城市交通枢纽运行可靠度模型研究ResearchonOpe

1城市交通枢纽运行可靠度模型研究徐竞琪1滕靖1刘好德1陶媛2（1.同济大学交通运输工程学院上海200092；2.北京交通大学交通运输学院北京100044）摘要：基于指数函数的“扩大”“缩小”特性，提出了一种全新的城市交通枢纽运行可靠度计算模型。通过结合调查数据对模型进行标定、分析，并与传统的加权模型进行分析比较，指数型模型能更好地反映轨道骨干交通方式与常规公交等主体交通方式运行情况对枢纽运行可靠度的影响，从而验证了模型的科学性与合理性。通过实际交通枢纽评价系统中的应用，该模型对枢纽内部的调度决策起到了良好作用。关键词：公共交通；交通枢纽；运行可靠度；指数型模型；准点率ResearchonOperationalReliabilityofUrbanTransitTerminalXuJingqi1,TengJing1,LiuHaode1,TaoYuan2(1.SchoolofTransportationEngineering,TongjiUniversityShanghai200092;2.SchoolofTransportationEngineering,BeijingJiaotongUniversityBeijing100044)Abstract:Basedonthemagnifyingandreducingcharacteristicofexponentialfunction,anewoperationalreliabilitycomputationmoduleofurbantransitterminalisproposedinthispaper.Afterscalingparametersbyenquirydata,theexponentialmodeliscomparedwiththetraditionalweightedmodel.Itshowsthattheexponentialmodelcanbetterreflecttheeffectsonterminaloperationalreliabilitywhicharemadebymaintrafficmodessuchasbackbonerailwaytraffic,conventionalbusandtramtrafficandsoon.Thisalsovalidatesthescientificandreasonableofthemode.Theresultofthemodelcanplayanactiveroleinthedispatchingandmakingstrategicdecisionsbythemeansofbeingappliedinterminalestimatingsystem.Keywords:Transit;Terminal;OperationalReliability;ExponentialModel;PunctualityRate0引言以轨道交通为骨干，以公共汽、电车交通为主体，实现各类交通方式之间有机衔接是目前我国大中型城市发展综合客运交通体系的基本战略。城市交通枢纽是在城市规模的不断扩大，居民一次出行需要使用多种交通工具的背景下，为方便乘客、平衡客流而将私人交通、常规公交和轨道交通三个独立的系统组合成一个有机的客运运输整体而建立的一种交通设施，其主要功能是锚固客运网络、汇集和分配各种客流，满足乘客中转换乘时高效、安全、便捷、舒适的需要[1][2]。对城市交通枢纽做出系统、正确的评价，对明确和完善其需加强建设的方面具有重要意义。国外对城市交通枢纽系统的规划及设计做的比较成熟，但是对综合客运枢纽评价方面研究很少。仅SanjaDurtmsevic等在2001年提出对城市地下空间站台服务质量评价的指标体系和用神经网络方法优化综合评价指标数据[3]。国内研究方面，1995年刘小明在综合客运枢纽的评价指标体系上作了系统的探讨[4]，2000年晏克非教授对城市综合客运体系换乘进行了宏观分析及技术评价[5]。