基于客流動態分配的高鐵列車開行方案評價方法

基于客流動態分配的高鐵列車開行方案評價方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于客流動態分配的高鐵列車開行方案評價方法，首先獲取高鐵旅客出行需求和出行費用參數；然后構造換乘網絡；通過對提前購票時間段和計劃出行時間段的劃分，將連續決策的客流分配過程轉變為離散分配過程，按照多階段同分布的客流分配方法將客流分配到列車上；最后根據列車區段的客流分配結果，采用列車客座率、旅客的出行時間偏差等指標對列車開行方案進行評價。本發明在不考慮擁擠現象的情況下進行高鐵列車上多階段客流分配，有效實現了先長途后短途的客流分配順序。本發明對列車開行方案的評價評價結果不僅準確可靠，而且十分快捷，對于優化高鐵列車開行方案、提高高鐵的運營效率都具有重要意義。
【專利說明】
基于客流動態分配的高鐵列車開行方案評價方法
技術領域
[0001] 本發明涉及高速鐵路領域，具體涉及基于客流動態分配的高鐵列車開行方案評價 方法。
【背景技術】
[0002] 鐵路網絡中列車上的客流分布狀況，是評價旅客列車運行方案實施效率的重要依 據。通常采用實際乘車客流分布來評價正在實施的旅客列車運行方案，但對于將要優化設 計的旅客列車運行方案，只能借助于客流分配手段生成列車上的客流分布來評價。由于客 流分配的效率和結果的合理性直接影響到旅客列車運行方案的優化水平，所以列車客流分 配方法一直是研究鐵路旅客列車運行方案優化的重要基礎研究課題之一。
[0003] 較早的列車客流分配方法幾乎沒有獨立的研究，通常運用于列車開行方案優化研 究中，這些研究基于給定的列車開行方案構造旅客換乘網絡，設計旅客的出行廣義費用，包 括票價支出、旅行時間和擁擠效應等，建立靜態用戶均衡分配模型或隨機用戶均衡分配模 型，將流量均衡地分配到列車運行區段上(參見史峰，鄧連波，黎新華，方琪根.客運專線相 關旅客列車開行方案研究[J].鐵道學報，2004，26(2): 16-20.)。城市公共交通客流分配與 高鐵客流分配非常類似，該領域具有大量的研究工作。Hamdouch等在時空網絡上構造旅客 行進至任意車站時的出行備選集，進而提出了綜合考慮到出發時間要求、嚴格能力約束及 時空優先原則下的基于時刻表的公交策略均衡分配模型（參見Hamdouch，Y.，Szeto，W. Y.， Jiang ,Y.,2014.A new schedule-based transit assignment model with travel strategies and supply uncertainties. Transportation Research Part B 67,35-67 · ) Aumalee等研究了包括座位分配過程的動態隨機交通分配模型（參見Sumalee ,A., Tana,Z.,Lam,ff.H.K.,2009.Dynamic stochastic transit assignment with explicit seat allocation model .Transportation Research Part B 43,895-912·)。上述的研究 文獻主要考慮了客流分配過程中的能力約束和時空優先特性，對于旅客購票的特性并沒有 給出研究分析，然而該特性在高速鐵路旅客的出行選擇中具有重要的影響，因此需要設計 一種適用于高速鐵路運輸網絡的客流分配方法。
[0004] 對于高鐵而言，為了保證服務水平，很多國家的高鐵一般都不會超過列車定員發 售車票，中國和歐洲高鐵列車甚至在售票時為所有旅客確定座位，列車上旅客全程對號入 座（只有在全年出行高峰時期，才出售很少量的無坐席車票）。因此，對于不超過列車定員出 售車票的高鐵而言，列車上是不會出現擁擠現象的。這些因素導致客流分配問題在高速鐵 路與普通鐵路之間存在明顯差異。高速鐵路與城市公共交通有一些類似特征，都具有固定 的運營線路和運營時刻表，車輛或列車的載客能力受限，旅客出行需求具有時變性。城市公 共交通的旅客出行行為還具有不確定性、時空優先、擁擠效應等特征，但這些特征在高速鐵 路中并不存在。由于高速鐵路與城市公共交通的組織形式和旅客出行行為的差異，使得公 交客流分配方法并不能直接照搬到高鐵客流分配中來。

【發明內容】

[0005] 本發明所要解決的技術問題是，克服以上【背景技術】中提到的不足和缺陷，提供一 種流程簡化、計算方便、效率高、評價結果準確可靠的基于客流動態分配的高鐵列車開行方 案評價方法。
[0006] 基于時刻表的高鐵客流分配問題通常考慮一天的運營時間，已知高鐵網絡上一天 內開行的全部高鐵列車和旅客出行O-D需求，列車上旅客數量受到列車席位數量嚴格能力 限制，客流分配過程中沒有擁擠效應。在購票過程中，旅客總是基于當前列車剩余能力選擇 最小費用出行方案購票，具有不同的提前購票時間和計劃出行時間的旅客可能具有不同的 出行費用。旅客購票過程可以描述為一個連續動態決策過程，它以提前購票時間和計劃出 行時間為連續動態決策變量，以最小出行費用為決策目標。基于這樣的特點和理念，本發明 提出了一種基于客流動態分配的高鐵列車開行方案評價方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1:獲取旅客出行需求參數、旅客出行費用參數；
[0008] 首先描述旅客出行需求參數與獲取方法;待評價的高鐵列車開行方案可以是過去 已經實施的、也可以是即將實施的高鐵列車開行方案;但不論是哪一種情形，列車開行方案 實施期的旅客出行需求都需要通過估計獲得；
[0009] 高鐵旅客出行需求表示為frs(x)，xG [ti，t2]，（r，s) eRS和
實中[ti，t2]為高鐵一天內的運營時間，ti = 6:00，t2 = 24:00; RS為需求的O-D對集;frs(X)為O-D對(r，s) e RS的出行需求關于計劃出行時間X e [ t，t2]的 強度分布函數;為了便于計算存儲期間，frs(x)優選采用等間隔階梯函數表示;將提前購票 時間段表示沃〇〗，￡<〇，_為最長預售天數；
[0010]通過鐵路售票系統獲取相應數據信息，根據數據信息統計待評價的高鐵列車開行 方案實施期前至少一年同期日均O-D需求量0?氣@41 日均高鐵旅客出行強度分布 函
