客运专线列车开行方案评价研究

高卫东，贾元华，张亮亮,姬亚鹏

(北京交通大学交通运输学院，北京　100044)



客运专线列车开行方案评价研究

高卫东，贾元华，张亮亮,姬亚鹏

(北京交通大学交通运输学院，北京100044)

摘要：客运专线列车开行方案评价是铁路运营收益的保障，也是列车开行方案优化的基础。本文在对客运专线列车开行方案评价指标进行系统分析的基础之上，从运营管理者和旅客两个角度，依托经济、技术、安全和服务四个维度，综合构建客运专线列车开行方案评价指标体系。采用主成分分析法和灰色评价法组合模型对列车开行方案进行整体评价，并列举实例,验证了所构建的评价指标体系的正确性以及评价方法的可行性。整个评价指标体系及结果对于铁路实际的运输生产具有一定的现实指导意义。

关键词：客运专线；列车开行方案；主成分分析；灰色评价

旅客列车开行方案作为编制列车时刻表和运行图的基础，在很大程度上体现了运输产品的质量和结构，同时也反映了铁路旅客运输的经营策略和服务水平。合理的开行方案能够提高铁路运输企业的经营效果和运输效益，体现铁路旅客运输的市场竞争力。建立旅客列车开行方案评价指标体系，对列车开行方案的经济和服务效果进行评价，不仅可以用来评价列车开行方案的优劣，而且可以作为优化开行方案的依据。

国内外学者对列车开行方案评价指标体系早有研究。邓连波等[1]在考虑铁路和旅客的经济利益与服务水平的基础上，建立了列车开行方案的经济指标和服务指标，以此来构建旅客列车开行方案的评价指标体系；谭政红[2]从安全性、快速性、准时性、经济性、便捷性和舒适性六个方面着手，建立了以旅客服务特性为指标的客运专线列车开行方案的评价指标体系，并量化了评价指标；陶思宇[3]从铁路运营经济效益角度出发，综合构建了铁路旅客列车开行方案经济效益评价指标体系，并引入矩阵分析法对铁路旅客列车开行方案进行经济效益评价；杨晓[4]从铁路企业效益最大、直达运输最大及列车虚糜最小为目标，建立了旅客列车开行方案的多目标规划模型，同时研究了确定列车运行区段和O-D流量的处理方法；Ghoseiri 等[5]建立了多目标规划模型求解旅客列车开行方案问题，该模型以燃料成本最小和旅行时间最小化为目标，适用于包含多个不同能力车站的单条线路或多条线路，模型的求解分两步，首先利用ε约束法确定铁路企业和旅客利益的平衡点，然后以获得的平衡点为基础，利用一种基于距离的方法实现多目标优化。

对于列车开行方案评价方法的研究，张玉召等[6]在对列车开行方案评价指标体系影响指标进行分析归并的基础之上，采用DEA方法对旅客列车开行方案进行分析和评价；宇海龙[7]提出在能力限制条件下，以综合效益最大化为运营目标，建立了适用于事前和事后评价的列车开行方案评价指标体系，并分别采用模糊综合、模糊层次-主成分分析法进行评价；史峰等[8]将列车开行方案与旅客换乘方案结合起来，以客流在铁路换乘网络上的分配作为下层规划，建立旅客列车开行方案优化的双层规划模型，并设计了以模拟退火算法为基础的旅客列车开行方案优化算法；张萧萧[9]分别建立了基于开行方案编制流程和基于开行方案产品性能的评价指标体系，在此基础上，针对单方案个体指标，采用聚类分析法对指标体系进行简化，再采用主成分分析法进行综合评价，针对多方案总体指标，提出了兼顾主客观权重系数的AHP-DEA综合评价法进行整体评价； Claessens 等[10]在给定路网结构、客流分布条件下，通过与荷兰现行的以最大直达旅客人数为目标的开行方案的相比较，以列车运行成本作为开行方案费用最小为目标，优化内容为开行列车的起讫点、频率和列车长度(编成辆数)。

综上所述，对于旅客列车开行方案评价研究问题，国内外的专家和学者均已进行了广泛的探索和研究，但还是存在很多不足的地方，表现在以下三个方面：(1)在评价指标体系研究方面，目前对开行方案评价研究主要集中在运输企业经济效益方面，虽然有部分学者提出了旅客满意度概念，但是如何将经营者和旅客的利益结合起来综合考虑，建立完备的开行方案评价指标体系的研究比较少。(2)在评价对象研究方面，目前关于旅客列车开行方案评价的研究主要有两类：一类是注重单列旅客列车开行效果的经济效益评价；另一类注重开行方案整体开行效果的综合效益评价。随着客运专线的大量修建，客运专线在铁路旅客运输方面所发挥的作用日益明显，但是针对客运专线旅客列车开行方案相关研究还比较少。(3)在评价方法选取方面，现有研究方法大多采用单一评价方法，这造成有些评价方法主观性明显，缺乏评价的相对客观性。

