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以安全为导向的地铁过饱和线路跳站停车策略优化模型

陶乐风 石俊刚 杨静 杨晓光

陶乐风, 石俊刚, 杨静, 杨晓光. 以安全为导向的地铁过饱和线路跳站停车策略优化模型[J]. 交通信息与安全, 2022, 40(3): 51-59. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.03.006
引用本文: 陶乐风, 石俊刚, 杨静, 杨晓光. 以安全为导向的地铁过饱和线路跳站停车策略优化模型[J]. 交通信息与安全, 2022, 40(3): 51-59. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.03.006
TAO Lefeng, SHI Jungang, YANG Jing, YANG Xiaoguang. A Safety-oriented Optimization Model for Train Skip-stop Strategy of Oversaturated Metro Lines[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(3): 51-59. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.03.006
Citation: TAO Lefeng, SHI Jungang, YANG Jing, YANG Xiaoguang. A Safety-oriented Optimization Model for Train Skip-stop Strategy of Oversaturated Metro Lines[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(3): 51-59. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.03.006

以安全为导向的地铁过饱和线路跳站停车策略优化模型

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.03.006
基金项目: 

国家自然科学基金青年基金项目 71801093

江西省社会科学基金项目 21GL37D

详细信息
    作者简介:

    陶乐风(1996—),硕士研究生. 研究方向:交通运输系统建模与优化. E-mail:1045586854@qq.com

    通讯作者:

    石俊刚(1986—),博士,副教授.研究方向:交通运输系统建模与优化. E-mail:jgshi@ecjtu.edu.cn

  • 中图分类号: U293.13

A Safety-oriented Optimization Model for Train Skip-stop Strategy of Oversaturated Metro Lines

  • 摘要: 为缓解高峰时段地铁过饱和线路的客流极端拥挤情况,从安全角度出发,以降低线路客流聚集风险和乘客总等待时间为目的,研究了地铁跳站停车策略优化问题。考虑随时间变化的动态客流需求,通过构建列车跳停、追踪运行、乘客动态加载等约束,推算出跳站停车策略下各车站乘客的动态聚集人数,并设计了独特的客流聚集风险评估函数。在传统只考虑乘客等待时间的列车跳停策略优化模型的基础上,将客流聚集风险纳入到模型的目标函数中,构建了以安全为导向的地铁跳站停车策略优化模型。考虑到模型的非线性特性,设计了适用于问题的可变邻域搜索算法(VNS),提出了3类邻域新解的产生方式,并设置违反约束的惩罚函数,以提高求解效率。以北京地铁八通线为例,对其早高峰和部分平峰时段(07:00—10:40)下行方向42趟开行列车的停站策略进行了优化实验。结果表明:所提出的模型可在5 min内求解出高质量的列车跳停方案,能有效缓解极端拥堵,提升客运服务质量。对比发现,相对于传统站站停策略,列车跳停策略下,车站最大等待人数由5 299人减少到2 495人,客流聚集风险降低了98.7%。在客运服务水平方面,乘客的平均等待时间由9.49 min降低到9.15 min,降低了3.6%。

     

  • 图  1  站站停与跳站停策略的说明

    Figure  1.  Illustration of the all-stop and skip-stop strategy

    图  2  乘客在k车站等待时间

    Figure  2.  The illustration of passenger waiting time at station k

    图  3  北京地铁八通线线路

    Figure  3.  Beijing Metro Batong Line Route

    图  4  不同情景下的停站策略与乘客等待数量

    Figure  4.  Stopping strategy and waiting passengers volume under different situations

    表  1  符号与索引

    Table  1.   Symbols and Indexes

    符号与索引 定义 符号与索引 定义
    S 车站集合,S={1, 2, …,|S|} tp p组乘客到达站台的时间,∀pP
    k, s 车站索引,∀k, sS t 列车停留时间
    I 列车集合,I={1, 2, …,|I|} tr 相邻2列车的最小安全追踪间隔
    i, j 列车索引,∀i, jI μ 乘客聚集风险系数
    [0, T] 考虑的时间范围 tsy 到达s站时列车在区间内的总运行时间
    p 乘客需求组索引,∀pP Nmax 车站最大连续不停站列车次数
    p 乘客需求组集合,P = {1, 2, …|P|} Uk k站可容纳的等待乘客的安全数量
    Hk k站可容纳的等待乘客的最大数量
    op p组乘客的始发站,∀pP C 超员情况下列车最大承载容量
    dP p组乘客的目的站,∀pP M 1个较大的正数
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    表  2  中间变量表