[0011]獲取旅客出行費用參數;旅客出行費用參數包括列車單位里程票價率^"）、單位 時間價值W、車站V的換乘費用P(V);其中，以現有的列車票價率為依據獲取列車單位里程票 價率rp(T);通過政府公布的平均小時工資獲取單位時間價值w;根據車站V的規模確定車站 換乘費用P(V);
[0012] 上述根據車站V的規模確定車站換乘費用P(V)的具體方法優選為:將車站分為四 類，第一類為特大城市主要車站，第二類為省會級城市主要車站，第三類為地市級城市主要 車站，第四類為剩余其它車站，四類車站的換乘費用分別按照每小時的時間價值w的0.8、 1.0、1.2、1.4 倍確定。
[0013] 步驟2:描述旅客出行方案，構造旅客換乘網絡；
[0014] 將旅客出行方案化分為兩個階段，第一個階段是計劃出行時間X至第一次上車時 間，這個階段的出行方案稱為出行時間偏差方案;第二個階段是第一次上車時間至達到終 點站，這個階段的出行方案稱為換乘方案；
[0015] 為了確定最優換乘方案，下面構造換乘網絡；
[0016] 記列車開行方案實施期的高鐵網絡為(V，E)，其中V= {V1，V2，···，％}為車站集，E為 區間集;記待評價的高鐵列車開行方案Ω = {T=(Vt，At，Dt)}，其中：
為列車T的沿途停站序集，
為列車T沿途停站的到達時間序集，
為列車T沿途停站的發車時間序集;這里的待評價開行方案是列 車運行方案圖，不僅包括全部列車Te Ω的沿途停站、列車定員，還包括列車在各停站的到 達和出發時間，時間信息由列車運行方案圖獲得；
[0017] 根據待評價的列車開行方案Ω，構造旅客換乘網絡(K)，v為時空節點集，A為 時空弧集;時空節點集V包括全部列車Te Ω在沿途各站的到達和出發時空節點，還包括每 個車站s e V作為旅客出行終點的虛擬時空節點s~，即
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026] 由于時空弧集邊描述了旅客上車、通過、換乘、候車和到達等全部乘車環節，所以 O-D對(r，s)旅客的換乘方案可以描述為換乘網絡04^4》中從某個上車節點滅?至終點s~的 路徑，其中上車節點
并限制路徑上第一條弧為上車弧
反之亦然。
[0027]步驟3:確定換乘網絡費用和能力；
[0028] 由于旅客換乘方案與換乘網絡中路徑的對應關系，只要為〃€中的每一條弧 定義費用，并使弧費用等于相應乘車環節的旅客費用，換乘方案的費用等于上車節點if至 終點s~、第一條弧為上車弧的對應路徑的長度，進而最小費用換乘方案等于上車節點邊'至 終點s~、第一條弧為上車弧的最短路徑；
[0029] 對弓
吋應列車區段T(i，i+1)，其里程為|T(i，i+l) I，乘車時間 為-if ;由票價率心")得上車弧
：對應的票價為rP(T)|T(i，i + l)| ;由單位時 間價值w得上車弧對應的乘車時間價值，
費 用為

f應列車區段1'(1，1 + 1)，定義通過弧|^|',4;$}費用為 [0031 ]對于
對應車站的換乘時間〉
時間價值為
[0033] 對于?^) & 定義終到弧的費用為0;
[0034] 綜上所述，定義弧集中所有弧的費用如下：
[0036] 對于O-D對(r，s)之間的旅客，如果相繼換乘列車 ju)后到達終點，對應換乘網絡fKl中路徑的費用為
[0037]
[0038] 其彳
I路徑上全部弧上的時間價值之和；
[0039] 當旅客選擇第一次上車時間為時，最小費用換乘方案對應換乘P
3上
車節點至終點％、第一條弧為 ；的最短路徑，將這個最小費用換乘方案記
,記最小換乘費用為 g采用最短路搜索法可求t
和
[0040] 借助于單位時間價值w，確定提前出行單位費用0-和推遲出行單位費用Θ+為w的0.8 倍，即θ- = Θ+ = 〇 · 8w;當Q-D對(r，s)之間旅客的計劃出行時間為X時，需要選$

若提前出發，則選擇出行方案費用最小
,若推遲出發，則選擇出 行方案費用最小所以旅客最小費用出行方案選擇的最優上車 時間為
⑴；
[0042] 在換乘網絡(Ul的到達節點集K i<: I < E錢I Cl: ￥上，定義節點能力 為列車T的定員；其它節點和弧段的能力都沒有限制。
[0043] 步驟4:客流動態分配；
[0044] 客流分配按照階段k=l，2，···，γ依次進行;在階段k，需要分配的客流包括階段1， 2,…，k-Ι還未分配的客流和階段k需要分配的客流;在階段k< γ，完成需要分配客流量的α (0.5<α<1)倍時，停止本階段客流分配，開始新一個階段的客流分配;在階段k= γ，將所 有能夠分配的客流全部分配完畢為止;對于任一個分配階段，客流分配方法與γ =1的情形 相同，分配過程中，要求參與分配的全部O-D客流，按照等比例法則競爭剩余能力；
[0045] 所述步驟4中，在多階段客流分配的每一個分配階段，讓參與分配的全部O-D客流 按照等比例法則競爭剩余能力，其合理性及優勢如下：
[0046] 鐵路長途客票希望更多地賣給長途旅客，不被短途旅客肢解;盡管長途旅客通常 具有更強的計劃性，比旅途較短的旅客更早購票，但這仍然不夠;鐵路企業制定了里程限售 策略:優先出售長途客票;依據鐵路企業的里程限售策略，優選地將旅客購票過程分為多個 階段實施，根據出行距離的長度將客流安排在不同的階段進行分配，優先分配長途旅客;方 便敘述起見，記g rs(y)為O-D對(r，s)eRS的出行需求關于提前購票時間、的強度分 布函數；
[0047] 如果以兩階段進行分配，在第一階段，存在一個概率密度函數gl(y)，近似地假設 購票概率密度函數滿足
[0048]
[0049] 當O-D對(r，s)Gl^的旅客購票比率達到α(〇.5<α<1)時結束第一階段(記第一 階段結束時間為提前購票時間y a);
[0050] 在第二階段，存在一個概率密度函數g2(y)，購票概率密度函數滿足
[0051]
[0052]第二階段終止于全部購票過程結束時間；
[0053]在每一階段所分配的O-D客流關于提前購票時間始終具有同分布的假設，似乎有 些過于苛刻;其實，采用多階段客流分配后，將同一類里程的旅客關于提前購票時間的分布 作為相同分布，能夠體現先長途后短途的售票順序，與實際售票分布趨于一致，具有合理 性;另外，在客流分配過程中，具體的分布函數 gl(y)，g2(y)的形式、提前購票時段劃分節點 ya的值等信息均不需要直接使用。
