城市轨道交通网络延时运营 特征及难点研究

杨儒冬 ，徐瑞华 ，季 晨

（1. 同济大学 上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室，上海 201804；2.同济大学 道路与 交通工程教育部重点实验室，上海 201804)

0 引言

近年来，伴随着经济深化发展和产业结构升级，第三产业比重逐渐攀升，休闲娱乐、购物、餐饮等消费需求的增长带动了居民消费方式和消费习惯的调整，同时也改变着城市的作息时间，越来越多人倾向于开启夜间消费模式，使得夜间经济成为现代城市业态之一。我国各大城市也相继发布了推进城市夜间经济发展的政策文件，均明确提出要从延长公共交通夜间服务时间、加密夜间班次等方面提升夜间公共交通服务水平。城市轨道交通系统作为公共交通系统的骨干，在客流需求大、运能整体不足的城市运输服务中扮演极为重要的角色。为了契合城市发展夜间经济的政策及居民日益增加的夜间出行需求，我国多个城市地铁公司启用了延时运营方案，根据线路延时条件及客流需求，从网络中选择部分线路延时运营，延长其夜间运营服务时间，在延时运营时段内，安排加班车上线运行，提供运输服务。但受到轨道、车辆、接触网、信号等网络设施设备夜间检修维护的影响，城市轨道交通线路通常难以实现全天候运营，各条线路根据自身功能定位和客流特点确定末班车时间。为此，对于地铁运营企业而言，延时运营是一个亟待解决且极具实用价值的重要课题。

目前对延时运营的研究较少，吴嘉等[1]通过调研国际大城市轨道交通线网的运营时长，结合纽约等典型城市的案例，分析了延时运营优缺点及发展趋势，并对我国城市轨道交通夜间运营发展提出了建议；Yang等[2]针对城市轨道交通在延时运营时段OD间路径可达性实时变化的特点，提出了基于实际可达路径的延时运营时段网络加班车客流分析方法，从而能够获得准确度更高的夜间客流数据；张鹏[3]考虑高速列车晚点可能导致乘客无法换乘城市轨道交通列车到达目的地，建立了考虑晚间高速铁路列车晚点的城市轨道交通延时加开列车时刻表编制模型，从而提高枢纽车站换乘衔接的服务质量，提升乘客选择高速铁路与城市轨道交通出行的便捷性；Asakura、黄志远、胡映月等[4-6]基于AFC票卡数据对城市轨道交通网络客流特征及规律进行了研究。但对于延时运营条件下网络的客流规律、运营特征及运营难点研究较少，为此，以城市轨道交通延时运营为研究对象，分析城市轨道交通延时运营的必要性，结合上海地铁实际数据，对延时运营条件下网络客流规律、运营特征及运营难点进行研究分析，以提升城市夜间公共交通服务水平和城市竞争力。

1 延时运营的必要性

（1）夜间公共交通的社会经济性及夜间经济发展的必要性。从社会经济角度，保障“在经济和社会上处于不利地位的公民的流动权利”是公共交通设立的初衷[7]，目前公共交通由于其夜间服务时长等限制使得夜班人员、夜间活动从业人员等具有夜间出行需求的人无法享受其公益性；从夜间经济角度，优质的公共交通出行是夜间经济繁荣的基础和前提，得益于公共交通的低出行成本、便捷性及夜间出行的安全性，城市轨道延时运营能有效刺激和释放被夜间出行限制而抑制的出行和消费需求。

（2）城市轨道交通当前运营服务时间总体较短。不同城市根据其城市规模、城市经济水平和居民出行需求等因素确定线路运营时间和网络服务时间，但对比国际一线城市的轨道交通运营服务时间，我国城市轨道交通运营服务时间整体偏少。2018年全球年客运量排名前15城市轨道交通网络运营时间如图1所示(其中，国内上榜城市的运营结束时间未考虑延时运营的情况)。从图1可以看出，虽然我国城市在客运总量上排名靠前，但运营时长与全球一流大都市相比还有一定差距，我国主要大城市运营时长比排名前15城市的轨道交通平均运营时长少约1 h。