基于此，本文在前人研究的基础之上，从铁路运输企业和旅客两个角度，综合构建了客运专线列车开行方案评价指标体系，采用主成分分析法和灰色评价法组合评价模型，对所构建的客运专线列车开行方案评价指标体系进行评价研究。

1评价指标体系的建立

客运专线列车开行方案是一项复杂的系统工程，其方案评价是列车开行方案优化的基础，本文从旅客开行方案和客流换乘方案两个部分，综合考虑铁路企业和旅客的相关需求和特性，从经济、技术、安全和服务四个维度，综合构建客运专线列车开行方案评价指标体系。

经济指标不仅代表运营者的经济利益，同时也代表了旅客的消费利益。经济利益主要体现在运营者对开行动车组的成本、收益的考虑，即动车组总运营成本和动车组总运营收益两项指标。消费利益主要体现在旅客对出行费用和旅行时间的考虑，即旅客车票花销和旅客旅行时间两项指标。

技术指标主要是指从运营商角度开行旅客列车应有的最基本的技术支持，目的是保证旅客列车的开行以及满足不同层次旅客多样化的出行需求。为了使构建的评价指标更具说服力，技术指标分为动车组平均旅行速度、平均技术速度、车底周转时间和开行间隔时间四项指标。

安全指标主要是以动车组事故率和旅客伤亡人数来定量描述的，铁路始终把安全作为运营生产的第一要务，同时旅客出行也把安全作为首要选择。

服务指标综合考虑旅客的出行需求，是从旅客角度来评价列车开行方案和铁路服务质量。铁路现今正逐步地走入市场，要以市场需求为导向，采取“按流开车”的原则，所以服务指标是列车开行方案评价指标体系必须考虑的因素。服务指标分为动车组舒适度、旅客购票乘车便捷度、旅客平均中转换乘时间以及旅客平均拥挤程度。

综合以上对经济、技术、安全和服务四个维度的分析，从评价指标体系构建的合理性、客观性和可评价性原则出发，构建评价指标体系如图1所示。

图1　客运专线列车开行方案评价指标体系Fig.1　Evaluation index system of passenger dedicated train operation scheme

2主成分分析与灰色评价模型组合评价法

主成分分析(principal component analysis, PCA)也称主分量分析或矩阵数据分析，通过变量变换的方法把相关的变量变为若干不相关的综合指标变量，从而实现对数据的降维，使得问题得以简化[11]。

灰色综合评价法是从信息的非完备性出发研究和处理复杂系统的理论，是通过对系统某一层次的观测资料加以数学处理，达到在更高层次上了解系统内部的变化趋势、相互关系等机制的目的[12]。

由于本文所选取的评价指标有很多都难以量化，或者难以找到基础数据，所以结合主成分分析法可以提取数据主要成分以实现对数据降维，同时根据灰色评价模型可以对模糊系统进行评价、减少评价的主观性这一特性，论文采用主成分分析与灰色评价模型组合评价法，该方法集成两种评价方法的优点，减少专家打分的主观性，达到对客运专线列车开行方案的客观评价。主成分分析与灰色评价模型组合评价法评价步骤如下：

(1)根据评价对象的评分值xij构造评价样本矩阵X，并对样本矩阵X进行标准化变换得标准化矩阵[13]

(1)

(2)计算标准化矩阵Z的样本相关系数矩阵R和R矩阵的特征值λm

(2)

解得m个特征值λ1≥λ2≥…≥λp≥0。

(3)确定t的值，使信息的利用率达到85%以上

(3)

(4)

式中，F1,F2,…,Ft为分析后得到的t个主成分；uij为决策矩阵中的系数。

(5)综合权重的确定

(5)

其中，a1,a2,…，aL即指标ω1,ω2,…,ωL在主成分中的综合重要度，且ζ=λ1+λ2+…+λt。

(6)确定评价灰类。根据评价样本矩阵X确定评价灰类(灰类序号为e)，其相应的灰数和白权化函数fe(dijk)，同时计算灰色评价系数、灰色评价权向量和权矩阵。得到灰色评价权矩阵Ri为

(6)

(7)根据灰色评价矩阵，计算灰色评价模型评价值，Ti=Ri*CT，其中，CT为各评价等级值化向量。

(8)最终综合评价

(7)

其中，ωi为主成分分析法求得的权重。

3实例应用

根据前文所构建的客运专线列车开行方案评价指标体系，以及所介绍的主成分分析与灰色评价模型组合评价法，这里选取哈大客运专线一年四季的列车开行方案作为研究实例，样本评价矩阵采用1～10的评分法，即优秀：[7.5,10);良好：[5，7.5)；一般：[2.5，5)；差：[0，2.5)。聘请相关领域专家进行打分，应用主成分分析与灰色评价模型组合评价法理论，利用MATLAB软件进行求解，得到结果见表1。