[0054]步驟5:評價列車開行方案；
[0055] 先確定高鐵列車開行方案的評價指標包括列車客座率、旅客出行時間偏差中的至 少一個或多個；
[0056] 列車客座率是指列車平均每一個席位關于里程的利用率;旅客出行時間偏差是指 旅客計劃出行時間與實際上車時間之間的平均偏差，可以分為單個O-D對和全部O-D對進行 統計;具體的計算公式如下：
[0062] 根據上述步驟4中獲得的客流分配結果，再利用上述公式確定上述相應的評價指 標；由于客流分配的時間期限為一天，所以上述統計指標的時間期限也是一天。
[0063] 通過列車客座率LF評價列車開行方案的運行效益，客座率較低的列車開行方案運 行效益較差，客座率較高的列車開行方案運行效益高;優選的，所述列車客座率LF的評價指 標是分線路確定，在客流量大的線路，列車客座率LF不小于0.8;在客流量小的線路，除了早 晚班列車外，列車客座率LF不小于0.5。
[0064] 通過每個O-D對旅客的計劃出行時間與實際上車時間之間的平均出行時間偏差 ATD來評價列車開行方案對旅客時變需求的滿足程度，若平均出行時間偏差較小，則表示列 車開行方案的時間設置和旅客出行需求的時變性吻合較好，否則說明較差，需要調整。所述 平均出行時間偏差ATD-般優選不超過0.5h。
[0065] 上述的基于客流動態分配的高鐵列車開行方案評價方法，所述步驟1中，根據數據 信息優選統計待評價的高鐵列車開行方案實施期前i = l，2,3年同期日均O-D需求量
日均高鐵旅客出行強度分布函I^
[0066]獲取的所述日均O-D需求量為：
[0067]
[0068] 莊取的所怵R詢高鐵旎玄m桿強麼分亦通教為，
[0069]
[0070] 上述的基于客流動態分配的高鐵列車開行方案評價方法，優選的，所述步驟3中， 采用最短路搜索法確定最小出行費用換乘方案的具體過程包括：
[0071] 在換乘網絡(1%幻中，最小出行費用換乘方案對應路徑的第一條弧段 固定為所以只需要計算節點〇|"至％的最短路即可；由于是無圈網絡，所 以只要從節點s~開始，沿著弧的逆方向搜索所有節點if (:i CI玄即可。這是一 種基于無圈網絡的多點到一點的最短路搜索法，該最短路搜索法屬于現有方法，但我們首 次將其引入到本發明所屬的特定技術領域中。對于單個終點S?，這樣的最短路搜索法具有 關于弧數:Ml的線性復雜度。
[0072] 上述的基于客流動態分配的高鐵列車開行方案評價方法，優選的，所述步驟4中的 客流分配方法包括以下步驟4.1和步驟4.2，步驟4.1和步驟4.2中的O-D集RS、O-D客流f rs (X) 和列車區段的能力(Mi)均是特指該分配階段需要分配的O-D集、O-D客流和列車區段的能 力：
[0073]步驟4.1提前購票時間段與計劃出行時間段的劃分；
[0074]由于旅客購票時瞬間占用沿途列車區段的能力，所以旅客購票過程就是高鐵客流動 態分配過程;旅客購票是在提前購票時間段內的連續決策，由于僅當某一列車區段滿員時 供旅客選擇購票決策才會發生變化，由于列車區段總段i
是有限的，所以存在提前購票時間段泫甸最多為N個連續的購票時段劃分;在每個購票時 段，對于相同O-D對、相同計劃出行時間的旅客，他們具有相同的最小費用出行方案;提前購 票時間段的具體劃分方法已經融入了列車區段上客流分配過程(見步驟4.2);
[0075]對于第η = 0，1，··_個購票時段和任意O-D對(r，s)，由于車站s出發的列車總數Mr是有 限的，所以可將計劃出行時間段[^，t2 ]劃分為若干時間段

何計劃出行時間Xe [xrsnm，xr,s,n,m+1 ]，具有相同的最優上車時間 包就是說具有相同的最小費用換乘方_
[0076]步驟4.2列車區段上客流分配；
[0077]對于第η = 0，1，…個購票時段，在換乘網絡中，剔除滿員列車區段對應的到 達節點，求解全部最小費用換乘方案_
駐而求出劃分計 劃出行時間段[11，t2 ]，得Xrsnm，m = 0，1，…，Mr和愛纖物馬一:i .，計算
[0079] 其M
與節點4的關聯關系，若
取值為1，否則為〇;CT(i)為列車區段T(i-l，i)的能 力;Ft⑴為列車區段T(i-1，i)當前已經分配的客流量;κ Mr).、r ε璘c： V 表示能力未飽和的列車區段T (i -1，i)對應的列車到站sf時空節點集；
[0080] 若蟲(燙》> t 一124盔滅，則改記喊4 = 1 -??在《軟);
[0081] 由于本階段中所分配的O-D客流關于提前購票時間的分布函數是相同的，所以在 計劃出行時間1^_，11^,11,111+1]內，旅客出行需求量為
[0082]
[0083] 將客流量Frsnm按照換乘方進行全有全無分配，獲得η個購票時段內 通過節點的客流量的增量
[0084]
[0085] 疊加后獲得前η個購票時段內通過節點 的客流量(FT(0，i)=0)
[0086]
[0087] 如此循環執行上述步驟4.1和步驟4.2，當$時進入第n+1個購票時段， 當
吋終止;最終獲得全部列車區段T(i-l，i)上的客流量FT(i)=F T(n，i)。
[0088] 上述的基于客流動態分配的高鐵列車開行方案評價方法，更優選的:所述步驟4.1 中，在第η個購票時段和任意O-D對(r，s)，將計劃出行時間段[t^ts]劃分為若干時間段的具 體過程包括：
[0089] 在給定O-D對(r，s)之間存在有效最小費用出行方案的情況下，記車站r出發的全 體列車集為Qr={T|reV T，Te Ω }，任意給定根據劃分定義可知，若< 是某個劃分區間的共同最優上車時間，則由式(1)求解獲得，式(1)等價于下式：
[QAOAl (5)
[0091]
(6)
[0092] 方便敘述起見，記Ω r= {Tr(l)，Tr(2)，···，Tr(Mr)}，并簡記T r(k)在車站r的發車時 間為dk，滿足d1"1彡d k，l<k彡Mr;對于dk，l<k彡Mr，式(5)可改寫為：
[0093]
[0094] 對于k = 2，3，…，Mr，iE
，.表示計劃 出行時間為dk的旅客提前出發時的出行方案費用的最小值;可推出
[0095]
[0096] 令z (1) = °° ;
[0097] 上述遞推公式可在時間O(Mr)內求出所有的Zlk)，l<k<M r，由于式（5)等價于 一.....
