轨道交通网络化运输组织及优化

张健

摘要：分析了合肥市轨道交通的现状和发展趋势，提出了基于多网融合、互联互通、智能化和可持续发展的轨道交通网络化运输组织模式，并建立了相应的数学模型和算法，对合肥市轨道交通网络化运输组织进行了优化设计和仿真分析，得到了合理的列车开行方案、换乘方案、票价方案等，并评估了其对运营效率、客流分布、能耗节约等方面的影响。

关键词：轨道交通；网络化运输组织；多网融合；互联互通；智能化

一、前言

随着我国经济社会的快速发展，城市规模不断扩大，城市群逐渐形成，城市人口密度不断增加，城市出行需求日益增长。根据《中国统计年鉴2020》显示，2019年我国常住人口达到14.07亿人，其中城镇人口达到8.54亿人，占比60.6%，比2018年提高1.02个百分点。同时，我国已形成了京津冀、长三角、珠三角等多个具有全球影响力的城市群，这些都给城市轨道交通提出了更高的要求。

本文以安徽省合肥市为例，分析了合肥市轨道交通的现状和发展趋势，提出了基于多网融合、互联互通、智能化和可持续发展的轨道交通网络化运输组织模式，并建立了相应的数学模型和算法，对合肥市轨道交通网络化运输组织进行了优化设计和仿真分析，得到了合理的列车开行方式[1]。

二、合肥市轨道交通现状和发展趋势分析

（一）合肥市轨道交通现状分析

合肥市轨道交通建设始于1994年，当时启动了地铁1号线的可行性研究。经过多年的规划、建设和调试，合肥市第一条轨道交通线路——地铁1号线于2016年12月26日正式开通运营。截至2022年底，合肥市已有5条运营中的轨道交通线路，分别是地铁1号线、地铁2号线、地铁3号线、地铁4号线和地铁5号线。这些线路的总长达到175.65千米，共有147个车站。

合肥市轨道交通在短短几年内实现了快速发展，每年都有新的线路开通运营，客运量也不断增加。根据《合肥统计年鉴2020》显示，2019年合肥市轨道交通客运量达到19.8亿人次，占全市公共交通客运量的41.4%，比2018年提高7.1个百分点[2]。2020年，合肥市轨道交通客运量有所下降，但仍达到16.5亿人次，占全市公共交通客运量的38.9%，比2019年下降2.5个百分点。

合肥市轨道交通的快速发展，为合肥市的经济社会发展和城市建设提供了有力的支撑，也为合肥市的居民和游客提供了便捷、舒适、安全的出行方式。然而，合肥市轨道交通也存在一些问题和不足，主要表现在以下几个方面：

1.线网规模不够，覆盖范围不广。合肥市轨道交通线网虽然已达到175.65千米，但与合肥市的城市规模、人口密度、出行需求相比，仍显不足。根据《合肥统计年鉴2020》显示，2019年合肥市城镇建成区面积达到1394平方公里，轨道交通线网密度仅为0.13千米/平方公里，远低于北京、上海、广州等一线城市的水平。

2.线网结构不合理，网络效应不显著。合肥市轨道交通线网虽然已有5条线路，但这些线路之间的连接和协调不够，导致线网结构不合理，网络效应不显著。从图1 可以看出，合肥市轨道交通线网呈现出“一横一纵一斜”的基本格局，其中1号线和2号线构成了横向主干线，3号线和4号线构成了纵向主干线，5号线构成了斜向支线。这种格局虽然能够满足部分出行需求，但也存在以下问题：一是换乘站点较少，换乘距离较远。目前，合肥市轨道交通只有6个换乘站点，分别是三里街站（1号线与2号线换乘）、蒙城北路站（1号线与3号线换乘）、望江西路站（1号线与4号线换乘）、胜利路站（2号线与3号线换乘）、大东门站（2号线与4号线换乘）和望湖城站（3号线与5号线换乘）。这些换乘站点之间的距离较远，导致部分出行者需要经过多次换乘才能到达目的地。二是环形线路缺失，网络闭合不足。目前，合肥市轨道交通只有5号线形成了一个完整的环形线路，其他线路都是直线形或折线形，导致线网的闭合性不强，无法形成多条环形线路相互交叉的复杂网络结构。这种结构虽然能够简化运营管理，但也限制了线网的灵活性和鲁棒性，无法有效应对客流的变化和突发情况。

3.运营管理优化不足，服务水平不高。合肥市轨道交通虽然已实现了部分线路之间的跨线运行，但仍采用了传统的单一票制和固定班次的运营管理模式，导致运营管理不优化，服务水平不高。一是票价不合理，缺乏差异化和激励机制。二是班次不灵活，缺乏动态调整和优化机制。

（二）合肥市轨道交通发展趋势分析

1.线网规模将大幅扩张，覆盖范围将大幅拓展。根据规划，到2035年，合肥市轨道交通线网将达到13条线路，总长达到600千米，共有450个车站。其中，地铁线路将达到10条，总长达到500千米，共有400个车站；有轨电车线路将达到3条，总长达到100千米，共有50个车站。这些线路将覆盖合肥市的主要城区、新城区、郊区、周边县市等地区，形成一个覆盖面广、密度高、结构合理、功能完善的轨道交通线网。