    Table  2.   Indirect variables

    中间变量 定义 中间变量 定义
    np p组乘客的数量,∀pP vki 列车ik站出发时的载客量,∀iI, kS
    tdsi 列车is站的出发时间,∀iI, sS
    tdsi 列车is站的到达时间,∀iI, sS lk, si k站列车i出发时遗留的去往s站的乘客数量,∀iI, kS
    wki k站等待登上列车i的乘客数量,∀iI, kS cki 列车ik站剩余的载客容量,∀iI, kS
    wki, e k站等待登上列车i的有效乘客数量,∀iI, kS aki 列车ik站下车的乘客数量,∀iI, kS
    wk, si k站等待登上列车i去往s站的乘客数量,∀iI, kS wk(t) kt时刻等待的乘客数量,kS, t ∈[0, T]
    nbki k站不会登上列车i的乘客数量,∀iI, kS wk k站的乘客总等待时间,kS
    bki k站登上列车i的乘客数量,∀iI, kS rk(t) kt时刻乘客聚集的风险值,kS, t ∈[0, T]
    bk, si k站登上列车i去往s站的乘客数量,∀iI, kS rk k站的总风险值,kS
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    表  3  求解参数

    Table  3.   Solving parameters

    参数 符号
    列车数量/列 |I| 42
    车站数量/站 |S| 13
    超员情况列车最大承载容量/人 C 1 860
    停站时间/min t 1
    等待乘客的安全数量/人 Uk 2 000
    等待乘客的最大数量/人 Hk 4 000
    相邻列车最小安全间隔/min tr 2
    车站最大连续不停站列车次数 Nmax 3
    目标权重 θ1θ2 0.5
    乘客积累风险系数 μ 2
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    表  4  各车站跳站列车的编号和总次数

    Table  4.   Number and total number of skip-stop trains at each station

    车站名称 跳站列车的编号 跳站列车总次数/列
    土桥 - 0
    临河里 1, 6, 13, 14, 16, 18, 23, 25, 30, 35, 37, 41 12
    梨园 1, 5, 7, 9, 10, 12, 13, 16, 17, 19, 24, 25, 28, 32, 34, 36, 38, 40 18
    九棵树 6, 15, 17, 18, 21, 22, 23, 26, 27, 31, 32, 39, 40, 41 14
    果园 4, 7, 11, 12, 13, 15, 17, 18, 22, 23, 24, 26, 39 13
    通州北苑 2, 8, 11, 12, 16, 18, 20, 21, 22, 24, 27, 29, 31, 32, 40 15
    八里桥 3, 5, 8, 10, 11, 12, 17, 18, 21, 22, 26, 27, 30, 33, 35, 40 16
    管庄 1, 6, 7, 10, 12, 14, 15, 19, 20, 21, 23, 24, 27, 29, 30, 33, 34, 39 18
    双桥 9, 11, 13, 14, 18, 20, 21, 28, 30, 31, 33 11
    传媒大学 1, 3, 8, 9, 14, 16, 19, 20, 22, 23, 25, 28, 29, 32, 35, 38 16
    高碑店 11, 14, 15, 16, 19, 20, 21, 25, 26, 29, 31, 33, 37, 39 14
    四惠东 1, 4, 9, 10, 12, 15, 17, 19, 23, 24, 31, 34, 37, 41 14
    四惠 - 0
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    表  5  站站停与跳停策略的求解结果

    Table  5.   Result of all-stop and skip-stop strategies solving

    运营模式 目标函数 总等待时间/min 平均等待时间/min 风险值 最大等待乘客数量/人
    跳站停 374 047.0 743 104 9.15 4 990 2 495
    站站停 581 381.5 771 343 9.49 391 420 5 299
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    表  6  车站最大列车连续不停策略

    Table  6.   Maximum continuous train strategy at the station

    策略 连续不停站的车次数 总乘客等待时间/min 上游车站乘客平均等待时间/min 风险值
    策略1 2 761 648 5.81 32 876
    策略2 3 743 104 6.35 4 990
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    表  7  权衡系数的取值

    Table  7.   The value of the trade-off coefficient

    θ1/θ2 总乘客等待时间/min 最大等待乘客数量/人 风险值
    0/1 774 395 2 084 694
    0.2/0.8 771 283 2 163 1 394
    0.4/0.6 760 624 2 456 1 778
    0.6/0.4 735 768 2 531 8 634
    0.8/0.2 723 816 2 724 30 300
    1/0 710 960 2 881 52 682
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  • 收稿日期:  2022-01-02
  • 网络出版日期:  2022-07-25

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