表1　综合评价表

根据综合评分值的计算步骤(6)～(8)，得到如图2所示的最终计算结果。

图2　综合评价结果Fig.2　Comprehensive evaluation results

根据图2结果，哈大客运专线春季列车开行方案评价值较低，为良好水平。主要是春季受春节及开学学生客流的影响，造成铁路运力资源紧张，旅客购票便捷程度、列车开行间隔时间以及旅客中转换乘时间都要受到大批旅客流的影响，旅客的主观因素会造成对列车开行方案评价值较低。此外，也侧面反映出相关铁路运营部门对春节客流的调整应付能力还不够，在繁忙季节铁路动车组的舒适性以及服务质量还有待提高，铁路相关部门可以采取缩短列车发车间隔时间或者增开临客来满足剩余的旅客需求，并且要根据客流变化采取“按流开车”的原则组织编制列车开行方案。

哈大客运专线夏季列车开行方案综合评分值为优秀，夏季哈大客运专线采取300 km/h的最高运营时速，满足了出行旅客对列车运行速度的需求，缓解了既有线铁路及高速公路运力紧张的局面。夏季客流主要是旅游客流，表现为到大连中转换乘的客流比较多，动车组运输能力还有一定的剩余，相关运营部门可以采取延长列车发车间隔时间的措施来避免运能浪费。车站及列车服务质量能很好地令旅客满意，同时能够满足不同出行者多样化的出行需求，旅客对夏季的列车开行方案评分值整体上评价优秀。

哈大客运专线列车开行方案整体上秋季比夏季和冬季要低，这一时期主要受学生开学客流及十一黄金周客流变化的影响。限于时间成本的考虑，上学及十一黄金周出行客流对时间要求很高，为了节约旅行时间，旅客会选择动车组出行，这导致铁路客流在短期内剧增。而铁路应对这种短期内剧增客流的能力还有待加强，相应配套服务水平还有待提高。由于有些旅客没有购到票，或者在乘车的过程中自身的旅行效益没有得到有效的满足，所以在这一季节，哈大客运专线列车开行方案综合评价值略低。

冬季的哈大客运专线列车开行方案，评价值受到的主要影响因素是由于受严寒气候及线路条件的制约，列车最高运营时速降为200 km/h，增加了旅客旅行时间支出，导致部分旅客会选择其他种类的列车或者交通运输方式出行，这会导致铁路相应的客流量下降。铁路应采取增加行车间隔的方法来调整列车开行方案，因为动车组在应对极端天气以及安全性方面具有足够的竞争优势，所以在冬季铁路部门应该藉此努力发展潜在的市场客流，合理组织运营。

整体来说，哈大客运专线列车开行方案总体上评价良好，但是会受到季节和节假日的影响。主要是节假日客流的波动情况比较大，铁路相关运营管理部门应该充分抓住客流的这种季节性变化，调查客流需求，采取“按流开车”的原则组织生产。铁路可以增开临客或者缩短列车发车间隔时间来满足不同旅客多层次的出行需求；另外，铁路运营部门要提高自己的服务水平，开通便捷的旅客购票途径，提高车站周围相关的换乘交通设施的便捷性。

4结论

本文采用主成分分析与灰色评价模型组合评价法对哈大客运专线列车开行方案进行了评价，不仅消除了在使用主成分分析法时部分定性指标难以定量化的问题，增加了评价结果的客观性，同时用主成分分析法确定综合权重作为灰色评价模型的初始权重，减少了灰色评价模型评价的灰色性，表明该评价方法适用于客运专线列车开行方案评价研究。但是，该方法针对综合权重的确定还是依赖于专家打分，这将造成评价结果的主观性因素较大，如何提高组合评价模型评价的客观性，以及如何继续构建完善的评价指标体系，将是下一步研究的主要内容。

参考文献：

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【交通运输】

Evaluation of operation scheme for passenger dedicated line train

GAO Wei-dong，JIA Yuan-hua，ZHANG Liang-liang，JI Ya-peng

(School of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Abstract∶Evaluation of operation scheme for passenger dedicated line is the guarantee for railway operation revenue, and also the basis for train operation scheme optimization.We comprehensively construct it from operators and passengers and four dimensions (economy, technology, safety and service) based on its analysis.We further employ a principal component analysis and grey evaluation hybrid model to totally evaluate train operation scheme.We verify the correctness of the evaluation index system and its feasibility with practical cases.The evaluation index system and results will practically guide railway transportation.

Key words∶passenger dedicated line; operation scheme of passenger train; principal component analysis; grey evaluation method

中图分类号：U292.4

文献标识码：A

文章编号：1002-4026(2015)04-0052-06

作者简介：高卫东(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为交通运输规划与管理。Email:14120824@bjtu.edu.cn

收稿日期：2015-04-13

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2015.04.010 10.3976/j.issn.1002-4026.2015.04.011