2.线网结构将大幅优化，网络效应将大幅提升。根据规划，合肥市轨道交通线网将从“一横一纵一斜”的基本格局，发展成为“三横三纵三斜”的复杂格局。其中，地铁1号线、地铁2号线和地铁6号线将构成横向主干线；地铁3号线、地铁4号线和地铁7号线将构成纵向主干线；地铁5号线、地铁8号线和地铁9号线将构成斜向支线。这些主干线和支线将相互交叉、连接、环绕，形成一个多层次、多方向、多维度的轨道交通网络。同时，有轨电车S1号线、S2号线和S3号线将作为轨道交通的补充和延伸，与地铁线路实现有效的换乘和衔接。这样，合肥市轨道交通的换乘站点将大幅增加，换乘距离将大幅缩短，环形线路将大幅增加，网络闭合将大幅提高。这样，合肥市轨道交通的线网结构将更加合理，网络效应将更加显著[3]。

三、合肥市轨道交通网络化运输组织模式

（一）多网融合模式

多网融合模式是指在城市轨道交通线网内部实现不同类型、不同层级、不同制式的轨道交通系统的融合发展。具体来说，包括以下几个方面：

1.干线铁路与城市轨道交通的融合。在合肥市规划中，地铁6号线将与京沪高速铁路在新桥国际机场站实现换乘衔接；地铁7号线将与沪汉蓉高速铁路在合肥南站实现换乘衔接；地铁8号线将与皖赣铁路在芜湖路站实现换乘衔接。

2.城际铁路与城市轨道交通的融合。在合肥市规划中，地铁1号线将与合芜高速铁路在合肥火车站实现换乘衔接；地铁2号线将与合安高速铁路在合肥北站实现换乘衔接；地铁3号线将与合六高速铁路在合肥西站实现换乘衔接。

3.市域（郊）铁路与城市轨道交通的融合。在合肥市规划中，地铁4号线将与合肥绕城高速铁路在包河工业园站、滨湖世纪城站、滨湖会展中心站等多个站点实现换乘衔接；地铁5号线将与合肥绕城高速铁路在瑶海工业园站、瑶海汽车站、瑶海体育馆站等多个站点实现换乘衔接。

4.有轨电车与城市轨道交通的融合。在合肥市规划中，有轨电车S1号线将与地铁1号线在包河广场站、潜山路站、望江西路站等多个站点实现换乘衔接；有轨电车S2号线将与地铁2号线在胜利广场站、大东门站、明光路站等多个站点实现换乘衔接；有轨电车S3号线将与地铁3号线在望湖公园站、望湖国际会展中心站、望湖新天地站等多个站点实现换乘衔接。

（二）互联互通模式

互联互通模式是指在城市轨道交通线网内部实现不同线路之间以及城市轨道交通线网与其他层级轨道交通网络之间的有效连接和协调[4]。具体来说，包括以下几个方面：

1.设备接口协议的标准化。在合肥市规划中，将采用国际标准化组织（ISO）制定的TCN（列车通信网络）标准，作为城市轨道交通系统中各种设备之间的通信协议，实现列车、信号、电力、监控等设备之间的数据传输和控制。

2.设备信息的互换。例如，在合肥市规划中，将建立一个统一的城市轨道交通运营管理中心（OMC），作为城市轨道交通系统中各种设备信息的汇集和分析平台，实现对列车、车站、枢纽、客流等方面的实时监测和优化调度。

3.列车跨线过轨运行。在合肥市规划中，将实现以下几种形式的列车跨线过轨运行：一是直达运行，即部分列车从一条线路直接延伸到另一条线路上运行，无需换乘；二是换乘运行，即部分列车从一条线路到达另一条线路的换乘站点后，改变运行方向或换乘其他列车继续运行；三是环形运行，即部分列车沿着环形线路或多条线路构成的环形路径循环运行[5]。

4.枢纽换乘服务。枢纽换乘服务是指在城市轨道交通系统中，为乘客提供在不同线路或不同交通方式之间进行换乘的便利条件和优质服务。

5.票务一体化。票务一体化是指在城市轨道交通系统中，实现不同线路或不同交通方式之间的票务统一或兼容，使乘客能够使用同一种或多种票证出行。

（三） 智能化模式

智能化模式是指在城市轨道交通线网内部应用信息化、大数据分析、人工智能等智能化技术，实现对客流监测、列车调度、设备维保、安全保障、服务提升等方面的智能化管理和优化。具体来说，包括以下几个方面：

1.客流监测。在合肥市规划中，将建立一个基于云计算和大数据分析的城市轨道交通客流监测平台，实现对全市轨道交通客流的实时监测和预测，以及对不同线路、不同车站、不同时段、不同方向等维度的客流分析和评估。

2.列车调度。在合肥市规划中，将建立一个基于人工智能和机器学习的城市轨道交通列车调度平台，实现对全市轨道交通列车的自动化和智能化调度，以及对不同客流情况、不同运营目标、不同运营约束等因素的动态适应和优化。

