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中国智能交通协会

如何快速建模并提高轨道交通规划与运营管理水平?

2018-03-13   来源:轨道世界


  PTV在轨道交通和铁路中的应用
  换乘效率差,接驳不到位,开通不久客流量远超预计车厢暴挤,不同交通方式时间衔接不合理等一系列“问题”在我国轨道交通建设过程中时有发生……线路先天不足导致后期运营水平提升困难,引致乘客吐槽。如何科学建模以提高轨道交通规划与运营水平成了重要课题。
  以北京地铁与地面公共交通接驳为例,北京交通发展院(前身是北京交通发展研究中心)在2009年就利用北京轨道网的IC卡数据做了一次新技术的尝试, 运用PTV VISUM 软件搭建了基于IC卡数据的公共交通模型(包含轨道和公共汽车)。利用该模型,北京交通发展院分析了现状各条线路各站点随着时间的客流变化量,结合自身开发的Pivot-Point Model预测算法,预测了哪些区域的乘客会吸引到大兴线,轨道大兴线开通后的轨道交通量,并对大兴线周边公交线网937线路提出了初步调整方案。

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图1 北京轨道交通全网断面客流量图(来源:北京交通发展院2010年的报告)

  该案例中的PTV VISUM在欧洲的轨道交通、铁路系统方面有着广泛的应用(图2)。PTV VISUM在德国最大的用户就是德国铁路——即铁路行业大名鼎鼎的DB。

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图2 PTV VISUM的铁路及轨道参考客户

  细细讲来PTV VISUM在轨道交通和铁路方面,有着多种广泛深入的深度应用,见图3。下面,笔者逐一把各种功能给大家介绍一下。

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图3 PTV VISUM的多种功能

  线路规划
  人们的交通行为,实际上是“交通需求”和“交通供给”之间的持续动态平衡,轨道交通作为城市交通动脉,成功地规划可以科学回答“需求”和“供给”之间的关系。线路规划后线路一旦建成就很难更改,具有不可逆性,所以基于数据的科学线路规划重要性不言而喻。
  PTV VISUM是一个多出行方式的交通需求计算软件,支持交通四阶段(出行产生、出行分布、出行方式划分、交通分配4个阶段)交通需求分配方法,同时它也是一个很好的数据展示平台,可以把数据和图形表达完美得结合起来。软件内部有着强大的数据库结构,支持数据和EXCEL文档通过简单的复制粘贴进行交流。图4是DB的德国各个小区的铁路方式的出行占比图,以及OD关系期望线图(OD是Origin、Destination的缩写,表示的是出行量)。在这些量化的数据基础上,软件可以支持客户进行线路的优化设计。

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图4 德国铁路的出行方式比例图以及期望线图(来源:DB的报告资料)

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运行图编制(网络运行图的编制)

  列车运用图是利用坐标展示了列车与轨道线路的时间空间关系,是全线行车组织的基础,根据不同时段的客流需求提供充分的运能供给计划。
  对于运行图编制,PTV VISUM提供图形编辑以及表格编辑的窗口。在运行图编辑窗口中,可以在时空图显示每个发车班次的客流量变化。
  在软件里,可以根据运行时间的不同,定义多种类型的运行图(比如工作日运行图、节假日运行图以及双休日运行图)。用户提供发车间隔时间、区间运行标尺等信息,软件就可以自动生成完整的运行图,并提供详细的时刻表信息。

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图5 PTV VISUM的运行图编辑器窗口

  VISUM具有强大的交互式运行图编制功能,可以根据运营的基本信息进行计划运行图的绘制,也可以根据实际的运行结果或者仿真结果绘制实际的运行图。其绘图系统和时刻表的编辑系统是可以互动的,修改时刻表的具体数字会同步到绘图系统,移动绘图系统的运行曲线,时刻表也会随之修改。
  同时,VISUM的运行图支持区间客流的展示功能。通过宽度条反映客流的大小,不同的颜色反映客流的拥挤程度(饱和度),当然也可以反映每个区间的运力情况。

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图6 上海4号线轨道运行图和客流图(来源:同济大学王园园)

  客流预测

  客流预测贯穿轨道交通规划全程,即是投资决策基础,又是线网规模的依据。然而我国轨道交通发展过程中,普遍存在着规划阶段的预测客流与建成运营之后的实际客流有较大差异、实际客流远小(大)于远期预测客流、不同机构做的预测之间差距较大等问题,有没有更好的模型来支持更高效分析?或许PTV VISUM能帮助解决。
  轨道交通的客流预测是城市交通规划模型中最常用的功能,PTV VISUM在轨道交通的模型分析中有其独到的细节之处,可以方便地结合所需要的预测成果要求进行数据的归类和整理。由于VISUM存储了所有客流OD的路径以及路径段信息,可以在分配后直接给出线路和站点的所有指标(如站点上下乘客量、线路总客运量、基于站点或者基于线路的换乘客运量、线路周转量、换乘系数、蛛网图分析等),各种指标的输出格式也可以根据需要进行用户自定义。

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图7 上海轨道通勤客流量(来源:同济大学 王园园)

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图8 基于某个车站的等时线图以及到各车站的换乘次数图(来源:华盛顿地铁分析报告)