，判斷其是否成立更簡單；
[0098] 對輸他.對干dk.Kk<Ai·.不禁忒(^彳可改寫為
[0099]
[0100] 對于k= 1，2，…，Mr-I，
S示計 劃出行時間為dk的旅客推遲出發時的出行方案費用的最小值;可推出
[0101]
[0102] 令 Z+(Mr) =①；
[0103] 上述遞推公式可在時間O(Mr)內求出所有的Z+(k)，KkSMr;由于式（6)等價于
.判斷其是否成立更簡單；
[0104] 因此，同時滿足
的dk便是某個劃分區 間的共同上車時間，按照時間順序排列可獲得
[01 05]對于Π1: (Xrn^iMr_2，由于Xr, s, n, m+l疋區間[Xrsnm，Xr, s, n, m+l ]和[Xr, s, n, m+1 ? Xr, s, n, m+2 ]的 劃分節點，所以Xr,s,n,m+1滿足以下等式
[0106]
[0110] 對于第η個購票時段和O-D對(r，s)，計劃出行時間的劃分方法的計算復雜度為0 (Mr)0
[0111] 舉例來說，例如圖3中有7趟列車，分別在時間％從車站r出發，任意 一趟列車均可直達或者通過換乘到達車站s，相應的最小費用換乘方案分別為
計劃出行時間段[tl，?2]被劃分為4個時間段[XrsnQ，Xrsnl]，[Xrsnl， Xrsn2 ]，[ Xrsn2，Xrsn3 ]，[ Xrsn3，Xrsn4]，心,％和分別是這4個時間段的最優上車時間。
[0112] 與現有技術相比，本發明的優點在于:針對高鐵旅客出行行為特征，在不考慮擁擠 現象的情況下進行高鐵列車上的客流分配;利用旅客購票瞬間占用沿途列車區段能力的特 點，將旅客購票決策過程描述成客流分配過程;旅客購票決策過程是一個連續決策過程，通 過劃分提前購票時間段和計劃出行時間段，將連續決策過程轉化為離散決策過程;構建了 高鐵列車換乘網絡，利用最短路搜索法快速求解旅客換乘方案;利用多階段客流分配，有效 實現了先長途后短途的客流分配順序；以客流分配結果為依據，直接計算開行方案的評價 指標，評價結果精準可靠;整個評價方法不僅與實際情況相吻合，而且還具有十分快捷的特 點，對于優化高鐵列車開行方案、提高高鐵的運營效率都具有重要意義。
【附圖說明】
[0113] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明 的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據 這些附圖獲得其他的附圖。
[0114] 圖1為2014年7月1日北京到上海的旅客關于計劃出行時間的強度分布函數示意 圖；
[0115] 圖2為本發明換乘網絡示意圖，包括網絡中的節點和弧段；
[0116] 圖3為本發明計劃出行時間劃分示意圖；
[0117] 圖4為本發明實施例中2014年7月1日中國高速鐵路網絡(包含部分既有線路）；
[0118] 圖5為本發明實施例中客流分配過程示意圖；
[0119] 圖6為本發明實施例中北京到上海列車客座率與列車平均停站間距的關聯關系示 意圖；
[0120] 圖7為本發明實施例中武漢到廣州列車客座率與列車平均停站間距的關聯關系示 意圖；
[0121 ]圖8為本發明實施例中關于平均出行時間偏差的流量分布示意圖；
[0122]圖9為本發明評價方法的工藝流程簡圖。
【具體實施方式】
[0123] 為了便于理解本發明，下文將結合說明書附圖和較佳的實施例對本發明作更全 面、細致地描述，但本發明的保護范圍并不限于以下具體的實施例。除非另有定義，下文中 所使用的所有專業術語與本領域技術人員通常理解的含義相同。本文中所使用的專業術語 只是為了描述具體實施例的目的，并不是旨在限制本發明的保護范圍。
[0124] 本發明基于客流動態分配的高鐵列車開行方案評價方法的具體實施步驟可概括 如下(參見圖9):
[0125] (1)獲取高鐵旅客出行需求參數以及出行費用參數；
[0126] (2)描述旅客出行方案，構造旅客換乘網絡；
[0127] (3)確定換乘網絡費用和能力；
[0128] (4)按照多階段進行客流分配，獲得列車區段客流量；
[0129] (5)根據列車的客流分配結果計算評價指標:列車客座率、旅客出行時間偏差，進 而評價列車開行方案。
[0130] 由上述步驟便可從記錄測試環境參數和需求參數開始，實現列車開行方案評價。
[0131] 本發明基于客流動態分配的高鐵列車開行方案評價方法，包括以下步驟：
[0132] 步驟1:獲取旅客出行需求參數、旅客出行費用參數；
[0133] 首先描述旅客出行需求參數與獲取方法：