图1 2018年全球年客运量排名前15城市轨道交通网络运营时间Fig.1 Operation time of URT in the top 15 cities in the world in terms of annual passenger flow in 2018

（3）城市轨道交通夜间服务质量有待提升。夜间时段，网络整体客流偏少，OD出行量较为稀疏，且网络中各线路逐渐结束运营，线路间的衔接协调性逐渐衰减，而网络各线路间列车的衔接又直接关系到乘客能否成功到达目的地，延时运营后该问题变得更为重要，除了需要考虑原网络末班车间的衔接外，还需要考虑末班车与加班车及加班车间的衔接关系，从而解决好车流与客流匹配的问题；此外，城市轨道交通与综合交通枢纽夜间衔接也亟需改善，随着高速铁路网越来越密集、选择轨道交通出行的乘客比例快速攀升，夜间到达枢纽站的列车也越来越多，然而城市轨道交通在夜间时段的服务能力无法满足通过高速铁路、城际铁路等方式抵达枢纽站的乘客对通过公共交通完成“最后一公里”出行的需求，也无法满足区域轨道交通一体化对于城市轨道交通衔接和疏解客流的要求。通过优化解决城市轨道交通夜间时段、尤其是延时运营时段车流与客流协调匹配的问题，提升城市轨道交通的夜间服务质量，从而带动延时运营的社会效益的增长。

2 延时运营后夜间时段网络客流规律

为了更能体现延时运营对夜间客流的影响，统一定义运营结束前1 h内的网络客流为夜间客流，结合上海地铁实际客流数据，从客流的增长性、周期性及不均衡性等角度分析延时运营后城市轨道交通网络夜间客流规律。

2.1 夜间客流的增长性

延时运营是城市轨道交通运营企业基于居民的夜间出行需求和相关部门关于提供夜间交通服务的要求，延长夜间运营服务时间，提供便捷的夜间公共交通服务。具有夜间出行需求的乘客群体有限，所以夜间出行乘客的总体体量较小，需要一定时间来培养夜间出行的客流量或改变居民的夜间出行习惯，但随着延时运营方案的执行，会首先带动夜间出行客流的总量提升；同时，由于各线路在路网结构中承担功能的差异性及线路车站周边的用地性质不同，延时运营条件下网络各线路的客流增长速率也各不相同。以上海地铁为例，从2017年4月开始全网多条线路实施延时运营，2017年至2020年1月期间，夜间客流量(运营结束前1 h内的客流)及夜间客流占比不断提高，上海地铁延时前后夜间客流总体变化情况如图2所示，表明延时运营对夜间出行的客流吸引力越来越强。

图2 上海地铁延时前后夜间客流总体变化情况Fig.2 Overall change in nighttime passenger flow before and after the operation extension of Shanghai Metro

选择延时运营的地铁1号线、2号线和未延时运营的6号线、11号线分析夜间客流数据，得到上海地铁分线路夜间客流变化规律如图3所示，对数据进行线性拟合后发现，延时运营的1号线、2号线夜间客流增长速率明显大于未延时运营的6号线和11号线，说明延时运营对线路夜间客流出行有明显促进作用；1号线和2号线的夜间客流增长率也不同，说明不同线路的延时运营对夜间客流吸引的效果也不同，在后续制定网络延时运营方案时应该考虑线路的差异性。

图3 上海地铁分线路夜间客流变化规律Fig.3 Change law of nighttime passenger flow of Shanghai Metro by line

2.2 夜间客流的周期性

基于上海地铁2017年3月至9月的夜间客流数据，分析上海地铁夜间客流总体规律如图4所示，可以看出，夜间客流具有明显的周期性；取局部数据，分析上海地铁夜间客流出行规律如图5所示，可以直观地看出，除节假日等特殊日期外，一周中周日至周四夜间客流量维持在较低水平，周五及周六夜间客流显著高于周平均水平。分析其原因，主要是由于周日至周四，通勤客流由于第二天需要正常上班，需要保证一定的休息时间，所以夜间出行需求处于低位；而周五及周六考虑到第二天为休息日，可以在夜间外出就餐、购物、游玩等社交活动，从而使得乘客夜间出行需求明显提升。为此，基于上述特征，上海地铁根据夜间客流变化特点，选择在周五、周六及节假日进行延时运营，有针对性地满足乘客夜间出行需求。

