：线路某一方向单位时间T（通常为1 h）所能输送的总旅客人数。列车运输能力主要由线路通过能力和列车载客能力两个因素决定。

运输能力表示为式（6）：

Z=XY（6）

X=TL（7）

式中：Z——运输能力（人次）;

X——线路通过能力，即单位时间T内可通过的最大列车数（列）;

Y——列车容纳定员载客人数（人次）;

L——列车最小追踪间隔时间（min）。

通过式（6）计算南宁轨道交通1号线原行车组织方案的运输能力与优化的行车组织方案的运输能力，作比较后，结果得：

早高峰上行：

优化后的行车组织方案原行车组织方案=2523-1×100%≈8.7%

晚高峰下行：

优化后的行车组织方案原行车组织方案=2119-1×100%≈10.5%

由计算结果得出，1号线行车组织优化方案运输能力相对于原行车组织方案提升了8.7%。

如前頁表3、表4所示，在对1号线进行客流分析及行车组织现状分析的基础上，根据客流特征的分析和轨道交通行车组织优化模型的建立，相比于原1号线行车组织方案，高峰客流时段的断面客流有所减小，列车满载率达到90%。运能相较于原1号线行车组织方案：上行单向运能提升8.7%;下行单向运能提升10.5%。通过优化方案模型建立的行车组织方案，其运营效率得到了提升，提高了南宁地铁1号线的服务水平。

4 结语

本文以南宁地铁1号线为研究对象，通过调查其运营状况，分析1号线当前的行车组织方案不足以满足客流需求的原因，并由此通过收集数据，掌握客流不同时段的分布特征，分析其断面客流量，有针对性地设计出行车组织优化方案，解决不同高峰时段客流与运能不匹配的问题。通过设计模型，调整1号线的行车方式，即增开区段列车，通过调整行车方式后与原行车组织方案运营效率相比较，获得行车组织优化方案，提升运能。但本文的优化方案，只是单一线网方向研究，内容有局限性。随着南宁轨道交通的不断建设与发展，南宁市将开通更多的地铁线路，线网的交路越来越复杂，因此对于行车组织可以进行多方面的研究。

参考文献

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[3]黄纯强.城市轨道交通网络化行车组织优化相关问题研究[J].工程建设与设计，2017（16）：52-53.

[4]武汉慧. 城市轨道交通短时客流预测与运营组织研究[D].西安：长安大学，2017.

[5]张铁岩. 客流波动条件下城市轨道交通运力资源配置研究[D].北京：北京交通大学，2013.

[6]罗 信，王志铭，雷志刚.地铁列车配置数计算方法研究及其应用[J].铁道技术监督，2012，40（9）：51-53.

[7]王修志，宋建业.断面客流不均衡条件下的地铁行车组织方法[J].铁道运营技术，2009，15（1）：16-19.

基金项目：

2018年南宁市青年科技创新创业人才培育项目“南宁地铁4号线列车自动驾驶停车精度及节能优化研究”（编号：RC20180109）;2017年度南宁市人才小高地专项资金资助项目“列车控制系统仿真平台普适性研究”（编号：20170403）;2017年度南宁市人才小高地专项资金资助项目“高铁列控中心系统失效机理研究”（编号：2017042）;南宁学院校级教学团队培育项目“轨道与交通教学团队”（编号：2021JXTDPY04）

作者简介：庞彦知（1982—），副教授，研究方向：轨道交通;

陈建球（1984—），副教授，研究方向：轨道交通。