[0134] 高鐵旅客出行需求表示為frs(x)，XG [ti，t2]，（r，s) eRS和 "(.FlF S II；0〗、、（r,S iSS，其中[，t2]為高鐵一天內的運營時間，h = 6:00，t2 = 24:00; RS為需求的O-D對集;frs(X)為O-D對(r，s) e RS的出行需求關于計劃出行時間X e [ t，t2]的 強度分布函數(例如圖1所示的北京到上海的旅客關于計劃出行時間的強度分布函數）；便 于計算存儲期間，f rs(x)采用等間隔階梯函數表示;將提前購票時間段表示為！：'<:◎， 擁!為最長預售天數；
[0135] 待評價的高鐵列車開行方案可以是過去已經實施的，也可以是即將實施的。不論 是哪一種情形，列車開行方案實施期的旅客出行需求都需要通過估計獲得。
[0136] 從鐵路售票系統中，統計待if價的高鐵列車開行方案實施期的前i = l，2,3年同期日均(H) 需求量C氣Cu) S愁 '日均高鐵旅客出行強度分布函芻
;
[0137] 獲得方案實施期的O-D需求I
[0138] 方案實施期日均高鐵旅客出行強度分布函數
[0139]
[0140] 其次描述旅客出行費用參數與獲取方法：
[0141] 以現有的列車票價率為依據，獲取票價率rP(T);以政府公布的平均小時工資獲取 單位時間價值W;以車站V的規模確定車站換乘費用P(V)，車站V分為4類，第一類為特大城市 主要車站，第二類為省會級城市主要車站，第三類為地市級城市主要車站，第四類為剩余的 其它車站，這四類車站的換乘費用P(V)分別按照每小時的時間價值w的0.8,1.0,1.2,1.4倍 計；
[0142] 步驟2:描述旅客出行方案，構造旅客換乘網絡；
[0143] 旅客出行方案分為2個階段，第一個階段是計劃出行時間X至第一次上車時間，這 個階段的出行方案稱為出行時間偏差方案;第二個階段是第一次上車時間至達到終點站， 這個階段的出行方案稱為換乘方案;為了確定最優換乘方案，下面構造換乘網絡；
[0144] 記列車開行方案實施期的高鐵網絡為(V，E)，其中V= {V1，V2，···，％}為車站集，E為 區間集;記待評價的列車開行方案〇={1=(￥^4^0〇}，其中
為列 車T的沿途停站序集，
為列車T沿途停站的到達時間序集，
為列車T沿途停站的發車時間序集;這里的待評價開行方案是列 車運行方案圖，不僅包括全部列車Te Ω的沿途停站、列車定員，還包括列車在各停站的到 達和出發時間均，時間信息由列車運行方案圖估計獲得；
[0145] 根據待評價的列車開行方案Ω，構造旅客換乘網絡為時空節點集，Λ為 時空弧集;時空節點集V包括全部列車Te Ω在沿途各站的到達和出發時空節點，還包括每 個車站s e V作為旅客出行終點的虛擬時空節點s~，即
[0146]
[0147]
[0148]
[0149]
[0150]
[0151]
[0152]
[0153]
[0154] 由于時空弧集戒描述了旅客上車、通過、換乘、候車和到達等全部乘車環節，所以 O-D對(r，s)旅客的換乘方案可以描述為換乘網絡Pi 中從某個上車節點至終點sc?的 路徑，其中上車節點滿足r ，并限制路徑上第一條弧為上車弧丨反 之亦然；
[0155] 按照上述方法構造的換乘網絡可參見圖2。
[0156]步驟3:確定換乘網絡費用和能力；
[0157] 由于旅客換乘方案與換乘網絡中路徑的對應關系，只要為4中的每一條弧 定義費用，并使弧費用等于相應乘車環節的旅客費用，換乘方案的費用等于上車節點Sf至 終點s~、第一條弧為上車弧的對應路徑的長度，進而最小費用換乘方案等于上車節點至 終點s~、第一條弧為上車弧的最短路徑；
[0158] 定義弧集滅中所有弧的費用如下：
[0159]
[0100] Z1-J J 、丄-，口j rrj/JDC食，yu木/Ι??Η??Χ木干 11、丄I，Jiy，12、丄2，….，Iu( iu，
ju)后到達終點，對應換乘網絡fR 中路徑的費用為
[0161；
[0162] 其中
：路徑上全部弧上的時間價值之和；
[0163] 當旅客選擇第一次上車時間為時，最小費用換乘方案對應換乘網絡
：中上 車節點至終點 >、第一條弧為上車5
的最短路徑，將這個最小費用換乘方案記
，記最小換乘費用戈
只要采用最短路搜索法可求出
和
[0164] 借助于單位時間價值w，確定提前出行單位費用0-和推遲出行單位費用Θ+為w的0.8 倍，即θ- = Θ. = 〇 · 8w;當O-D對(r，s)之間旅客的計劃出行時間為X時，需要選I
若提前出發，則選擇出行方案費用最小〖
若推遲出發，則選擇出 行方案費用最小
聽以旅客最小費用出行方案選擇的最優上車 時間為
[0165]
Cl)?