图4 上海地铁夜间客流总体规律Fig.4 General pattern of nighttime passenger flow of Shanghai Metro

图5 上海地铁夜间客流出行规律Fig.5 Travel pattern of nighttime passenger flow of Shanghai Metro

2.3 夜间客流的不均衡性

夜间客流的不均衡性主要体现在夜间客流的来源与去向在空间上的不均衡。基于上海地铁2019年9月某周六的夜间客流数据，得到夜间时段进站和出站量排名前10的车站，上海地铁网络夜间客流来源与去向分析如表1所示。基于实际数据分析，可以得出：夜间客流来源主要分布在城市内部的交通枢纽、商圈及商务办公区等区域，该部分区域能够实现居民的夜间出行、购物消费、办公及加班等多样化需求，所以该部分区域车站的夜间出行客流排名靠前；夜间客流去向主要以大型居住区周边车站为主。基于上述规律，城市轨道交通运营管理部门在制定网络延时运营方案时，应该考虑夜间客流需求分布特点，使得延时方案能够尽可能有针对性地覆盖夜间出行需求较大的区域。

表1 上海地铁网络夜间客流来源与去向分析Tab.1 Analysis of the origins and destinations of nighttime passenger flow in the Shanghai Metro network

3 延时运营时段网络运营特征分析

3.1 延时运营时段乘客出行影响因素对比

根据城市轨道交通网络客流出行规律及各时段的运营特点，可将全日划分为平峰时段、高峰时段及延时运营时段，各运营企业可以根据自身运营及运输组织需要做更为细致的划分。选取换乘等待时间、换乘次数、拥挤度、可达性、留乘、出行费用及出行时间等指标，来评估各时段内出行乘客需求的侧重点，乘客对各项指标的敏感程度用数字1至5表示，基于文献[8]和文献[9]中对于高峰、平峰及延时运营时段的乘客统计，结合上海地铁延时运营时段乘客出行特征的调研分析数据，总结得到城市轨道交通各时段乘客出行影响因素对比如图6所示。从图6中可以看出，高峰时段内，乘客对行程出行时间的敏感程度很高，乘客主要关注拥挤度、留乘情况等因素，即城市轨道交通的服务水平和服务能力对乘客影响较大；平峰时段内，客流主要以非通勤乘客为主，其对行程出行时间敏感度较低，更注重出行的拥挤度、出行费用等因素；延时运营时段内，乘客可能由于错过线路末班车而无法通过城市轨道交通到达目的地，因而该时段出行乘客最为关注的是换乘衔接及行程可达性等因素。

图6 城市轨道交通各时段乘客出行影响因素对比Fig.6 Comparison of factors influencing passenger travel by URT by time period

基于上述各个时段的客流需求特征，城市轨道交通运营管理部门应该针对不同时段，制定相应的运输组织方案。高峰时段，客流主体为通勤乘客，时间价值高，加之该时段网络各线路客流量大，运营企业在该时段通常以提供足够运能、加速客流周转、运送更多乘客、避免客流积压等为目的组织运营；平峰时段线网客流量水平较低，运营企业通常在满足客流需求及运营服务水平的基本要求下，减少上线列车数量，优化列车周转，协调优化换乘站各换乘方向的列车运行计划，缩减换乘等待时间，同时也为下一高峰时段的运营做好准备；延时运营时段乘客最关心的为目的地的可达性，则需要以保障该时段运营服务水平、优化末班车与末班车、末班车与加班车、加班车与加班车间的换乘衔接，提升该时段网络整体可达率和换乘成功率为目的进行运输组织。基于上述分析，结合上海地铁2018年1月1日至2019年12月31日期间网络各线路实际执行的多幅列车运行图数据和对现场编图人员的实际调研，总结3个时段的运营特征，城市轨道交通各时段运输组织特征对比如表2所示。

