城市轨道交通线网环境下客流分析及应用探讨

张 选，张 鹏

(1.南京地铁运营有限责任公司，江苏 南京 210016；2.南京熊猫信息产业有限公司，江苏 南京 210012)

1 引 言

随着AFC系统从单线单系统向多线路、网络化方向发展和地铁运营的逐步开展，在地铁ACC系统中积累了大量的运行数据，目前国内地铁系统更多的以运营收入的角度在使用所产生的数据，进行不同运营商间、不同线路间的收入的清分及AFC系统运行情况的统计。但实际上这些数据对地铁来说，如何利用此类数据，从此类数据中发现乘客出行的规律与列车的运行图之间的关联，检查列车运行图是否合理，是否满足乘客出行需求，是否发挥列车运力的最大效能，这些均是行业方重点研究的课题[1]。以南京地铁为例，在线网环境下对客流进行分析，提出计算模式，旨能对列车运营的行车组织提供参考依据。

2 设计内容

在ACC、AFC系统的基础上，充分挖掘利用AFC系统运行所产生的海量数据，通过线网建模实现地铁客流的动态显示，指导设计和验证地铁运行图，最大限度的发挥地铁的运力，实现地铁的绿色节能，提升乘客服务体系评价水平。

2.1 设计目标

在既有ACC数据应用基础上构建面向轨道交通客流分析与车辆调度的线网模型，建立站点拓扑关系。利用数据建模，再现某一个某一班次列车上人数等数据，直观的展现出各班车列车实时人数。利用数据仿真方法校验列车时刻表，为列车运行图调整提供数据支持。

2.2 设计原则

在构建面向轨道交通客流分析与车辆调度的线网模型时应充分考虑到与既有系统之间的可扩展性、可配置性、可调整性、可自适应性以及系统数据的一致性。在功能上应覆盖地铁既有线网所有线路和车站，并能够自动适用于未来新增加的线路和车站；所涉及的软件功能和算法实现方式应能够由用户自主设定和配置；所涉及的软件功能和算法实现方式应能够由用户自主设定和配置；所涉及的全部路网数据和路径权重等参数应能够满足人工调整和修改的要求；自动适应地铁清分系统对清分数据模型要求，能够在新线开通时自动适应及动态扩展。

3 模型设计

3.1 路网建模

运用拓扑学、运筹学中的方法，将清分系统中的交易数据转换为数学模型，再结合线网规划图将其抽象为乘车路径的网络拓扑图。通过软件将乘车路径的网络拓扑图构建为路网模型，模型中包含意站点间全部路径的详细换乘、里程、站点数、耗时信息，任意路径全部子路径的详细里程、站点数、耗时信息等[2]。

在路网建模基础上可以通过模糊算法，依据站点间距、换乘站位置、车次间隔、车站客流量、高峰平峰影响等因素对乘客乘车路径的原则予以计算和预测。

在路径建模中一般采用遍历操作法进行路径建模。遍历的目的是找出在轨道交通路网拓扑中一对进站和出站之间可能的路径，因为在网状拓扑图中换乘车站既是两条线路的交叉点，三个换乘站可能形成环路，所以为避免在遍历时算法线路无穷的循环中，需要控制从一条线路换乘到另条线路的次数，即换乘次数控制，而对于乘客一般不会选择超过3次以上的换乘的乘车路径，最终遍历结果得到在换乘次数控制下的一对进站和出站之间所有可能的路径。

遍历结果的数据量取决于车站与线路的数量，并随着线路和车站的增长呈比例增长。假设城市轨道交通规划最终将有13条线路，240个车站，28个换乘站，因此任意两个可达车站的

但对于同条线路的车站，认为乘客是不换乘的，考虑到13条线路，240个车站，则不经过换乘的进站和出站有

所以需通过换乘才能到达的车站对大概有26 457对，考虑到在换乘次数的控制下，换乘遍历结果的可能路径数目有

路网结构中2条路线相交的换乘节点25个，3线相交的换乘节点数为3个，且系统定义最大换乘次数为3，路网结构中有13条线路，240个车站，平均每条线路有车站240/13≈19(个)，假定平均每条线路有换乘车站约为2(个)，则依据公式的所有换乘路径有

240×(19+2×(19+2×(19+2×19))=68 400(条)

考虑到实际的路网结构中可能有4条线相交一个换乘点的情况，所以路径条数还会有所增长。

以下是对各种特殊路网拓扑的处理方法

(1)交叉线

在路网拓扑结构中存在多条线路在一个换乘点交汇的情况，在遍历算法中是以深度优先遍历的，在遍历完一条线路所有车站后将退回到上一换乘点，再遍历该换乘点上另条线路的站点。