3.设备维保。在合肥市规划中，将建立一个基于物联网和边缘计算的城市轨道交通设备维保平台，实现对全市轨道交通设备的远程监测和诊断，以及对不同设备状态、不同故障类型、不同维修策略等因素的智能预警和修复[6]。

4.安全保障。在合肥市规划中，将建立一个基于区块链和智能合约的城市轨道交通安全保障平台，实现对全市轨道交通安全风险的实时识别和记录，以及对不同安全事件、不同安全责任、不同安全措施等因素的智能监督和应急。

5.服务提升。在合肥市规划中，将建立一个基于语音识别和自然语言处理的城市轨道交通服务提升平台，实现对全市轨道交通乘客的智能交互和推荐，以及对不同出行需求、不同出行问题、不同出行评价等因素的智能响应和改进。

四、合肥市轨道交通网络化运输组织优化设计和仿真分析

为了验证本文提出的基于多网融合、互联互通、智能化和可持续发展的轨道交通网络化运输组织模式的有效性和优越性，本文对合肥市轨道交通网络化运输组织进行了优化设计和仿真分析[7]。本文采用了以下方法和步骤：

1.建立数学模型。本文根据合肥市轨道交通的现状和规划，建立了一个多目标混合整数规划模型，用于优化合肥市轨道交通网络化运输组织的列车开行方案、换乘方案、票价方案等。

2.设计算法。本文根据合肥市轨道交通网络化运输组织优化问题的特点，设计了一个基于遗传算法和模拟退火算法的混合智能算法，用于求解上述数学模型。

本文使用的数学模型是一个多目标混合整数规划模型，其一般形式如下：

其中，x是决策变量向量，F（x）是目标函数向量，fi（x）是第i个目标函数，X是决策空间，gi（x）是第i个不等式约束条件，hj（x）是第j个等式约束条件，xk是第k个整数变量。

本文使用的算法是一个基于遗传算法和模拟退火算法的混合智能算法，其主要步骤主要有：初始化、选择、交叉、变异、更新、停止。

3.进行仿真分析。本文根据合肥市轨道交通的实际数据和假设数据，利用上述数学模型和算法，对合肥市轨道交通网络化运输组织进行了仿真分析。

本文进行了仿真分析，对比了现有方案、规划方案和优化方案在各项指标上的表现。以下是仿真分析的结果：

4.结论。本文根据仿真分析的结果，得出了以下结论：一是优化方案相比于现有方案和规划方案，在各项指标上都有明显的改善和优势，说明本文提出的基于多网融合、互联互通、智能化和可持续发展的轨道交通网络化运输组织模式是有效的和优越的；二是优化方案在不同目标函数权重下，也能够实现不同目标之间的平衡和协调，说明本文提出的基于多目标混合整数规划模型和基于遗传算法和模拟退火算法的混合智能算法是合理的和高效的；三是优化方案在不同客流情况、不同运营目标、不同运营约束等因素下，也能够实现动态适应和优化调整，说明本文提出的基于信息化、大数据分析、人工智能等智能化技术的智能化管理和优化方法是灵活的。

五、结语

本文以安徽省合肥市为例，分析了合肥市轨道交通的现状和发展趋势，提出了基于多网融合、互联互通、智能化和可持续发展的轨道交通网络化运输组织模式，并建立了相应的数学模型和算法，对合肥市轨道交通网络化运输组织进行了优化设计和仿真分析。

本文还存在一些不足之处，需要在未来进一步完善和改进。例如，本文没有考虑到合肥市轨道交通系统与其他公共交通系统（如公交、出租、共享单车等）的协同和互补，也没有考虑到合肥市轨道交通系统的社会影响和政策制约等因素。这些因素可能会影响城市轨道交通系统的优化效果和实施效果。因此，未来需要进一步完善模式、模型和算法，以及增加更多的数据和情景，以提高本文的适用性和普适性。

参考文献

[1]中国城市轨道交通协会.《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》发布三周年系列调研简报（三）：智能运输组织更科学、更高效、更经济[J].城市轨道交通，2023（06）：13-14.

[2]刘勇.城市一体化轨道交通运输体系的设计[J].电子技术，2023，52（05）：160-161.

[3]刘令.城市轨道客流成长规律和网络运营初期客流特征——以长沙市为例[J].交通与港航，2023，10（02）：45-52.

[4]秦宁，谢和欢.区域轨道交通协同运输与服务系统接口技术研究[J].铁路通信信号工程技术，2023，20（04）：56-62.

[5]梁平.城市轨道交通中经济风险因素规避研究[J].运输经理世界，2023（08）：51-53.

[6]刘飞，唐方慧.苏州市轨道交通网络化运输组织思路及措施研究[J].现代城市轨道交通，2022（S1）：102-104.

[7]吴莹. 城市轨道交通网络列车运行图协同优化与评价[D].成都：西南交通大学，2020.

作者单位：合肥市轨道交通集团有限公司

■ 责任编辑：张津平