表2 城市轨道交通各时段运输组织特征对比Tab.2 Comparison of transportation organization characteristics of URT by time period

3.2 延时运营时段网络可达性动态特征分析

在城市轨道交通乘客实际出行中，OD间路径是否可达不仅只包含物理层面的可达，还受到乘客出行时间、线路列车运行计划等因素的影响，即使是物理层面可达的OD出行路径，如果在时间上无列车衔接以供乘客乘坐，则该路径也是不可达的路径。而在末班车及延时运营时段，网络各线路逐渐退出运营，网络OD间路径可达性随时间推移动态变化，使得乘客在较晚时刻出行时，OD间部分路径不可达。为此，乘客出行过程中实际可达路径具有时变特点，它决定了OD的可达状态，而OD的可达状态又决定了网络的可达性。以上海地铁2021年5月某周六为例分析网络可达性的动态特点。上海南站可达范围动态变化如图7所示，可以看出，晚上21 : 00前乘客从上海南站出发可以到达全网所有车站，从21 : 08 : 17开始出现不可达车站，到凌晨时，从上海南站出发，全网只有5个车站可达，且均为本线车站，网络可达性极低。从网络整体来看，计算21 : 00以后每15 min内网络所有OD对的可达性，上海地铁全网OD可达性随时间变化情况如图8所示。从图8中可看出，在22 : 30 : 00—23 : 00 : 00时段内，可达性下降最快，降幅约为50%。

图7 上海南站可达范围动态变化Fig.7 Dynamic changes in the accessible range of Shanghai South Railway Station

图8 上海地铁全网OD可达性随时间变化情况Fig.8 Variation of OD accessibility over time for the whole Shanghai Metro network

4 延时运营难点分析

4.1 延时运营时段供需问题分析

延时运营时段服务质量的关键在于网络延时运行计划的编制，网络延时运行计划的编制是一项系统、复杂的工作，最理想的延时运营方案是全网所有线路都延时运营、且延时运营时长足够覆盖所有乘客的夜间出行需求。但网络中各线路及车站定位及承担的客流水平不同，不同线路及车站客流对于延时运营需求也不同。以上海地铁为例分析2016年9月(未延时运营)工作日和休息日的小时平均客流数据，上海地铁网络小时客流变化趋势如图9所示。从图9中可以看出22 : 00 : 00后网络客流总量急剧下降，网络整体出行需求降低。将该时段客流分散到路网，得上海地铁22 : 00 : 00后网络客流密度分布如图10所示。虽然在夜间出行总体需求较高峰时段大幅度下降，但在市中心等局部区域，仍然具有相当大规模的夜间出行需求，主要体现在重要交通枢纽、商业区及大型办公区等区域。

图9 上海地铁网络小时客流变化趋势Fig.9 Hourly passenger flow trend in the Shanghai Metro network

图10 上海地铁22 : 00 : 00后网络客流密度分布Fig.10 Traffic density distribution of the Shanghai Metro network after 10 : 00 p. m.

此外，上海地铁1号线、2号线作为骨干线路，不仅连接了上海的主要机场及交通枢纽，也连接市中心及多个商业核心区，沿线大量的枢纽对外交通衔接需求和商业核心区对内夜间出行需求对延时运营及其服务水平要求较高，根据客运部门调研发现，其客流需求甚至能到达凌晨2 : 00；但对于浦江线、18号线等郊区线路，其客流以跨线客流为主，在晚高峰后，线路客流量水平极低，所以线路收车时间较早，基本无延时运营需求，即不同线路在线网中承担的作用不同，对延时运营的需求也存在较大差异，没必要对网络所有线路都推行延时运营。

延时运营时段网络供给最直观的体现就是安排加班车上线运行，但城市轨道交通网络运营的首要前提是运营安全，需要预留足够的时间用于各类设施设备的维修养护，这也使得部分超长延时需求无法满足，例如2号线的延时需求达到凌晨2 : 00，但考虑列车回库时间及最少需要的维保时间，目前2号线无法做到延时到凌晨2 : 00及以后。结合不同线路的延时运营需求及延时运营条件的差异，如何在网络中选择部分线路延时运营、且能够尽量多地满足夜间出行需求是当前运营管理部门关心的问题。