如图1所示，在遍历算法中，从起始站点1出发的遍历过程如下：

图1 交叉线示意图

1→x，判断x点是否是换乘点；

遍历经过x换乘点的线路；

遍历该线路所属车站中无换乘点，记录所有遍历的到达车站；

退回x换乘点，检查是否还有其他线路经过x点，如果有跳转到3，否则退回到上一换乘点，直到退回到起始站点，结束本起始站点的遍历。

(2)环线

在路网拓扑结构中某条线路成为封闭的环。在遍历算法中的一个重要特点是无向性，只记录起点车站、换乘车站、到达车站，而不记录在该条路径上经过每个车站以及站点顺序，但在权值计算时需要考虑到路径里程和时间的不同。

以图2为例，从A1车站进站，B1车站出站，在乘客选择乘车路径时可能的有：

图2 环线示意图

路径一：A1→A2→A3→B1；

路径二：A1→An→A4→A3→B1；

路径三：A1→An→Bn→A3→B1；

在这里讨论路径一和路径二，在遍历算法中记录的是两个路段：A1→A3、A3→B1，所以对遍历算法而言，这两条路径其实是一条。

(3)共线

在路网拓扑结构中有两条线路甚至多条线路的部分共线重叠的情况，该共线上的车站同属于两条或多条线路。

3.2 路径选择

乘车路径的算法主要有“最短路径法”和“多路径法”。一般情况下客流预测时“最短路径法”为推荐选项，但是实际工程应用时还需统筹考虑乘客的乘车时间、换乘站之间的举例、不同线路及车站的拥挤度等因素，乘客可能采用符合自身服务需求的其他换乘路径进行换乘。在实际路径建模时，有些乘车路径有多个选择，此时需采用“多路径法”进行补充。“多路径法”是指在线路成网下，进站与出站之间存在多条乘车路径，在路网建模下，通过算法对多条路径进行优选，去除一些不合理的路径，在辅以不同路径权重，得出的一条最佳乘车路径。

路径选择计算方法法如下：

(1)找出两站(起点站、终点站)间的所有路径的算法。

(2)从两点(起点站、终点站)间的路径中选取符合某条件路径的算法。

(3)结合理论或实际调研数通过算法据优选出乘客可能选取的路径。

(4)从某起点到某终点的乘客的路径权重分配到线路、车站的算法。

3.3 客流分析

在客流交易的出站交易中一般包含了进站信息，如：进站线路、进站车站、进站时间、进站设备等。因此，在工程应用中可以以出站交易为数据基础，对短时间的客流进行建模，通过算法模型可以算出T1～T2时间段内线网上线或下行的客流信息。

当城市轨道交通多线路成网时客流的行径路径将会存在换乘情况，交易数据将会存在无法反映乘客的实际换乘路径的情况。此时，可以采用路径建模中的最佳路径作为乘客选择实际换乘的乘车路径，并将有换乘的行程信息拆分成在各个线路上的乘坐信息。在此基础上，对进出站之间的不同的换乘选择根据权重按比例拆分[3]。

计算规则应遵循如下规则：

(1)由行车调度系统给出的列车运营计划时刻表。

(2)结合路网建模、路径选择计算出某时间段内某条线路的上线或下行断面客流信息[4]。

(3)根据断面客流信息，将详细信息根据不同的权重拆分为具体的子路径，并将子路径对应到具体的车次[5]。

(4)通过汇总分析，就可以得到具体列车的上车人数、下次人数的理论值，即断面客流的理论分析数据[6]。

4 工程应用

在工程应用中，通过路网建模、路线选择、客流分析等方式可以将客流数据精确到具体的行车，对于列车的行车组织具有指导意义[7]。主要功能体现如下。

(1)列车运行客流模型展示

对历史数据和实时数据的分析，结合线网规划图，可以模拟实际的列车运营时的客流分布。可以为运营部门提供实时的线路、车站、列车上人员分布特点，可以动态咱先各车站进站人数、出站人数[8]。

(2)早晚高峰时间确定

通过客流在早晚高峰形成的趋势，在多种时间不同情况下，判断早晚高峰的时间段[9]。

(3)超载列车预测

根据实时进站、出站客流信息并结合列车时刻表，可以对超载车站、超载时间、超载列车进行预测。在软件上辅以不同的颜色，直观的为行车组织级客流管理提供决策依据[10]。

(4)列车时刻表测试

定期使用历史客流数据和行车时刻表进行测试，模拟并验证大客流情况下列车时刻表编排的合理性。

5 总 结

通过合理的路网建模与路径选择设计生成相应的线网模型，在此基础上形成合理的路径拆分和模拟乘坐算法，得到客流模型数据。并结合列车行车数据可以进行直观的模拟乘坐展示和客流模型数据应用进行工程应用，为行车调度进行指导。