  软件里的情景方案管理器功能,可以支持用户轻松对比不同方案的流量增减变化结果,如图9所示,测试了如果在德国科隆-法兰克福地区增加一条高铁线路,得到的有无新线路的两种方案的流量对比图,绿色是引入新线路流量增加的宽度条图。

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图9 德国新高铁线方案的流量对比图(来源:DB的报告资料)

  枢纽站换乘分析
  好的换乘设计可以减少通勤时间,降低乘客疲劳感,提高乘车舒适性与运输效率。
  在设计阶段客流分析的细节还可以为枢纽站点的换乘设计提供更好的支持。
  例如VISUM以stop point-stop area-stop(即站点-站点区域-车站)的车站结构为基础可以对一个复杂的轨道交通枢纽点进行站台到站台级别的换乘客流矩阵分析。比如可以把一个大的轨道换乘枢纽站按照出入口、月台和站厅的数量建立起一个乘客换乘的矩阵来分析不同线路不同方向间的换乘客流量,见图10。通过交通分配,同一车站不同线路班次之间的换乘量也可以通过宽度条量化表达出来(图11)。

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图10 枢纽站的建模和分析

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图11 枢纽站的某一时间段各班次换乘流量图

  IC卡数据的流量分析
  由于VISUM的轨道网络模型可以细节到具体的时刻表线路班次、车站站台甚至车站出入口,在对刷卡数据的分析上可以做到空间时间的同步性。
  众所周知,轨道交通IC卡的数据包括了进出站的时间、进出站的站名、线路等信息,拥有了具有时间属性的IC卡刷卡信息等于拥有了完整的轨道交通动态OD。PTV VISUM开发了专门的IC卡数据分析模块,可以直接导入指定格式的IC卡刷卡信息,经过数据的可信度检查,把刷卡数据直接分配在公交线路网上,获得站间流量以及车站的上下客流量数据(图12)。

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图12 华盛顿地铁网IC卡数据导入的直接分配结果图(来源:华盛顿地铁分析报告)

  票价分析和成本计算
  VISUM中的票价类型多样,可以满足城市不同线路的票制票价,例如上海的磁悬浮为一票制,地铁系统的票价根据区段长度或者经过的车站数量制定,机场快线基于特定小区的票价矩阵等。PTV VISUM软件可以对不同线路或者不同运营公司的实际客运量进行分类统计,例如人公里、人小时、人次等,这样对不同线路的载客效益、运营成本等都可以进行详细的分析统计,支持不同规则的客票清分,见图13。

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图13 PTV VISUM中能使用的票价类型

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图14 PTV VISUM中成本效益计算的基本方法

  对于线路车辆的运行成本估算、固定设施投资和维护成本等,PTV VISUM可以根据以下费率,基于实际的行驶时间和距离计算总成本:
车辆单元的费率: 折旧费用
小时费用:           人力成本
公里费用:           燃油费用
车库停泊费用:    停车场的费用
停车费用:           人力成本
  车底运用计划的编制和优化
  构建车底运用计划优化模型可以最小化运营成本。
  基于计算不同车辆的运营总成本,PTVVISUM可以进一步提供车辆运用计划的编制方法,并提供初步的优化车辆数的计算结果,为更高效地提供公交服务提供优化结果。

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图15车底运用计划甘特图

  其实除了PTV VISUM外,PTV交通系列软件的车辆仿真软件PTV VISSIM和行人仿真软件PTV VISWALK产品也可以应用到详细的轨道交通线路和场站的设计评估中。例如国内的上海邑途交通咨询公司借助PTV VISSIM的道路交通环境整合开发的有轨电车专用仿真系统EASYTRAM(图16);目前国内多家设计院及高校等使用PTV VISWALK模拟仿真高铁站和地铁站内的乘客人流特征等(图17)。

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图16有轨电车专用仿真系统EASYTRAM

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图17 高铁车站客流仿真(哈尔滨西站)

  总的来说,PTV VISUM从乘客和轨道服务供应两个角度提供了一个具有空间和时间维度的轨道建模平台,它的空间精度可以达到站台和出入口以及每辆列车的级别,时间精度可以达到运行图的精度。轨道线网和客流的数据分析功能更是结合多年与DB合作的经验达到了规范严谨又细致入微的程度。作为一个软件平台除了在轨道交通的规划设计运营中的应用以外,其对轨道交通数据分析的相关应用经验也是值得行业借鉴和学习的。
  在此值得一提的是,PTV VISUM软件产品是在德国开发的,是基于德国和欧洲的交通背景和一系列交通标准规范开发完善起来并走向全球的典范。它的优势总结如下:
· 强调多模式交通方式的综合分析,尤其是对公共交通系统的细节分析和行人分析。
· 与地方交通管理特征匹配的功能设计,例如专门的拥堵收费功能、不同结构的出行成本费用细化。
· 注重细节的分析:例如分时段分车型的动态网络模型、公共交通换乘的时间和空间分析。
· 依托于软件平台的功能拓展:例如标准化的成本效益分析计算,排放油耗计算、交通安全统计分析、实时智能交通平台等。

  当下,中国城市尤其是特大城市对多元化交通特征提出了更高的要求。交通软件的背后不再单单是数学模型技术和计算机软件技术,其更大价值则在于软件产品建立所处的背景交通特征以及地方标准规范对我国的参考意义。

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