其次，在一些学位论文[6][7]中也有所涉及，但上述研究主要是对交通枢纽规划与设计评价，而针对枢纽服务可靠性方面的研究甚少。本文首先对城市交通枢纽服务评价体系中的运行可靠度这一概念进行了界定，然后针对通常使用的运行可靠度计算模型存在的问题，提出了更符合实际的指数型运行可靠度计算模型，并基于其理论基础和实际应用两方面，对两类模型进行了深入分析，从而验证指数模型的科学性和合理性。21运行可靠度所谓可靠度，就是在规定的条件下及规定的时间内，完成规定功能的概率[8]。交通系统可靠性研究始于20世纪80年代。目前可靠性技术已经在道路交通系统以及公共交通系统中得到了初步的研究。城市交通系统可靠性的研究主要应用于日常规划和抗灾规划中，近年来在智能交通系统中也有所应用。公共交通系统涉及的可靠度指标有：时间可靠度、等候时间可靠度、服务可靠度等[8][9]。城市交通枢纽运行可靠度属于公共交通的服务可靠度，其指在城市交通枢纽内部，各运输模式运行准点情况的整体概率。通常情况下，城市交通枢纽运行可靠度主要由枢纽内部轨道交通和常规公交的准点率所决定。城市轨道交通枢纽运行可靠度作为枢纽服务可靠性评价体系中的一个重要方面，是保证交通枢纽能够及时地汇集和疏散客流的重要因素。借助评价数据，有关人员可有效地对城市轨道交通枢纽运行过程进行分析（如是否需要调整轨道列车或常规公交车辆的运行时刻等），辅助决策者改进枢纽运行过程。然而，运行可靠度的计算模型较多，模型选择的恰当与否直接关系到评价结果的合理性。现今使用较多的城市交通枢纽运行可靠度计算模型共有两种[7][9]。（1）加权和法12112nnANNαβ=+（1）式中，A1——加权和法公交车到站准点率；n1——枢纽范围内调查时段内轨道列车准点运行的次数；n2——枢纽范围内调查时段内常规公交车辆准点运行的次数；N1——枢纽范围内调查时段内轨道列车全部行车的次数；N2——枢纽范围内调查时段内常规公交车辆全部行车的次数；α、β——待定系数，其中，α、β≥0，且α+β=1。（2）加权平均法12212nnANNϕγϕγ+=+（2）式中，A2——加权平均法公交车到站准点率；n1、n2、N1、N2同上；φ、γ——待定系数，其中，φ、γ≥0。2运行可靠度指数计算模型为便于分析和讨论，对于城市交通枢纽运行可靠度计算模型及其研究对象作如下界定和假设：（1）城市交通枢纽仅有一条轨道交通和一条与之接驳的常规公交线路；（2）计算模型中准点率的权重主要受轨道交通和常规公交的客运量大小影响；（3）轨道交通和常规公交晚点所造成的损失大小也影响其在可靠度计算模型中的重要程度的。基于上述假设，并考虑到交通枢纽内部各种运输方式的特性，本文提出一种全新的交通枢纽运行可靠度计算模型——指数型，其理论基础是：首先，当底数x为0到1之间的一个实数时，则函数值y同样也是0到1之间的一个实数；其次，①当指数为μ(μ≥1)时，则函数值y小于x（即距离1就越远），起具有差距“扩大”3效应(见图1中红线)；②当指数为ν(0≤ν≤1)时，则函数值y大于x（即距离1就越近），即起具有差距“缩小”效应(见图1中蓝线)。图1指数型函数图由于城市交通枢纽中轨道交通与常规公交的运行准点率对于枢纽服务可靠性影响存在显著差异，而这种影响差异与指数函数的特性十分吻合，因此建立如下模型：12312nnANNμν⎛⎞⎛⎞=×⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠（3）式中，A3——指数法公交车到站准点率；n1——枢纽范围内调查时段内轨道列车准点运行的次数；n2——枢纽范围内调查时段内常规公交车辆准点运行的次数；N1——枢纽范围内调查时段内轨道列车全部行车的次数；N2——枢纽范围内调查时段内常规公交车辆全部行车的次数；μ、ν——待定系数，其中，μ≥1,0≤ν≤1。在模型应用中，由于轨道交通拥有绝对路权，外界影响因素较少，其准点率需有绝对的保证，而且轨道交通晚点所造成的社会效益损失也是相当巨大，因此轨道交通准点率在枢纽运行可靠度中模型应具有“扩大”效应；反之，常规公交的不确定因素甚多，其准点率较难保证，应具有“缩小”效应。