4.2 延时运营难点

延时运营效果的关键在于网络延时运行计划的制定，网络延时运行计划的编制需要根据夜间客流需求及运营管理部门的特定延时目标，确定延时运营线路、线路延时运营时长、开行间隔、交路方案、停站方案及车底运用方案等诸多要素。由上文分析可知，延时运营时段网络客流量整体水平偏低，但在网络局部区域或特定OD间仍存在较大客流需求，为此，在网络延时运行计划编制时，可以根据夜间OD客流需求分布特征及运营管理部门需要特别保障的部分OD对在特定时间前可达的要求，筛选出网络控制OD对集合，并确定控制OD对的最晚可达时间阈值等参数，然后结合网络线路类型、延时运营条件等因素，确定网络延时运营线路的组合、各延时线路的延时时长及相关参数，实现在满足夜间客流需求和既定延时运营目标的前提下，最小化运营成本，既提升夜间公共交通的服务水平，又避免运输能力的浪费。

其中，考虑到不同线路由于其在网络结构中的作用以及与衔接线路的关联程度不同，在延时运营中起到的效果也不同。例如，假设存在A，B 2种可行延时运营方案，都能满足运营管理部门制定的特定延时目标，选取延时总时长和延时总列次作为方案评选指标，延时运营方案对比示例如表3所示，差异在于方案A与方案B的延时运营线路组合，方案A选择1，2，7，8，10号线延时运营，方案B选择1，2，7，9，13号线延时运营，在都能满足运营特定延时目标的情况下，方案A的总延时时长和延时列次都要比方案B多，说明在延时目标既定的情况下，A方案的延时成本大于B方案，即延时方案B更优，表明B方案的延时线路组合比A方案更优，也说明了不同线路在延时运营中的效果不同。在确定延时线路和延时运营时长后，基于网络运行参数、交路方案等数据，进一步完成延时运行计划编制。

表3 延时运营方案对比示例Tab.3 Example of operation extension plan comparison

延时运营一段时间后，运营管理部门需要根据客流需求和网络加班车客流情况对现有延时运行计划进行优化，由于延时运营时段网路OD间路径可达性实时变化的特殊性，通过既有清分系统得到的延时运营时段客流与实际偏差较大，所以需要根据延时运营时段的特殊性，设计网络加班车客流分析方法，得到更为准确的客流数据，为延时运行计划的优化提供准确度更高的客流数据。

基于得到的准确度更高的加班车客流数据，结合延时运营的核心目标，考虑其与高峰、平峰及末班车时段网络列车运行计划优化的异同，从延时运营时段网络整体可达性和乘客等待时间等角度构建目标函数，优化网络加班车开行计划，提升该时段的车流与客流的匹配度。

综上，延时运营的难点总结为以下几个问题。

（1）基于延时运营时段网络OD间路径可达状态实时变化的特点，如何设计客流分布计算模型，从而得到准确度更高的网络加班车详细客流。

（2）在编制网络延时运行计划时，如何根据OD需求特征及线路类型等因素，确定网络中延时运营的线路、各延时线路的延时运营时长、开行间隔等要素。

（3）如何根据延时运营时段OD分布特点、延时运营特征及运营目标对网络延时运行计划进行优化，在实现其社会效益的同时，还能够保证一定的服务水平。

5 结束语

区别于常规运营时段，夜间时段网络客流具有增长性、周期性及不均衡性的基本规律，采用延时运营方案，乘客最关心的为目的地的可达性，则需要以保障该时段运营服务水平、优化末班车与末班车、末班车与加班车、加班车与加班车间的换乘衔接，提升该时段网络整体可达率和换乘成功率为目的进行运输组织。以不同线路组合的网络延时运营方案为例，分析网络延时运营计划编制的难点，能够帮助运营管理部门制定更精细化、更契合夜间出行需求的延时运营方案，进而提升城市公共交通运营服务品质。