[0166] 在換乘網絡CIU4)的到達節點集K|l < I < Mr)，€ _ C； ￥上，定義節點能力 為列車T的定員；其它節點和弧段的能力都沒有限制；
[0167] 步驟4:客流動態分配；
[0168] 對于分配階段k = l，2，···，γ，n = 0,依次執行以下客流分配：
[0169] 步驟4.0分配階段k客流分配的數據準備；
[0170]記階段k待分配的O-D集為RS，〇-D客流為frs(x)，列車區段的剩余能力為CT(i);下 面進入分配階段k、購票時段η的客流分配：
[0171]步驟4.1提前購票時間段與計劃出行時間段的劃分；
[01721 在換垂網絡中，劇除滿員列車區段對應的到達節點，求解全部最小費用換 乘方：
[0173] 對于任意O-D對(r，s)，記車站r出發的全體列車集為Ω r= {Tr(l)，Tr(2)，…，Tr (Mr)}，并簡記Tr(k)在車站r的發車時間為ClSffiMdk-1Sd k1KkSMr:
[0174] 對于k = 2,3,…，M1
表示計劃 出行時間為dk的旅客提前出發時的出行方案費用的最小值。可推出
[0175；
[0176；
[0177； 劃出行時間為dk的旅客推遲出發時的出行方案費用的最小值;可推出
[0178]
[0179] 令 Zt(Mr) =①；

[0180] 同時I某個劃分區間的共 同上車時間，按
[0181 ]對于2,由于Xr,s,n,m+1是區間[ Xrsnm ? Xr, s, n, m+1 ]和[叉 r, s, n, m+1 ? Xr, s, n, m+2 ]的 劃分節點，所以Xr,s,n,m+1滿足以下等式
力;Ft⑴為列車區段T(i-1，i)當前已經分配的客流量凡=料IFyCG < CV熱I.? K 蝣 》 表示能力未飽和的列車區段T(i_l，i)對應的列車到站if時空節點集；
[0190]

[0191] 由于本階段中所分配的O-D客流關于提前購票時間的分布函數是相同的，所以在 計戈Ij出行V , ? rib 旁山步量為
[0192]
[0193] 將客流量Frsnm按照換乘方I
進行全有全無分配，獲得η個購票時段內 通過節點的客流量的增量
[0194]
[0195] 疊加后獲得前η個購票時段內通過節點_?$|的客流量(Ft (0，i) = 0)

[0199] 若k<y且 則n = n+l，返回步驟4.1;
[0200] 若k=y且 則n = n+l，返回步驟4.1;
[0201] 若k< 丫5 則階段k還未分配的客流參與下一階段分配，返回步驟 4.0；
[0202] 若k=y且 則獲得全部列車區段T(i_l，i)上的客流量F T(i)=FT(n， i)，結束客流分配；
[0203]步驟5:評價列車開行方案；
[0204] 列車開行方案的評價指標包括:列車客座率、旅客出行時間偏差；
[0205] 列車客座率是指列車平均每一個席位關于里程的利用率;旅客出行時間偏差是指 旅客計劃出行時間與實際上車時間之間的平均偏差，可以分為單個O-D對和全部O-D對進行 統計分析;具體的計算公式如下：
[0206] 列車客座率：
[0207] 借助于式(3')，計算單個O-D對的旅客出行時間偏差：
[0208]
(Sf5f);
[0209] 借助于式(V )，全部O-D對的旅客出行時間偏差：
[0210]
(#")?
[0211] 根據客流分配結果，利用上述公式便可計算出相應的評價指標；由于客流分配的 時間期限為一天，所以上述統計指標的時間期限也是一天。
[0212] 通過列車客座率LF評價列車開行方案的運行效益，客座率較低的列車開行方案運 行效益較差，客座率較高的列車開行方案運行效益高;客座率的評價標準應該分線路確定， 在客流量較大的線路，應不小于〇. 8;在客流量較小的線路，除了早晚班列車外，一般應不小 于O · 5。
[0213]通過每個O-D對旅客的計劃出行時間與實際上車時間之間的平均出行時間偏差TD (3〃）和ATD(4〃）來評價列車開行方案對旅客時變需求的滿足程度，若平均出行時間偏差較 小，則表示列車開行方案的時間設置和旅客出行需求的時變性吻合較好，否則說明較差，需 要調整。平均出行時間偏差應不超過0.5h。
[0214] 實施例：
[0215]按照以上所述的實施步驟，以中國高鐵網絡為例對本發明的評價方法進行具體說 明。
[0216] 1.獲取旅客出行需求參數、旅客出行費用參數，構建旅客換乘網絡：
[0217] 1.1旅客出行需求參數:基于2014年7月1日中國高鐵網絡，共計444個車站，966個 線路區段，如圖4所示。采用2014年日均客流量作為O-D需求q rs，（r，s) eRS，采用全年小時出 行概率分布作為當天的小時出行概率分布函數frs(x)/q rs。所有客流量關于O-D里程的分布 如下表1所示，客流總量為1876255人。 「02181 券1 .祐醫里程公右
[0220] 1.2旅客出行費用參數:車次以6、(：、0字開頭的列車票價率分別為0.45、0.43、0.4 元/公里;每小時時間價值為W = 30元/h。
[0221] 1.3構建旅客換乘網絡:采用2014年7月1日的中國高鐵列車運行圖，算例中實際使 用的列車共計2100列；構建換乘網絡(I 的節點數I V I = 30970，列車集Ω對應的列車區 段總:
[0222] 2.分兩階段進行客流分配，并利用分配結果對列車開行方案進行評價：
[0223] 2.1客流分配結果
[0224] 客流分配過程分兩個階段進行，第一階段將O-D里程大于1200公里的O-D客流等比 例優先分配，分配總流量的70%;第二個階段將第一階段剩余的30%流量和其它O-D(里程 不大于1200公里)所有流量等比例分配;客流分配過程耗時10分鐘，具體客流分配過程如圖 5所示。
[0225] 2.2列車開行方案的評價
[0226] 2.2.1列車客座率評價
[0227] 根據式(5)計算出每一列車的客座率，進而計算全部列車客座率的分布、指定線路 上全部列車客座率的分布如表2所示：
[0228] 表2:列車客座率分布情況