由于轨道交通和常规公交之间是互为聚集和疏散客流，且对枢纽的运行可靠度具有叠加作用，所以将轨道列车和常规公交车辆两者相乘。若城市交通枢纽内有多条轨道和常规公交线路，可用连乘的形式加入计算模型，只需结合实际情况，给予各条线路适当合理的权重即可。为易于分析，本文仅研究由单线路轨道交通和常规公交构成的城市交通枢纽。3可靠度模型分析加权和法就是将所有相关指标值的加权和作为结果。当运用于运行可靠度计算模型时，就是将轨道列车的准点率和常规公交车辆的准点率分别乘以权重相加所得。因此只要权重选取得当，理论上是可以取得合理的结果。对于加权平均法，在此假设φN1＝kγN2（k0），可以看成是两者折合成统一量纲后的发车数量关系，将其代入式（2），得y=xy=xνy=xμ4222221122NNkNnNNnNkAγγγγ++=即2211221121111NnkNnkkkNnNnkA+++=++=（4）将式（4）与式（1）进行比较，两者形式上完全相同。由此可见，虽然加权平均法表面上是从轨道列车和常规公交车辆的准点次数和行车次数直接进行探讨，如果利用相同的权重标定方法，由其计算所得的交通枢纽运行可靠度，在理论上是应该与由两者准点率出发的加权和法相同，两者的实质是完全相同。在上文中已经证明加权和法和加权平均法实质相同，因此在后续分析中只对加权和法以及指数法两种运行可靠度计算模型进行比较。为便于分析比较，现对运行可靠度计算模型进行参数标定。在两种计算模型中，需标定的参数为权重α、β以及μ、ν。结合笔者参加的上海科委资助项目研究，在上海南站附近进行随机抽样调查，主要考察对轨道交通和常规公交准点率的关注程度，结果显示99.78％的乘客无法容忍轨道交通晚点五分钟以上（含），而对常规公交仅为19.43％[9]，可见，轨道交通的重要程度要明显高于常规公交。在此基础上，并结合轨道交通和常规公交的客运量，以及其晚点所造成的损失大小，参数标定如下：4515αβ⎧=⎪⎨=⎪⎩以及515μν=⎧⎪⎨=⎪⎩由此可得，两种计算模型的具体计算式：„加权和模型计算式221115154NnNnA+=（5）„指数法模型计算式15512312nnANN⎛⎞⎛⎞=×⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠（6）两种运行可靠度计算模型式（5）、（6）的三维图形如图2、3所示。图2加权和计算模型三维图形图3指数计算模型三维图形5根据上述两种计算模型的三维图分析可得：（1）若轨道列车和常规公交车辆其中有一个准点率为0，指数计算模型的枢纽运行可靠度就为0，但是对于加权和计算模型只有当两者都为0时，枢纽运行可靠度才为0，尤其是当常规公交车辆准点率为0，轨道列车准点率为1时，枢纽运行可靠度竟为0.8。显然，指数计算模型相比之下更符合实际的。（2）根据图2可见，在加权和计算模型中，枢纽运行可靠度是随常规公交车辆准点率以及轨道列车准点率的增加而等比例增加，这显然也与实际不相符。（3）由图3可以看出，在指数计算模型中，常规公交车辆准点率从0开始略微有所增长就会引起枢纽运行可靠度的剧增，随着其增长，增加速度逐渐减缓；然而，对于轨道列车准点率从0开始增长，枢纽运行可靠度的变化不大，但增加速度变快，由此可见，其符合乘客对轨道交通和常规公交准点率的关注程度，同时也从侧面反映出了由于轨道交通或常规公交晚点所造成损失的大小关系。4模型应用本文所提出的指数型城市交通枢纽运行可靠度模型已经纳入依托上海科委重大攻关课题“基于网格技术的上海交通信息服务示范系统及其关键技术研究”所开发的项目示范系统中。该模型主要根据实际所采集到的交通枢纽运行数据进行计算，并作为城市轨道交通枢纽服务水平可靠性评价的一部分（见图4）。图4指数型城市交通枢纽运行可靠度应用示意图上述示范项目是围绕上海南站客运枢纽所展开的，由于城际轨道数据尚未接入，现考虑城内轨道交通，长途客车以及公交汽电车。结合实际调查数据进行参数标定并代入式（3），可得如下模型：1535