[0230] 占全部列車52.96%的列車客座率達到70%以上，說明整體列車運營效率較高;其 中，京滬線位于中國東部沿海發達地區、人口密集、客流量大，占全部列車70.54%的列車客 座率達到70%以上，也說明該線路是運輸能力較為緊張的主干線路;京哈-哈大線占全部列 車62%的客座率超過50%，京廣線占全部列車53.25%的客座率超過50%，這兩條線路都是 貫穿主要客流通道，因為當時部分線路段開通不久，運輸能力都有部分盈余，隨著運營時間 延長，預計客座率會快速提升；
[0231] 特別地，分析始發站和終到站分別為北京南和上海虹橋的列車客座率如圖6所示； 整點時間始發的列車客座率較高(實線凸起的部分），約90%以上，而且圖中的實線(列車客 座率)和虛線（列車停站平均間距）的整體變化趨勢極為相似;這是因為在整點始發的列車 停站平均間距較大，即列車運行過程中停站較少，全程用時較少；由于目前同等級列車的票 價不因停站多少而改變;并且，鐵路企業為了引導旅客的出行行為習慣，特意將停站次數較 少的列車安排在整點時刻始發，這就導致整點時刻始發的列車對應的出行方案費用較低， 旅客更愿意選擇這部分列車出行，因而列車客座率較高;但是，除了線路端點的大型客運站 之間外，上述的現象并不普遍存在；因為線路中間站的列車發車時間通常是被動設置的，受 列車通過時間的影響較大，如圖7所示，武漢和廣州南雖然都是大型客運站，由于武漢站處 于京廣線路的中段，所以圖6中的特點在圖7中并不顯著。
[0232] 2.2.2旅客平均出行時間偏差評價
[0233] 根據式(3〇和式(3〃）計算出每個O-D平均出行時間偏差，按照平均出行時間偏差 分類匯總得圖8;數據表明出行時間偏差在一個小時之內的流量將近90%，且有69.74%的 流量可以實現平均出行時間偏差不超過〇. 5h;
[0234] 根據式(V )和式(4〃）計算出所有旅客的平均出行時間偏差為27.36min，偏差在 〇.5h之內，可見列車開行方案較好地吻合了旅客出行需求的時變性。
【主權項】
1. 一種基于客流動態分配的高鐵列車開行方案評價方法，包括以下步驟： 步驟1:獲取旅客出行需求參數、旅客出行費用參數； 獲取旅客出行需求參數;將高鐵旅客出行需求表示為 中[七1山]為高鐵一天內的運營時間41 = 6:00山=24:00;1?為需求的0-0對集;^4為0-D對(r，s) eRS的出行需求關于計劃出行時間Xe [ti，t2]的分布函數； 通過鐵路售票系統獲取相應數據信息，根據數據信息統計待評價的高鐵列車開行方案 實施期前至少一年同期日均Ο-D需求量氣(V,s> S狡5、日均高鐵旅客出行強度分布函數 Ιβ?ΟΟ,Μ韻€薦，由此獲取旅客出行需求； 獲取旅客出行費用參數;旅客出行費用參數包括列車單位里程票價率&"）、單位時間 價值w、車站v的換乘費用P(v);其中，以現有的列車票價率為依據獲取列車單位里程票價率 rP(T);通過政府公布的平均小時工資獲取單位時間價值w;根據車站v的規模確定車站換乘 費用P(v); 步驟2:構建旅客出行方案，構造旅客換乘網絡； 將旅客出行方案化分為兩個階段，第一個階段是計劃出行時間X至第一次上車時間，這 個階段的出行方案稱為出行時間偏差方案;第二個階段是第一次上車時間至達到終點站， 這個階段的出行方案稱為換乘方案； 記列車開行方案實施期的高鐵網絡為(V，E)，其中V= {V1，V2，···，vh}為車站集，E為區間 集;記待評價的高鐵列車開行方案Ω ={T=(Vt，At，Dt)}，其中，巧、二為列 車T的沿途停站序集，％ …4 m)為列車T沿途停站的到達時間序集， A = 為列車τ沿途停站的發車時間序集； 根據待評價的高鐵列車開行方案Ω，構造旅客換乘網絡為時空節點集，為 時空弧集;時空節點集P包括全部列車Te Ω在沿途各站的到達和出發時空節點，還包括每 個車站s ev作為旅客出行終點的虛擬時空節點s~，即根據高鐵列車開行方案Ω，構造據此，0-D對(r，s)旅客的換乘方案確定為換乘網絡^ 4)中從某個上車節點df至終點s~ 的路徑，其中上車節點iff滿足并限制路徑上第一條弧為上車弧 步驟3:確定換乘網絡費用和能力； 為為中的每一條弧定義費用，并使弧費用等于相應乘車環節的旅客費用，換乘方案的 費用等于上車節點€至終點S?、第一條弧為上車弧的對應路徑的長度，進而最小費用換乘 方案等于上車節點藏至終點S?、第一條弧為上車弧的最短路徑； 定義弧集4中所有弧的費用如下：對于Ο-D對(r，s)之間的旅客，如果相繼換乘列車 到達終點，對應換乘網絡1?中路徑的費用為其中···· )是路徑上全部弧上的時間價值之和； 當旅客選擇第一次上車時間為#時，最小費用換乘方案對應換乘網絡中上車節 點€至終點 >、第一條弧為上車弧的最短路徑，將這個最小費用換乘方案記為 )，記最小換乘費用為;采用最短路搜索法即可得出和 借助于單位時間價值W，確定提前出行單位費用fT和推遲出行單位費用Θ+為w的0.8倍， 即r = 0+ = 0.8w;當ο-d對(r，s)之間旅客的計劃出行時間為X時，需要選擇《(r 若提 前出發，則選擇出行方案費用最小的#1? - + phoi，若推遲出發，則選擇出行方 案費用最小的所以旅客最小費用出行方案選擇的最優上車時間 為在換乘網絡的到達節點集bf|i <|玄Mrxr s辦)c： v上，定義節點能力為列 車τ的定員；其它節點和弧段的能力都沒有限制； 步驟4:客流動態分配； 客流分配按照階段k=l，2，···，γ依次進行；在階段k，需要分配的客流包括階段1， 2,…，k-Ι還未分配的客流和階段k需要分配的客流;在階段k< γ，完成需要分配客流量的α (0.5<α<1)倍時，停止本階段客流分配，開始新一個階段的客流分配;在階段k= γ，將所 有能夠分配的客流全部分配完畢為止;對于任一個分配階段，客流分配方法與γ =1的情形 相同，分配過程中，要求參與分配的全部Ο-D客流，按照等比例法則競爭剩余能力，得到客流 分配結果； 步驟5:評價列車開行方案； 先確定高鐵列車開行方案的評價指標包括列車客座率、旅客出行時間偏差中的至少一 個或多個； 列車客座率是指列車平均每一個席位關于里程的利用率;旅客出行時間偏差是指旅客 計劃出行時間與實際上車時間之間的平均偏差，可以分為單個Ο-D對和全部Ο-D對進行統 計;具體的計算公式如下：單個Ο-D對的旅客出行時間偏差：全部Ο-D對的旅客出行時間偏差：根據上述步驟4中獲得的客流分配結果，再利用上述公式確定上述相應的評價指標； 通過列車客座率LF評價列車開行方案的運行效益，客座率較低的列車開行方案運行效 益較差，客座率較高的列車開行方案運行效益高； 通過每個Ο-D對旅客的計劃出行時間與實際上車時間之間的平均出行時間偏差ATD來 評價列車開行方案對旅客時變需求的滿足程度，若平均出行時間偏差較小，則表示列車開 行方案的時間設置和旅客出行需求的時變性吻合較好，否則說明較差，則重新調整高鐵列 車開行方案。2. 根據權利要求1所述的基于客流動態分配的高鐵列車開行方案評價方法，其特征在于:所 述步驟1中，根據數據信息統計待評價的高鐵列車開行方案實施期前i = 1，2，3年同期日均0-D 需求量fts>4>x嶺ε燃、.日均尚鐵旅客出行強度分布函數(蛛純崎 獲取的所述日均Ο-D需求量為獲取的所述日均高鐵旅客出行強度分布函數為：3. 根據權利要求1所述的基于客流動態分配的高鐵列車開行方案評價方法，其特征在 于:所述步驟1中，根據車站ν的規模確定車站換乘費用p(v)的具體方法為：將車站分為四 類，第一類為特大城市主要車站，第二類為省會級城市主要車站，第三類為地市級城市主要 車站，第四類為剩余其它車站，四類車站的換乘費用分別按照每小時的時間價值w的0.8、 1.0、1.2、1.4 倍確定。4. 根據權利要求1所述的基于客流動態分配的高鐵列車開行方案評價方法，其特征在 于:所述步驟3中，采用最短路搜索法確定最小出行費用換乘方案的具體過程包括： 在換乘網絡中，最小出行費用換乘方案.對應路徑的第一條弧段固定為 (聲4^>，即計算節點至如的最短路即可；由于!>%·是無圈網絡，從節點Sc"開始，沿著 弧的逆方向搜索所有節點議『(i <《即可。5. 根據權利要求1-4中任一項所述的基于客流動態分配的高鐵列車開行方案評價方 法，其特征在于:所述步驟4中，所述客流分配方法具體包括以下操作步驟： 步驟4.1:提前購票時間段與計劃出行時間段的劃分； 將提前購票時間段表示齡_，€<紙_|為最長預售天數； 旅客購票過程就是高鐵客流動態分配過程;旅客購票是在提前購票時間段漢辦內的連 續決策，存在提前購票時間段〖Mii最多為n個連續的購票時段劃分;在每個購票時段，對于 相同o-d對、相同計劃出行時間的旅客，具有相同的最小費用出行方案； 對于第η = 0，1，…個購票時段和任意Ο-D對(r，s)，將計劃出行時間段劃分為若 干時間段:t對于任何計劃出行時間Xe [Xrsnm，Xr, s, n, m+l ]，具有相冋的取優上車時間丨::，即具有相冋的取小 費用換乘方案 步驟4.2:列車區段上客流分配； 對于第η = 0，1，…個購票時段，在換乘網絡中，剔除滿員列車區段對應的到達節 點，求解全部最小費用換乘方案€狄教;治€燃，進而求出劃分計劃出 行時間段[tl，t2]，得Xrsnm，m = 0,1，…，魏爐縱滅5··. - :!，計算其中表示路徑^這^馬節點蛘的關聯關系，若通 過<則輕巧取值為1，否則為0;CT⑴為列車區段T(i-l，i)的能力;Ft⑴為列車 區段T( i-1，i)當前已經分配的客流量；I = t :玄轉CT夢 表示能力未飽和的列車區段T(i-l，i)對應的列車到站時空節點集；由于本階段中所分配的Ο-D客流關于提前購票時間的分布函數是相同的，所以在計劃 出行時間[Xrsnm，Xr,s,n,m+l]內，旅客出行需求量為將客流量Fr_按照換乘方案進行全有全無分配，獲得η個購票時段內通過 節點af的客流量的增量疊加后獲得前η個購票時段內通過節點的客流量(FT(0，i)=0)循環執行上述步驟4.1和步驟4.2,當1時進入第n + 1個購票時段，當 復時終止;最終獲得全部列車區段T( i_l，i)上的客流量FT(i) =FT(n，i)。6.根據權利要求5所述的基于客流動態分配的高鐵列車開行方案評價方法，其特征在 于:所述步驟4.1中，在第η個購票時段和任意Ο-D對(r，s)，將計劃出行時間段[t^ts]劃分為 若干時間段的具體過程包括： 在給定Ο-D對(r，s)之間存在有效最小費用出行方案的情況下，記車站r出發的全體列 車集為01={!^(1)，1^(2)，一，1^(1〇}，并簡記1^(1〇在車站4勺發車時間為(11%滿足(^ 1彡(11% Kk^Mr； 對于k = 2，3，…，Mr，記= 參1# - 4. 修.<:.略表示計劃出行 時間為dk的旅客提前出發時的出行方案費用的最小值;可推出令 z-(l) = °°; 對于k= 1，2，…，Mr-1，記f> 略表示計劃出 行時間為dk的旅客推遲出發時的出行方案費用的最小值;可推出令 Z+(Mr) =①； 同時滿足<^(句:和輯5Γ(#)丨< f (衫的dk便是某個劃分區間的共同上 車時間，按照時間順序排列可獲得m < μ5、> 0- ^ e SS; 對于HI: (Xffl^iMr_2，由于Xr, s, n, m+l是區間[Xrsnm，Xr, s, n, m+l ]和[Xr, s, n, m+1 j Xr, s, n, m+2 ]的劃分 節點，所以Xr,s,n,m+li兩足以下等式對于第η個購票時段和Ο-D對(r，s)，計劃出行時間的劃分方法的計算復雜度為0(Mr)。7.根據權利要求1-4中任一項所述的基于客流動態分配的高鐵列車開行方案評價方 法，其特征在于： 所述列車客座率LF的評價指標是分線路確定，在客流量大的線路，列車客座率LF不小 于0.8;在客流量小的線路，除了早晚班列車外，列車客座率LF不小于0.5;所述平均出行時 間偏差ATD不超過0.5h。
【文檔編號】G06Q50/30GK106056242SQ201610361481
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月25日
【發明人】史峰, 蘇煥銀, 周文梁, 秦進, 鄧連波
【申請人】中南大學